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(共41张PPT)
1.3 发酵工程及其应用
（第2课时）
自然选育
诱变育种
基因工程育种
菌种选育
扩大培养
接种
原料
配制培养基
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯
产品
代谢产物
菌体
温故：发酵工程的基本环节
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
发酵工程的应用
发酵工程的特点
食品工业
医药工业
农牧业
其他方面
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。一直以来，与发酵有关的食品工业的产量和产值都居于发酵工业的首位。
生产传统发酵产品
生产各种各样的食品添加剂
生产酶制剂
发酵工程的应用
1. 在食品工业的应用
第1：生产传统的发酵产品
大豆（主要原料）
黑曲酶
（蛋白酶）
小分子肽和氨基酸
淋洗、调剂
酱油
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
发酵工程的应用
各种酒类的生产
发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制作成的，其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。
主发酵
后发酵
酵母菌
发酵
大部分
糖的分解
代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
形成澄清、成熟的啤酒
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
工业化生产流程如下图：
大麦
水
糖化罐
发芽
1
大麦种子发芽，释放淀粉酶。
焙烤
2
加热杀死种子胚但不使淀粉酶。
碾磨
3
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
糖化
4
淀粉水解形成糖浆。
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
工业化生产流程如下图：
蒸煮
5
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
发酵
6
酵母菌将糖转化为酒精和CO2。
消毒
7
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
终止
8
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
冷却
过滤
装瓶
装罐
储存罐
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
发芽
焙烤
研磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
加啤酒花
冷却
接种
过滤
1. 与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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。
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
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，我国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味的需求，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。
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
第2：生产各种各样的食品添加剂
发酵工程的应用
食品添加剂不仅可以增加食品的营养，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。
添加了柠檬酸的饮料
第2：生产各种各样的食品添加剂
发酵工程的应用
许多食品添加剂都能通过发酵工程生产。
柠檬酸
是一种广泛应用的食品酸度调节剂；它通过黑曲霉的发酵制得。
饮料成分表
谷氨酸
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制味精。
第3：生产酶制剂
发酵工程的应用
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
酶制剂
酶制剂的作用
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。
这些酶制剂除少数由动植物产生外，绝大多数也是通过发酵工程产生的。
发酵工程的应用
2.在医药工业上的应用
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。
发酵工程生产的药物
各种抗生物
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
发酵工程的应用
第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。
第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。
生长激素释放抑制激素
能够抑制生长激素的不适宜分泌，可用于治疗肢端肥大症。
如何获取
羊脑中
50万个羊脑才能提取5mg。
基因改造的微生物
发酵
7.5L培养液中就能得到5mg
发酵工程的应用
第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。
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。
乙肝疫苗
发酵工程的应用
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
转入
微生物
直接改造微生物
病原体的抗原基因
转入
微生物
发酵工程
药物
药物
疫苗
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
从自然界选育出优良菌株，再通过发酵工程大规模发酵生产制成的活菌或其代谢物产品等正应用于现代农牧业的很多方面。
发酵工程的应用
第1：生产微生物肥料。
有根瘤菌肥、固氮菌肥等
微生物肥料的种类
微生物肥料的作用
微生物
代谢
有机酸、生物活性物质
增进土壤肥力
改良土壤结构
促进植株生长
微生物
土壤中病原微生物的生长，减少病害发生。
发酵工程的应用
第2：生产微生物农药
与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其他代谢物来防治病虫害的。
苏云金杆菌
Bt毒蛋白
防治80多种农林虫害；
白僵菌
防治玉米螟、松毛虫等虫害
一种放线菌
井冈霉素
防治防治水稻枯纹病；
发酵工程的应用
第3：生产微生物饲料
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。
微生物饲料
常见种类
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。
发酵工程的应用
第3：生产微生物饲料
常见种类
单细胞蛋白
应用
食品添加剂
微生物饲料
能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高
单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
发酵工程的应用
第3：生产微生物饲料
常见种类
乳酸菌
在青贮饲料中添加乳酸菌，还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。
发酵工程的应用
4.在其他方面的应用
嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂
随着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。像这样的发酵原料的改变推动发酵工业迅速发展，对解决资源短缺与环境污染问体具有重要意义。
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
第1：解决资源短缺与环境污染问题
第2：将极端微生物应用于生产实践
课程小结
发酵工程及其应用
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐发酵
分离、提纯产物
食品工业上的应用
药品工业上的应用
农牧业上的应用
其他方面的应用
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
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。
练习与应用
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，总有头孢霉素的产生。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？
练习与应用
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等均由不同程度下降。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
存在风险。
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(如秸秆等)。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。
复习与提高
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讲解化合物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。
污水池中污泥样品
初选
候选菌
接种
选择
接种
接种
接种
固体培养基
振荡培养若干天后，
测定各瓶中化合物A的含量
重复多次，直至获得目的菌
复习与提高
污水池中污泥样品
初选
候选菌
接种
选择
接种
接种
接种
固体培养基
振荡培养若干天后，
测定各瓶中化合物A的含量
重复多次，直至获得目的菌
(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。
筛选出可降解化合物A的微生物
选择
(2) 培养若干天后，应选择培养培养瓶
中化合物A含量_________的培养液，
接入新的培养液中连续培养，使目
的菌的数量_____。
显著降低
扩增
复习与提高
污水池中污泥样品
初选
候选菌
接种
选择
接种
接种
接种
固体培养基
振荡培养若干天后，
测定各瓶中化合物A的含量
重复多次，直至获得目的菌
(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。
(4) 将目的菌用于环境保护实践时，还有哪
些问题需要解决？
S形增长
细菌计数板计数
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。
复习与提高
(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。
复习与提高
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，它们
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—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。
复习与提高
（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。
复习与提高
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48 h）， 不得检出总大肠杆菌】
②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。
复习与提高
③ 他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组，所以只准备培
养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？
需要设置对照组。
严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。
复习与提高
（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_________。
A
B
C
D
B
复习与提高
(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菌落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
复习与提高
(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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