微生物发酵及其应用

微生物发酵及其应用 http://sw.dgzx.net 2006-03-15

为什么要利用微生物？ • 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？ 1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。 2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。 3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。 2006-03-15

为什么要利用微生物？ • 微生物繁殖非常迅速 • 微生物培养易于控制 • 微生物本身也容易改造 2006-03-15

什么是发酵？ • 利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。 2006-03-15

发酵工业经历了哪几个阶段？ • 原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。） • 传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大。） • 现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。） • 生物技术产业阶段（利用构建的基因工程菌生产） 2006-03-15

什么是发酵工程？ • 采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。 2006-03-15

发酵工程 2006-03-15

发酵工程 我国工业生产味精使用的菌种主要是经过诱变育种得到的营养缺陷型的北京谷氨酸棒状杆菌 2006-03-15

发酵工程 啤酒制造工艺流程 2006-03-15

微生物的应用 • 酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。 2006-03-15

微生物的应用 • 醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。 2006-03-15

微生物的应用 • 酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。 2006-03-15

微生物的应用 • 酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。 2006-03-15

微生物的应用 • 酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。 2006-03-15

微生物的应用 • 醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。 2006-03-15

微生物的应用 • 面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。 2006-03-15

微生物的应用 • 馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。 2006-03-15

微生物的应用 • 泡菜：请参看《生物技术实践》的专题1的课题3（乳酸菌） • 腐乳：请参看《生物技术实践》的专题1的课题2（毛霉、青霉、酵母、曲霉等） • 酸菜：与泡菜类似。 2006-03-15

微生物的应用 • 糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽； • 果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用； • 各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等； • 各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感； • 饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。 • 可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。 2006-03-15

微生物的应用 • 制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家； • 食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家； • 轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家； • 化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家； • 饲料业：饲料添加剂的生产厂家； • 农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产厂家。 2006-03-15

微生物的应用 • 酒类：如果酒（葡萄酒等）、米酒、白酒等； • 有机溶剂：如乙醇、丙酮、丁醇、甘油； • 有机酸：如醋酸、乳酸、葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、衣康酸、长链二元酸（以十三到十八碳的直链烷烃为原料的发酵产品）； • 氨基酸：如谷氨酸（单谷氨酸钠又称味精）、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、丝氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等； • 核苷酸及其类似物：如鸟嘌呤核苷酸（5’-GMP）、肌苷酸（5’-IMP）、腺嘌呤核苷酸（5’-AMP）、黄嘌呤核苷酸（5’-XMP）等； • 抗生素：包括疾病治疗的药用抗生素，农业和畜牧业用于防病抗病的抗生素，如青霉素、头孢霉素、链霉素、四环素、土霉素、红霉素、稻瘟素、井岗霉素、春日霉素等等； • 多糖：如黄原胶、普鲁兰等； • 酶：如碱性蛋白酶（洗涤剂）、中性蛋白酶（洗涤剂等）、脂肪酶（洗涤剂）、α-淀粉酶（淀粉水解）、葡萄糖淀粉酶（葡萄糖生产）、葡萄糖异构酶（高果糖糖浆生产）、纤维素酶（纤维素水解、纺织品加工）、果胶酶（食品、水果加工等）、凝乳酶（奶酪制造）、青霉素酰化酶（青霉素母核生产）、天冬氨酸酶（L天冬氨酸制造）、延胡索酸酶（L苹果酸制造）、葡萄糖氧化酶（检验葡萄糖）、乳酸脱氢酶（临床检验）、链激酶（治疗血栓）等等，目前世界上有100多种酶用微生物发酵生产，应用于不同领域。 2006-03-15

发酵培养基的配制 • 微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源。 • 生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些脂肪酸及其他膜成分 2006-03-15

发酵培养基的配制原则 • ① 营养物质应满足微生物的需要。不同营养类型的微生物对营养的需求差异很大，应根据菌种对各营养要素的不同要求进行配制。 • ② 营养物的浓度及配比应恰当。营养物浓度太低，不能满足微生物生长的需要；浓度太高，又会抑制微生物生长。 • ③物理、化学条件适宜。（pH、水活度、渗透压） • ④在设计培养基时，必须考虑是要培养菌体，还是要积累菌体代谢产物；是实验室培养，还是大规模发酵等问题。 2006-03-15

练习 • 利用酵母菌发酵生产酒精时，投放的最适原料和产生酒精的阶段要控制的必要条件是（） A．玉米粉和有氧 B．大豆粉和有氧 C．玉米粉和无氧 D．大豆粉和无氧 C 2006-03-15

练习 B • 关于单细胞蛋白叙述正确的是（） 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单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，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。 2006-03-15

练习 • 谷氨酸棒状杆菌的培养液常采用的灭菌方法是（） A．高压蒸汽灭菌 B．高温灭菌 C．加入抗生素灭菌 D．酒精灭菌 A 单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，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。 2006-03-15

练习 • 工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，应采用的最好方法是（） A．加大菌种密度 B．改变碳源和氮源比例 C．改变菌体细胞膜通透性 D．加大葡萄糖释放量 C 谷氨酸棒状杆菌能够利用C6H12O6，经过复杂的代谢过程形成谷氨酸；谷氨酸合成过量，使合成途径中断，要提高谷氨酸产量的最好方法是改变菌体细胞膜的通透性，使谷氨酸能迅速排放到外面，避免因过量引起合成途径中断。 2006-03-15

