第一章

第3節(jié)

發(fā)酵工程及其應(yīng)用本節(jié)聚焦：1.掌握發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。2.理解發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)及其他工業(yè)生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價值。青霉素是世界上第一個應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路如今，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？從社會中來1．發(fā)酵工程概念：

發(fā)酵工程是指利用微生物的特定功能，規(guī)模化生產(chǎn)人類所需產(chǎn)

品的綜合性生物工程。一、發(fā)酵工程(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程思考：1、菌種的要求和相關(guān)處理？2、如何控制發(fā)酵過程？為什么要控制發(fā)酵過程？3、如何分離和提純工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品？(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種方法：自然界直接篩選性狀優(yōu)良的常規(guī)菌種；通過誘變育種或基因工程育種獲得。實例：選產(chǎn)酸量高的黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母生產(chǎn)啤酒。發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種擴大培養(yǎng)的原因：工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十立方米到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。怎樣擴大培養(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)。發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品①配置培養(yǎng)基要遵循的原則：即營養(yǎng)物質(zhì)滿足微生物的需要，營養(yǎng)物質(zhì)的濃度及配比恰當，物理、化學條件適宜等。②配置的培養(yǎng)基應(yīng)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。③配置的培養(yǎng)基要經(jīng)過反復(fù)試驗才能大規(guī)模應(yīng)用。(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品①發(fā)酵工程所用的菌種大多數(shù)是單一菌種。②滅菌的原因：雜菌與菌種之間形成種間競爭關(guān)系使產(chǎn)量下降或雜菌產(chǎn)生的代謝物抑制菌種的生長使產(chǎn)量下降。③實例：在青霉素生產(chǎn)過程中如果污染了雜菌，雜菌分泌青霉素酶就會將青霉素分解掉。(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品①發(fā)酵過程的監(jiān)控：要在發(fā)酵過程中隨時取樣，檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進程；及時添加必需的營養(yǎng)物質(zhì)組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物；嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件，以獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)物。(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)②發(fā)酵過程中為什么還要控制發(fā)酵條件呢？環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。例如：谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)一、發(fā)酵工程控制溶解氧調(diào)節(jié)罐壓①增加溶氧量②使微生物與發(fā)酵液充分接觸，混合均勻分離、提純產(chǎn)物的方法措施：微生物細胞→過濾、沉淀等方法；代謝物→適當?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施(2)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品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？一、發(fā)酵工程思考·討論結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。需要考慮的因素包括：①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高③發(fā)酵條件容易控制④菌種不易變異、退化等。2.怎樣對發(fā)酵條件進行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？一、發(fā)酵工程思考·討論結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養(yǎng)組分。3.在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？不能。因為在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。4.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些

改進之處？一、發(fā)酵工程思考·討論結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時候不會再對產(chǎn)物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產(chǎn)物。發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質(zhì)量檢査，合格后才能成為正式產(chǎn)品。2.發(fā)酵工程的應(yīng)用：二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.發(fā)酵工程的特點：

