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第一章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
目录 /CONTENTS
01
发酵工程的基本环节
02
发酵工程的应用
03
习题检测
04
学习目标：
什么是发酵工程？
发酵工程的一般流程是什么？
发酵工程在生产上有哪些重要的价值？
新课导入
青霉素
是世界上第一个应用于临床的抗生素。
你知道青霉素的历史吗？
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。
早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到
金币
如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂
硬币
？
那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
目录
01
一、发酵工程的基本环节
一、发酵工程的基本环节
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐成功设计
严格控制环境条件（温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等）
大规模生产发酵产品
现代化工程技术
微生物的
特定功能
发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
1.发酵工程的概念：
一、发酵工程的基本环节
1.发酵工程的概念：
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
①微生物：
自然界的微生物
诱变育种的微生物
基因重组的微生物
（常规菌）
（工程菌）
②产 品：
包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。
③实 质：
利用微生物进行产品生产。
发酵工程的基本环节
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
选育菌种
目的：获得性状优良的菌种
菌种来源：从自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种
选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。
产柠檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期
问：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。
一、发酵工程的基本环节
国酒茅台是贵州茅台镇特产一种美酒，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決定了生产发酵产品的成败。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
扩大培养
快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
目 的：
问：菌种扩大培养的最佳时期？
将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
问：扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选什么培养基进行培养。
液体培养基
液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
制备培养基
①配置培养基要遵循的原则：
即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。
②配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。
③配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。
（即不断优化培养基）
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
灭菌
防止杂菌污染而影响产品的品质和产量
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降，或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
①目 的：
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
②灭菌的原因分析：
③实例：
接种
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。
②要及时添加必需的营养成分，
③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件；
实例——谷氨酸发酵：
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
问：为什么要严格控制发酵条件？
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
2.发酵工程的基本环节：
现代发酵工程使用的发酵罐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。
问：引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？
pH：原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。
方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱
温度：原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。
方法：常用冷却水进行温度的调节
问：发酵工程中如何调节温度和pH
发酵罐内发酵
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
装置编号 主要用途
①②③
④
⑤⑥⑦⑧⑨
⑩


控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧含量
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。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；
②加快O2的溶解以及散热。
控制溶解氧含量
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
发酵罐内发酵
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
发酵产物类型 获得产品的方法
微生物细胞
代谢物
过滤、沉淀等方法
适当的提取、分离和纯化措施
分离、提纯产物的方法措施：
分离、提纯产物，获得产品
问：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理
为了减少或避免污染物的产生和排放，二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。
一、发酵工程的基本环节
问：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？
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。
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。
习题检测
(1)筛选分解尿素的细菌的培养基以尿素为唯一氮源，且为液体培养基。( )
(2)能分解尿素的细菌之所以能分解尿素，是因为其能产生脲酶。( )
(3)稀释涂布平板法能分离细菌，也能计数( )
(4)平板划线法不仅能纯化细菌，也能计数( )
(5)可利用以石油为唯一碳源的培养基筛选能分解石油的细菌（ ）
(6)取土壤和稀释土壤溶液时应在酒精灯火焰旁操作（ ）
×
√
√
×
√
√
习题检测
1 . 乳酸链球菌素（Nisin）是乳酸链球菌分泌的一种抗菌肽。研究者对Nisin发酵生产过程相关指标进行了检测，结果如图。下列叙述错误的是（　　）
A．适度提高乳酸链球菌接种量可缩短Nisin发酵生产周期
B．发酵的中后期适量补加蔗糖溶液可促进菌体生长
C．向发酵罐内适时适量添加碱溶液可提高Nisin产量
D．发酵结束后主要通过收获并破碎菌体以分离获得Nisin产品
D
习题检测
2 . β-苯乙醇是赋予白酒特征风味的物质。从某酒厂采集并筛选到一株产β-苯乙醇的酵母菌应用于白酒生产。下列叙述错误的是（ ）
A．所用培养基及接种工具分别采用湿热灭菌和灼烧灭菌
B．通过配制培养基、灭菌、分离和培养能获得该酵母菌
C．还需进行发酵实验检测该酵母菌产β-苯乙醇的能力
D．该酵母菌的应用有利于白酒新产品的开发
B
习题检测
3 .废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是（　　）
A．该生产过程中，一定有气体生成
B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质
D．沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
A
习题检测
右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。
（1）在发酵前，需用 法对整个发酵罐进行灭菌 ，为保证该过程的实施，整个发酵罐必须是 的。
（2）在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是
（3）冷却水是为了带走微生物进行 产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物 ，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。
高压蒸汽灭菌
密封
增加溶解氧，让微生物与营养物质充分接触，以保证微生物的营养供应
细胞呼吸
酶的活性
习题检测
大豆油脂中的化合物种类繁多，但主要成分是甘油三酯，常温下一般为液态，不溶于水，易溶于有机溶剂，沸点较高。大豆种子中的油脂多与蛋白质结合在一起，要提取纯度较高的大豆油脂，往往需要将油脂成分与蛋白质分离。芽孢杆菌是常见的蛋白酶产生菌，广泛存在于土壤中，较易与其他细菌分离。研究人员利用芽孢杆菌分离大豆油脂与蛋白质、以及提取大豆油的流程如下图。回答下列问题：
(1)从土壤中分离芽孢杆菌，需要先将土壤样品稀释后再接种到固体培养基上，稀释的目的是_____ 。培养芽孢杆菌的培养基的pH一般接近______性，将接种后的平板培养一段时间后，可以根据______等菌落特征挑选出芽孢杆菌进行扩大培养。
(2)将芽孢杆菌接种到含酪蛋白的固体培养基（酪蛋白使培养基呈不透明的乳白色）上，培养一段时间后，在某些菌落周围会形成透明圈，原因是______。根据_____就可筛选出比较高效的目的菌株。
(3)将筛选到的目的菌株扩大培养后，接种到含有大豆原料的液体培养基中进行振荡培养，振荡的目的是_____，培养过程中还需要严格控制_____等条件（至少答出两点）。
将聚集在一起的微生物分散成单个细胞
中性或微碱性
形状、大小、颜色、光滑程度
芽孢杆菌产生的蛋白酶将酪蛋白分解
透明圈的大小
增加培养液中的溶氧量、使菌种与培养液充分接触
pH、温度、培养液浓度
小结
发酵工程
原理
概念
基本环节
实质
产物
发酵原理和工程学原理
通过微生物的大量繁殖获得所需产品
代谢物或微生物细胞本身
是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
目录
02
二、发酵工程的应用
