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第一章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
（第二课时）
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？
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
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
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
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
2.在医药工业的应用
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
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
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
习题检测
1. 生产柠檬酸需要筛选产酸量高的酵母菌（ ）
2. 谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。（ ）
3. 发酵工程条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不容易处理（ ）
4.从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质——单细胞蛋白，可作为食品添加剂（ ）
×
×
√
×
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
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
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
习题检测
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？
习题检测
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。
复习提高
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
复习提高
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
复习提高
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。
复习提高
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。
复习提高
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。
复习提高
（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。
复习提高
（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。
复习提高
（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
习题检测
（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。
习题检测
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）
习题检测
（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
习题检测
（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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