资源简介

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本节聚焦
第3节　
发酵工程及其应用
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？ 　
第1章　
发酵工程
　　青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。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。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
感谢盘尼西林（青霉素）
英国细菌学家亚历山大·弗莱明（1881～1955）于1928年发现了青霉素，并由于这一功绩获得了1945年的诺贝尔医学奖。
　　从社会中来
培
养
基
上
的
青
霉
菌
青霉素
　　发酵工程是指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。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
　　一、发酵工程的基本环节　　　
生产沼气　　　　 生产食品添加剂 生产药物 生物微生物肥料
　　一、发酵工程的基本环节　　　
　　1．选育菌种
　　（1）从＿＿＿＿＿＿筛选。
　　（2）通过＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿获得。
　　思考·讨论
　　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发酵条件容易控制；
　　④菌种不易变异、退化等。
　　一、发酵工程的基本环节　　　
自然界中
诱变育种或基因工程育种
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
　　2．扩大培养
　　目的：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
　　思考·讨论
　　2．扩大培养所用的培养基，一般选用固体培养基还是液体培养基？为什么？
　　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。
　　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。
　　一、发酵工程的基本环节　　　
增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
　　3．配制培养基
　　在菌种确定之后，要＿＿＿＿＿＿制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过＿＿＿＿＿＿才能确定。（即不断优化培养基）
　　4．灭菌
　　思考·讨论
　　4．为什么要灭菌？
　　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。
　　5．接种
　　一、发酵工程的基本环节　　　
选择原料
反复试验
实例：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。
　　6．发酵罐内发酵　　
　　思考·讨论
　　5．发酵过程中要注意哪些事项？
　　①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。
　　②要及时添加必需的营养成分。　　　
　　③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
　　6．为什么要严格控制发酵条件？
　　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。
　　一、发酵工程的基本环节　　　
电动机
排气管
pH计
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
放料管
冷却夹层
冷却水排出口
发酵液
—发酵工程的中心环节
　　6．发酵罐内发酵　　
　　实例：谷氨酸的发酵生产
　　在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下会积累谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
　　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。
　　一、发酵工程的基本环节　　　
电动机
排气管
pH计
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
放料管
冷却夹层
冷却水排出口
发酵液
—发酵工程的中心环节
　　6．分离、提纯，获得产品
　　一、发酵工程的基本环节　　　
发酵产品类型 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
　　 思考·讨论　　　 发酵工程基本环节分析　　　
　　1．怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
　　要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养成分。
　　2．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。
　　在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多：在初分离阶段采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；进一步纯化阶段采用液相层析法、结晶法等方法。
　　 思考·讨论　　　 发酵工程基本环节分析　　　
　　3．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，应该要对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
即 时 巩 固
　　1．关于发酵工程的说法，错误的是（　）
　　A．发酵是发酵工程的中心阶段，随时检测影响发酵过程的各种环境条件并予以控制，才能保证发酵正常进行
　　B．采用连续培养的方法可延长发酵时间，从而提高代谢产物的产量
　　C．用谷氨酸棒状杆菌合成的谷氨酸是初级代谢产物，其代谢既受酶合成的调节，又受酶活性的调节
　　D．人工诱变、细胞工程、基因工程等都能对微生物进行定向的改造
D
即 时 巩 固
　　2．下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是（　）
　　A．菌种选育是发酵的中心阶段
　　B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行
　　C．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成
　　D．在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸
C
　　思考·讨论
　　发酵工程有何特点？
　　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等。
　　二、发酵工程的应用　　　
　　1．在食品工业上的应用
　　（1）生产传统的发酵产品
　　二、发酵工程的应用　　　
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
酱油
大豆
黑曲霉
（蛋白酶）
小分子肽
和氨基酸
淋洗、调制
　　 思考·讨论　　　 啤酒的工业化流程　　　
　　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。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成，都在主发酵阶段完成。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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
　　 思考·讨论　　　 啤酒的工业化流程　　　
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。
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
储存罐
　　 思考·讨论　　　 啤酒的工业化流程　　　
冷却
过滤
装瓶
装罐
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
糖浆
啤酒花
装瓶
装罐
储存罐
　　 思考·讨论　　　 啤酒的工业化流程　　　
冷却
过滤
主发酵
完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
后发酵
在低温、密闭的环境下，储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒
　　 思考·讨论　　　 啤酒的工业化流程　　　
　　 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。
　　1．在食品工业上的应用
　　（2）生产各种各样的食品添加剂
　　增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。
　　 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
添加了柠檬酸的饮料
通过黑曲霉的发酵制得
　　1．在食品工业上的应用
　　（3）生产酶制剂
　　常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等，广泛应用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。
　　 二、发酵工程的应用　　　
　　 二、发酵工程的应用　　　
　　2．在医药工业上的应用
　　（1）利用基因工程将＿＿＿＿＿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＿＿＿，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＿＿＿＿基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。
动植物
抗原
改造
　　3．在农牧业上的应用
　　（1）生产微生物肥料
　　①微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
②有的微生物肥料还可以＿＿＿土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
有机酸
生物
活性物质
　　二、发酵工程的应用　　　
抑制
　　3．在农牧业上的应用
　　（2）生产微生物农药
　　微生物农药是利用＿＿＿＿或＿＿＿＿＿＿来防治病虫害。
微生物
其代谢物
　　二、发酵工程的应用　　　
微生物或生产出的药物 防治对象
苏云金杆菌 80多种农林虫害
白僵菌 玉米螟、松毛虫等
井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 水稻纹枯病
思考
与化学农药相比，微生物农药具有什么优点？
成本低、无污染，可以维持生态平衡。
　　3．在农牧业上的应用
　　（3）生产微生物饲料
　　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＿＿＿＿＿＿＿，用其制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
单细胞蛋白
　　 二、发酵工程的应用　　　
单
细
胞
蛋
白
饲
料
　　4．在其他方面的应用
　　（1）解决资源短缺与环境污染问题
　　如：利用纤维废料发酵生产＿＿＿、＿＿＿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
　　如：利用＿＿＿＿、嗜盐菌生产洗涤剂；＿＿＿＿＿有助于提高热敏性产品的产量。
　　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。
酒精
　　 二、发酵工程的应用　　　
乙烯
嗜热菌
嗜低温菌
粮食
环境
健康
能源
即 时 巩 固
　　3．下列关于发酵工程的应用的说法，正确的是（　）
　　A．食品添加剂由于可以增加食品营养，改善食品的色、香、味，还可延长保存期，使用时应尽量多添加
　　B．加酶洗衣粉使用时用沸水洗涤效果最好
　　C．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，同时提高动物免疫力
　　D．与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本高、见效快、无污染的特点
C
即 时 巩 固
　　4．下列有关发酵工程应用的说法，错误的（　）
　　A．发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品
　　B．柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产
　　C．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗
　　D．发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料
C
　 　P28　练习与应用
　　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。（　　）




　 　P28　练习与应用
　　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？（提示：血红蛋白具有携带O2的能力）
　　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。
　 　P28　练习与应用
　　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。
　　（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生产青霉素，或者只生产头孢霉素呢？
　　可以对两种酶的基因进行改造或消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。
　
思维导图 晨读必背
　　1．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。
　　2．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。
　　3．发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
　　4．如果发酵产品是微生物细胞本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物的代谢物，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。
　　5．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。
作业：完成课后相关练习

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