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第3节 发酵工程及其应用
传统发酵技术
利用天然存在的菌种、菌种差异、杂菌情况不明、发酵过程的控制却乏标准，发酵食品的品质不一。
发酵工程
缩短发酵时间，确保品质稳定
微生物培养，筛选单一菌种，再接种到物料中发酵
发酵工程
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。
发酵工程的基本环节有哪些？
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
发酵工程基本环节：
1.选育菌种
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
1）发酵工程选用的菌种时需要考虑哪些因素
①大量高效合成目的产物(副产的少)；
②菌种不易变异、退化等；
③能在低成本的培养基上快速生长繁殖；
④发酵条件易控制 。
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
菌种来源
2.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：
3）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。
2）扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养。
液体
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。
1)工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，在进行接种前，要对菌种进行扩大培养。
3.配制培养基
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 优化培养基设计（成分、比例等）
4.灭 菌
避免因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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
5.接 种
目 的：
实例：
在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。
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
6.发酵罐发酵
—发酵工程的中心环节
及时添加必需的营养组分
了解发酵进程：随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
同种微生物生长繁殖所需的最适温度和积累代谢物所需的最适温度往往不同。
排出气体，调节罐压
同一微生物由于培养环境PH不同，可能会积累不同的代谢物。
1.使微生物充分与原料接触，提高原料利用率。
2.增加培养液中氧气含量
通入氧气，增加培养液的溶氧量
发酵过程的监控：
a、要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
b、及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物；
c、严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与搅拌等发酵条件，已获得所需的发酵产物。
方法：
发酵液
预处理
细胞分离
细胞破碎
初步纯化
高度纯化
成品加工
细胞破碎分离
胞外产物
加热
调pH
沉降
离心
过滤
研磨
离心
萃取
过滤
沉淀
吸附
萃取
层析
电泳
结晶
离子交换
干燥
结晶
1）如果发酵产品是微生物细胞本身，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得到产品。
2）如果产品是代谢物，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.分离、提纯，获得产品
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
二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。
发酵工程的应用
产物专一
生产条件温和
原料来源丰富且价格低廉
废弃物对环境污染小且容易处理
发酵工程的特点
在食品工业上的应用
在医药工业上的应用
在农牧业上的应用
在其他方面的应用
发酵工程的应用
02
1、在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品
①实例1——生产酱油
大豆
黑曲霉产生
蛋白酶
小分子肽和氨基酸
淋洗、
调制
酱油
②实例2——酿酒
谷物、水果
酿酒酵母无氧条件
酒精+CO2
各种酒类
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
主发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
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。
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。
啤酒的工业化流程
（2)生产食品添加剂
①食品添加剂作用
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
③实例2——味精
淀粉
淀粉酶
黑曲霉
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
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生产酶制剂
b.来源：
少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产
c.作用：
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。
d.产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。
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
2.在医药工业上的应用
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
【作用】
①利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长、增强植物抗病性和抗逆性。
【种类】
根瘤菌肥、固氮菌肥
（2）生产微生物农药
【防治类型】
【原理】
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
生物防治
【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
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
（3）生产微生物饲料
微生物饲料
以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。
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。不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
应用：用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；
单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快，产奶量或产蛋量高。
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。
4.在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题
随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（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。
课堂小结
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
一、概念检测
1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质粒明显提高。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、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。（ ）
×
√
×
√
练习与应用（P28）
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
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？
练习与应用（P28）
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？
二、拓展应用
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。
练习与应用（P28）
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。
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
复习与提高（P30）
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。
复习与提高（P30）
细菌计数板计数
S形增长

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