第一章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用從社會中來

P22亞歷山大·弗萊明英1881-1955青霉素之父工業(yè)上，青霉素是怎樣生產的？→發(fā)酵工程對發(fā)酵原理的認識微生物純培養(yǎng)技術建立密閉式發(fā)酵罐成功設計嚴格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強、營養(yǎng)物、泡沫等)大規(guī)模生產發(fā)酵產品微生物的特定功能現代工程技術那么發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)是什么呢？發(fā)酵工程應用于哪些方面？發(fā)酵工程的概念：利用微生物特定功能，通過現代工程技術，規(guī)?；a對人類有用的產品。選育高產菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品自主閱讀教材P22“圖1-9”，寫出發(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.選育菌種（1）目的：獲得______________________________________________性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、___________或_________________________。誘變育種基因工程育種一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)菌種來源關鍵點實例從自然界中篩選誘變育種基因工程育種篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產周期若生產的是微生物直接合成的產物，可從自然界中先分離出相應菌種，再用物理或化學方法誘變育種，從突變個體中篩選出符合生產要求的優(yōu)良菌種。若生產的是微生物不能合成的產品，可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品的目的。討論1：微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時，需要考慮哪些因素？1.生產需要(在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖、代謝產物的產量高等)2.菌種不易變異、退化等3.發(fā)酵條件易控制4.考慮氣候條件、發(fā)酵裝置等一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)常用菌種：主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。2.擴大培養(yǎng)在發(fā)酵之前還需要對菌種進行擴大培養(yǎng)。（1）目的：獲得______________，縮短生產周期。更多的菌種（2）怎樣對菌種進行擴大培養(yǎng)？將培養(yǎng)到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養(yǎng)。（3）擴大培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基，從性質上分類，是什么類型的培養(yǎng)基？液體培養(yǎng)基?？梢允刮⑸锱c營養(yǎng)物質充分接觸，提高營養(yǎng)物質的利用率，有利于微生物的繁殖。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)3.配制培養(yǎng)基（一般采用液體培養(yǎng)基）在生產實踐中，培養(yǎng)基的配方要經過____________才能確定。選擇原料反復試驗在菌種確定之后，結合菌種代謝特點，要___________制備培養(yǎng)基。（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基（成分、比例等））一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)配置的培養(yǎng)基應包括微生物生長所需的碳源、氮源、水、無機鹽及特殊營養(yǎng)要求。應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。4.滅菌（1）滅菌目的：原因：雜菌和菌種形成競爭關系，或雜菌產生的代謝物抑制菌種的生長使產量下降，對發(fā)酵過程造成不良影響（2）如何防止雜菌污染？_____________________都必須經過嚴格的滅菌。培養(yǎng)基和發(fā)酵設備避免因雜菌污染而影響產品的品質和產量一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)5.接種：將_____________的菌種投放到___________中發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)后討論1：如何了解發(fā)酵進程？6.發(fā)酵罐內發(fā)酵—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)隨時檢測微生物數量、產物濃度等討論2：怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？①溫度、pH

、溶解氧等嚴格控制②添加必要的營養(yǎng)組分。討論3:引起發(fā)酵罐內培養(yǎng)液的溫度和pH變化的原因有哪些？發(fā)酵工程中如何調節(jié)溫度和pH?溫度：原因：微生物分解有機物釋放的能量，機械攪拌也會引起溫度升高。

方法：常用冷卻水進行溫度的調節(jié)pH：原因：培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用和代謝產物的積累。

方法：是在培養(yǎng)基中添加緩沖液，在發(fā)酵過程中加酸或堿討論4：為什么要嚴格控制發(fā)酵條件？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)。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)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7.分離、提純產物方法：①發(fā)酵產品是微生物細胞本身時，可在發(fā)酵結束之后，采用_____、_____等方法將菌體_____和_____。②發(fā)酵產品是代謝物時，可__________________采取_____的_____、_____和_____措施來獲得產品（萃取、蒸餾、離子交換）過濾沉淀分離干燥根據產物的性質適當提取分離純化發(fā)酵液預處理細胞分離細胞破碎初步純化高度純化成品加工細胞破碎分離胞外產物加熱調pH沉降離心過濾研磨離心萃取過濾沉淀吸附萃取層析電泳結晶離子交換干燥結晶討論5：在產物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統發(fā)酵技術相比

有哪些改進？傳統發(fā)酵技術獲得的產物一般是成分復雜的混合物，一般不會再對產物進行分離和提純處理，或僅采用簡單沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。發(fā)酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法，進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。最后需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。8.獲得產品：討論6：發(fā)酵生產排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等不能直接排放到外界環(huán)境，需如何處理?二次清潔或滅菌處理。達到清潔生產的要求。利用霉菌發(fā)酵生產醬油、利用釀酒酵母生產各種酒類(1)在食品工業(yè)上的應用生產傳統的發(fā)酵產品，如醬油、各種酒類等大豆蛋白質小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗、調制各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類二、發(fā)酵工程的應用

