人教高中生物选修2第3章 第1节微生物发酵及其应用

发酵工业经历了哪几个阶段？
• 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
– 在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形 成竞争关系，对发酵过程造成不良影响 。
• 举例：
– 如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌，则放线 菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌 死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌， 这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素 分解掉。
4、扩大培养和接种
• 扩大培养：
3) 发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。例如： 通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20 世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t， 广泛用于食品加工和饲料中。
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，
3. 发酵条件
– 发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大 影响。
6、分离提纯
• 发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不 同，产物分离、提纯的一般方法是：
– 代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法。 – 菌体本身：过滤、沉淀。
从自然界分离的菌种
诱变育种
扩大培养 接种
基因工程 生产用菌种
诱变育种 原料
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 是由醋酸杆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。
加料口 搅拌器
电动机 pH检测及 控制装置
排气口
冷却水出口
冷却水进口 放料口
培养液 无菌空气
发酵工程的内容
• 发酵工程的内容包括了以下的基本步骤：
1. 菌种的选育 2. 培养基的配置 3. 灭菌 4. 扩大培养和接种 5. 发酵过程 6. 分离提纯
1、菌种的选育
1. 选育的方法：
1) 从自然界中先分离出相应的菌种； 2) 利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种 ； 3) 利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞或工
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。
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。
– 扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分 头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能 在短时间里得到大量的菌体
• 接种：
– 有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注 意什么事项呢？
– 接种过程中要注意防止杂菌污染
5、发酵过程
1. 发酵产物：
– 发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。
2. 发酵进程
– 在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产 物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成 分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发 酵产物 。
程菌。
2. 举例：
– 可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒 结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌 细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人 的胰岛素的菌种。
2、培养基的配置
1. 培养基配置的原则：
1. 根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
• 配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源长因子、水、无 机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的PH。
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。 ）
• 生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ）
发酵工程生产实例
• 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
NH4＋
谷氨酸 脱氢酶
抑制
发酵工程生产实例
1. 菌种的选择
谷氨酸发酵最重要的无疑就是选 择菌种了，应该选育什么样的谷 氨酸棒状杆菌作为菌种呢?
2. 培养基的营养要协调，以利于产物的合成。
3. 培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降 低生产成本，以得到更高的经济效益。
2. 举例：
– 发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经 常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆，以及乙醇、 醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
3、灭菌
• 灭菌的原因：
只有选择细胞膜通透较强，在细胞内 不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌 种才有可能获得大量的谷氨酸。
发酵工程生产实例
2. 培养基的选择
成分
酸
水
无机盐
氮源
碳源
生长因 子
碱 度
豆饼水解 磷酸二氢钾
豆饼水
百度文库pH
液、玉米 氧化钾 尿素 解液、 生物素 7-
浆中的水 硫酸镁
玉米浆
8
发酵工程生产实例
3. 发酵罐示意图
灭菌 培养基配置
分离 提纯
微生物菌体
代谢产物
产品
发酵工程
发酵工程
发酵工程
四、发酵工程的应用
2. 在食品工业方面：
1) 发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。如： 生产呻酒，果酒等。
2) 发酵工程能生产各种食品添加剂。例如, 酸味剂：柠檬酸、乳酸等；鲜味剂：谷氨酸等； 色 素：β-胡萝卜素等； 甜味剂：高果糖浆等。
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 。