1、第七講 生物技術(shù)概論 之發(fā)酵工程,王麗娟 生物與制藥工程學(xué)院,生物技術(shù)總論 生物技術(shù)(Biotechnology)，又稱生物工程（Bioengineering)。它和微電子、新材料被稱為二十一世紀(jì)三大前沿學(xué)科。 生物技術(shù)是指人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，采用先進(jìn)的工程技術(shù)手段，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品或達(dá)到某種目的。 生物技術(shù)一般分為：發(fā)酵工程，酶工程，細(xì)胞工程，基因工程，生物化學(xué)工程等。,第一節(jié) 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它是將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)結(jié)合起來，利用

2、微生物生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù),一、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程 發(fā)酵工程的萌芽 石器時(shí)代的后期古人類已能進(jìn)行酒精發(fā)酵。 古埃及人用酵母發(fā)酵制作面包和啤酒。 中國(guó)周代后期,制作醬油和釀醋。 發(fā)酵工程的產(chǎn)生 19世紀(jì)后期法國(guó)科學(xué)家巴斯德確定發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生物純種培養(yǎng) 科赫建立了劃線法和平板培養(yǎng)法等分離純化微生物的方法促進(jìn)了微生物的生理生化研究。,發(fā)酵工程的建立 20年代大規(guī)模純種培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇，4050年代青霉素的大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)標(biāo)志著，現(xiàn)代發(fā)酵工程的建立。隨著遺傳育種學(xué)與代謝調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，60年代發(fā)酵工程飛速發(fā)展，稱為第一次綠色革命,發(fā)酵工程的發(fā)展 1972年

3、體外基因重組獲得成功，標(biāo)志著基因工程技術(shù)開始，80年代開始大量將基因工程改造的微生物與細(xì)胞應(yīng)用于發(fā)酵工程。,作為一個(gè)最古老的生物技術(shù)，發(fā)酵工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用。,發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占國(guó)民生產(chǎn)總值的5%。 而抗生素發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占醫(yī)藥工業(yè)的20%,二.工業(yè)微生物介紹： （一）. 細(xì)菌 屬于原核生物，單細(xì)胞生物 形態(tài)： 具有一定的細(xì)胞形態(tài)并基本 保持恒定。球菌、桿菌、螺旋菌三大類，大0.21.5um其中發(fā)酵工業(yè)中常見與常用的為球菌與桿菌，尤其是桿菌，而螺旋菌主要是病源菌。,電鏡下的桿菌、球菌、螺旋菌 2.細(xì)胞的結(jié)構(gòu)： 細(xì)菌細(xì)胞一般構(gòu)造包括：細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、間體、核糖體、核

4、區(qū)、內(nèi)含物顆粒。部分細(xì)菌具有特殊結(jié)構(gòu)：夾膜、鞭毛、線毛、芽孢 根據(jù)細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的不同可分為革蘭氏陽(yáng)性菌（細(xì)胞壁主要由肽聚糖組成）與革蘭氏陰性菌（細(xì)胞壁主要由蛋白質(zhì)、脂多糖組成）,3.細(xì)菌的繁殖： 細(xì)菌一般進(jìn)行無性繁殖，即細(xì)胞的橫分裂，稱為裂殖。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)有性結(jié)合，但以裂殖為主。 4.重要的細(xì)菌 乳酸桿菌、大腸桿菌、芽孢桿菌、醋酸桿菌、丙酸菌、棒桿菌、假單胞菌 甲烷菌、瘤胃球菌、氧化亞鐵硫桿菌 5.用途 廣泛，食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、能源、環(huán)保、選礦。如棒桿菌利用淀粉水解糖和尿素等原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸可制備味精,（二）放線菌 1、 放線菌是一種原核生物，以菌落呈放射狀而得名。 2、分布

