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第3节 发酵工程及其应用
第1章 发酵工程
学习目标 核心素养
1.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。 2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。 1.科学探究：根据发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。
2．社会责任：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。
问题探讨
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
讨论：那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
青霉素
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？
我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
发酵工程的形成
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
人们对发酵原理的认识
发酵工程形成
那么发酵工程的基本环节是什么呢？应用发酵工程能够生成哪些产品呢？
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节和发酵罐示意图
一、发酵工程的基本环节
1.选育菌种
（1）目的:获得性状优良的菌种。
（2）菌种来源：自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。
（3）菌种选育的重要性（意义）：优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
（4）实例：筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。
一、发酵工程的基本环节
自然筛选优点：经济实惠。
缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。
诱变育种或基因工程育种优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物。
缺点：技术要求高
2.扩大培养
（1）目的:获得更多的菌种
（2）原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。
（3）扩大培养的培养基：一般为液体培养基。
一、发酵工程的基本环节
扩大培养
工业发酵罐体积
几十 ~ 几百m3
几 ~ 几十m3
接入的菌种总体积
思考
怎样对菌种进行扩大培养？
将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。
3.培养基的配制、灭菌
（1）配制要求
①在菌种确定之后，（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基；
②在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定（即不断优化培养基）；
（2）灭菌原因
发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。
（3）灭菌目的：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
*培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌；
一、发酵工程的基本环节
4.接种：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
一、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
装置编号 主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热
4.接种：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
一、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
现代发酵工程使用的发酵罐的优点：均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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。
5.发酵罐内发酵
（1）地位：发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
（2）要求：
①发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
②要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
（3）严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
一、发酵工程的基本环节
5.发酵罐内发酵
一、发酵工程的基本环节
（4）不同发酵条件的影响。
实例——谷氨酸发酵
①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
②在条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
补充内容：①谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌；
②谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上；
③C:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程：
C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；
C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。
6.产品的分离、提纯
（1）目的：获得产品。
（2）产品的两种形式
①微生物细胞本身；
②代谢物。
（3）采取手段
①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。
②发酵产品是代谢物时，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
7.获得产品
一、发酵工程的基本环节
各环节需要注意的地方
环节 目的
菌种选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
产品的分离、提纯
性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。
工业发酵罐体积大，接种菌种总体积大。发酵前需对菌种扩大培养。
选原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。
发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌
现代发酵工程的大型发酵罐有计算机控制系统，能对温度、PH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养进行监测和控制。还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵工程的中心环节，发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离纯化措施来获得产品。
接种
发酵罐发酵
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？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
①反复试验确定培养基的配方；
②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；
③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；
④及时添加必需的营养组分；
⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制
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？
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、过滤等方法来分离提纯产物。
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、吸附或离子交换等方法；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。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
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？
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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
二、发酵工程的应用
发酵工程的优点：
①生产条件温和；
②原料来源丰富且价格低廉；
③产物专一；
④废弃物对环境的污染小和容易处理。
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。
酱油
大豆(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
各种酒类的生产
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。
二、发酵工程的应用
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦
水
糖化罐
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
1、啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
1、啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。
啤酒花的作用？
1.使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。
2.形成啤酒优良的泡沫。
3.有利于麦芽汁的澄清。
4.平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵:
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5~10d
主发酵结束后，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。一般1~2个月。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
讨论1.酵母菌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。
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
讨论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？
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵:
消毒
终止
后发酵:
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5~10d
主发酵结束后，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。一般1~2个月。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
讨论3.与传统的手工发酵相比，在上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
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。
4.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
①食品添加剂优点
增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期。
②实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；
可以通过黑曲霉的发酵制得；
③实例2——味精
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；
柠檬酸
淀粉
淀粉酶
葡萄糖
黑曲霉
柠檬酸合成酶
谷氨酸棒状杆菌
发酵
谷氨酸
味精
处理
氧气
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂。
二、发酵工程的应用
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
④常见的食品添加剂
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂。
二、发酵工程的应用
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制剂应用
食品的直接生产、改进生产工艺、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。
③酶制剂来源
少数由动植物生产；
绝大多数通过发酵工程生产。
（3）生产酶制剂
1.在食品工业上的应用
二、发酵工程的应用
请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。
淀粉酶等。
2.在医药工业上的应用
（1）采用基因工程的方法，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。
例：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。
（2）直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。
例：利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
二、发酵工程的应用
发酵工程生产的药物的方法
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
2.在医药工业上的应用
二、发酵工程的应用
科学家还利用基因工程，将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用
微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（2）生产微生物农药
①微生物农药的作用
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型
属于生物防治
③实例
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林害虫
白僵菌 玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（3）生产微生物饲料
①原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。
②实例1——单细胞蛋白
许多国家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微生物菌体，即单细胞蛋白。
单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料；
③实例2-乳酸菌
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
单细胞蛋白
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题
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酒精、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洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
4.在其他方面的应用
二、发酵工程的应用
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
发酵工程应用
生产酶制剂
采用基因工程的方法，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
直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
小结：
1.下列不是发酵过程中要完成的是(　　)
A.随时取样检测培养液中的微生物数量及产物浓度
B.不断添加菌种
C.及时添加必需的营养组分
D.严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等条件
2.发酵过程中，不会直接引起pH变化的是(　　)
A.营养物质的消耗 B.微生物释放出的CO2
C.微生物细胞数目的增加 D.代谢产物的积累
B
课堂练习
C
4.下列不属于发酵工程应用的是( )
A.利用工程菌生产人生长激素释放抑制激素
B.利用啤酒酵母酿造啤酒
C.用培养的人细胞构建人造皮肤
D.用酵母菌生产作为食品添加剂的单细胞蛋白
C
课堂练习
3.发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于(　　)
①冷却水供应不足　②微生物代谢旺盛　③培养基不新鲜　④搅拌　
⑤放料口排出产物
A.①②③④⑤　　　 B.②③④ C.①④ D.②④
D

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