資源簡介

(共33張PPT)
第1章 發酵工程
第3節　發酵工程及其應用
青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量，價格貴如金。
隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入了產業化生產的道路。如今，一瓶規格160萬單位青霉素注射劑的價格只要1元左右。
在工業上，青霉素是怎樣生產的？
從社會中來
隨著人們對發酵原理的認識，微生物純培養技術的建立，以及密閉式發酵罐的設計成功，人們能夠在嚴格控制的環境條件下，大規模生產發酵產品，發酵工程逐步形成。
一般包括：菌種的選育，
擴大培養，
培養基的配制、滅菌，
接種、發酵，
產品的分離、提純等方面。
一、發酵工程的基本環節
（1）選育菌種
性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。生產檸檬酸就需要篩選產酸量高的黑曲霉。在啤酒生產中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發酵過程，縮短生產周期。
（2）擴大培養
工業發酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發酵之前還需要對菌種進行擴大培養。
一、發酵工程的基本環節
（3）培養基配制
在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定。
（4）滅菌
發酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。例如，在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌。
一、發酵工程的基本環節
（5）接種
（6）發酵罐內發酵
現代發酵工程使用的大型發酵罐均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制；還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。
這是發酵工程的中心環節。在發酵過程中，要隨時檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的營養組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。例如，谷氨酸的發酵生產：在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
一、發酵工程的基本環節
（7）分離、提純產物
如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。如果產品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。
（8）獲得產品
一、發酵工程的基本環節
——發酵工程基本環節分析
1、微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？
一、發酵工程的基本環節
思考討論
需要考慮的因素包括:在低成本的培養基上能迅速生長繁殖;
生產所需代謝物的產量高;
發酵條件容易控制;菌種不易變異、退化等。
——發酵工程基本環節分析
2、怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？
（1）要對溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖
（2）及時添加必要的營養組分。
（3）對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌。
一、發酵工程的基本環節
思考討論
——發酵工程基本環節分析
一、發酵工程的基本環節
思考討論
3、在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
傳統發酵技術獲得的產物一般不是單一的組分， 而是成分復雜的混合物，再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。在發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法;在進一步純化階段， 會采用液相層析法、結晶法等方法。發酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。
不能。因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出的氣體和廢棄培養液進行二次清潔或滅菌處理
——發酵工程基本環節分析
一、發酵工程的基本環節
思考討論
4、進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液能直接排放到外界環境中嗎？為什么？
1．發酵工程的特點
（1）生產條件溫和 （2）原料來源豐富且價格低廉
（3）產物專一 （4）廢棄物對環境的污染小以及容易處理
2．發酵工程的應用
（1）在食品工業上的應用 （2）在醫藥工業上的應用
（3）在農牧業上的應用 （4）在其他方面的應用
二、發酵工程的應用
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
醬油
黑曲霉
淋洗、調制
各種谷物、水果
釀酒酵母
各種酒類
(一) 在食品工業上的應用
生產傳統的發酵產品
1
二、發酵工程的應用
表1-2 常用的幾種食品添加劑 添加劑類型 舉例
酸度調節劑 L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸
增味劑 5‵-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉
著色劑 β-胡蘿卜素、紅曲黃色素
增稠劑 黃原膠、β-環狀糊精、結冷膠
防腐劑 乳酸鏈球菌素、溶菌酶
利用黑曲霉發酵生產檸檬酸
利用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸，經處理制成味精。
生產各種各樣的食品添加劑
2
二、發酵工程的應用
利用微生物發酵生產α 淀粉酶、β 淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等；目前已有50多種酶制劑用于食品生產。
生產酶制劑
3
二、發酵工程的應用
青霉素的發現和產業化生產推動了發酵工程在醫藥領域的應用和發展。
利用工程菌發酵生產生長激素釋放抑制激素
通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素
2、直接對菌種進行改造,再通過發酵技術大量生產所需要的產品
1、采用基因工程的方法,將植物或動物的基因轉移到微生物中,獲得具有某種
藥物生產能力的微生物
(二) 醫藥工業上的應用
二、發酵工程的應用
3、未來可能用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等。
