1.3發(fā)酵工程及其應用

青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素，早期只能從青霉菌中提取少量青霉素，價格貴如金。

隨著高產菌種的選育、發(fā)酵技術的發(fā)展等，青霉素步入了產業(yè)化生產的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要一元左右。發(fā)酵工程

什么是發(fā)酵工程？發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)有哪些？發(fā)酵工程能生產哪些產品呢？從生活中來那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產的呢？微生物純培養(yǎng)技術的建立密閉式發(fā)酵罐的成功設計人們對發(fā)酵原理的認識發(fā)酵工程發(fā)酵工程的形成和概念人們利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術，規(guī)?；a對人類有用的產品。配置培養(yǎng)基選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)（1）目的：獲得__________________性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來源：（3）實例：①篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸；②使用基因工程改造的啤酒酵母生產啤酒，加速發(fā)酵、縮短生產周期。產檸檬酸量高的黑曲霉基因工程改造的啤酒酵母1.選育菌種①自然界中篩選

②誘變育種③基因工程育種2.擴大培養(yǎng)擴大培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵罐體積幾十~幾百m3幾~幾十m3接入的菌種總體積思考:怎樣對菌種進行擴大培養(yǎng)？將培養(yǎng)到增長速率最快時期的菌體分開，再進行培養(yǎng)。（1）目的:

（2）原因：（3）擴大培養(yǎng)的培養(yǎng)基：

獲得更多的菌種工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般較大，因此，需要接入的菌種總體積大（數(shù)目多）。

一般為液體培養(yǎng)基3.配制培養(yǎng)基配置原則：營養(yǎng)構成：注意：配置的培養(yǎng)基要經過反復試驗才能大規(guī)模應用。目的明確、營養(yǎng)協(xié)調、PH適宜。原因：實例：發(fā)酵工程中所用的菌種大多數(shù)是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設備都必須經過嚴格的滅菌。水、無機鹽、碳源、氮源4.滅菌在青霉素生產過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。5.接種將擴大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中。6.發(fā)酵罐內發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）了解發(fā)酵進程：隨時檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產物的濃度等，以了解發(fā)酵進程。（2）嚴格控制發(fā)酵條件：及時添加必需的營養(yǎng)組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。（3）不同發(fā)酵條件的影響實例：谷氨酸發(fā)酵①在_______和

條件下會積累谷氨酸；②在_______條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；中性弱堿性酸性谷氨酸棒狀桿菌原因：①環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；

②嚴格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質的加入口觀察孔取樣管電動機排氣管pH計冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口閥門放料管抽取樣本進行檢測調節(jié)罐溫（放氣）調節(jié)罐壓使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快O2的溶解以及散熱控制溶解氧電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進入口裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養(yǎng)物以一定速度進入、流出發(fā)酵罐，實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過程，B2處抽取樣品進一步檢測通過控制冷水流速調節(jié)罐溫調節(jié)罐壓電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱發(fā)酵條件包括溫度、pH、溶解氧、通氣量(4)發(fā)酵條件及相應的調節(jié)和控制方法：③需氧型：

厭氧型：①溫度：②pH：PH變化主要原因：

培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用和代謝產物的積累。溫度升高原因：微生物分解有機物釋放的能量；機械攪拌也會產生一部分熱量。6.發(fā)酵罐內發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)通過向冷卻夾層通入冷水來調控；在培養(yǎng)基中加入緩沖液，在發(fā)酵過程中加酸或堿；通過空氣入口通入空氣，并調整攪拌葉輪轉速增加溶解氧。需封閉空氣入口，建立厭氧環(huán)境等。7.分離、提純產物

（1）如果發(fā)酵產品是微生物細胞本身，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。

（2）如果產品是代謝物，可根據(jù)產物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產品。8.獲得產品1.下列關于微生物發(fā)酵過程的說法，正確的是(

)A．菌種選育、擴大培養(yǎng)及配制培養(yǎng)基和滅菌是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)B．只要不斷地向發(fā)酵罐中通入液體培養(yǎng)基，就能保證發(fā)酵的正常進行C．在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中，發(fā)酵條件會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑D．在發(fā)酵過程中，要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發(fā)酵條件，不需添加營養(yǎng)組分C

C

【現(xiàn)學現(xiàn)用】2.發(fā)酵工程的內容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產品的分離提純等方面。下列關于發(fā)酵工程的認識錯誤的是(

)A.發(fā)酵工程具有條件溫和、產物單一、污染小的特點B.發(fā)酵工程的產品包括微生物的代謝產物和菌體本身C.通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧和pH等D.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵D3.某高校采用如圖所示的發(fā)酵罐進行葡萄酒發(fā)酵過程的研究。下列敘述正確的是（

）A.為加快發(fā)酵速度，應使發(fā)酵液保持35℃的恒溫B.給發(fā)酵罐適時排氣，后期可縮短排氣間隔時間C.可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定

