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第1章 发酵工程
第3节　发酵工程及其应用
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量，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，一瓶规格160万单位青霉素注射剂的价格只要1元左右。
在工业上，青霉素是怎样生产的？
从社会中来
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。
一般包括：菌种的选育，
扩大培养，
培养基的配制、灭菌，
接种、发酵，
产品的分离、提纯等方面。
一、发酵工程的基本环节
（1）选育菌种
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。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
（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立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
一、发酵工程的基本环节
（3）培养基配制
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。
（4）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。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
一、发酵工程的基本环节
（5）接种
（6）发酵罐内发酵
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、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。
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要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。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。例如，谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
一、发酵工程的基本环节
（7）分离、提纯产物
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，即可得到产品。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。
（8）获得产品
一、发酵工程的基本环节
——发酵工程基本环节分析
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？
一、发酵工程的基本环节
思考讨论
需要考虑的因素包括:在低成本的培养基上能迅速生长繁殖;
生产所需代谢物的产量高;
发酵条件容易控制;菌种不易变异、退化等。
——发酵工程基本环节分析
2、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
（1）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
（2）及时添加必要的营养组分。
（3）对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。
一、发酵工程的基本环节
思考讨论
——发酵工程基本环节分析
一、发酵工程的基本环节
思考讨论
3、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？
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分， 而是成分复杂的混合物，再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在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、吸附和离子交换等方法;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。
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，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理
——发酵工程基本环节分析
一、发酵工程的基本环节
思考讨论
4、进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？
1．发酵工程的特点
（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以及容易处理
2．发酵工程的应用
（1）在食品工业上的应用 （2）在医药工业上的应用
（3）在农牧业上的应用 （4）在其他方面的应用
二、发酵工程的应用
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
(一) 在食品工业上的应用
生产传统的发酵产品
1
二、发酵工程的应用
表1-2 常用的几种食品添加剂 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
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸
利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
生产各种各样的食品添加剂
2
二、发酵工程的应用
利用微生物发酵生产α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等；目前已有50多种酶制剂用于食品生产。
生产酶制剂
3
二、发酵工程的应用
青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
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
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
(二) 医药工业上的应用
二、发酵工程的应用
3、未来可能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。
4、利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。
二、发酵工程的应用
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
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。
有机酸
生物活性物质
(三)在农牧业上的应用
生产微生物肥料
1
二、发酵工程的应用
生产微生物农药
2
如：利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫，
一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。
微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用
二、发酵工程的应用
二、发酵工程的应用
3
生产微生物饲料
微生物含有丰富的蛋白质。
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，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高
单细胞蛋白
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和
能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
1、解决资源短缺和环境污染问题
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、高盐和低温环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
(四)在其他方面的应用
二、发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
1.发芽
大麦种子发芽，
释放淀粉酶
2.焙烤
加热杀死胚，
淀粉酶不失活
3.碾磨
将干燥的麦芽
碾磨成麦芽粉
4.糖化
淀粉分解
形成糖浆
6.发酵
酵母菌将糖转化
为酒精和CO2
5.蒸煮
产生风味组分，终止酶的进
一步作用，并对糖浆灭菌
7.消毒
杀死啤酒中大多数微生
物，延长它的保存期。
8.终止
过滤、调节、分装啤酒进行销售
啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
主发酵
后发酵
1、主发酵
发酵过程分主发酵和后发酵两个阶段：
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
2、后发酵
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不同有所差异。
啤酒的工业化生产流程
1、与传统的手工发酵相比，在工业化啤酒生产过程中，哪些工程手段使啤酒产量和质量明显提高？
思考
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，我们如何看待大规模生产和小规模制作？
思考
到社会中去
1、列出你昨天一天的食谱，看看那些食品是直接由微生物发酵产生的？
那些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？
2、当地是否有发酵生产企业？如果有，请进行以下调查活动：
（1）咨询当地政府管理部门，了解以下信息：这些企业的年产值是多少？占当地国民生产总值的比例是多少？提供了多少就业岗位？
（2）你的家人和朋友是否有正在从事分解工业生产的，如果有，咨询以下问题：他们所在公司目前生产那些分解产品？经济效益如何？该行业遇到的主要困难是什么？要解决这些困难，对分解技术提出了那些新要求？
1.下列不需要利用发酵工程的是(　　)
A.生产单细胞蛋白饲料
B.通过生物技术培育可移植的皮肤
C.利用微生物生产胰岛素
D.工厂化生产青霉素
B
解析:生产单细胞蛋白是利用发酵工程生产微生物菌体本身的过程。利用微生物生产胰岛素和工厂化生产青霉素都需要利用发酵工程。通过生物技术培育可移植的皮肤不是利用发酵工程。
巩固训练
2、(多选)下列关于发酵过程的说法,正确的是(　　 )
A.培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节
B.随时监测影响发酵过程的各种环境条件,并予以控制,才能保证发酵的正常进行
C.在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成
D.发酵产品的分离方法是共同的
ABC
解析:不同的发酵产品,其分离方法不同。有的需要过滤、沉淀,有的则需要进行蒸馏、萃取或离子交换。
巩固训练
3、发酵工程的一项关键措施是灭菌,下列关于灭菌的叙述,正确的是(　　)
A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌
B.灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌
C.通入无菌空气可以达到灭菌的目的
D.pH调到7左右灭菌效果最好
A
解析:培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,A项正确;
培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物,B项错误;
为防止杂菌污染,通入的空气也要是无菌的,但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的,C项错误;
灭菌效果与pH无直接关系,D项错误。
巩固训练
4、下列关于单细胞蛋白的叙述,正确的是(　　)
A.是从微生物细胞中提取的蛋白质
B.通过发酵生产的微生物菌体
C.是微生物细胞分泌的抗生素
D.单细胞蛋白不能作为食品
B
解析:单细胞蛋白是利用淀粉或纤维素的水解液,制糖工业的废液等为原料,通过发酵获得的大量的微生物菌体,所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素;单细胞蛋白含有丰富的蛋白质,如真菌蛋白可作为食品。
巩固训练
构建知识网络
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