高二—人教版—生物學(xué)—選擇性必修3—第1章

第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用主講人：科學(xué)小故事：1928年的一天，弗萊明在一間簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里研究導(dǎo)致人體發(fā)熱的葡萄球菌。由于蓋子沒(méi)有蓋好，樓上一位研究青霉菌的學(xué)者的青霉菌飄到了培養(yǎng)細(xì)菌用的瓊脂上。弗萊明驚訝地發(fā)現(xiàn)，青霉菌附近的葡萄球菌被溶解了。后來(lái)他經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象可以重復(fù)，據(jù)此發(fā)現(xiàn)了葡萄球菌的克星——青霉素。

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，1瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)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?青霉菌選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基的配制、滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)品的分離、純化一、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(lái)源自然界中篩選、誘變育種或____________?；蚬こ逃N

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(huì)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)在很大程度上決定了生物發(fā)酵產(chǎn)物的成敗。3.菌種選育的重要性（意義)①篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來(lái)生產(chǎn)檸檬酸；②使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期。4.實(shí)例（一）選育菌種1.目的獲得___________。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______________（數(shù)目多）。2.進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)的原因菌種總體積大一般為_(kāi)___________。3.擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基（二）擴(kuò)大培養(yǎng)1.配制要求①在______________（結(jié)合菌種代謝特點(diǎn))選擇原料制備培養(yǎng)基。菌種確定之后②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)_________才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）。反復(fù)試驗(yàn)2.滅菌原因發(fā)酵工程種所用的菌種大多是_________，一旦有雜菌污染，可能_________________。單一菌種導(dǎo)致產(chǎn)量大大降低______________________________________。3.滅菌目的避免因雜菌污染而影響產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量*培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌。（三）培養(yǎng)基的配制、滅菌將___________的菌種投放到發(fā)酵罐中。擴(kuò)大培養(yǎng)后（五）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)①發(fā)酵過(guò)程中，要_________培養(yǎng)液中_____________、_________等，以_____________。②要及時(shí)添加________________，要嚴(yán)格控制______、_____和_______等發(fā)酵條件。1.地位發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵是發(fā)酵工程的_________。中心環(huán)節(jié)2.要求隨時(shí)檢測(cè)微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度了解發(fā)酵進(jìn)程必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶氧量（四）接種（五）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)3.嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因①環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且影響微生物代謝物的形成。②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件,有利于使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。①在______和_______條件下會(huì)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。4.不同發(fā)酵條件的影響實(shí)例——谷氨酸發(fā)酵中性弱堿性酸性（五）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)5.發(fā)酵容器——發(fā)酵罐①空氣入口——控制溶解氧②生物傳感器裝置一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。③冷卻水進(jìn)入口/冷卻水排出口通過(guò)控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫。④電動(dòng)機(jī)、攪拌葉輪電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)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。6.現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)均有_________________，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行_______和_______，還可以進(jìn)行__________，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制反饋控制（五）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)①微生物細(xì)胞本身。②代謝物。1.目的——獲得產(chǎn)品2.產(chǎn)品的兩種形式3.采取手段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______。②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時(shí)，可________________采取適當(dāng)?shù)腳_____、______和______措施來(lái)獲得產(chǎn)品。過(guò)濾沉淀分離干燥根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)提取分離純化（六）產(chǎn)品的分離、提純發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)需要考慮哪些因素?①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖。

②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高。③發(fā)酵條件易控制。

④菌種不易變異，退化等。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？①反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方。②對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。③隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物濃度等。④及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分。⑤嚴(yán)格控制溫度、pH和溶氧量等發(fā)酵條件，使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各種條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以及反饋。思考·討論思考·討論3.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?不能；

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(duì)排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基的配制、滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)品的分離、純化發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)：1.生產(chǎn)條件溫和。

2.原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉。3.產(chǎn)物專(zhuān)一。

4.廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理。因此，發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品①實(shí)例1——生產(chǎn)醬油大豆蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸黑曲霉淋洗、調(diào)制醬油二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品①實(shí)例2——釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類(lèi)二、發(fā)酵工程的應(yīng)用思考·討論發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止主發(fā)酵后發(fā)酵一、過(guò)程概述：1.啤酒的發(fā)酵過(guò)程分為_(kāi)______和_______兩個(gè)階段。主發(fā)酵后發(fā)酵2.主發(fā)酵階段完成___________________________________________。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成3.后發(fā)酵的條件是_______________________________。4.焙烤的目的：_______________________________。5.蒸煮的目的：_______________________________________________。低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對(duì)糖漿滅菌啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止主發(fā)酵后發(fā)酵二、討論1.酵母菌酒精發(fā)酵過(guò)程中為什么要“先通氣后密封”？_______________________________________________?！巴狻钡哪康氖鞘菇湍妇M(jìn)行有氧呼吸大量繁殖?！懊芊狻钡哪康氖鞘菇湍妇M(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。2.啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會(huì)使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎?___________________________________________________。酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿崞【频墓I(yè)化生產(chǎn)流程思考·討論發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止主發(fā)酵后發(fā)酵二、討論3.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在上面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高?________________________________________________。①菌種的選育。

②對(duì)原材料的處理。③發(fā)酵過(guò)程的控制。

④產(chǎn)品的消毒等。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑優(yōu)點(diǎn)增加食物的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期。②實(shí)例1——檸檬酸

檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑，可以通過(guò)黑曲霉的發(fā)酵制得。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（2）生產(chǎn)食品添加劑③實(shí)例2——味精

谷氨酸經(jīng)過(guò)一系列處理就能制成味精，

由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。④常見(jiàn)的食品添加劑（2）生產(chǎn)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)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（3）生產(chǎn)酶制劑①常見(jiàn)酶制劑——a-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶。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)用食品工業(yè)是微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。(3)生產(chǎn)酶制劑①常見(jiàn)酶制劑——a-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶。單擊添加項(xiàng)標(biāo)題③酶制劑來(lái)源少數(shù)由動(dòng)植物生產(chǎn),絕大多數(shù)通過(guò)發(fā)酵工程生產(chǎn)。單擊添加項(xiàng)標(biāo)題②酶制劑應(yīng)用食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等。2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（1）采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。例如，生長(zhǎng)激素釋放抑制激素能夠抑制生長(zhǎng)激素的不適宜分泌，可用于治療肢端肥大癥。最初臨床上使用的這種激素是從羊腦中提取的，50萬(wàn)個(gè)羊腦才能提取5mg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。后來(lái)利用經(jīng)過(guò)基因改造的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，從7.5L培養(yǎng)液中就能得到5mg的生長(zhǎng)激素釋放抑制激素，這也使得其價(jià)格降為原來(lái)的幾百分之一。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（1）采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。（2）直接對(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。通過(guò)誘變的青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)大量青霉素。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（3）科學(xué)家還利用基因工程，將病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。（4）未來(lái)甚至還可能用微生物來(lái)生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物。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①微生物肥料的種類(lèi)根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用

微生物肥料利用了微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)。

有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用二、發(fā)酵工程的應(yīng)用(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用——利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害②防治類(lèi)型屬于__________。生物防治③實(shí)例在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（3）生產(chǎn)微生物飼料單細(xì)胞蛋白①原理——微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且繁殖速度快。②實(shí)例1——單細(xì)胞蛋白

許多國(guó)家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(guò)發(fā)酵獲得了大量的___________，即單細(xì)胞蛋白。微生物菌體單細(xì)胞蛋白應(yīng)用——食品添加劑、微生物飼料。③實(shí)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(zhì)，使飼料