4、利用基因工程將病原體的抗原基因轉入微生物細胞，制成生物疫苗。
二、發酵工程的應用
利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥
微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的 　、　 　 　 　等
來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。
有機酸
生物活性物質
(三)在農牧業上的應用
生產微生物肥料
1
二、發酵工程的應用
生產微生物農藥
2
如：利用蘇云金桿菌防治多種農林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲，
一種放線菌產生的抗生素-井岡霉素可防治水稻枯紋病。
微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。
微生物農藥作為生物防治的重要手段，將在農業的可持續發展方面發揮越來越重要的作用
二、發酵工程的應用
二、發酵工程的應用
3
生產微生物飼料
微生物含有豐富的蛋白質。
以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高
單細胞蛋白
發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決糧食、環境、健康和
能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。
1、解決資源短缺和環境污染問題
利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質
2、對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境）的利用
利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑
(四)在其他方面的應用
二、發酵工程的應用
啤酒的工業化生產流程
1.發芽
大麥種子發芽，
釋放淀粉酶
2.焙烤
加熱殺死胚，
淀粉酶不失活
3.碾磨
將干燥的麥芽
碾磨成麥芽粉
4.糖化
淀粉分解
形成糖漿
6.發酵
酵母菌將糖轉化
為酒精和CO2
5.蒸煮
產生風味組分，終止酶的進
一步作用，并對糖漿滅菌
7.消毒
殺死啤酒中大多數微生
物，延長它的保存期。
8.終止
過濾、調節、分裝啤酒進行銷售
啤酒的工業化生產流程
發芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
發酵
消毒
終止
主發酵
后發酵
1、主發酵
發酵過程分主發酵和后發酵兩個階段：
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。
2、后發酵
主發酵結束后，發酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環境下 儲存一段時間進行后發酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。
發酵的溫度和發酵的時間隨啤酒品種和口味要求不同有所差異。
啤酒的工業化生產流程
1、與傳統的手工發酵相比，在工業化啤酒生產過程中，哪些工程手段使啤酒產量和質量明顯提高？
思考
菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制、產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。
2、現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。
有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？
“精釀”啤酒，是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何看待大規模生產和小規模制作？
思考
到社會中去
1、列出你昨天一天的食譜，看看那些食品是直接由微生物發酵產生的？
那些食品中添加了經發酵生產的食品添加劑？
2、當地是否有發酵生產企業？如果有，請進行以下調查活動：
（1）咨詢當地政府管理部門，了解以下信息：這些企業的年產值是多少？占當地國民生產總值的比例是多少？提供了多少就業崗位？
（2）你的家人和朋友是否有正在從事分解工業生產的，如果有，咨詢以下問題：他們所在公司目前生產那些分解產品？經濟效益如何？該行業遇到的主要困難是什么？要解決這些困難，對分解技術提出了那些新要求？
1.下列不需要利用發酵工程的是(　　)
A.生產單細胞蛋白飼料
B.通過生物技術培育可移植的皮膚
C.利用微生物生產胰島素
D.工廠化生產青霉素
B
解析:生產單細胞蛋白是利用發酵工程生產微生物菌體本身的過程。利用微生物生產胰島素和工廠化生產青霉素都需要利用發酵工程。通過生物技術培育可移植的皮膚不是利用發酵工程。
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2、(多選)下列關于發酵過程的說法,正確的是(　　 )
A.培養基滅菌是發酵生產中的一個很重要的環節
B.隨時監測影響發酵過程的各種環境條件,并予以控制,才能保證發酵的正常進行
C.在發酵過程中,要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件,否則會影響菌種代謝物的形成
D.發酵產品的分離方法是共同的
ABC
解析:不同的發酵產品,其分離方法不同。有的需要過濾、沉淀,有的則需要進行蒸餾、萃取或離子交換。
鞏固訓練
3、發酵工程的一項關鍵措施是滅菌,下列關于滅菌的敘述,正確的是(　　)
A.培養基和發酵設備均需要嚴格滅菌
B.滅菌是殺死培養基中的一切細菌和真菌
C.通入無菌空氣可以達到滅菌的目的
D.pH調到7左右滅菌效果最好
A
解析:培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌,A項正確;
培養基的滅菌是殺死培養基中的一切微生物,B項錯誤;
為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無菌的,但不是通入無菌空氣就可以達到滅菌的目的,C項錯誤;
滅菌效果與pH無直接關系,D項錯誤。
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4、下列關于單細胞蛋白的敘述,正確的是(　　)
A.是從微生物細胞中提取的蛋白質
B.通過發酵生產的微生物菌體
C.是微生物細胞分泌的抗生素
D.單細胞蛋白不能作為食品
B
解析:單細胞蛋白是利用淀粉或纖維素的水解液,制糖工業的廢液等為原料,通過發酵獲得的大量的微生物菌體,所以不是特指微生物的某種蛋白質或抗生素;單細胞蛋白含有豐富的蛋白質,如真菌蛋白可作為食品。
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