高中生物微生物发酵及其应用
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3.1 微生物发酵及其应用
为什么要利用微生物？
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发 酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其 他种类的微生物杀死。
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解 成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。
原始发展阶段（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，并不知道其中的原理 。）
传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ，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 。）
现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发展
速度快；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。 ）
酸菜：与泡菜类似。
微微生生物物的的应应用用
糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽； 果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、
改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用； 各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶
等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等； 各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感； 饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。 可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食
对数期的பைடு நூலகம்点
生长速度常数R最大 细胞进行平衡生长 酶系活跃，代谢旺盛
影响对数期微生物增代时间的因素
➢ 菌种 ➢ 营养成分 ➢ 营养物的浓度
发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度 食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期
稳定期
特点：
1 生长速率常数R等于0 2 菌体产量达到了最高值 3 合成次生代谢产物 4 细胞内出现储藏物质，芽孢菌内开始 产生芽孢
面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面 粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结 构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。
微微生生物物的的应应用用
泡菜：请参看《生物技术实践》的专题1的课题3（乳 酸菌）
腐乳：请参看《生物技术实践》的专题1的课题2（毛 霉、青霉、酵母、曲霉等）
微生物的应用
酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒 酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精 生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒 精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他 醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏 酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化 为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一 些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的 酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。
酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发 酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶 的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出 氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使 酱具有独特的酱香味。
微微生生物物的的应应用用
酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分 解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些 芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此， 酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳 糖不适应症者的优良食品。
品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。
微微生生物物的的应应用用
制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家； 食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；
轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、 黄原胶、甘油等的生产厂家；
化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙 烯酰胺等的生产厂家；
产生原因：
营养物尤其是生长限制因子的耗尽 营养物的比例失调，如碳氮比不合适 有害代谢废物的积累（酸、醇、毒素等） 物化条件（pH、氧化还原势等）不合适
衰亡期
特点：
1 R为负值 2 细胞的形态发生变化，出现不规则的衰退形 3 释放次生代谢产物，芽孢等 4 菌体开始自溶
产生原因：
生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过 合成代谢，继而导致菌体的死亡
调整期 对数期 稳定期 衰亡期
单细胞微生物的典型生长曲线
调整期的特点
生长速度为零 细胞体积急剧增大 细胞内的RNA尤其是rRNA含量增高，细胞呈嗜碱性 合成代谢活跃，易产生诱导酶 对外界不良环境条件敏感
影响调整期长短的因素
接种龄 接种量 培养基成分
发酵工业上需尽量缩短该期，以降低生产成本 在食品工业上，尽量在此期进行消毒或灭菌
哪些不同类型？
② 营养物的浓度及配比应恰当。营养物浓度太低，不能满足微生物生 长的需要；浓度太高，又会抑制微生物生长。
③物理、化学条件适宜。（pH、水活度、渗透压 ） ④在设计培养基时，必须考虑是要培养菌体，还是要积累菌体代谢产
物；是实验室培养，还是大规模发酵等问题。
发酵工业经历了哪几个阶段？
发酵工程生产实例
1、菌种的选择
2、培养基的选择
水
豆饼水解液、 玉米浆中的
水
选择细胞膜通透较强，在细
胞内成 不积分累谷氨酸的谷氨酸 酸碱
无棒机盐状杆菌氮做源菌种碳源
生长 度 因子
抑
磷酸二氢钾 氧化钾 硫酸镁
制
尿素
豆饼水解 液、玉米
浆
生物 素
pH 7-8
发酵工程
啤酒制造工艺流程
发酵工程
啤酒制造工艺流程
生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ）
什么是发酵工程？
采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些 特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把 微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程
我国工业生产味 精使用的菌种主 要是经过诱变育 种得到的营养缺 陷型的北京谷氨 酸棒状杆菌
饲料业：饲料添加剂的生产厂家；
农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生 产厂家。
微生物的应用
醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合 成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好 氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生 产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄 糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有 不同的风味。
微微生生物物的的应应用用
酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等， 将原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的 霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白 酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、 调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质， 包括氨基酸、核苷酸等。
为什么要利用微生物？
微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造
什么是发酵？
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产 物的过程。
微生物的生长规律
㏒ 细 胞 数
发酵培养基的配制
微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、 无机盐、生长因子和能源。
生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源 合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质， 包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时 也包括一些脂肪酸及其他膜成分
发酵培养基的配制原则
① 营养物质应满足微生物的需要。不同营养类型的微生物对营养的需 求差异很大，应根据菌种对各营养要素的不同要求进行配制。
醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条 件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉 在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡 萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。
微微生生物物的的应应用用
馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连 续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单 一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸 制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香 味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸， 不需要再用碱中和即可蒸制。