啤酒的工業(yè)化生產流程

我國是世界上啤酒的生產和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經酵母菌發(fā)酵制成的，其工業(yè)化生產流程如下圖所示。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。二、發(fā)酵工程的應用17過程概述：（1）啤酒的發(fā)酵過程分為_______和_______兩個階段；（2）主發(fā)酵階段完成__________________________________________________（3）后發(fā)酵的條件____________________________________________________（4）焙烤的目的：____________________________________________________（5）蒸煮的目的：____________________________________________________主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌啤酒的工業(yè)化生產流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止二、發(fā)酵工程的應用啤酒花的作用：1.使啤酒具有清爽的芳香氣、苦味和防腐力。2.形成啤酒優(yōu)良的泡沫。3.有利于麥芽汁的澄清。4.平衡麥芽汁的自然甜度并激發(fā)食欲。1.與傳統的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制，產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。啤酒的工業(yè)化生產流程2.現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產品，發(fā)酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規(guī)模生產與小規(guī)模制作？應該辯證地看待這一產品。一方面，這類產品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面,這類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。二、發(fā)酵工程的應用類別“精釀”啤酒“工業(yè)”啤酒原料是否添加食品添加劑麥芽汁濃度發(fā)酵時間特點只使用麥芽、啤酒花、酵母菌和水麥芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加 較高，口味濃郁較低，口味清淡長，可達2個月短，通常7天左右產量低、價格高產量高、價格低二、發(fā)酵工程的應用(1)在食品工業(yè)上的應用四、發(fā)酵工程的應用生產各種各樣的食品添加劑。作用：增加食品的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質，

有時還可以延長食品的保存期。淀粉黑曲霉淀粉酶葡萄糖檸檬酸合成酶檸檬酸谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵氧氣谷氨酸處理味精添加了檸檬酸的飲料(1)在食品工業(yè)上的應用四、發(fā)酵工程的應用③生產酶制劑b.來源：少數由動植物生產，絕大多數通過發(fā)酵工程生產c.應用：用于食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、延長食品儲存期和提高產量等方面。d.產品：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。請你回憶一下自己做過的生物學實驗，想一想曾經使用過哪些酶制劑。探究溫度對酶活性的影響實驗中的淀粉酶探究pH對酶活性的影響實驗中的過氧化氫酶基因工程、蛋白質工程與發(fā)酵工程相結合發(fā)酵工程生產的藥物動植物的基因微生物直接改造微生物轉入微生物病原體的抗原基因轉入發(fā)酵工程藥物藥物疫苗各種抗生素多種氨基酸多種激素多種免疫調節(jié)劑四、發(fā)酵工程的應用(2)在醫(yī)藥工業(yè)上的應用通過誘變的青霉菌發(fā)酵生產青霉素(3)在農牧業(yè)上的應用（1）生產微生物肥料①微生物肥料的種類：根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用：Ⅰ生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。Ⅱ有的微生物肥料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。四、發(fā)酵工程的應用（2）生產微生物農藥微生物農藥的作用機理：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害(3)在農牧業(yè)上的應用微生物農藥作為______________的重要手段生物防治微生物或代謝產物防治病蟲害種類蘇云金桿菌80多種農林害蟲白僵菌玉米螟、松毛蟲一種放線菌產生的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病四、發(fā)酵工程的應用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)在農牧業(yè)上的應用四、發(fā)酵工程的應用四、發(fā)酵工程的應用(3)在農牧業(yè)上的應用（3）生產微生物飼料①原理：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。②實例1——單細胞蛋白單細胞蛋白生產過程：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，即單細胞蛋白。單細胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質，還含有糖類、脂質和維生素等物質單細胞蛋白應用：可以作為食品添加劑、微生物飼料等。其中微生物飼料能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。③實例2-乳酸菌在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)在其他方面的應用四、發(fā)酵工程的應用（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。發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農業(yè)領域，在助力解決糧食、環(huán)境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。課堂小結食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)生產傳統發(fā)酵食品農牧業(yè)其他方面生產食品添加劑發(fā)酵工程應用生產酶制劑采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某種藥物生產能力的微生物直接對菌種進行改造，再通過發(fā)酵技術大量生產所需要的產品生產微生物肥料生產微生物農藥生產微生物飼料解決資源短缺與環(huán)境污染問題將極端微生物應用于生產實踐一、概念檢測1.與傳統發(fā)酵技術相比，發(fā)酵工程的產品種類更加豐富，產量和質粒明顯提高。判斷下列相關表述是否正確。（1）發(fā)酵工程與傳統發(fā)酵技術最大的區(qū)別就是前者可以利用微生物來進行發(fā)酵。（