二、发酵工程的应用
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
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
微生物最早开发和应用的领域，产量和产值都居于发酵工业的首位。
（1）生产传统的发酵产品
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
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
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
二、发酵工程的应用
思考·讨论：啤酒的工业化流程
①发芽
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。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
⑤蒸煮
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
接种
啤酒的工业化生产流程
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
消毒
终止
后发酵
过滤
加啤酒花
过程概述：
（1）啤酒的发酵过程分为__________和__________两个阶段；
（2）主发酵阶段完成__________________________________________________
（3）后发酵的条件____________________________________________________
（4）焙烤的目的：____________________________________________________
（5）蒸煮的目的：____________________________________________________
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
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。
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
接 种
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（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。
（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？
思考讨论
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
思考讨论
1.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？
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.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。另一方面,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。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低,稳定性提高
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产的五点提醒
（1）啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前
进行扩大培养，缩短生产周期。
（2）焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。
（3）蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。
（4）发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。
（5）接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。
二、发酵工程的应用
② 生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂—柠檬酸，增味剂—谷氨酸钠等
1.在食品工业上的应用
淀粉
黑曲霉
淀粉 酶
葡萄糖
柠檬酸合成酶
柠檬酸
谷氨酸
棒状杆菌
发酵
氧气
谷氨酸
处理
味精
（1）柠檬酸（酸度调节剂）
（2）味精
（3）食品添加剂的作用
增加食品的营养
改善食品的口味、色泽和品质
延长食品的保存期
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（4）常用的食品添加剂
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
添加了柠檬酸的饮料
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品添加剂 ≠ 违法添加物
公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。
《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。
二、发酵工程的应用
③生产酶制剂
1.概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
2.来源：
少数由动植物生产
绝大多数通过发酵工程生产
3.应用：
用于食品的直接生产、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量等方面。
4.产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。
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。
探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶
探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶
1.在食品工业上的应用
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，通过发酵技术大量生产所需产品。
②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。
③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
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
发酵工程生产的药物
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
生产抗生素
例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。
生产多种氨基酸
许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。
生产激素
利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。
生产免疫调节剂
例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，获得具有某种药物生产能力的微生物
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利用基因工程改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个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。如一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。
③未来可能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。紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。
二、发酵工程的应用
2.在医药工业的应用
②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。
实例：通过诱变的青霉素高产菌株的培育
优点：
①使得药物大量生产和使用 ②降低药物的价格
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（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：
Ⅰ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。
Ⅱ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
微生物农药的作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
微生物农药作为______________的重要手段
生物防治
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
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理
优点
缺点
利用微生物或代谢物进行防治
成本低、无污染，可以维持生态平衡
防治速度慢
利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治
见效快，操作简单
成本高，污染环境，不利于维持生态平衡
微生物农药防治和化学农药防治的比较
二、发酵工程的应用
4.其他方面的应用
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
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；
应用：
生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
成分：
不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
③实例2——乳酸菌
单细胞蛋白
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
还需要铁、锌等微量元素
二、发酵工程的应用
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（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
①解决资源短缺与环境污染问题
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决 、
、 和 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
粮食
环境
能源
健康
4.其他方面的应用
习题检测
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
习题检测
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。
（1）发酵工程一般包括菌种的选育、_________、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品的分离、提纯等方面。啤酒酵母的新陈代谢类型是_________________。
