微生物發(fā)酵及其科學(xué)應(yīng)用

1、為什么要利用微生物？抗生素、氨基酸、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過(guò)微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)？這與微生物的生長(zhǎng)和代謝特點(diǎn)有什么關(guān)系？1、某些微生物因爭(zhēng)奪生存環(huán)境或營(yíng)養(yǎng)物，會(huì)產(chǎn)生抗生素將其他種類(lèi)的微生物殺死。2、微生物會(huì)產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。3、微生物細(xì)胞會(huì)通過(guò)合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些物質(zhì)，包括氨基酸、核苷酸等。為什么要利用微生物？微生物繁殖非常迅速微生物培養(yǎng)易于控制微生物本身也容易改造什么是發(fā)酵？利用微生物，在適宜的條件下，將原料經(jīng)過(guò)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類(lèi)所需要的產(chǎn)物的過(guò)程。發(fā)酵工業(yè)經(jīng)歷了哪幾個(gè)階段？原始開(kāi)展階段發(fā)酵技術(shù)原始，頂多是家庭小

2、制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完全是經(jīng)驗(yàn)式的，并不知道其中的原理 。 傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段人們才開(kāi)始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì) ，采用開(kāi)放式的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求不高，規(guī)模一般不大 ?，F(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段生產(chǎn)技術(shù)要求高；生產(chǎn)規(guī)模大；技術(shù)開(kāi)展速度快；菌種的生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用到達(dá)前所未有的程度。 生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段 利用構(gòu)建的基因工程菌生產(chǎn) 什么是發(fā)酵工程？采用現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類(lèi)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)酵工程發(fā)酵工程發(fā)酵工程我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)味精使用的菌種主要是經(jīng)過(guò)誘變育種得到的營(yíng)養(yǎng)缺陷型的北京谷氨酸棒狀桿

3、菌 發(fā)酵工程啤酒制造工藝流程發(fā)酵工程啤酒制造工藝流程微生物的應(yīng)用酒類(lèi)：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用釀酒酵母，在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精生產(chǎn)的。白酒經(jīng)過(guò)蒸餾，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加熱后易揮發(fā)物質(zhì)，如各種酯類(lèi)、其他醇類(lèi)和少量低碳醛酮類(lèi)化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發(fā)酵時(shí)酵母將果汁中或發(fā)酵液中的葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精，而其他營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)局部被酵母利用，產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等，也會(huì)進(jìn)入發(fā)酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高。 微生物的應(yīng)用醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化學(xué)合成的食品級(jí)醋酸勾兌的外，其他的那么是由醋酸菌在好氧條件下發(fā)酵，將固體發(fā)

4、酵產(chǎn)生的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸生產(chǎn)的。由于使用的微生物菌種或曲種的差異，在葡萄糖發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生乳酸或其他有機(jī)酸，因而使醋有不同的風(fēng)味。 微生物的應(yīng)用醬油：醬油生產(chǎn)以大豆為主要原料，其他有麥麩、小麥、玉米等，將上述原料經(jīng)粉碎制成固體培養(yǎng)基，在好氧條件下，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉進(jìn)行發(fā)酵。微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的蛋白酶，將培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、調(diào)制成醬油產(chǎn)品。醬油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。 微生物的應(yīng)用醬：以大豆和少量面粉為原料，蒸煮后在空氣中自然發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程主要是能夠產(chǎn)生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，將大豆中的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉分解，產(chǎn)生出氨基酸、多肽、

5、甘油、脂肪酸等多種物質(zhì)。這些物質(zhì)使醬具有獨(dú)特的醬香味。微生物的應(yīng)用酸奶：牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發(fā)酵，將乳糖分解，并進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和其他有機(jī)酸，以及一些芳香物質(zhì)和維生素等；同時(shí)蛋白質(zhì)也局部水解。因此，酸奶是營(yíng)養(yǎng)豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應(yīng)癥者的優(yōu)良食品。 微生物的應(yīng)用醪糟：又稱(chēng)酒釀，是大米經(jīng)蒸煮后，接種根霉，在好氧條件下，發(fā)酵生產(chǎn)的含低濃度酒精和不同糖分的食品。根霉在生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時(shí)利用局部葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精。由于使用的根霉菌種不同，可以生產(chǎn)不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。 微生物的應(yīng)用面包：現(xiàn)在的面包均是利用活性干酵母面包