5、：放線菌在自然界分布很廣，主要習(xí)居于土壤之中，中性、 偏堿性的土壤和有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中較多。土壤特有的泥腥味主 要由放線菌的代謝產(chǎn)物引起的。 3、結(jié)構(gòu)： 基內(nèi)菌絲長(zhǎng)在培養(yǎng)基內(nèi)，吸收營(yíng)養(yǎng) 氣生菌絲向培養(yǎng)基上空伸展 孢子絲 氣生菌絲分枝部分，具有形成孢子 作用的 繁殖菌絲,4、應(yīng)用 在醫(yī)藥工業(yè)中放線菌非常重要，目前大部分抗生素都是利用放線菌發(fā)酵生產(chǎn)，此外還可用于生產(chǎn)酶類和維生素。但需要注意的是有少數(shù)放線菌是致病菌。 例如鏈霉菌屬的放線菌可生產(chǎn)土霉素、金霉素、鏈霉素等抗生素。,5、繁殖方式： 以無性方式繁殖，主要是孢子絲通過橫隔分裂形成孢子，也可通過菌絲斷片繁殖，有些放線菌的菌絲上可形成孢子囊，孢囊

6、成熟后釋放出孢囊孢子 。,（三）霉菌 霉菌是一類形成菌絲體的絲狀真菌的統(tǒng)稱 ，屬于真核生物，分布廣泛 包括藻狀菌綱、子囊菌綱和半知菌綱 1.形態(tài)：（見右圖） 霉菌菌絲可以是單細(xì)胞的也可以是多 細(xì)胞的（有隔膜的），形態(tài)多樣 曲霉屬：有分生孢子，頂囊，次生小梗 初生孢子梗等 青霉屬：具有帚狀枝，其最后一級(jí)分枝 即為產(chǎn)生孢子的小梗 根霉屬：有匍匐菌絲并生出假根，向上 伸出孢囊梗，形成孢子囊，其中含孢子 囊孢子,根霉,曲霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),根霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),青霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),2. 繁殖方式：具有有性繁殖和無性繁殖，但大部分為無性繁殖 有性繁殖方式：卵孢子、結(jié)合孢子、子囊孢子 無性繁

7、殖方式：游動(dòng)孢子、孢子囊孢子、分生孢子、菌絲孢子,根霉的孢子囊孢子,3. 用途： 根霉釀酒、生產(chǎn)乳酸、發(fā)酵食品、 脂肪酶、甾體轉(zhuǎn)化 毛霉豆類發(fā)酵食品、甾體轉(zhuǎn)化 青霉青霉素、有機(jī)酸 黑曲霉檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶、 果膠酶、甾體轉(zhuǎn)化等 米曲霉發(fā)酵食品、有機(jī)酸、殺 蟲劑、降血脂、淀粉酶、蛋白酶、果 膠酶 紅曲霉降血脂、紅曲色素、發(fā)酵食品 但需要注意黃曲霉能產(chǎn)生致癌毒素,（四）酵母菌： 酵母菌是一類單細(xì)胞的真核微生物 1.形態(tài)：多為球形、卵形、圓筒形、尖形等， 一般酵母大小23um,部分達(dá)2050um 酵母細(xì)胞典型構(gòu)造包括： 細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞核、液泡、線粒體、 核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微粒、微絲、內(nèi)含物等

8、 2.分布：喜歡生長(zhǎng)在含糖環(huán)境，成熟水果表皮上含有，果園、糖廠、酒廠土壤中,3.繁殖方式： 分為有性繁殖和無性繁殖 無性繁殖中包括：芽殖和裂殖，發(fā)酵工業(yè)中以芽殖為主。,4.用途： 食品工業(yè)釀酒、食用酵母、某些發(fā)酵食品、食用色素 化工生產(chǎn)甘油、乙醇、石油脫蠟、有機(jī)酸、酶制劑 制藥核酸、輔酶,（五）擔(dān)子菌 是最高級(jí)的大型真菌，能產(chǎn)生擔(dān)孢子的一類多細(xì)胞真核生物 1.形態(tài)：由發(fā)育良好其有分割的菌絲組成，往往擴(kuò)展生成扇形，能形成子實(shí)體,2.繁殖方式：無性繁殖和有性繁殖 無性繁殖：芽殖、菌絲體的裂殖、分生孢子、粉孢子 有性繁殖：形成擔(dān)孢子 3.用途： 食用：蘑菇、木耳、香菇 藥用：蟲草、靈芝等 一般取用其

