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第1章 第3节　发酵工程及其应用
学习目标
1.概述发酵工程及其基本环节。
2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。
学习重点
发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。
学习难点
发酵工程的基本环节。
预学案--教材研读（自主学习）
一、发酵工程的基本环节
1.选育菌种：______ __ __的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过__________或_______________获得。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的__________。在啤酒生产中，使用__________改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
2.扩大培养：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。
3.配制培养基：在菌种确定之后，要选择 制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
4.灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是 菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的 。
5.接种：将 的菌种投放到发酵罐中。
6.发酵罐内发酵：这是发酵工程的 环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的__________、__________等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的 ，要严格控制温度、pH和 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_______________的形成。例如，谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累 ；在酸性条件下则容易形成
和 。
优点：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、 、 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 状态。
7.分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用 、__________等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的_____、_____和_____措施来获得产品。
8.获得产品。
【思考·讨论·发酵工程基本环节分析】
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要
3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处
4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗 为什么？
二、发酵工程的应用
发酵工程的优点： ①生产条件 ；②原料来源丰富且价格低廉；③产物 ；④废弃物对环境的污染 和容易处理。因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
1.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
实例：①以大豆为主要原料，利用产生 的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水解成小分子的_____和_______，然后经淋洗、调制成的酱油产品。②以谷物或水果等为原料，利用__________发酵生产的各种酒类。
【思考·讨论·啤酒的工业化生产流程】
与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高
（2）生产各种各样的食品添加剂。食品添加剂不仅可以增加食品的 ，改善食品的口味、色泽和_____，有时还可以延长食品的保存期。
实例：①柠檬酸是一种广泛应用的食品_____调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得。
②由____________________发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作 。
（3）生产酶制剂。常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、 酶、氨基肽酶和脂肪酶等。①应用：食品的直接生产、改进 、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。②来源：少数由 生产，绝大多数通过 生产。
2.在医药工业上的应用
（1）采用__________的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
（2）直接对菌种进行改造，再通过__________大量生产所需要的产品。
（3）实例：①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；②利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物；③利用__________改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个__________转入适当的微生物细胞，获得的__________就可以作为疫苗使用。
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料。利用了微生物在代谢过程中产生的__________、____________等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以 土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
（2）生产微生物农药。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用 或其_____来防治病虫害的。微生物农药作为______防治的重要手段。
实例：_______________菌→防治80多种农林虫害。_____菌→防治玉米螟、松毛虫等虫害。__________素（一种放线菌产生的抗生素）→防治水稻枯纹病。
（3）生产微生物饲料。微生物含有丰富的__________，且生长繁殖速度_____。
