發(fā)酵工程與酶工程

1、19世紀(jì)中葉，人們?nèi)圆恢兰?xì)菌是從哪里來(lái)的。當(dāng)時(shí)一些著名的科學(xué)家認(rèn)為細(xì)菌是自然發(fā)生的，例如，肉湯里就會(huì)自然形成細(xì)菌，使肉湯變質(zhì)。法國(guó)科學(xué)家巴斯德（LouisPasteur，18211895）設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，證明了肉湯的腐敗是來(lái)自空氣中的細(xì)菌造成的。圖圖 5-30 巴斯德在展示他巴斯德在展示他的實(shí)驗(yàn)（圖）的實(shí)驗(yàn)（圖）1864年7月14日，在法國(guó)科學(xué)院的報(bào)告廳中，巴斯德演示了他的實(shí)驗(yàn)，作了精彩的說(shuō)明，向世人證實(shí)了細(xì)菌不是自然發(fā)生的，而是由原來(lái)已經(jīng)存在的細(xì)菌產(chǎn)生的。巴斯德對(duì)肉湯腐敗的原因解釋是：桌上瓶中的肉湯，因?yàn)榭諝庵械募?xì)菌可以進(jìn)去，幾天就腐敗了。而鵝頸瓶中的肉湯雖然與空氣相通，但細(xì)菌只落在

2、鵝頸瓶的彎曲處，因此四年都沒(méi)有腐??！細(xì)菌是由原已存在的細(xì)菌產(chǎn)生的。巴斯德還發(fā)現(xiàn)了乳酸菌、酵母菌（真菌的一種），提出了保存酒和牛奶的巴氏消毒法以及防止手術(shù)感染的方法，后人稱他為“微生物學(xué)之父”。讀了這個(gè)故事，你對(duì)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)有什么新的認(rèn)識(shí)？泡菜壇（圖）泡菜壇（圖）你見過(guò)泡菜壇嗎？制作泡菜的原理就是利用乳酸菌使蔬菜中的有機(jī)物生成乳酸。泡菜壇的結(jié)構(gòu)，既要加蓋，還要用一圈水來(lái)封口，你能推測(cè)其中的科學(xué)道理嗎？圖圖 5-13 某發(fā)酵工廠的生產(chǎn)車間某發(fā)酵工廠的生產(chǎn)車間發(fā)酵罐是一種圓柱形的容器，容量從幾升到幾百萬(wàn)升不等，上面連接有通氣、攪拌、接種、加料、冷卻、pH檢測(cè)等裝置。上圖顯示的是某發(fā)酵工廠的生產(chǎn)車間。圖

3、圖 5-14 發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖示意圖發(fā)酵罐是一種圓柱形的容器，容量從幾升到幾百萬(wàn)升不等，上面連接有通氣、攪拌、接種、加料、冷卻、pH檢測(cè)等裝置。上圖顯示的是發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖 5-15 發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品的流程簡(jiǎn)圖品的流程簡(jiǎn)圖發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一種新技術(shù)。發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過(guò)程和產(chǎn)品的分離提純等方面?？股厮幤罚▓D）抗生素藥品（圖）繼青霉素之后，又有許多種抗生素陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如抵抗結(jié)核菌的鏈霉素、消炎抗菌的紅霉素等。

4、但是，抗生素并不是萬(wàn)能的，不同的抗生素適于治療不同的疾病，而且對(duì)人體都有一定的副作用。如果濫用抗生素，不僅不能達(dá)到治療目的，還會(huì)殺死人體內(nèi)有益的細(xì)菌。在長(zhǎng)期使用抗生素過(guò)程中，人們還發(fā)現(xiàn)原來(lái)對(duì)疾病有特效的抗生素多次使用后，變得不那么靈驗(yàn)了。這是怎么回事呢？原來(lái)，使用抗生素后，病菌中那些有抗藥性的個(gè)體沒(méi)有被殺死，它們會(huì)大量繁殖，使病菌在總體上產(chǎn)生較強(qiáng)的抗藥性?，F(xiàn)在，抗生素的使用范圍越來(lái)越廣泛。除用于醫(yī)療外，還被用于禽畜飼養(yǎng)業(yè)，而且常常過(guò)量使用。因此，即使你不打針吃藥，也可能通過(guò)飲食攝入你不需要的甚至有害的抗生素?？股厥侨祟惖囊淮蟀l(fā)明，它使億萬(wàn)人受益。但是，濫用抗生素也帶來(lái)新的問(wèn)題。讀了這篇短文，

5、你對(duì)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的關(guān)系有什么新的認(rèn)識(shí)？常用的幾類食品添加劑常用的幾類食品添加劑各種各樣的食品添加劑改善了食品的品質(zhì)及色、香、味。例如，用發(fā)酵方法制得的L-蘋果酸是國(guó)際食品界公認(rèn)的安全型酸味劑，廣泛用于果醬、果汁、飲料、罐頭、糖果、人造奶油等的生產(chǎn)中。圖圖 5-16 酶的幾種固定方式示意圖酶的幾種固定方式示意圖 微生物產(chǎn)生的酶種類很多，有的存在于微生物產(chǎn)生的酶種類很多，有的存在于細(xì)胞內(nèi)，有的分泌到細(xì)胞外，因此，對(duì)細(xì)胞內(nèi)，有的分泌到細(xì)胞外，因此，對(duì)所需要的某一種酶來(lái)說(shuō)，需要提取和分所需要的某一種酶來(lái)說(shuō)，需要提取和分離純化。離純化。 將提取和分離純化后的酶制成酶制劑將提取和分離純化后的酶制成酶制

