微生物发酵技术在植物保护上的应用(1)

1、发酵及发酵工业

广义——利用微生物在有氧或无氧条件下的生 命活动来制备微生物菌体或其他代谢产物的过 程。
狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧 条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。


发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制 获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过 程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨 基酸、酶、维生素、某些色素等。
1984年达9000多种。
1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）
分子生物学发展阶段（成熟期）
J.D.Waston, H.F.C.Crick 发现DNA双螺旋模型
Watson 和 Crick
1956年，Watson
和 Crick发现DNA双 螺旋结构，为微生 物遗传学及育种技 术的研究带来极大 发展。
巴斯 德的 雁颈瓶实验
无菌营养液 出现微生物 加热
无菌营养液
无生命出现
无菌营养液
无生命出现
结论
1.
2.
3.
发酵是由微生物进行 的一种化学变化，不 同类型的发酵是由形 态可以区别的各种特 殊的微生物所引起的。 1870年，Pasteur发 现了微生物之间有相 互抑制的作用。即拮 抗作用。 其间1804年，法国 厨师阿卑特 （Appert）发明了 瓶装罐头）
六、微生物发酵的基本特征
1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程。 2.微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵。 3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业。 微生物发酵主要有以下几个特征： （1）反应条件温和。通常由于微生物的生理特性，要求温 度为30℃～40℃、pH值中性偏酸性如酵母、霉菌、放线 菌的发酵和pH值中性偏碱性如细菌的发酵。 （2）无菌发酵，整个反应过程要求无菌。培养基无菌、空 气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾 气也要求进行无菌处理。 （3）非连续性生产。微生物的生理特性决定了发酵过程的 非连续性，大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行 的，目前可以实现连续化生产的是啤酒的连续化生产。

五、微生物发酵工业所用菌种
优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常 丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多 1.从微生物分类学的角度把所需菌种分为：细菌类如短杆菌、 枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢 杆菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵 母等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌 如各种抗生素，链、庆大等。 2.作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有以下特点：(1)具有 稳定的遗传学特性。(2)微生物生长和产物的合成对于基质没 有严格的要求。 (3)生长条件易于满足。(4)具有较高的各种 酶活力。（5）对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而 在目的产物的分离提出时，则易破碎。
实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎 制成酵母汁 （应用于医学）+ 白 砂糖（防腐） 意外发现发酵
这是无生物细胞体系发酵的 最初例子。
Fleming
1928年，
Fleming发
开创了好气
现了青霉素，
性发酵工程，
建立了通风
1928年，Fleming将其 命名为：青霉素 弗莱明(1881～1995) 英国细菌学家
2、按产品性质来分：

代谢产物发酵：产品包括初级代谢产物、中间代 谢产物、次级代谢产物。
1、初级代谢产物：微生物生长不同阶段产生不 同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细 胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白 质、脂类、糖类等。 2、次级代谢产物：微生物细胞生长进入稳定期， 有些微生物合成的在对数生长期不能合成的特定 功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植 物生长因子等。
42-43oC下培养 的老龄炭疽菌
37oC下培养 的新鲜炭疽菌
几星期后
获免疫力
巴斯德发现免疫现象↑动物实验↓人体实验
病犬延髓（几代减毒） 被疯狗严重咬伤的9岁男童
科 赫 的 功 绩
发明培养基并用其纯化微生 物等一系列研究方法的创立 证实炭疽病因 — 炭疽杆菌 发现结核病原菌—结核杆菌
科赫法则
单菌落
根据以往的观念，人们通常把食品发酵作为整个 发酵工业的分支。


