1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用本節(jié)聚焦：1.什么是發(fā)酵工程？2.發(fā)酵工程的一般流程是什么？3.發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有哪些重要的價(jià)值？情境導(dǎo)入青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)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，一瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？思考通過發(fā)酵工程生產(chǎn)。發(fā)酵工程的概念01發(fā)酵工程是指利用

，規(guī)?；a(chǎn)人類所需產(chǎn)品的綜合性生物工程。對發(fā)酵原理的認(rèn)識微生物純培養(yǎng)技術(shù)建立密閉式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)成功嚴(yán)格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強(qiáng)、營養(yǎng)物、泡沫等)微生物的特定功能發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)有哪些？思考發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02尿素分子模型接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵獲得產(chǎn)品圖1-9發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和發(fā)酵罐示意圖選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)分離提純產(chǎn)物將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02性狀優(yōu)良的菌種誘變育種從自然界中篩選基因工程育種1.目的：獲得

；2.菌種來源：①

；②

；③

；生產(chǎn)檸檬酸就需要篩選產(chǎn)酸量高的

。生產(chǎn)啤酒需要使用基因工程改造的

,可以加速發(fā)酵過程，縮短生產(chǎn)周期;黑曲霉啤酒酵母選育菌種擴(kuò)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)品提示：我國幅員遼闊，地理生態(tài)環(huán)境多樣，為各種微生物的生長繁殖提供了條件,這有利于

。優(yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)很大程度上決定了生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的成敗。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢低洼，氣候炎熱，具有獨(dú)特的微生物種群，因?yàn)榕c外界的空氣對流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示?思考發(fā)酵工程選育菌種選育菌種擴(kuò)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)酵工程的基本環(huán)節(jié)02液體培養(yǎng)基?？焖僭黾泳N的數(shù)量1.目的：

。2.原因：工業(yè)的發(fā)酵罐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

。擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基類型？思考幾立方米到幾十立方米注：液體培養(yǎng)基常用于工業(yè)生產(chǎn)。選育菌種擴(kuò)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)酵工程的基本環(huán)節(jié)02選擇原料反復(fù)試驗(yàn)配制培養(yǎng)基應(yīng)該注意什么？思考提示：需要根據(jù)菌種的

，選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。注：先確定菌種，再配制培養(yǎng)基。代謝特點(diǎn)選育菌種擴(kuò)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.要求：①菌種確定之后，要

制備培養(yǎng)基。

②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過

才能確定。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)021.原因：發(fā)酵工程中所用的菌種大多是

菌種。

一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致

。2.滅菌對象：

。在青霉素生產(chǎn)過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌

酶，將青霉素分解掉。單一產(chǎn)量大大下降培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備青霉素選育菌種擴(kuò)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)酵工程的基本環(huán)節(jié)021.要求：①發(fā)酵過程中，要隨時(shí)檢測培養(yǎng)液中的

、

等,

以了解發(fā)酵進(jìn)程。

②要及時(shí)添加必需的

，

要嚴(yán)格控制發(fā)酵

等發(fā)酵條件。微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度營養(yǎng)成分溫度、pH、溶解氧選育菌種擴(kuò)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)品中心環(huán)節(jié)為什么要嚴(yán)格控制發(fā)酵條件？思考提示：環(huán)境條件不僅會影響微生物的

，

而且影響微生物

；生長繁殖代謝物的形成發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02選育菌種擴(kuò)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)品中心環(huán)節(jié)谷氨酸棒狀桿菌(異養(yǎng)需氧型)谷氨酸發(fā)酵：①在

和

條件下,

會積累谷氨酸；②在

條件下,

則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。中性弱堿性酸性發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02選育菌種擴(kuò)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)品中心環(huán)節(jié)2.現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)：

均有

，

能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶氧量、

罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等

進(jìn)行

和

，

還可以進(jìn)行

，

使發(fā)酵全過程處于

。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測控制反饋控制最佳狀態(tài)擴(kuò)展：發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖02裝置編號主要用途A1-A3控制培養(yǎng)物以一定速度進(jìn)入、流出發(fā)酵罐，實(shí)現(xiàn)