实例：①单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的_______________。单细胞蛋白的应用：__________、微生物饲料等。②乳酸菌：在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料_____，动物食用后还能提高__________。
4.在其他方面的应用
（1）解决__________与__________问题随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产_____、乙烯等能源物质已取得成功。
（2）将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产__________，嗜低温菌有助于提高__________产品的产量。
【导学案】
发酵工程基本环节总结
注意：发酵工程操作中的几个注意事项
(1)发酵工程所用菌种分为已有的常规菌种和改造菌种。一般都是使用保存于冷冻管或冰箱中的斜面菌种，正式使用前先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于扩大培养。
(2)发酵过程监控和发酵条件控制直接会影响产品的质量和产量。一方面要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度以了解发酵进程；另一方面要及时添加必备的营养组分来延长菌体生长稳定期的时间，以便得到更多的发酵产物；同时要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，来保证产品的产量和质量。
(3)发酵产品的分离、提纯要根据产品类型选择不同方法，若发酵产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法；若发酵产品是代谢物，需要根据代谢物的性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法。
二、发酵工程的应用
具体应用 成果
在食品工业 上的应用 生产传统的发酵产品 利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
生产各种各样的食品添加剂 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
生产酶制剂 利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
在医药工业 上的应用 通过工程菌生产药物 利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过改造菌种生产药物 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
在农牧业上 的应用 生产微生物肥料 利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
生产微生物农药 利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫
生产微生物饲料 利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产
在其他方面的应用 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
对极端微生物的利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
【固学案】达标练习
1.关于发酵工程的菌种说法错误的是 (　　)
A.发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来 B.发酵工程可以利用原材料中含有的菌种
C.发酵工程的菌种可以来自基因工程育种 D.发酵工程的菌种可以来自诱变育种
2.下列关于微生物发酵过程的说法,正确的是 (　　)
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基,就能保证发酵的正常进行
C.在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成
D.在谷氨酸的发酵过程中,当发酵液呈酸性时,生成的代谢物就会是乳酸或琥珀酸
3.青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的选育,发酵技术的发展,青霉素已经步入产业化生产的道路。下列叙述错误的是 (　　)
A.经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株
B.发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌
C.发酵过程要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度、溶解氧含量等
D.用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得青霉素
4.如图所示为发酵工程生产产品的流程图,据图回答:
(1)若能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的,①应该是　　　　　　 　；若高产青霉素菌种是通过②培育的,②应该是　　 　　。
(2)根据培养基的用途,可以将它们分为　　 　　培养基和　　 　　培养基。各种培养基的具体配方不同,但一般都含有　　　　 　　　　　　　　等营养成分。培养基在使用之前要进行　　　 　灭菌。
(3)整个过程的中心环节是　　　　 　　　,在该时期要随时取样检测培养基中的　　　　　　　　等。同时,要严格控制　　　　　　 　　等发酵条件,因为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 的形成。
(4)在发酵过程中要不断搅拌的目的是①　　　 　　　　　；②　 。
(5)发酵产品分离、提纯时要根据产品的类型不同选择合适的方法。如果发酵产品是菌体本身,常常采用
　　　 　　等方法分离、提纯;如果发酵产品是微生物的代谢物,还要根据　　　　　　采取适当的方法分离、提纯。
5.关于发酵工程应用的说法错误的是 (　 　)
A.发酵工程的产品可以是微生物的代谢物 B.通过发酵工程可以从微生物中提取一些酶
C.通过发酵工程可以从微生物中提取单细胞蛋白 D.发酵工程的产品可以是微生物的菌体
6.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。下列叙述错误的是 (　　)
A.传统发酵技术多是混合菌种发酵,发酵工程一般为纯种发酵
B.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白
C.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
D.在发酵工程中,发酵条件变化会影响微生物的生长繁殖和代谢途径
7.下面是有关啤酒的工业化生产的流程。下列有关叙述不正确是 (　　)