发酵技术是生物技术中最早发展和应用的 食品加工技术之一。

许多传统的发酵食品，如酒、豆豉、甜酱、豆 瓣酱、酸乳、面包、火腿、腌菜、腐乳以及干 酪等。

随着分子生物学和细胞生物学的快速发展， 现代发酵技术应运而生。

传统发酵技术与DNA重组技术、细胞(动物细胞 和植物细胞)融合技术结合，已成为现代发酵 技术及工程的主要特征。
研究经验还不足，还没有归纳为系统的理
论，许多产品的发酵过程中的问题尚难以
解决，很多问题有待研究探讨。
四、发酵与酿造的研究对象
1、按产业部门来分： 酿酒工业 传统酿造工业 有机酸发酵工业 酶制剂发酵工业：淀粉酶中95%以上为霉菌、细菌淀粉酶 氨基酸发酵工业 功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等 食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖 菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等 维生素发酵工业：Vc、VB2、VB12 核苷酸发酵工业：ATP、IMP、GMP
奠wk.baidu.com人
巴斯德· 路易斯 (1822-1895) 微生物奠基人
Koch,robert (1843-1910) 细菌学奠基人
(Joseph Lister,1827~1912)首创用石 炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以 防术后感染，为防腐、消毒，以及 无菌操作奠定了基础。
Buchner（布赫纳） 1897年，Buchner（布 赫纳）阐明了发酵的化学 本质。即发酵是由酶引起 的一类化学反应。
列文虎克（Leewenhoch,1632-1723） ——微生物形态学发展阶段
荷兰业余科
学家，1676年，
用自磨镜片创 造了一架能放 大 266倍的原 始显微镜一生 制作了419台 显微镜；
发表论文400
余篇，375篇
寄往英国皇家 学会发表。
Anthnoy van Leeuwenhoek 1684年寄给皇家协会信的部 分内容
Anthnoy van Leeuwenhoek与他的显微镜
Larkutzing
1836-1837年Larkutzing发
现在啤酒的发酵中存在活的 生物体，但并未发现发酵与
微生物的关系。
不同时期观察到的酵母菌细胞结构
巴斯德的功绩
彻底否定了自然发生说 证实发酵由微生物引起 免疫学—预防接种 发明巴氏消毒法
2、按产品性质来分： 微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生 物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产 容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大 多来自微生物发酵 微生物的转化发酵 微生物的转化是利用微生物 细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构 相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应 包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反 应、氨化反应、脱氨反应等。
分子生物学发展阶段（成熟期）特点
微生物学成为十分热门的前沿基础学科 微生物成为生物学研究中的最主要对象 生物工程中，发酵工程是最成熟的应用技术
Cncnc-micro
氨基酸生产菌种
1956年，日本的士下祝郎利用发酵
法制造出了Glu。
至今22种氨基酸用发酵法生产，其
中18种直接发酵，4种用酶转化法
生产。
三、发酵工业的工程技术发展史
第一个转折点——微生物纯种分离培养技 术建立

自然发酵时期：知其然而不知其所以 然，如厌气性——酒类，好气性—— 醋。

微生物纯种分离培养技术，开创了人
为控制微生物时代，减少了腐败现象， 实现了无菌操作；发明了简便的密封
式发酵罐；人工控制条件，提高发酵
效率，稳定产品质量。
第二个转折点 ——通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）

20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发 酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整 套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通
过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接
种 、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺
激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模
搅拌技术。
产黄青霉菌落 细菌生长 抑制区域
正常细菌 生长区域
霉菌菌落周围出现抑制萄 葡球菌生长的抑制现象 ---抗生素的发现
Florery和Chain
1940年，Florery和Chain：
碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放
线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、
庆大……..等相继发现。
——发酵与酿造技术的第五个转折点
DNA重组技术

DNA重组技术大大推动了发酵与酿造技术 的发展

细胞融合技术：基因体外重组与克隆的工程菌
株构建

生物反应器：反应罐等设备、昆虫躯体、动物
细胞乳腺、植物细胞的根茎果实。
难以解决的实际问题

尽管如此，食品发酵与酿造仍然有许多难
以解决的实际问题，例如许多工程方面的
2、酿造(brewing)和酿造工 业

酿造(brewing)：我国人们对对一些特定产 品发酵生产的特殊称法，是未知的混合微 生物区系参与的一种自然发酵。 酿造工业：经自然培养、不需提炼精制、 产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求 的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白 酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆 豉、面酱等。
生产。
第三个转折点 ——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立
以动态生物化学和遗传学为基础，将微
生物进行人工诱变，选育高产菌株，实
现有选择地大量生产目的产物。该技术
先在氨基酸生产上获得成功，而后在核
苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得 到应用。
第四个转折点
——发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立
微生物发酵技术的应用
医药工业（胰岛素、乙肝疫苗、干扰素） 食品工业（饮料、酒类、氨基酸） 能源工业（寻找新能源） 化学工业 冶金工业（分离、浓缩和提纯有用金属） 农业（生物固氮、微生物农药、饲料等） 环境保护（降解污染物）
微生物发酵技术
目录
什么是发酵、酿造 发酵工业的微生物技术发展史 发酵工业的工程技术发展史 发酵与酿造的研究对象 微生物发酵工业所用菌种 微生物发酵的基本特征

一、什么是发酵、酿造

发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即 “翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来；因为发酵 有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、 欧洲的beer就以起泡现象作为判断发酵进程的标 志。


2、按产品性质来分：

微生物菌体发酵 是以获得具有某种用途的菌体为目的的 发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品 的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新 的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹 而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。 香菇、云芝） 生物工程细胞的发酵 是指利用生物工程技术所获得的 细胞，如DNA重组的“工程菌”，细胞融合所得的“杂交” 细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多样， 如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素等。

二、发酵工业的微生物技术发展史
1676年列文虎克（Leewenhoch） 1836—1837年Larkutzing 1856—1857年Pasteur 1870年Pasteur 1880年科赫（Robert Koch） 1897年，Buchner（布赫纳） 1928年，Fleming 1940年，Florery和Chain 1945年，抗生素工业
划线法获得单菌落
科赫定理图示
结论


1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开 来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。 建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃 薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和 琼脂 平板（1882） 显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、 悬滴培养法以及显微摄影技术。 利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源 菌（炭疽、结核、链球、） 1884年提出了科赫法则（Koch’s ostulates）： 病原微生物存在与病体而非健康体；可纯培养； 纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。
发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方 面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、 Ph、罐压、溶O2 、Eh、空气流量、泡沫、CO2 含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头
等）
——发酵与酿造技术的第四个转折点
第五个转折点
——微生物生物合成和化学反应合成相结合工程 技术的建立
针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前 体，用化学合成法得到终产品或反之。如 Amyno法生产酱油。