9、子實(shí)體,擔(dān)孢子,三、發(fā)酵工程及其應(yīng)用 （一）發(fā)酵的定義 定義：發(fā)酵（fermentation）最初是由拉丁語(yǔ)ferver即“發(fā)泡”、“沸涌”派生而來的。指酵母作用于果汁或谷物，進(jìn)行酒精發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生二氧化碳（CO2）的現(xiàn)象。 隨后，法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德探討了酵母酒精發(fā)酵的生理意義，認(rèn)為發(fā)酵是在無氧狀態(tài)下的呼吸過程。 現(xiàn)在發(fā)酵定義為： 發(fā)酵是指利用特定的微生物（活細(xì)胞）來獲得產(chǎn)物的有氧或無氧的任何過程，泛指所有通過培養(yǎng)生物細(xì)胞（含動(dòng)物、植物、微生物細(xì)胞）制得產(chǎn)物的過程。,（二）發(fā)酵和微生物新陳代謝的特點(diǎn) 1.微生物發(fā)酵具有以下特點(diǎn)： a.利用微生物， b.原料多數(shù)為糧食性原料， c.發(fā)酵條件溫和，

10、d.現(xiàn)代發(fā)酵多為無菌環(huán)境純種培養(yǎng)。 此外微生物新陳代謝還具有代謝速度快，代謝方式受環(huán)境影響的特點(diǎn),（三）發(fā)酵工程的類型 微生物菌體發(fā)酵 以獲取具有某種價(jià)值的菌體為目的 微生物酶發(fā)酵 以獲取代謝產(chǎn)生的酶為目的，如淀粉酶、脂肪酶 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 是發(fā)酵工業(yè)的主要支柱，包括初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物， 初級(jí)代謝產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸、核酸、糖類 次級(jí)代謝產(chǎn)物：抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素,微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵 利用微生物細(xì)胞產(chǎn)生的一種或多種酶把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的化合物，如將某些甾體轉(zhuǎn)化為維生素，將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸的醋酸發(fā)酵 生物工程的細(xì)胞發(fā)酵 利用生物工程獲得的細(xì)胞，特別是DNA重組技術(shù)獲得的工程菌

11、和細(xì)胞融合得到的雜交細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵獲得產(chǎn)物 如重組人胰島素、干擾素,（五）微生物發(fā)酵的一般過程： 微生物發(fā)酵的一般過程包括：菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵和提取精制等幾個(gè)過程。,微生物發(fā)酵過程的特點(diǎn) 發(fā)酵培養(yǎng)基是人工配制的適合于微生物生長(zhǎng)繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分應(yīng)包含碳源、氮源、無機(jī)鹽微量元素、生長(zhǎng)因子。 發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下對(duì)微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，因此所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備需經(jīng)過滅菌，通入的空氣也必須為無菌，轉(zhuǎn)移菌種也必須采用無菌接種技術(shù)。 發(fā)酵過程中微生物出現(xiàn)典型的生長(zhǎng)周期：延滯期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、靜止期、衰亡期。 發(fā)酵工藝的控制包括：溫度、pH、溶解氧濃度的控制及染菌的防治,（六

12、）發(fā)酵工程的應(yīng)用 1、發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用 食品加工 蛋白酶、淀粉酶、糖化酶 釀酒與含酒精飲料 發(fā)酵乳制品 酸奶、乳酪、奶酒 調(diào)味品與發(fā)酵食品 味精、肌苷酸、鳥苷酸、醬油、醋、醬、豆腐乳、泡菜、醬菜、發(fā)酵肉類 食品添加劑 面包酵母、有機(jī)酸、色素、維生素、多糖、乳酸菌肽、甜味劑,2、發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用 抗生素 最大一類治療藥物。到目前為止，抗生素總數(shù)不少于9000種產(chǎn)品100多種，年產(chǎn)值數(shù)百億美圓。 氨基酸 20多種，是重要的醫(yī)藥原料 維生素 重要的醫(yī)藥原料 甾體激素 重要的醫(yī)藥原料，大部分為化學(xué)合成-微生物轉(zhuǎn)化 疫苗、核酸類藥物、藥用酶、蛋白質(zhì)類藥物 天然藥物 通過細(xì)胞培養(yǎng)或微生