。A4控制

。B1-B5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，

處抽取樣品進(jìn)一步檢測。C1、C2通過控制冷水流速調(diào)節(jié)

。C3調(diào)節(jié)

。D1、D2電機(jī)帶動葉輪轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快

以及

。B1B2B5B3B4C1C3C2A1A2A3D1D2A4連續(xù)培養(yǎng)溶解氧B2罐溫罐壓氧氣溶解散熱發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02選育菌種擴(kuò)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.方法:①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身時(shí)，可在發(fā)酵結(jié)束之后，

采用

、

等方法將菌體

和

,即可得到產(chǎn)品；

②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時(shí)，可根據(jù)

采取

適當(dāng)?shù)?/p>

、

和

措施來獲得產(chǎn)品。過濾沉淀分離干燥產(chǎn)物的性質(zhì)提取分離純化能否通過一般的過濾、沉淀等方法將氨基酸從培養(yǎng)液中分離提取出來?判斷不能，氨基酸是小分子物質(zhì)。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)02選育菌種擴(kuò)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)品在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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？思考提示：

。因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),應(yīng)該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或

處理。不能滅菌發(fā)酵工程的應(yīng)用03尿素分子模型發(fā)酵工程的特點(diǎn)發(fā)酵工程的應(yīng)用生產(chǎn)條件溫和原料來源豐富且價(jià)格低廉產(chǎn)物專一廢棄物對環(huán)境污染小和容易處理在食品工業(yè)上的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用在其他方面的應(yīng)用在食品工業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品03大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、調(diào)制釀酒酵母醬油的生產(chǎn)各種酒類的生產(chǎn)醬油各種酒類谷物或水果在食品工業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品03啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論在食品工業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品03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

。加熱殺死

；但

。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解,形成

。分解淀粉淀粉不溶于水，二糖和單糖可溶于水；終止麥芽生長，減少有機(jī)物消耗，保留營養(yǎng)物質(zhì)；便于糖化淀粉酶種子胚不使淀粉酶失活糖漿啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論在食品工業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品03啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產(chǎn)生

，終止

的進(jìn)一步作用，并對糖漿

。酵母菌將糖轉(zhuǎn)化為

和

；殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長它的

。

、

、

啤酒進(jìn)行出售。糖漿啤酒花過濾冷卻裝瓶裝罐儲存罐風(fēng)味組分酶滅菌酒精CO2保存期過濾調(diào)節(jié)分裝在食品工業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品03啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論【討論1】啤酒發(fā)酵的過程及內(nèi)容：過程內(nèi)容主發(fā)酵后發(fā)酵【討論2】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。酵母菌的繁殖、糖的分解、代謝物的生成低溫、密閉環(huán)境下儲存在食品工業(yè)上的應(yīng)用·②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑03作用：①增加食品的

；②改善食品的

；③延長食品的

；實(shí)例：①檸檬酸是一種廣泛應(yīng)用的

，

可以通過

的發(fā)酵制得；②由

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

。營養(yǎng)口味、色澤和品質(zhì)保存期食品酸度調(diào)節(jié)劑黑曲霉谷氨酸棒狀桿菌味精在食品工業(yè)上的應(yīng)用·②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑03添加劑類型舉例

劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸

劑5`-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉

劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素

劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠

劑乳酸鏈球菌、溶菌酶常見的幾類食品添加劑：酸度調(diào)節(jié)增味著色增稠防腐在食品工業(yè)上的應(yīng)用·③生產(chǎn)酶制劑03常見酶制劑：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基酸肽酶、脂肪酶等。來源：少數(shù)由

生產(chǎn)，絕大多數(shù)通過

生產(chǎn)。特點(diǎn)：用于食品的

、改進(jìn)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。動植物發(fā)酵工程直接生產(chǎn)在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用03抗生素發(fā)酵工程生產(chǎn)的藥物:

、

、

、

等。發(fā)酵工程生產(chǎn)的藥物的方法：發(fā)酵工程動植物的基因微生物轉(zhuǎn)入直接改造微生物微生物病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入藥物藥物疫苗生長激素釋放抑制激素未來：紫杉醇注射液重組乙型肝炎疫苗氨基酸激素免疫調(diào)節(jié)劑原理：①利用微生物在代謝過程中產(chǎn)生的

、

等來增進(jìn)土壤肥力，

改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長。②利用微生物代謝物

土壤中病原微生物

的生長，從而減少病害的發(fā)生。常見微生物肥料：

肥、

肥。在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用·①生產(chǎn)微生物肥料03根瘤菌有機(jī)酸生物活性物質(zhì)抑制固氮菌原理：利用

或

來防治病蟲害;常見微生物農(nóng)藥：①

菌：防治80多種農(nóng)林蟲害；②

菌：防治玉米螟、松毛蟲等蟲害；③

菌：產(chǎn)生井崗霉素，防治水稻枯紋病；在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用·②生產(chǎn)微生物農(nóng)藥03微生物生物防治其代謝物利用微生物農(nóng)藥防止病蟲害，屬于什么防治類型？判斷蘇云金桿白僵放線在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用·③生產(chǎn)微生物飼料03原理：微生物含有豐富的

,如:細(xì)菌的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的

，而且細(xì)菌生長繁殖速度很快。常見微生物飼料：①

：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)廢料等為原料，

通過發(fā)酵獲得的大量微生物菌體。

其不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)。②青貯飼料中添加

，

可以提高飼料品質(zhì)，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。單細(xì)胞蛋白乳酸菌蛋白質(zhì)60%～80%①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。意義：解決

與

問題。②極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐原理：極端微生物，它們能在

的環(huán)境

（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。應(yīng)用：①

菌、

菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑；

②

菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量；在其他方面的應(yīng)用03資源短缺環(huán)境污染極端惡劣嗜熱嗜鹽嗜低溫發(fā)酵工程及其應(yīng)用·判斷正誤P16尿素分子模型(1)發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是對微生物細(xì)胞本身或其代謝物進(jìn)行分離、提純()(2)谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺()(3)現(xiàn)代發(fā)酵工程中所用的菌種大多是復(fù)合菌種以提高生產(chǎn)效率()(4)發(fā)酵工程生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富，但廢棄物對環(huán)境污染很大，

不易處理()(5)生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌()×發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵；√酸性-形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，中性和弱堿性-積累谷氨酸；×大多是單一菌種;×廢棄物對環(huán)境污染小，容易處理;×黑曲霉;發(fā)酵工程及其應(yīng)用·落實(shí)思維方法P171.果酒的家庭制作與啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)相比，共同點(diǎn)有()A．都利用了酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生酒精的原理B．都需要在無氧環(huán)境供發(fā)酵菌種繁殖C．發(fā)酵前都需要對原料進(jìn)行滅菌D．發(fā)酵結(jié)束后都必須進(jìn)行消毒以延長保存期A有氧環(huán)境-酵母菌大量繁殖，×；家庭制作不需要對原料進(jìn)行滅菌，×；家庭制作結(jié)束后不需要進(jìn)行消毒，×；發(fā)酵工程及其應(yīng)用·落實(shí)思維方法P172．下列有關(guān)發(fā)酵工程的敘述，正確的是()A．單細(xì)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)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單細(xì)胞蛋白是通過發(fā)酵獲得的大量的微生物菌體，×；最大的相同之處是利用各種微生物的代謝來實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，×；不包括對酶的控制，×；練習(xí)與應(yīng)用·書本P281.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(jìn)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(xì)胞中提取單細(xì)胞蛋白。×√√×練習(xí)與應(yīng)用·書本P282.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，人們遇到了兩個(gè)問題。請你運(yùn)