（2）在酿酒过程中常加入_________（填某种植物激素）以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使_________失活。
扩大培养
异养兼性厌氧型
赤霉素
淀粉酶
习题检测
（3）发酵阶段的底物是_________，发酵液和发酵设备都必须经过严格的_________处理。
（4）请写出一条啤酒的发酵生产过程中，可以使啤酒的产量和质量得到明显提高的工程手段：
（5）请写出一条发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因：
葡萄糖
灭菌
随时检测培养液中的酵母菌数量、产物浓度；及时添加必需的营养组分；严格控制发酵温度、发酵时间、pH、溶解氧含量、罐压和搅拌速率等发酵条件
生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉；产物专一；废弃物对环境污染小、易处理
习题检测
一、概念检测
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。（ ）
×
×
√
√
习题检测
2.用稀释涂布平板法来统计样品中的活菌数时，通过统计平板上的菌落数就能推测出样品中的活菌数,原因是( )
A. 菌落中的细菌数目是固定的
B. 平板上的一个菌落就是一个细菌
C. 通过此方法统计的菌落数与活菌的实际数目相同
D. 平板上的一个菌落一般来源于样品稀释液中的一个活菌
D
习题检测
3.(多选)(2023·江苏盐城高二期末)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法正确的是
A.①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏或离子交换等)
B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式
C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量
D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
ABC
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二、拓展应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
（1）青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
（2）在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同的酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
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2. 通过微生物发酵，可以将粮食（如玉米、小麦等）及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的 NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量的粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。
在生产燃料乙醇时,为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸杆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
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1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（1）在培养基中加入化合物A的目的是________________________________，这种培养基属于___________培养基。
（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量_____________的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量___________。
筛选出可降解化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
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1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用 方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。
细菌计数板计数
S形增长
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1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决
目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。
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1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（5）有人提出,可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌,请分析这种方法是否可行。
可行。
这是后面将要学习的基因工程的基本思路。
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2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。
立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1×10-1×105 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。
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（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。
①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？
不同意。
只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。
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（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。
②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？
【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准， 1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37 ℃培养24 h），1000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h）】
没有必要。
根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。
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（2）下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是_________。
B
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（3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？
说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。
因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
（4）如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么
应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。
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1.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。
2.菌种选育：自然界筛选、诱变育种、基因工程育种
3.发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
4.发酵工程的产品：微生物细胞本身或微生物的代谢物。
5.发酵实质：通过微生物的大量繁殖获得所需产品。
6.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且容易处理。
7.微生物农药的作用：生物防治的重要手段
8.微生物饲料实例：单细胞蛋白（微生物菌体）（注意：单细胞蛋白不是蛋白质，而是通过发酵获得的大量的微生物菌体，即微生物菌体本身）
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（高考真题）工业上所说的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下通过分解与合成代谢将某些原料物质转化为特定产品的过程。利用微生物发酵制作酱油在我国具有悠久的历史。某企业通过发酵制作酱油的流程示意图如下。
回答下列问题：（1）米曲霉发酵过程中，加入大豆、小麦和麦麸可以为米曲霉的生长提供营养物质，大豆中的 可为米曲霉的生长提供氮源，小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供 。（2）米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油过程所需的酶类，这些酶中的 、 能分别将发酵池中的蛋白质和脂肪分解成易于吸收、风味独特的成分，如将蛋白质分解为小分子的肽和 。米曲霉发酵过程需要提供营养物质、通入空气并搅拌，由此可以判断米曲霉属于 （填“自养厌氧”“异养厌氧”或“异养好氧”）微生物。
蛋白质
碳源
蛋白酶
脂肪酶
氨基酸
异养好氧
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（3）在发酵池发酵阶段添加的乳酸菌属于 （填“真核生物”或“原核生物”）；添加的酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖的产物是 。在该阶段抑制杂菌污染和繁殖是保证酱油质量的重要因素，据图分析该阶段中可以抑制杂菌生长的物质是 （答出1点即可）。
解析：1、参与腐乳制作的微生物主要是毛霉，其新陈代谢类型是异养需氧型。腐乳制作的原理：毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸；脂肪酶可将脂肪分解成甘油和脂肪酸。2、微生物的生长繁殖一般需要水、无机盐、碳源和氮源等基本营养物质，有些还需要特殊的营养物质如生长因子，还需要满足氧气和pH等条件。3、果酒制作的菌种为酵母菌，其原理是：在有氧的条件下，酵母菌大量繁殖，无氧的条件下，酵母菌产生酒精和二氧化碳。
原核生物
酒精和二氧化碳
酒精、乳酸、食盐（答一个即可）

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