13、物轉(zhuǎn)化,3、發(fā)酵工程在輕工業(yè)中的應(yīng)用 生產(chǎn)工業(yè)酶、糖酶、脂肪酶、果膠酶 蛋白酶主要是洗滌劑。 4、發(fā)酵工程在化工產(chǎn)品中的應(yīng)用 生產(chǎn)各種醇及有機(jī)溶劑，如乙醇、甘油、丙酮 生產(chǎn)有機(jī)酸：醋酸、蘋果酸、乳酸、檸檬酸 利用藻類生產(chǎn)油脂，如DHA、EPA 5、發(fā)酵工程在新能源中的應(yīng)用 生產(chǎn)甲烷、乙醇、氫氣,6、發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 生物農(nóng)藥 微生物殺蟲劑：細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物殺蟲劑 防治動(dòng)植物病害：農(nóng)用抗生素 生物除草劑 雜草病原微生物 生物增產(chǎn)劑 生產(chǎn)食用及藥用真菌 蘑菇、草菇、木耳、香菇、靈芝等上百種,7、發(fā)酵工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 厭氧發(fā)酵、好氣發(fā)酵處理廢水廢渣 8、發(fā)酵工程在冶金選礦中的應(yīng)用 利

14、用氧化亞鐵硫桿菌等自養(yǎng)微生物將含硫金屬礦石中的金屬形成金屬鹽釋放出來，如金、銀、銅、鈾、鉛、鋅,三.發(fā)酵工程舉例 (一）啤酒生產(chǎn) （二）酸奶生產(chǎn),（一）啤酒生產(chǎn) 一. 概述 啤酒：以大麥經(jīng)發(fā)芽制成的大麥芽為主要原料，經(jīng)糖化和發(fā)酵制成。 特點(diǎn)： （1）添加酒花作為香料，經(jīng)啤酒酵母發(fā)酵釀制而成。是含CO2、低酒精濃度、起泡的釀造酒。 （2）啤酒是酒類中酒精含量最低的飲料酒，且營(yíng)養(yǎng)豐富，人們適量飲用時(shí)酒精對(duì)人體毒害相對(duì)較小。 啤酒是世界飲料酒，現(xiàn)除伊斯蘭國(guó)家由于宗教原因不生產(chǎn)和不飲用酒外，啤酒生產(chǎn)幾乎遍及世界各國(guó)，是世界產(chǎn)量最大的飲料酒，已達(dá)11300萬噸，人均年占有量23L。,糖化車間,生產(chǎn)原料:

15、 1、主要原料 大麥 可產(chǎn)生大量的水解酶類 大麥種植遍及全球 大麥的化學(xué)成份適合釀造啤酒 大麥?zhǔn)欠侨祟愔魇?2、輔助原料 小麥、玉米、大米、高梁等谷類，玉米淀 粉、木薯等淀粉，蔗糖、淀粉糖漿等. 目的:降低成本；(麥芽?jī)r(jià)格幾乎翻了1倍) 降低麥汁總氮，提高啤酒穩(wěn)定性。(輔料只含糖類）,3、啤酒花和酒花制品 酒花是啤酒的通用香料，能賦于啤酒柔和優(yōu)美的芳香和爽口的微苦味，能加速麥汁中高分子蛋白質(zhì)的絮凝，能提高啤酒泡沫起泡性和泡持性，也能增加麥汁和啤酒的生物穩(wěn)定性。主要是苦味物質(zhì)，如-酸、-酸及一系列氧化聚合產(chǎn)物，它們是啤酒苦味物質(zhì)和澀味的主要物質(zhì)。酒花精油，是啤酒中幽雅香氣的主要成份。多酚物質(zhì)，含

