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第3节 发酵工程及其应用
第1章 传统发酵技术的应用
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。
随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右，那么工业上究竟是如何生产的呢？
发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
1.可通过哪些途径获得发酵工程使用的优良菌种
2.获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养？选择什么培养基扩大培养？为什么选择此类型的培养基？扩大培养的最佳时期是何时？
3.为什么要灭菌？
结合图1-9“发酵工程的基本环节和发酵罐示意图”，回答下列问题
1.发酵工程的基本环节
环节 方法
菌种选育
①自然界筛选②诱变育种③基因工程育种
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
07
08
发酵
产品的分离
提纯
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒状杆菌
环节 目的
扩大培养
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
07
08
发酵
产品的分离
提纯
将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
获得 。
更多的菌种
发酵工程所用大多为_____菌种,
因为有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
07
08
发酵
产品的分离
提纯
接 种:
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
将 的菌种投放到 中。
扩大培养后
培养基类型:
发酵工程一般使用_______培养基
液体
灭菌：
单一
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。电动机排气管pH计冷却水排出口冷却夹层发酵液搅拌叶轮生物传感器装置空气入口放料管阀门培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器和控制装置冷却水进入口1.发酵工程的基本环节01020304菌种的选育扩大培养培养基的配制灭菌接种05060708发酵产品的分离提纯结合所看视频和发酵罐示意图介绍尝试解释发酵罐的构造及各部分的作用
发酵过程的影响因素：
通过________________________进行监测和调整，
用_________进行温度的调节
1.温度：
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
07
08
发酵
产品的分离
提纯
2.溶解氧：
好氧型微生物：溶解氧要充足；
厌氧型微生物：严格的无氧环境
由发酵罐的通气口通气量来控制和搅拌速度加以调节
温度传感器和控制装置
冷却水
通过加料装置添加酸或碱或在培养基中添加pH缓冲液调节
3.PH值：
例1
(1)发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基和发酵设备一般用_____灭菌，空气采用______的方法除菌。
(2)对于需氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入__________。
(3)搅拌的作用
无菌空气
蒸汽
过滤
①使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧；
②使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
(一) 在食品工业上的应用
①生产传统的发酵产品
3.发酵工程的应用
直接由微生物发酵生产的有酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；
利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
(一) 在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
表1-2 常用的几种食品添加剂 添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶
3.发酵工程的应用
目前已有50多种酶制剂用于食品生产。
如α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等；
(一) 在食品工业上的应用
③生产酶制剂
酶制剂是指酶经过提纯、加工后具有催化功能的生物制品，主要用于催化生产过程中的各种化学反应。
3.发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。
其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。
主发酵阶段: 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成。
后发酵阶段：发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
啤酒的工业化流程
(一) 在食品工业上的应用
后发酵
3.发酵工程的应用
1.利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
思考·讨论
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
3.发酵工程的应用
(二) 在医药工业上的应用
(3)在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
②生产微生物农药
③生产微生物饲料-单细胞蛋白
(4)在其他方面的应用
①解决资源短缺和环境污染问题：利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
②对极端微生物的利用：利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂等。
3.发酵工程的应用
1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。
(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ）