为什么要利用微生物？
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发 酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其 他种类的微生物杀死。
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解 成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。
原始发展阶段（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，并不知道其中的原理 。）
传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ，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 。）
现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发展
速度快；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。 ）
酸菜：与泡菜类似。
微微生生物物的的应应用用
糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽； 果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、
改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用； 各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶
等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等； 各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感； 饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。 可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食
对数期的பைடு நூலகம்点
生长速度常数R最大 细胞进行平衡生长 酶系活跃，代谢旺盛
影响对数期微生物增代时间的因素
➢ 菌种 ➢ 营养成分 ➢ 营养物的浓度
发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体密度 食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期
稳定期
特点：
1 生长速率常数R等于0 2 菌体产量达到了最高值 3 合成次生代谢产物 4 细胞内出现储藏物质，芽孢菌内开始 产生芽孢
面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面 粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结 构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。
微微生生物物的的应应用用
泡菜：请参看《生物技术实践》的专题1的课题3（乳 酸菌）
腐乳：请参看《生物技术实践》的专题1的课题2（毛 霉、青霉、酵母、曲霉等）
微生物的应用
酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒 酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精 生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒 精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他 醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏 酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化 为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一 些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的 酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。
酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发 酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶 的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出 氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使 酱具有独特的酱香味。
微微生生物物的的应应用用
酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分 解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些 芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此， 酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳 糖不适应症者的优良食品。
品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。
微微生生物物的的应应用用
制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家； 食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；
轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、 黄原胶、甘油等的生产厂家；
化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙 烯酰胺等的生产厂家；
产生原因：
营养物尤其是生长限制因子的耗尽 营养物的比例失调，如碳氮比不合适 有害代谢废物的积累（酸、醇、毒素等） 物化条件（pH、氧化还原势等）不合适
衰亡期
特点：
1 R为负值 2 细胞的形态发生变化，出现不规则的衰退形 3 释放次生代谢产物，芽孢等 4 菌体开始自溶
产生原因：
生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过 合成代谢，继而导致菌体的死亡
调整期 对数期 稳定期 衰亡期
单细胞微生物的典型生长曲线
调整期的特点
生长速度为零 细胞体积急剧增大 细胞内的RNA尤其是rRNA含量增高，细胞呈嗜碱性 合成代谢活跃，易产生诱导酶 对外界不良环境条件敏感
影响调整期长短的因素
接种龄 接种量 培养基成分
发酵工业上需尽量缩短该期，以降低生产成本 在食品工业上，尽量在此期进行消毒或灭菌
哪些不同类型？
② 营养物的浓度及配比应恰当。营养物浓度太低，不能满足微生物生 长的需要；浓度太高，又会抑制微生物生长。
③物理、化学条件适宜。（pH、水活度、渗透压 ） ④在设计培养基时，必须考虑是要培养菌体，还是要积累菌体代谢产
物；是实验室培养，还是大规模发酵等问题。
发酵工业经历了哪几个阶段？
发酵工程生产实例
1、菌种的选择
2、培养基的选择
水
豆饼水解液、 玉米浆中的
水
选择细胞膜通透较强，在细
胞内成 不积分累谷氨酸的谷氨酸 酸碱
无棒机盐状杆菌氮做源菌种碳源
生长 度 因子
抑
磷酸二氢钾 氧化钾 硫酸镁
制
尿素
豆饼水解 液、玉米
浆
生物 素
pH 7-8
发酵工程
啤酒制造工艺流程
发酵工程
啤酒制造工艺流程
生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ）
什么是发酵工程？
采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些 特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把 微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程
我国工业生产味 精使用的菌种主 要是经过诱变育 种得到的营养缺 陷型的北京谷氨 酸棒状杆菌
饲料业：饲料添加剂的生产厂家；
农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生 产厂家。
微生物的应用
醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合 成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好 氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生 产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄 糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有 不同的风味。
微微生生物物的的应应用用
酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等， 将原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的 霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白 酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、 调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质， 包括氨基酸、核苷酸等。
为什么要利用微生物？
微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造
什么是发酵？
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产 物的过程。
微生物的生长规律
㏒ 细 胞 数
发酵培养基的配制
微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、 无机盐、生长因子和能源。
生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源 合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质， 包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时 也包括一些脂肪酸及其他膜成分
发酵培养基的配制原则
① 营养物质应满足微生物的需要。不同营养类型的微生物对营养的需 求差异很大，应根据菌种对各营养要素的不同要求进行配制。
醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条 件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉 在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡 萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。
微微生生物物的的应应用用
馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连 续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单 一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸 制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香 味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸， 不需要再用碱中和即可蒸制。