16、量很少（4%-8%）在啤酒中可形成色澤。,麥芽質(zhì)量： 葉芽長(zhǎng)度：淺色麥芽葉芽長(zhǎng)度為麥粒長(zhǎng)的3/4者占75%，平均長(zhǎng)度為麥粒長(zhǎng)的0.75左右，不發(fā)芽粒少于5%，可認(rèn)為優(yōu)良。 糖化力：指麥芽中-淀粉酶和-淀粉酶聯(lián)合使淀粉水解成還原糖（以麥芽糖表示）的能力,麥汁的組成是釀造啤酒的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，近代生物化學(xué)知識(shí)和分析技術(shù)使麥汁制造中復(fù)雜的變化被人們所掌握，復(fù)雜的工藝過程也被釀造師的理論和技術(shù)所調(diào)節(jié)與控制。 啤酒瓶包裝上的度數(shù)指的是麥芽汁的濃度而不是酒精含量 。,啤酒發(fā)酵： 啤酒酵母菌株 a 粉末型酵母（上面啤酒酵母）：大量酵母分散到液體中 b 凝聚型酵母（下面啤酒酵母）：發(fā)酵到一定程度，酵母自動(dòng)凝塊沉

17、降 啤酒發(fā)酵技術(shù)： 19世紀(jì)初采用“上面發(fā)酵”；19世紀(jì)中葉德國(guó)首先分離出下面啤酒酵母，這種淡色啤酒酵母稱為“慕尼黑”型?，F(xiàn)今下面發(fā)酵法生產(chǎn)啤酒占世界總產(chǎn)量90%左右。我國(guó)基本采用此法。,啤酒發(fā)酵生產(chǎn)流程圖,室外圓筒體錐體發(fā)酵罐（C.C.T）發(fā)酵：100600m3 單酵罐發(fā)酵：前發(fā)酵、主發(fā)酵、后發(fā)酵、貯酒全部在一罐完成。 前酵： 菌株適應(yīng)期1220h 主酵： 低溫發(fā)酵910，麥汁濃度3.64.00P ，20d 中溫發(fā)酵1012（淡爽啤酒），18d 此時(shí)酵母沉降 后酵： 糖類繼續(xù)發(fā)酵，促進(jìn)啤酒風(fēng)味成熟，增加Co2溶解，促進(jìn)啤酒澄清。210d（與后酵溫度有關(guān)）降溫、排酵母、貯酒：36左右排酵母，罐

18、內(nèi)繼續(xù)降溫至0（約需1d），在0左右下貯酒； 27d 罐裝：貯酒27天后，通過過濾除去固體雜質(zhì)，澄清酒體，然后罐裝并經(jīng)過殺菌后作為產(chǎn)品。,發(fā)酵控制室,大型啤酒發(fā)酵罐,（二）酸奶生產(chǎn) 一、酸奶有非常好的保健作用： 1、營(yíng)養(yǎng)作用 乳糖降解為葡萄糖與半乳糖，前者進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乳酸或其他有機(jī)酸；后者被人體吸收后，可參與幼兒腦苷脂和神經(jīng)物質(zhì)的合成，并有利于提高乳脂肪的利用率。牛奶中的蛋白質(zhì)經(jīng)發(fā)酵后，乳蛋白變成微細(xì)的凝乳粒，易于被人體吸收；酸奶中的磷、鈣和鐵易于吸收；發(fā)酵過程中乳酸菌還會(huì)產(chǎn)生人體所必需的維生素B1、B2、B6、B12、煙酸和葉酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 2、緩解乳糖不耐癥 乳糖分解為葡萄糖與半乳糖 3、整腸作用 飲用酸奶可以維持有益菌群的優(yōu)勢(shì) 4、抑菌作用 5、改善便秘作用 6、降低膽固醇 7、抗癌作用,二、