6、劑（如將某種酶的酶液進(jìn)行干燥處理后，（如將某種酶的酶液進(jìn)行干燥處理后，加入適量的穩(wěn)定劑和填充劑），就可以加入適量的穩(wěn)定劑和填充劑），就可以用來(lái)催化化學(xué)反應(yīng)了。但是，這樣的催用來(lái)催化化學(xué)反應(yīng)了。但是，這樣的催化反應(yīng)結(jié)束后，酶制劑和產(chǎn)物是混合在化反應(yīng)結(jié)束后，酶制劑和產(chǎn)物是混合在一起的，產(chǎn)物的純度不高，并且酶制劑一起的，產(chǎn)物的純度不高，并且酶制劑不能重復(fù)使用。為此，科學(xué)家設(shè)想將分不能重復(fù)使用。為此，科學(xué)家設(shè)想將分離純化后的固定到一定的載體上，使用離純化后的固定到一定的載體上，使用時(shí)將被固定的酶投放到反應(yīng)溶液中，催時(shí)將被固定的酶投放到反應(yīng)溶液中，催化反應(yīng)結(jié)束后又能將被固定的酶回收，化反應(yīng)結(jié)束后又能將被

7、固定的酶回收，這樣的酶叫做固定化酶。例如，將葡萄這樣的酶叫做固定化酶。例如，將葡萄糖異構(gòu)酶吸附到離子交換樹脂上，或者糖異構(gòu)酶吸附到離子交換樹脂上，或者包埋在明膠中，制成的固定化葡萄糖異包埋在明膠中，制成的固定化葡萄糖異構(gòu)酶，不僅可以用于使葡萄糖轉(zhuǎn)化成甜構(gòu)酶，不僅可以用于使葡萄糖轉(zhuǎn)化成甜度更高的高果糖漿、而且可以在生產(chǎn)中度更高的高果糖漿、而且可以在生產(chǎn)中反復(fù)使用。目前，科學(xué)家已經(jīng)研制出膜反復(fù)使用。目前，科學(xué)家已經(jīng)研制出膜狀、顆粒狀等多種形態(tài)的固定化酶。狀、顆粒狀等多種形態(tài)的固定化酶。圖圖 5-17 尿糖試紙和尿糖標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)尿糖試紙和尿糖標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)我們知道，糖尿病患者需要經(jīng)常用尿糖試紙化驗(yàn)自己尿糖的情

8、況，那么，尿糖試紙是怎樣制作出來(lái)的呢？科學(xué)家根據(jù)葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫在過(guò)氧化氫酶的催化作用下形成水和原子氧，以及原子氧可以將某種無(wú)色的化合物氧化成有色的化合物的原理，將上述兩種酶和無(wú)色的化合物固定在紙條上，制成測(cè)試尿糖含量的酶試紙。這種酶試紙與尿液相遇時(shí)，很快就會(huì)因尿液中葡萄糖含量的少到多而依次呈現(xiàn)出淺藍(lán)、淺綠、棕或深棕色。圖圖 5-18 用血糖快速測(cè)試儀化驗(yàn)血糖用血糖快速測(cè)試儀化驗(yàn)血糖 血糖快速測(cè)試儀實(shí)際上是利用有關(guān)的固定化酶制成的一種傳感血糖快速測(cè)試儀實(shí)際上是利用有關(guān)的固定化酶制成的一種傳感器器酶?jìng)鞲衅?。酶?jìng)鞲衅髦饕晒潭ɑ改ず妥儞Q器組成：固定

9、酶?jìng)鞲衅?。酶?jìng)鞲衅髦饕晒潭ɑ改ず妥儞Q器組成：固定化酶膜可以選擇性地化酶膜可以選擇性地“識(shí)別識(shí)別”被檢測(cè)的物質(zhì)，并且催化被被檢測(cè)的物質(zhì)，并且催化被“識(shí)別識(shí)別”出的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；變換器則把這一催化反應(yīng)中底物或產(chǎn)物的出的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；變換器則把這一催化反應(yīng)中底物或產(chǎn)物的變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)儀表顯示出來(lái)。用血糖快速測(cè)試儀化變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)儀表顯示出來(lái)。用血糖快速測(cè)試儀化驗(yàn)血糖，具有靈敏度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)。驗(yàn)血糖，具有靈敏度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖圖 5-19 酶?jìng)鞲衅鞴ぷ髟硎疽鈭D酶?jìng)鞲衅鞴ぷ髟硎疽鈭D 酶?jìng)鞲衅髦饕晒潭ɑ改ず妥儞Q酶?jìng)鞲衅髦饕晒潭ɑ改ず妥儞Q器組成：固定化

10、酶膜可以選擇性地器組成：固定化酶膜可以選擇性地“識(shí)識(shí)別別”被檢測(cè)的物質(zhì)，并且催化被被檢測(cè)的物質(zhì)，并且催化被“識(shí)別識(shí)別”出的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；變換器則把這出的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；變換器則把這一催化反應(yīng)中底物或產(chǎn)物的變量轉(zhuǎn)換成一催化反應(yīng)中底物或產(chǎn)物的變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)儀表顯示出來(lái)。用血電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)儀表顯示出來(lái)。用血糖快速測(cè)試儀化驗(yàn)血糖，具有靈敏度高糖快速測(cè)試儀化驗(yàn)血糖，具有靈敏度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)。和速度快等優(yōu)點(diǎn)。 酶?jìng)鞲衅鬟€可以用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)。例酶?jìng)鞲衅鬟€可以用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)。例如，酚是一類對(duì)人體有害的化合物，經(jīng)如，酚是一類對(duì)人體有害的化合物，經(jīng)常通過(guò)煉油和煉焦等工廠的廢水排放到常通過(guò)煉油和煉焦等工廠的廢水排放到河