3-1微生物发酵及其应用

(4)温度对微生物生长的影响 温度主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生 物的生命活动。一方面，随着温度的升高，细胞内的酶反应速度 加快；另一方面，随着温度的进一步升高，生物活性物质(蛋白
质，核酸等)发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微
生物都有最适生长温度。 (5)pH对微生物生长的影响 培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化，以 及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收；pH
和生长因子的需求来配制特殊的选择培养基，以便获得单
一的菌种；也可以根据微生物对不同抗菌素的敏感性的差 异，加入不同的抗菌素来获得单一的目的纯种。核酸虽然
是微生物的组成成分，但不是它们所需要的营养成分，微
生物不会因为培养基中加入的核酸不同，而培养出不同的 物质。 答案 C
发酵与食品生产
____、泡菜、______ 葡萄酒等。 1． 生产日常食品：如馒头、面包、腐乳 酱油 等调味剂，各种食 2． 生产食品添加剂：如味精、醋、_____ 食品色素。 品营养增强剂，食品防腐剂，________ [思维激活3] 单细胞蛋白是蛋白质吗？ 提示 不是。单细胞蛋白是微生物菌体本身。
也会影响生物活性物质，如酶的活性。
与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、 最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的 范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.0～9.0范围内。 真菌生长的范围宽，细菌较窄(pH在3.0～4.0范围内)，细
菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母菌、霉菌
萄糖异构酶，用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗
衣粉中的碱性蛋白酶等等)。除了利用基因工程开发新的产品 外，利用基因工程对传统发酵和现代发酵工业上使用的菌种 进行改造，也获得了巨大成功。
【巩固1】 19世纪初，德国一位科学家发明了微生物分离与纯 化技术，开创了人为控制微生物的时代。这位科学家是 ( A．科赫 B．施莱登 C．施旺 D．达尔文 )。
发酵生产过程探秘
1．发酵 微生物 在适宜的条件下，将原料经过特定的________ 是利用_______ 代谢途径 转化为人类所需要的产物的过程。 2．原理 不同的微生物具有产生不同_________ 代谢产物 的能力。例如：谷氨酸
棒状杆菌发酵可以生产____ 味精，黄色短杆菌发酵可以生产_____ 赖氨
(2)纯种发酵与灭菌
现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过 程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失 败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重 要环节。
(3)发酵培养基
现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层 发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要， 因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过 分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力， 会使产物的产量和产率下降。使用的培养基还必须有利于微生 物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。
发酵工程在食品工业上的应用 发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括以下三 方面。
(1)生产传统的发酵产品：如啤酒、果酒、白酒和食醋
等，使产品的产量和品质得到明显的提高，特别是酒精饮 料，是食品发酵工业中产量最大的一类产品。乳制品是仅
m3)；技术发展速度快。因此，菌种的生产能力大幅度提
高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程 度。
(4)生物技术产业时代
现在人们可以将源于动物或植物，甚至源于人的基因转移到 诸如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等微生物中，获得具有特
殊生产能力的基因工程菌。由于基因表达的产物均为蛋白
质，因此在工业上利用基因工程菌大规模生产的产品，主要 是用于治疗各种疾病的药物，又称为基因工程药物(如人胰岛 素、人干扰素、人生长激素等，大约有40多种)，同样也可以 用于不同目的的酶(比如用于将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡
和维生素发酵工业相继诞生。
6． 20世纪70年代以后：有特殊生产能力的基因工程菌发酵产 生长激素 等。 生_______ 胰岛素 、_________
[思维激活1]
提示 酵。
微生物发酵一定是在无氧条件下进行的吗？
不是。微生物发酵有的是无氧发酵，有的是有氧发
发酵工业大致经历的时期 (1)原始发展时期 人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的
法。
(5)接种 将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中，菌种的体积与发酵 罐的体积比约为1∶10。 (6)发酵罐内发酵 发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等， 以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，以满足微生物 的营养需求。同时，要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条 件。这是因为环境条件的变化，不仅会影响微生物的生长繁殖， 而且会影响微生物代谢产物的形成。 (7)分离、提纯产物 将发酵液中的发酵产物进行分离纯化，是制取发酵产品不可缺少 的阶段。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果发酵产品是微 生物细胞本身，可在发酵之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分 离，干燥即可得到产品。如果产品是代谢产物，可根据产物的性 质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
第1节 微生物发酵及其应用
课程标准 举例说出发酵与食品生产。 课标解读 1．说出微生物发酵生产的基本过程。 2．举例说出微生物发酵与食品生产的关系。
3．参与有关微生物发酵的调查活动。
4．通过发酵工程发展的历史，体验科学、技术、社会三 者间的紧密联系和互动。
发酵工程史话
1． 1857年，法国微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵
化措施来获得产品。
[思维激活2] 利用酵母菌发酵生产酒精时，应如何控制氧气 条件？ 提示 先通空气，后密封。
好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明 1．
