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(共27张PPT)
发酵工程为人类提供多样的生物产品（第一课时）
早餐吃什么？
常见的发酵食品、饮料和调味品
关键问题：
一、不同的发酵食品涉及的微生物一样吗？影响产品风味的因素有哪些？
二、如何实现工业化大规模生产人类所需的产品？其应用如何？
关键问题
一、不同的发酵食品涉及的微生物一样吗？影响产品风味的因素有哪些？
（一）不同的发酵产品涉及的菌种不同
现代工程发酵产品
传统发酵技术产品
问题一：不同的发酵食品涉及的微生物一样吗？影响产品风味的因素有哪些？
酵母菌：只是对进行出芽生殖或裂殖的真核、单细胞微生物的统称，已知的酵母菌至少有56个属，约500多种。
乳酸菌：则是对能够发酵糖类产生乳酸的一类革兰氏阳性细菌的统称，已知的乳酸菌约有430多种。
酵母菌与乳酸菌
一个菌种可分为若干个不同的菌株，一个菌株中的个体应该是遗传物质几乎相同的菌种。
在传统发酵食品的生产中，人们不仅关注菌种中的微生物在分类学上所属种“科”“属”“种”，而且更加关注发酵所用菌株的遗传谱系。
菌种：用于发酵，研究的微生物(不是分类学上的基本单位)
可以分为酵母菌、霉菌、细菌、放线菌四类。
菌株：一种微生物的每一个来源不同的纯培养物（P27）
（二） 同类的发酵产品涉及的菌种也不尽相同
（三） 发酵食品的不同风味是由多种因素造成的
1. 不同微生物所形成的代谢产物不同，制成的发酵食品的风味也就不同。
例如酱油生产过程：
（三） 发酵食品的不同风味是由多种因素造成的
2. 同种微生物在不同环境条件下进行的代谢活动，代谢产物不同。制成的发酵食品的风味也就不同。
例如，
酵母菌在有氧和无氧条件下产物不同；
谷氨酸棒杆菌在氧气充足和弱碱性的环境中可以发酵粮食合成谷氨酸钠（味精）;在酸性环境中会生成乙酰谷氨酰胺;
氧气不足的时候又会生成乳酸或者琥珀酸等代谢产物
总结：菌种、原料、水质和发酵条件等均可造成产品的风味的不同。
酸奶发酵过程中的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的特定菌株之间就存在互利的关系，保加利亚乳杆菌代谢产生的小肽和氨基酸可促进嗜热链球菌的生长，而嗜热链球菌代谢产生的甲酸和二氧化碳可刺激保加利亚乳杆菌的生长。
（三） 发酵食品的不同风味是由多种因素造成的
3. 不同微生物之间的种间互利或竞争，影响微生物的代谢，从而影响产品风味。
混菌发酵
关键问题
二、如何实现工业化大规模生产人类所需的产品？其应用如何？
我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成含酒精的饮料。
从传统发酵技术到发酵工程：
约9000年前
20世纪70年代以后
1857年
1897年
20世纪80年代
1957年
20世纪
40年代
巴斯德证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的。
科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用。微生物的分离和纯化技术得到了应用，作坊式手工生产向现代工业化生产方向发展。
在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层通气液体发酵技术。
通过人工诱变特定微生物，获得具有更高生产能力的突变类型。
基因工程和细胞工程等的发展，使发酵工程进入定向育种的新阶段。
科学家开始运用数学、动力学、化学工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究，以更加合理地控制发酵过程。
随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。发酵工程与食品工业、医药工业及其他工农业生产有着密切的联系。那么，发酵工程的基本环节是什么 应用发酵工程能够生产哪些产品呢
问题：发酵工程与传统发酵的区别有：（从菌种、生产过程和产品角度）
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的产品
单一纯种微生物生产单一产品是现代发酵工业的主流
现代工程发酵产品
传统发酵技术产品
选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提条件
想一想：要想获得酿造甘蔗醋的高产菌种，可以有哪些方式？
①自然界中筛选
（以自然发酵的甘蔗渣为材料，配制培养基，分离菌种）
②诱变育种
（用射线照射等方式提高突变概率）
③基因工程育种
（对基因进行定向改造）
（一） 发酵工程的基本环节
1. 选育菌种
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，这样利于缩短发酵进程。
2.扩大培养
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
溶解氧检测器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
保证发酵生产高效顺利进行
发酵罐结构和控制装置示意图
3.分离、提纯产物
如果发酵产品是微生物菌体本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来（固液分离）。
如果产品是代谢物，可采用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取。
扩大培养
扩大培养
灭菌
温
度
溶解氧
从自然界选育、诱变育种或基因工程获得。
增加“种子”数量，利于发酵成功，利于缩短发酵进程。
（包括培养基和发酵设备）
（还测量：营养物质、产物浓度）
小结： 微生物工业发酵的基本过程
沉淀
萃取
层析
结晶
提纯
加工
如单细胞蛋白等
（二） 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的应用价值
发酵工程具有生产条件温和、原料丰富且价格低廉、废弃物对环境影响小且容易处理的特点，因此在食品工业、医药工业、冶金工业、农业、环境保护等许多领城得到了广泛的应用，为社会提供了众多的微生物发酵产品。
（二） 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的应用价值
生产各种各样的食品添加剂
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
实例：①柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得。
②由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作味精。
1.在食品业上的应用
（二） 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的应用价值
2.在医药业上的应用
（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。如利用工程菌发酵生产胰岛素。
（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。如通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素。
3.酶制剂是发酵工程对工业化生产的又一贡献
Taq DNA聚合酶是第一个被发现的热稳定DNA聚合酶，最初由Saiki等从温泉中分离的一株水生栖热菌（thermus aquaticus）中提取获得，在DNA体外扩增中扮演了不可或缺的角色。
微生物学的研究推进了人类对自然界中微生物的认识和了解；将微生物学的研究成果与工程技术原理、计算机技术、化工技术有机结合，有目的地生产人们需要的产品，并将继续优化生产技术，生产出造福于人类的多种多样的产品。
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