发芽→焙烤→碾磨→糖化→蒸煮→发酵→消毒→终止
A.啤酒的发酵过程包括主发酵和后发酵两个阶段
B.发芽的过程中大麦会产生淀粉酶,便于将大麦中的淀粉分解为葡萄糖进行酒精发酵
C.发酵的过程就是酵母菌进行有氧呼吸的过程
D.消毒的目的是杀死啤酒中的大多数微生物,以延长保存期
8.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂,它可以通过黑曲霉发酵制得。如图表示生产柠檬酸的连续发酵装置。
(1)根据物理性质,该发酵过程使用的培养基属于　　 　　　　。根据工艺流程可知,黑曲霉的新陈代谢类型属于　　　　 　　型。
(2)从加料口输入的培养基必须经过严格的　 　　　处理。根据图示可知,发酵过程需要严格控制　　　　　　　　　　　　和搅拌速度等条件。
(3)在大规模的发酵生产中,需要将选育出的优良菌种经过多次的　　　 　　,当达到一定数量后再接种。
(4)此工艺流程(连续培养)以一定的速度不断添加新的培养基,同时又以同样的速度放出旧的培养基,可大大提高生产效率,道理在于
。
9.人造蛋白食品是现代微生物工程的杰作之一,食用的真菌蛋白是人造蛋白的一种。真菌蛋白制造过程的图解如图所示,请根据图解回答下列问题:
(1)制造真菌蛋白时,要向发酵罐中注入空气,由此可知发酵罐中的真菌的细胞呼吸方式是　　 　　　。
(2)往发酵罐中加入的一切物品都需要　　　 　　　,从生态学的角度进行分析,其目的是避免其他杂菌与真菌之间的　　　 　　而降低真菌蛋白的产量。
(3)添加的糖被真菌利用,糖转化成真菌蛋白的过程是淀粉葡萄糖→氨基酸蛋白质,其中过程①由真菌产生的酶来催化,这种酶按其作用部位分类应该属于　　　　,②过程发生的场所是　　　　　　。(4)从自然界中分离的真菌菌种,用于制造真菌蛋白时,蛋白质的产量很低。要获得更多的真菌蛋白,培育优良的真菌菌种可采用　　　　　　　 　　　的方法。获得的少量优良菌种在正式用于发酵生产之前,还需要进行　　 　　　。
10.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子,谷氨酸钠是它的钠盐,是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中,谷氨酸是产量最大的种类之一。
(1)谷氨酸的R基为—CH2—CH2—COOH,其结构简式为　　　　　　　　　　;如果在蛋白质合成过程中,携带谷氨酸的转运RNA如图1所示,可知谷氨酸的密码子为　　　　。
(2)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌,下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是　　　　。
A.噬菌体　　　 B.人类免疫缺陷病毒(HIV) C.衣原体
D.肺炎链球菌 E.酵母菌 F.硝化细菌
(3)谷氨酸发酵的培养基成分,主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等,发酵装置如图2所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的新陈代谢类型是　　　　　　。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸,结果代谢物中出现了大量的乳酸,从发酵条件看,其原因很可能是　　　 　　　　　。
(4)谷氨酸发酵生产过程中,需要添加氨水,它不仅是细菌生长所需的　 　 　　,而且还有调节培养液
　　　　的作用,所以应该分次加入。
答案：
预学案
一、1.性状优良 诱变育种 基因工程育种 黑曲霉 基因工程
3. 原料 4.单一 灭菌 5. 扩大培养 6. 中心 微生物数量 产物浓度 营养组分 溶解氧 微生物代谢物 谷氨酸 谷氨酰胺 N-乙酰谷氨酰胺 优点：搅拌 泡沫 最佳 7.过滤 沉淀 提取 分离 纯化
思考： 1.需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
2.要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
3.传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分， 而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
4.不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
二、温和 专一 小 1.（1）蛋白酶 肽 氨基酸 酿酒酵母
思考： 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、 产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。（2）营养 品质 酸度 谷氨酸棒状杆菌 味精 果胶 生产工艺 动植物 发酵工程
2. 基因工程 发酵技术 （3）基因工程 抗原基因 表达产物 3.（1）有机酸 生物活性物质 抑制 （2）微生物 代谢物 生物 苏云金杆 白僵 井冈霉 （3）蛋白质 很快 微生物菌体 食品添加剂 保鲜 免疫力 4.资源短缺 环境污染 酒精 洗涤剂 热敏性
导学案
一、
(1)应该先冲洗葡萄再去梗。防止先去梗时损伤葡萄，再冲洗时增加被杂菌污染的机会。
(2)反复冲洗会洗去吸附在葡萄表面的酵母菌菌种，不利于发酵的进行。
(3)先让酵母菌进行有氧呼吸快速繁殖，消耗完氧气后再进行酒精发酵；同时防止发酵过程中因为产生CO2造成发酵液溢出。
(4)拧松瓶盖是为了放出CO2,防止发酵瓶爆裂。不能打开瓶盖，避免杂菌污染。
(5)防止发酵液被污染。
(6)温度是影响酵母菌和醋酸菌生长和发酵的重要因素。酿酒酵母的最适生长温度为28 ℃。因此需要将温度控制在其最适温度范围内。而醋酸菌是嗜温菌，最适生长温度为30～35 ℃，因此要将温度控制在30～35 ℃。
(7)　制作果酒的过程中，除酵母菌之外，还会有其他杂菌生长，它们会在酒精发酵中污染发酵液，而避免发酵液污染需要从发酵制作的过程全面考虑。例如，榨汁机、发酵瓶要清洗干净，装入葡萄汁后，封闭充气口；每次排气时只需拧松瓶盖，不要完全揭开瓶盖等。
固学案：
1.B 2.C 3.D 5.C 6.B 7.C
4.答案　(1)基因工程育种　诱变育种　(2)选择　鉴别　碳源、氮源、水、无机盐　高压蒸汽　(3)发酵罐内发酵　微生物数量、产物浓度　溶解氧、pH和温度　代谢物　(4)增加溶解氧含量　使菌种与培养液充分接触,提高原料的利用率　(5)过滤、沉淀　产物的性质
8.答案　(1)液体培养基　异养需氧　(2)灭菌　温度、pH、溶解氧、通气量　(3)扩大培养　(4)保证微生物对营养物质的需求、排出部分代谢物和使微生物保持较长时间的快速生长
9.答案　(1)有氧呼吸　(2)消毒或者灭菌　种间竞争　(3)胞外酶　核糖体　(4)诱变育种或基因工程育种　扩大培养
10.答案　(1)　GAG　(2)ABE　(3)异养需氧型　通气量不足　(4)氮源　pH

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