(1)选育菌种 根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验 出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、 诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。
适应于偏酸性环境。 (6)溶氧的影响 工业上大部分为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、 多糖、有机酸(细胞发酵生产乳酸例外)等发酵均需要往发
酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的
需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发 酵，发酵过程不需要氧。
【巩固3】 发酵工程的第一重要工作是选择优良的单一纯种， 消灭杂菌，获得纯种的方法不包括 ( )。 A．根据微生物对碳源需求的差别，使用含有不同碳源的
__ 酸。
3． 发酵过程 诱变 育种、_________ 基因工程 (1)选育菌种：可采用自然界选种、_____ 育种等。 碳源、氮源、 (2)配制培养基：根据微生物的营养需要提供____ ________、无机盐和水。 生长因子 (3)灭菌：培养基和发酵设备均需严格灭菌。 (4)扩大培养和接种：大规模生产中需要使_____ 菌种 达到一定
1928年，弗莱明发现青霉素能杀菌。青霉素的发现和工业化生
产，给人们带来巨大启迪。不久，链霉素、金霉素、土霉素等相 继问世，从而兴起了一个新的工业——抗生素工业。生产抗生素
的经验和设备很快被引用到其他发酵产品的生产上，极大地促进
了这些产业的迅速发展，从而形成了一个全新的产业——现代发 酵工业。
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这个时期，发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步 缓慢，完全是经验式的。在几千年的文明史中，人们只知 道这样做可以得到所需的东西，并不知道其中的原理。
(2)传统发酵工业时期
1857年法国微生物学家巴斯德通过实验证明了酒精发酵是 由活的酵母引起的。1897年德国的毕希纳进一步发现，即
使将酵母磨碎，仍然能使糖发酵形成酒精，他将这种具有
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解析
答案
1905年德国微生物学家科赫建立了微生物的培养技
A
术，故选A。
【巩固2】 1857年，微生物学家发现了发酵原理后才逐步形成
了发酵工程，这位微生物学家是
A．巴斯德 解析 答案 B．拉马克 C．列文虎克
(
)。
D．科赫
1857年，微生物学家巴斯德通过实验证明酒精是由 A
活的酵母引起的，发现了发酵的原理。
发酵能力的物质称为酶。从而人们才开始了解发酵现象的 本质。
从19世纪末到20世纪30年代，随着人们对微生物世界认识的不断
深入和发展，利用微生物生产的新产品不断出现，例如，酒精、
乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。这 些产品的生产，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对 生产设备要求不高，规模一般不大，因此被称为传统发酵工业。 (3)现代发酵工业时期
(2)扩大培养
生产用菌种 接入 ――→种子培养罐 （或种子） 足够菌种
(3)配制培养基
在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养
基。培养基中应包含微生物需要的营养物质如碳源、氮源、生长 因子、无机盐和水等。 配制培养基的原则：目的明确、营养物质协调、pH值适宜。如 培养基中C/N比影响代谢：C/N＝4时，细菌繁殖较快；真菌在 C/N＝10时，生长较快。谷氨酸发酵生产时，C/N＝4时，菌体繁 殖快、产物少；C/N＝3时，菌体繁殖慢、产物多。细菌适宜 pH≈4.5～6.0。 (4)灭菌 现代发酵工业绝大多数采用单一菌种发酵，培养基和发酵设备都 必须经过严格的灭菌，并进行无菌操作，一般采用高压蒸汽灭菌
生产实践中，积累了丰富经验。最初可能是人类发现储存水
果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。相传，在埃及和 中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿
酒。我国利用微生物进行谷物酒类发酵，至少是在四千年前
的龙山文化时期。在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少 康(即杜康)造秫酒的记载。随着社会的发展，又出现制酱和酱 油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵。
培养基
B．根据微生物需要生长因子的种类，在培养基中增减不 同的生长因子
C．根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比
例的核酸 D．根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入 不同的抗菌素
解析
微生物生长所必需的营养物质有碳源、氮源、无机
盐、水和生长因子，不同微生物对营养物质的要求不同 (水除外)，可以根据微生物的生长对碳源、氮源、无机盐
20世纪50年代的氨基酸发酵工业，60年代的酶制剂工业， 70年代的多糖、维生素发酵工业，70年代以后生物大分子 发酵技术相继诞生。这个时期生产技术要求高(由于多为
好氧纯种发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件)；生
产规模大(用于青霉素生产的搅拌通气发酵罐的体积达到 500 m3，单细胞蛋白生产用的气升式发酵罐已达到2 000
数量，将菌种接种到培养基上，接种时防止杂菌污染。
(5)发酵罐内发酵：要随时检测发酵进程，要及时满足菌种 营养 需求，还要严格控制_____ 温度 、pH、_______ 溶解氧 等发酵 的_____ 条件。
(6)分离、提纯产物：如果产品是菌体，可采用_____ 过滤 、沉 代谢产物，可采用提取、____ 分离和纯 淀等方法；如果产品是________
2． 影响发酵的因素 (1)菌种 发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。现在
工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精
的微生物是谷氨酸棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是 黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产
生特定产物的能力也不同。为了利用发酵生产所需的产
物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的 微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对 几百株、数千株微生物进行筛选。
酵母 引起的。 是由活的_____ 酶在酵母发酵中的作 2． 1897年，德国的毕希纳进一步发现了__ 用。 3． 20世纪30年代传统发酵工业生产的新产品：酒精、乳酸、 面包酵母 ________、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶 ______和______ 蛋白酶等。
4． 20世纪40年代大规模生产_______ 青霉素 、链霉素、金霉素、土 霉素等，抗生素工业兴起。 氨基酸 发酵工业、酶制剂工业、多糖 5． 20世纪50年代起： _______