）（2）發(fā)酵工程的產品主要包括微生物的代謝、酶及菌體本身。（

）（3）在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中，發(fā)酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響

微生物的代謝途徑。（

）（4）通過發(fā)酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（

）×√×√練習與應用（P28）2.用稀釋涂布平板法來統計樣品中的活菌數時，通過統計平板上的菌落數就能推測出樣品中的活菌數,原因是()A.菌落中的細菌數目是固定的B.平板上的一個菌落就是一個細菌C.通過此方法統計的菌落數與活菌的實際數目相同D.平板上的一個菌落一般來源于樣品稀釋液中的一個活菌D二、拓展應用1.在青霉素的發(fā)酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發(fā)揮想象力，提出解決這些問題的思路。（1）青霉素發(fā)酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發(fā)酵過程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？練習與應用（P28）可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌體對氧的吸收和利用率?？梢詫煞N酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產菌只生產一種產物。（2）在發(fā)酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑的研究發(fā)現，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同的酶的作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產菌使其只產生青霉素，或者只產生頭孢霉素呢？二、拓展應用2.通過微生物發(fā)酵，可以將糧食（如玉米、小麥等）及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道。調查顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空氣中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”；但也有人認為，生產燃料乙醇需要消耗大量的糧食，會增加糧食短缺的風險。請你嘗試通過查閱資料，評估這一風險，并說明在生產時應如何規(guī)避這一風險。練習與應用（P28）在生產燃料乙醇時,為了規(guī)避這一風險，應該使用陳化糧食(如陳化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如秸桿等)。使用陳化糧食來生產燃料乙醇，還有利于防止問題糧食流入市場。1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養(yǎng)基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。（1）在培養(yǎng)基中加入化合物A的目的是________________________________，這種培養(yǎng)基屬于___________培養(yǎng)基。（2）培養(yǎng)若干天后，應選擇培養(yǎng)瓶中化合物A含量_____________的培養(yǎng)液，接入新的培養(yǎng)中續(xù)培養(yǎng)，使目的菌的數量___________。篩選出可降解化合物A的微生物選擇顯著降低擴增復習與提高（P30）1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養(yǎng)基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。（3）若要研究目的菌的生長規(guī)律，可挑取單個菌落進行液體培養(yǎng)，再采用

方法進行計數。請你預測目的菌的種群數量會發(fā)生怎樣的變化。復習與提高（P30）細菌計數板計數S形增長1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養(yǎng)基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。（4）將目的菌用于環(huán)境保護實踐時,還有哪些問題需要解決?復習與提高（P30）目的菌能否在自然環(huán)境中大量生長繁殖、是否會產生對環(huán)境有害的代謝物、降解化合物A后是否會產生二次污染等問題都需要研究清楚后，才能進行實踐。1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養(yǎng)基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析回答問題。（5）有人提出,可以通過改造細菌的基因來獲得能夠降解化合物A的細菌,請分析這種方法是否可行。復習與提高（P30）可行。這是后面將要學習的基因工程的基本思路。2.某個高溫日，某校三位高中學生相約去吃冰激凌，之后兩人都出現腹瀉現象，于是他們懷疑冰激凌中的大腸桿菌含量超標。老師建議他們利用學過的有關微生物培養(yǎng)的知識對此冰激凌進行檢測。經過一番資料查閱,他們提出了如下實驗設計思路。立即去賣冰激凌的小店再買一個同樣品牌的同種冰激凌；配制伊紅一亞甲藍瓊脂培養(yǎng)基（該培養(yǎng)基可用來鑒別大腸桿菌，生長在此培養(yǎng)基上的大腸桿菌菌落呈深紫色，并有金屬光澤）、滅菌、倒平板；取10mL剛融化的冰激凌作為原液，然后進行梯度稀釋,稀釋倍數為1×10-1×105；取每個濃度的冰激凌液各0.1mL，用涂布平板法進行接種，每個濃度涂3個平板，一共培養(yǎng)18個平板;在適宜溫度下培養(yǎng)48h，統計菌落數目。復習與提高（P30）（1）請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。①他們只打算對一個冰激凌進行檢測，理由是：兩個人吃過冰激凌后，都拉肚子了，所以再檢測一個就足以說明問題。你同意這樣的觀點嗎？為什么？不同意。只檢測一個冰激凌數據太少，不能排除偶然因素的影響。復習與提高（P30）（1）請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。②有沒有必要對冰激凌原液進行梯度稀釋？為什么？【提示：我國衛(wèi)生部門規(guī)定了飲用水標準，1mL自來水中細菌總數不可以超過100個（37℃培養(yǎng)24h），1000mL自來水