生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、產(chǎn)物專一、廢棄物對

環(huán)境的污染小和容易處理等特點。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用①生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品a.以大豆為主要原料，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌生產(chǎn)醬油。b.以谷物或水果等為原料，利用釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)各種酒類。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用①生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品啤酒的工業(yè)發(fā)酵流程發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段(1)主發(fā)酵:完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成等。(2)后發(fā)酵:在低溫、密閉的環(huán)境下進行,以形成澄清、成熟的啤酒。啤酒花(1)釀酒不可缺少的一味原材料,在釀酒過程中具有天然防腐、延長啤酒保質(zhì)期的作用。(2)形成啤酒的細膩泡沫。(3)能平衡麥汁甜度使啤酒變得可口。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用①生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品啤酒的工業(yè)發(fā)酵流程1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高？二、發(fā)酵工程的應(yīng)用思考·討論菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。2.現(xiàn)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(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？二、發(fā)酵工程的應(yīng)用思考·討論應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)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(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。“精釀”啤酒與“工業(yè)”啤酒的區(qū)別二、發(fā)酵工程的應(yīng)用二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑增加食品的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，有時還可以延長食品的保存期a.檸檬酸可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得。b.由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸，谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑常見的幾種食品添加劑二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（1）在食品工業(yè)上的應(yīng)用③生產(chǎn)酶制劑常用酶制劑有α－淀粉酶、β－淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多種酶制劑成功用于食品的直接生產(chǎn)、改進生產(chǎn)工藝、簡化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長食品儲存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等方面。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（2）在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用【發(fā)酵工程生產(chǎn)藥物的方法】①利用基因工程將動植物基因轉(zhuǎn)移至微生物細胞中，通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需產(chǎn)品。②直接對菌種進行改造，通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需產(chǎn)品。③利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉(zhuǎn)移至微生物中，通過發(fā)酵技術(shù)大量獲得疫苗。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（2）在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用【應(yīng)用實例】①生產(chǎn)抗生素例如應(yīng)用產(chǎn)黃青霉生產(chǎn)青霉素，用于治療腦膜炎、骨髓炎、肺炎等。②生產(chǎn)多種氨基酸許多微生物都能產(chǎn)生氨基酸，發(fā)酵工程可生產(chǎn)許多具有治療作用的氨基酸。例如精氨酸可以治療高氨血癥（尿素合成障礙導致血氨濃度升高）等疾病。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（2）在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用【應(yīng)用實例】③生產(chǎn)激素利用工程菌生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素，用于肢端肥大癥的治療。④生產(chǎn)免疫抑制劑例如，利用工程菌生產(chǎn)乙肝疫苗。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（3）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用①生產(chǎn)微生物肥料利用微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長。利用微生物代謝物抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發(fā)生。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（3）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用②生產(chǎn)微生物農(nóng)藥利用微生物或其代謝物來繁殖病蟲害。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（3）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用微生物農(nóng)藥防治和化學農(nóng)藥防治的比較二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（3）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用③生產(chǎn)微生物飼料微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，而且生長繁殖速度快。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（4）在其他方面的應(yīng)用對纖維素水解研究，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功。對解決資源短缺與環(huán)境污染問題具有重要意義。嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量。本章小結(jié)一、概念檢測與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，發(fā)酵工程的產(chǎn)品種類更加豐富，產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。判斷下列相關(guān)表述是否正確。1.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)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(chǎn)品主要包括微生物的代謝物、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(yīng)用~~~~~×√√×二、拓展應(yīng)用1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)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？(提示：血紅蛋口具有攜帶O2的能力)~~~~~練習與應(yīng)用~~~~~可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入青霉素生產(chǎn)菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。二、拓展應(yīng)用1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)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。(2)在發(fā)酵過程中，總有頭抱霉素產(chǎn)生。人們通過對青霉素生產(chǎn)菌代謝途徑的研究發(fā)現(xiàn)，在青霉素與頭抱霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經(jīng)過兩種不同酶的作用分別合成兩個產(chǎn)物。如何改造青霉素生產(chǎn)菌使其只生產(chǎn)青霉素.或者只生產(chǎn)頭抱霉素呢？~~~~~練習與應(yīng)用~~~~~可以對兩種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(chǎn)菌只生產(chǎn)一種產(chǎn)物。二、拓展應(yīng)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(diào)査顯示，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(chǎn)燃料乙醇需要消耗大量糧食,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(chǎn)時應(yīng)如何規(guī)避這一風險。~~~~~練習與應(yīng)用~~~~~這一風險是存在的。在生產(chǎn)燃料乙醇時，為了規(guī)避這一風險，應(yīng)該使用陳化糧食(如陳化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如秸稈等)。使用陳化糧食來生產(chǎn)燃料乙醇，還有利于防止問題糧食流入市場。一、概念檢測與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，發(fā)酵工程的產(chǎn)品種類更加豐富，產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。判斷下列相關(guān)表述是否正確。1.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)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(chǎn)品主要包括微生物的代謝物、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(yīng)用~~~~~×√√×1．下列有關(guān)發(fā)酵工程的敘述，正確的是(

)A．單細胞蛋白就是從人工培養(yǎng)的微生物菌體中提取的蛋白質(zhì)B．可通過誘變育種、基因工程等方法選育出性狀優(yōu)良的菌種進行擴大培養(yǎng)C．發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵D．通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧、pH和酶的控制等B解析：單細胞蛋白是指利用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)酵獲得的大量的微生物菌體，A錯誤；工程菌多為原核生物，可通過誘變育種、基因工程等方法，選育出性狀優(yōu)良的工程菌并進行擴大培養(yǎng)，B正確；傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代發(fā)酵工程最大的相同之處是利用各種微生物的代謝來實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，C錯誤；通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧、pH等的控制，D錯誤。2．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(yīng)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C解析：酵母菌發(fā)酵的適宜溫度為18～30℃，A錯誤；