生物：專題1《傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用》素材（1）（新人教版選修1）

1、專題1 傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵的歷史發(fā)酵現(xiàn)象早巳被人們所認(rèn)識，但了解它的本質(zhì)卻是近200年來的事。英語中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時的現(xiàn)象。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。在生物化學(xué)中把酵母的無氧呼吸過程稱作發(fā)酵。我們現(xiàn)在所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和生理變化，是多種多樣的生物化學(xué)反應(yīng)根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動的過程。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應(yīng)過程當(dāng)中或反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時所產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)代謝使之達(dá)到平衡的物質(zhì)

2、。實(shí)際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過呼吸作用最終生成CO2和水，而發(fā)酵最終是獲得各種不同的代謝產(chǎn)物。因而，現(xiàn)代對發(fā)酵的定義應(yīng)該是：通過微生物（或動植物細(xì)胞）的生長培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過程。發(fā)酵的菌種 微生物微生物(microorganism簡稱microbe)是包括細(xì)菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物等在內(nèi)的一大類生物群體，它個體微小，卻與人類生活密切相關(guān)。微生物在自然界中可謂“無處不在，無處不有”，涵蓋了有益有害的眾多種類，廣泛涉及健康、醫(yī)藥、工農(nóng)業(yè)、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。 原核：細(xì)菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體、衣原體。真核：真菌、藻類、原生動物。非細(xì)

3、胞類：病毒和亞病毒。 發(fā)酵的定義復(fù)雜的有機(jī)化合物在微生物的作用下分解成比較簡單的物質(zhì)。發(fā)面、釀酒等都是發(fā)酵的應(yīng)用。也作酦酵。漢詞“發(fā)酵”作為名詞表示一個過程，作為動詞表示一種行動。(1)微生物生理學(xué)嚴(yán)格定義的“發(fā)酵”：有機(jī)物被生物體氧化降解成氧化產(chǎn)物并釋放能量的過程統(tǒng)稱為生物氧化。微生物生理學(xué)把生物氧化區(qū)分為呼吸和發(fā)酵，呼吸又可進(jìn)一步區(qū)分為有氧呼吸和無氧呼吸。因此，發(fā)酵是生物氧化的一種方式。發(fā)酵是這樣一種生物氧化方式：在沒有外源最終電子受體的條件下，化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞對能源有機(jī)化合物的氧化與內(nèi)源的（已經(jīng)經(jīng)過該細(xì)胞代謝的）有機(jī)化合物的還原相耦合，一般并不發(fā)生經(jīng)包含細(xì)胞色素等的電子傳遞鏈上的電子

4、傳遞和電子傳遞磷酸化，而是通過底物（激酶的底物）水平磷酸化來獲得代謝能ATP；能源有機(jī)化合物釋放的電子的一級電子載體NAD，以NADH的形式直接將電子交給內(nèi)源的有機(jī)電子受體而再生成NAD，同時將后者還原成發(fā)酵產(chǎn)物（不完全氧化的產(chǎn)物）。細(xì)胞中的NAD是有限的，如果作為一級電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會愈來愈少，脫氫反應(yīng)就不能持續(xù)進(jìn)行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化（包括發(fā)酵）繼續(xù)進(jìn)行下去的必要條件。(2)工業(yè)生產(chǎn)上定義的發(fā)酵“工業(yè)發(fā)酵”工業(yè)生產(chǎn)上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動而實(shí)現(xiàn)的工業(yè)生產(chǎn)均稱為“發(fā)酵”。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。工業(yè)發(fā)酵要依靠

5、微生物的生命活動，生命活動依靠生物氧化提供的代謝能來支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應(yīng)該覆蓋微生物生理學(xué)中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵。近百年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)酵技術(shù)發(fā)生了劃時代的變革，已經(jīng)從利用自然界中原有的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的階段進(jìn)入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生產(chǎn)人類所需要的發(fā)酵產(chǎn)品的新階段。(3) 專業(yè)詞匯“發(fā)酵（fermentation）”“發(fā)酵”這個詞匯在生活中往往是人聯(lián)想到發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，或者聯(lián)想到食品酸敗物品霉?fàn)€?！鞍l(fā)酵”作為專業(yè)詞匯其含義不但覆蓋發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，更重要的是指用發(fā)酵的手段工業(yè)化生產(chǎn)酒及酒精飲料、食品及食品

6、添加劑、飼料及飼料添加劑、藥品、化工材料等等。 發(fā)酵的特點(diǎn)發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：1，發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡單。2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養(yǎng)?；谶@特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。3，發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單的代謝產(chǎn)物。4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某

7、些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。5，發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過濾外，反應(yīng)必須在無菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對發(fā)酵就會造成更大的危害。因而維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。6，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。7，工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，開可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益?；谝陨咸攸c(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比

8、，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。除了使用微生物外，還可以用動植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌來進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。 發(fā)酵的類型根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類型：1，按發(fā)酵原料來區(qū)分：糖類物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。3，按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。5，按發(fā)酵過程中

9、對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類型。發(fā)酵工程在生物工程中的位置生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程等5個部分；基因工程和細(xì)胞工程的研究結(jié)果，目前大多需要通過發(fā)酵工程和酶工程來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；蚬こ?、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往是通過酶工程來獲得；酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過微生物發(fā)酵的方法來進(jìn)行。由此可見，生物工程各個分支之間存在著交叉滲透的現(xiàn)象。 生物工程主要操作對象工程目的與其它工程的關(guān)系基因工程基因及動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物改造物種通過細(xì)胞工程、發(fā)酵工程使目的基因得以表達(dá)細(xì)胞工程動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物細(xì)胞改造物種可以為發(fā)酵工

10、程提供菌種、使基因工程得以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工程微生物獲得菌體及各種代謝產(chǎn)物為酶工程提供酶的來源酶 工 程微生物獲得酶制劑或固定化酶為其它生物工程提供酶制劑反應(yīng)主條目：糖酵解主條目：呼吸作用發(fā)酵反應(yīng)的過程依據(jù)不同糖的利用與產(chǎn)物的生產(chǎn)而不同。以下以葡萄糖生產(chǎn)酒精為例，說明釀酒發(fā)酵的過程，同時這也是最經(jīng)典的發(fā)酵反應(yīng)：化學(xué)式：C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量:118 kJ/mol) 文字式：糖（葡萄糖、果糖或蔗糖） 醇類（乙醇） + 二氧化碳 + 能量 (ATP) 就實(shí)際反應(yīng)的生化途徑而言，在厭氧呼吸的初期，往往是糖酵解途徑，之后的途徑與終產(chǎn)物有關(guān)。 應(yīng)用食品工業(yè)中經(jīng)常應(yīng)用發(fā)酵過程，應(yīng)用到淀粉，可以使淀粉分解為較小的片段，同時放出二氧化碳，是制造面包的必須過程；應(yīng)用到釀酒過程，使糖類分解成酒精同時放出二氧化碳；應(yīng)用到制茶工藝，使茶葉中的沒食子茶素分解再合成為茶黃素，使茶葉成為紅茶；此外像制作丹貝、腐乳、奶酪、酸奶等都需要發(fā)酵過程。在制藥工業(yè)上，現(xiàn)代發(fā)酵工程借由生物反應(yīng)器-發(fā)酵罐，來進(jìn)行胰島素