何時終止發(fā)酵D.若定期對培養(yǎng)液中酵母菌進行計數(shù)，只能采用

稀釋涂布平板法C①產物專一②生產條件溫和③原料來源豐富且價格低廉④廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點①在食品工業(yè)上的應用②在醫(yī)藥工業(yè)上的應用③在農牧業(yè)上的應用④在其他方面的應用發(fā)酵工程的應用二、發(fā)酵工程的應用培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質的加入口觀察孔取樣管電動機排氣管pH計冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口閥門放料管①醬油的生產②各種酒類的生產醬油大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸

淋洗、調制谷物或水果釀酒酵母各種酒類1.在食品工業(yè)上的應用（1）生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品2025/3/21啤酒的工業(yè)化生產流程發(fā)芽12焙烤3碾磨4糖化大麥水糖化罐大麥種子發(fā)芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿?！舅伎?/p>

討論】蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長它的保存期。過濾、調節(jié)、分裝啤酒進行出售。糖漿啤酒花過濾冷卻裝瓶裝罐儲存罐發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止加啤酒花冷卻接種過濾主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間，形成澄清、成熟的啤酒。1.在食品工業(yè)上的應用增加食物的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期。（2）生產各種各樣的食品添加劑①食品添加劑的作用：實例1：檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調節(jié)劑；可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得。實例2：味精由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經過一系列處理就能制成味精。添加了檸檬酸的飲料添加劑類型舉例酸度調節(jié)劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶（3）生產酶制劑①常見酶制劑②酶制劑應用食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品品質和口味、延長儲存期和提高產量等；③酶制劑來源少數(shù)由動植物生產；絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產；α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應用①利用基因工程將動植物基因轉移至微生物細胞中，通過發(fā)酵技術大量生產所需產品。運用基因工程可以將動植物的基因轉移到微生物中，獲得具有特殊生產能力的微生物，大量生產人們所需要的產品，如人胰島素、干擾素等。②直接對菌種進行改造，通過發(fā)酵技術大量生產所需產品。生長激素釋放抑制激素抑制生長激素的不適宜分泌治療肢端肥大癥50萬個羊腦提取生長激素釋放抑制激素5mg7.5L培養(yǎng)液提取生長激素釋放抑制激素5mg③利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉移至微生物中，通過發(fā)酵技術大量獲得疫苗。乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌生產乙型肝炎病毒的抗原疫苗④未來還可能利用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物。紫杉醇：具有高抗癌活性，現(xiàn)已廣泛用于乳腺癌等癌癥的治療。3.在農牧業(yè)上的應用（1）生產微生物肥料①利用微生物在代謝過程中產生的有機酸、生活活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長，如：根瘤菌肥、固氮菌肥。②有的微生物肥料還可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發(fā)生。

蘇云金桿菌的防蟲原理是其菌株可產生內毒素（伴胞晶體）和外毒素兩類毒素，使害蟲停止取食，害蟲均因饑餓、血液敗壞和神經中毒而死

白僵菌是一種子囊菌類的蟲生真菌，可釋放相應物質可引起昆蟲中毒，打亂新陳代謝以致死亡。

當水稻紋枯病菌的菌絲接觸到井岡霉素，能很快被菌體細胞吸收并在菌體內傳導，干擾和抑制菌體細胞正常生長發(fā)育,從而起到防治作用。（2）生產微生物農藥利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。例如：①利用蘇云金桿菌防治80多種農林蟲害②利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲③一種放線菌產生的抗生素-井岡霉素可防治水稻枯紋病。微生物農藥防治和化學農藥防治的比較項目微生物農藥防治化學農藥防治防治機理優(yōu)點缺點利用微生物或代謝物進行防治成本低、無污染，可以維持生態(tài)平衡防治速度慢利用化學藥劑（如殺蟲劑、殺鼠劑）等進行防治見效快，操作簡單成本高，污染環(huán)境，不利于維持生態(tài)平衡（3）生產微生物飼料微生物含有豐富的蛋白質，如細菌的蛋白質含量占細胞干重的60%?80%，而且細菌生長繁殖速度很快。①單細胞蛋白：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體。Ⅰ.用酵母菌生產的單細胞蛋白可以作為食品添加劑；Ⅱ.單細胞蛋白制成微生物飼料，能使家禽增重快，產奶量或產蛋量高。②青貯飼料中添加乳酸菌:可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。4.在其他方面的應用(1)解決資源短缺與環(huán)境污染問題隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。(2)將極端微生物應用于生產實踐①極端微生物：自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環(huán)境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活②舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑；嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。1.(多選)啤酒的工業(yè)化生產中，大麥經發(fā)芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發(fā)酵、消毒等工序后，最終過濾、調節(jié)、分裝。下列說法正確的是(

)A．用赤霉素處理大麥，可使大麥種子無須發(fā)芽就能產生α－淀粉酶B．焙烤是為了利用高溫殺死大麥種子胚并進行滅菌C．糖漿經蒸煮、冷卻后需接種酵母菌進行發(fā)酵D．通過轉基因技術可減少啤酒酵母雙乙酰的生成，縮短啤酒的發(fā)酵周期ACD

ACD

去除大麥種子中的水分，可以殺死大麥種子胚，但沒有起到滅菌作用.【現(xiàn)學現(xiàn)用】2.發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農牧業(yè)等許多領域得到了廣泛的應用，在發(fā)