(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ）
(3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ）
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
√
×
发酵工程
特点：
①菌种纯、产量大、质量稳定；
②大规模生产、高度自动化控制
传统发酵技术
①混合菌种
②固体发酵、半固体发酵
③家庭式、作坊式制作
2．与传统的手工发酵相比，利用发酵工程所酿制的啤酒产量和质量明显提高，下列相关叙述不合理的是(　　)
A．通过基因工程对酿酒酵母进行选育的过程中，基因重组是所运用到的生物学原理之一
B．在发酵过程中的焙烤目的是加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活
C．啤酒工业化生产的糖化阶段，酵母菌将糖转化为酒精和CO2
D．啤酒生产过程中蒸煮产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
C
3．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是(　　)
A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理
B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大
C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压
D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵
B
4．青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。[注：冷冻干燥孢子：在极低温度(－70 ℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种。米孢子：生长在小米或大米培养基上的孢子。]
据图回答下列问题：(1)目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过_________方法选育的。据图可以判断青霉菌的代谢类型是_________，生殖方式为______________。(2)配制培养基时需要将其调节至_______ (填“酸性”“碱性”或“中性”)。种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的_______阶段。发酵罐接种_______(填“前”或“后”)，必须进行灭菌处理。
诱变育种(人工诱变)
异养需氧型
孢子生殖
酸性
扩大培养
前
30．(12分)(2019·广东深圳一模)经人工诱变后，部分细菌由于某种酶被破坏，其细胞中某些化学反应不能正常进行，就形成了营养缺陷型菌株，这在工业生产上有较广阔的应用前景。以下是实验人员利用影印法初检某种氨基酸缺陷型菌株的过程，请回答下列问题：
(1)微生物生长需要的营养物质有水、
碳源、________________等，除此之外，
制备如图所示的培养基
还需要加入__________________。
(2)培养基的灭菌方法一般为________。过程①的接种方法是___________。
(3)根据用途分类，图中基本培养基属于________(填“选择”或“鉴别”)培养基。
氮源和无机盐
凝固剂(或琼脂)
湿热灭菌
稀释涂布平板法
选择
30．(12分)(2019·广东深圳一模)经人工诱变后，部分细菌由于某种酶被破坏，其细胞中某些化学反应不能正常进行，就形成了营养缺陷型菌株，这在工业生产上有较广阔的应用前景。以下是实验人员利用影印法初检某种氨基酸缺陷型菌株的过程，请回答下列问题：
(4)进行过程②培养时，应先将丝绒布转印
至______(填“基本”或“完全”)培养基
上，原因是______________________________________。
(5)利用影印法培养的优点是不同培养基中同种菌株
的接种位置相同，为了完成对初检的营养缺陷型菌株
的鉴定，实验人员应挑取__________(填“菌落A”或“菌落B”)进行接种培养，并进一步鉴定。
基本
防止基本培养基中混入特定氨基酸
菌落A
30．(12分)(2019·广东深圳一模)经人工诱变后，部分细菌由于某种酶被破坏，其细胞中某些化学反应不能正常进行，就形成了营养缺陷型菌株，这在工业生产上有较广阔的应用前景。以下是实验人员利用影印法初检某种氨基酸缺陷型菌株的过程，请回答下列问题：
(6)科研人员用放射线处理目的菌获得两个
突变株C和D，然后对突变株C和D进行实验，
结果如表所示。
突变株C不能在一般培养基上生长的原因最可能是_________________________________________。将突变株C和D混合在一起，接种于一般培养基上，都能生长的最可能的原因是_______________________________________________________________。
接种的菌种 一般培养基 实验处理及结果
C 不生长 添加营养物质甲，能生长
D 不生长 添加营养物质乙，能生长
C＋D 能生长 不添加营养物质甲、乙，都能生长
突变株C缺乏合成营养物质甲所需要的酶
突变株D可以提供突变株C生长需要的营养物质甲，突变株C可以提供突变株D生长需要的营养物质乙
12．黑枸杞具有治疗心热病及心脏病、降低胆固醇、兴奋大脑神经、增强免疫功能等效果。请回答下列关于利用黑枸杞制作果酒和果醋的问题：
(1)制作果酒时可选用图1的装置，为适当提高果酒的生产速率，进气口应________________；排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身相连，这样做的原因是_______________________。(2)若是从混杂的微生物中分离酵母菌应使用________(功能)培养基，从微生物培养的角度分析，黑枸杞果汁能够为酵母菌的生长提供水、无机盐和__________。黑枸杞果汁发酵后是否有酒精产生，可以用____________________来检验。(3)图2乙过程中使用的微生物主要是__________________________________________，若从食醋中分离纯化该菌种，常用的接种方法是__________________________。当氧气、糖源都充足时，该菌将黑枸杞果汁中的糖分解成__________。

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