练习 B • 关于灭菌和消毒的不正确的理解是（） A．灭菌是指杀灭环境中的一切微生物的细胞、芽孢和孢子 B．消毒和灭菌实质上是相同的 C．接种环用灼烧法灭菌 D．常用灭菌的方法有加热法、过滤法、紫外线法、化学药品法 1．灭菌是指采用强烈的理化因素杀死一定环境中所有微生物的细胞、芽孢和孢子的措施，是彻底杀死。消毒是一种采用较温和的理化因素，杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒物体基本无害的措施，是部分杀灭。2．常用灭菌方法：物理杀菌的常用方法：高温、辐射、超声波和激光等；化学杀菌常用方法：表面消毒剂和化学治疗剂，如抗生素，中草药有效成分。 2006-03-15

练习 • 为研究微生物群体生长规律，常将少量的某种细菌接种到培养基中，取样测定培养基里的细菌数目，以时间为横坐标，以细菌数目的对数为纵坐标，得到生长曲线图，对培养基的要求是（） A．恒定容积的液体培养基 B．任意容积的液体培养基 C．恒定容积的半固体培养基 D．任意容积的半固体培养基 A 2006-03-15

练习 • 在啤酒生产过程中，发酵是重要环节。生产过程大致如下：将经过灭菌的麦芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌种后输人发酵罐。初期，酵母菌迅速繁殖，糖度下降，产生白色泡沫，溶解氧逐渐耗尽。随后，酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降解，酒精浓度渐渐上升，泡沫不断增多。当糖浓度下降到一定程度后，结束发酵。最后分别输出有形物质和鲜啤酒。根据上述过程，回答以下问题： • （1）该过程表明啤酒酵母异化作用的特点是。 • （2）初期，酵母菌迅速繁殖的主要方式是。 • （3）经测定酵母菌消耗的糖中，98.5％形成了酒精和其他发酵产物，其余1.5％则是用于。 • （4）请写出由麦芽糖→葡萄糖→酒精的反应方程式。 • （5）如果酵母菌消耗的糖（没有麦芽糖，相对分子质量为342）有98.5％（质量分数）形成酒精（相对分子质量为46.0）和其他发酵产物。设有500t麦芽汁，其中麦芽糖的质量分数为8.00％，发酵后最多能生产酒精浓度为3.20％（质量分数）的啤酒多少吨？ 2006-03-15

练习 • [答案] • （1）既能进行有氧呼吸又能进行无氧呼吸 • （2）出芽生殖 • （3）酵母菌自身的生长和繁殖 • （4）C12H22O11+H2O2 C6H12O6 • C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 • （5）C2H5OH的相对分子质量为46.0 • （500t×8.00%×98.5% ×46 ×4/342）/ 0.032=662t 2006-03-15

练习 • 尽管微生物发酵有各种各样的产物，但通常它们的生产能力小而且单一，不能胜任大批量的工业生产，于是，科学家们想方设法使它们的“功力”增长几十倍到上百倍，从而成为本领高强的“高级工人”。第一种方法是用人工办法让微生物的DNA发生突变。比如在DNA分子的长链中插入或删除碱基，或者把某一碱基换成另外一种。然后在这些动过“小手术”的菌种中筛选出符合我们要求的，能增加产量的个体。 • （1）发酵工程的第一种方法从遗传学角度看，属于哪一类型的变异？这类变异有何特点？ 2006-03-15

练习 • 第二种方法叫“原生质融合法”。这是将两种且有不同发酵本领的微生物细胞放在一起进行处理，溶解掉细胞壁，让它们的原生质相互融合。等到重新长出细胞壁后，一种新的微生物就诞生了。它可以同时具有两种微生物的发酵能力，也可能产生新的本领。 • （2）第二种方法从遗传学角度看属于哪一类型的变异？所诞生的新型微生物其后代具有什么特点？ 2006-03-15

练习 • 第三种方法是通过直接转移遗传物质DNA，制备出有超强能力的发酵微生物。以下是一个发酵生产维生素C（后称Vc）的例子：科学家找到两种微生物——草生欧文氏菌和棒状杆菌。当它们共同作用时，可以通过发酵而产生Vc，后来人们发现，这两种菌在生产Vc的过程中好像接力赛一样，各自先后承担一段任务：先由草生欧文氏菌将原料发酵成一种中间产物，随后再由棒状杆菌把体内与完成后半段的工作有关的遗传物质移入到草生欧文氏菌体内，与它的DNA相连接。通过这种人工改造后培育出的微生物被称作“工程菌”，是发酵工程的主角。 • （3）第三种方法所应用的技术是技术。经过改造后的草生欧文氏菌再繁殖，其后代能够。 2006-03-15

练习 • 答案：（1）基因突变率低，不定向，但能大幅度改良某些性状。（2）基因重组具有两种微生物的遗传特点。（3）转基因独立完成生产Vc的全过程。 2006-03-15

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