6、酵母經(jīng)活化后，與面粉混合發(fā)酵，再參加各種添加劑，經(jīng)烤制生產(chǎn)的。面粉發(fā)酵后淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變得易于消化、營(yíng)養(yǎng)易于吸收。微生物的應(yīng)用饅頭：以前做饅頭的面粉是經(jīng)自然發(fā)酵后蒸制的，如果連續(xù)使用面肥發(fā)酵，經(jīng)幾代發(fā)酵，微生物會(huì)因生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)而單一化。發(fā)酵的菌種一般多為乳酸菌。因?yàn)榘l(fā)酵產(chǎn)酸，在蒸制前要用堿中和酸，制得的饅頭才松軟適口、帶有特殊香味。現(xiàn)在，大批量生產(chǎn)是采用干酵母發(fā)酵，所以不產(chǎn)酸，不需要再用堿中和即可蒸制。微生物的應(yīng)用泡菜：請(qǐng)參看?生物技術(shù)實(shí)踐?的專(zhuān)題1的課題3乳酸菌腐乳：請(qǐng)參看?生物技術(shù)實(shí)踐?的專(zhuān)題1的課題2毛霉、青霉、酵母、曲霉等酸菜：與泡菜類(lèi)似。微生物的應(yīng)用糖果、餅干、果凍等添加了紅曲色素，

7、以調(diào)節(jié)色澤；果汁、餅干、面包、點(diǎn)心、方便面等添加了黃原膠，起懸浮、穩(wěn)定、增稠、改善口感、防止粘牙、延長(zhǎng)儲(chǔ)存期等作用；各類(lèi)罐頭，包括蔬菜、水果、蘑菇、魚(yú)類(lèi)、肉類(lèi)、蛋類(lèi)罐頭，香腸，包裝奶等添加了乳鏈桿菌肽，以保鮮、防腐，保存營(yíng)養(yǎng)和改善口感等；各種果汁、啤酒和飲料中均需使用檸檬酸或乳酸作為酸味劑調(diào)節(jié)口味、口感；飯店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鮮味?？梢哉f(shuō)市場(chǎng)上出售的各類(lèi)食品均加有各種食品添加劑，其中約70%80%的食品添加劑是用發(fā)酵法，或發(fā)酵產(chǎn)生的酶，加工生產(chǎn)的。 微生物的應(yīng)用制藥業(yè)：抗生素、氨基酸、維生素的生產(chǎn)廠家；食品業(yè)：醋、醬油、醬、酒等的生產(chǎn)廠家；輕工業(yè)：檸檬酸、乳酸、味精

8、、肌苷酸、干酵母、色素、黃原膠、甘油等的生產(chǎn)廠家；化工業(yè)：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生產(chǎn)廠家；飼料業(yè)：飼料添加劑的生產(chǎn)廠家；農(nóng)藥業(yè)：農(nóng)用抗生素、微生物肥料、微生物農(nóng)藥等的生產(chǎn)廠家。酒類(lèi)：如果酒葡萄酒等、米酒、白酒等；有機(jī)溶劑：如乙醇、丙酮、丁醇、甘油；有機(jī)酸：如醋酸、乳酸、葡萄糖酸、檸檬酸、酒石酸、衣康酸、長(zhǎng)鏈二元酸以十三到十八碳的直鏈烷烴為原料的發(fā)酵產(chǎn)品；氨基酸：如谷氨酸單谷氨酸鈉又稱(chēng)味精、賴(lài)氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、精氨酸、絲氨酸、丙氨酸、酪氨酸、蘇氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等；核苷酸及其類(lèi)似物：如鳥(niǎo)嘌呤核苷酸5-GMP、肌苷酸5-IMP、腺嘌呤核苷酸5-

9、AMP、黃嘌呤核苷酸5-XMP等；抗生素：包括疾病治療的藥用抗生素，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)用于防病抗病的抗生素，如青霉素、頭孢霉素、鏈霉素、四環(huán)素、土霉素、紅霉素、稻瘟素、井崗霉素、春日霉素等等；多糖：如黃原膠、普魯蘭等；酶：如堿性蛋白酶洗滌劑、中性蛋白酶洗滌劑等、脂肪酶洗滌劑、-淀粉酶淀粉水解、葡萄糖淀粉酶葡萄糖生產(chǎn)、葡萄糖異構(gòu)酶高果糖糖漿生產(chǎn)、纖維素酶纖維素水解、紡織品加工、果膠酶食品、水果加工等、凝乳酶奶酪制造、青霉素?；盖嗝顾啬负松a(chǎn)、天冬氨酸酶L天冬氨酸制造、延胡索酸酶L蘋(píng)果酸制造、葡萄糖氧化酶檢驗(yàn)葡萄糖、乳酸脫氫酶臨床檢驗(yàn)、鏈激酶治療血栓等等，目前世界上有100多種酶用微生物發(fā)酵生產(chǎn)，應(yīng)用

10、于不同領(lǐng)域。發(fā)酵培養(yǎng)基的配制 微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有六大類(lèi)要素，即水、碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子和能源。生長(zhǎng)因子：某些微生物本身不能從普通的碳源、氮源合成，需要額外少量參加才能滿(mǎn)足需要的有機(jī)物質(zhì)，包括氨基酸、維生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有時(shí)也包括一些脂肪酸及其他膜成分 發(fā)酵培養(yǎng)基的配制原那么 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)足微生物的需要。不同營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求差異很大，應(yīng)根據(jù)菌種對(duì)各營(yíng)養(yǎng)要素的不同要求進(jìn)行配制。 營(yíng)養(yǎng)物的濃度及配比應(yīng)恰當(dāng)。營(yíng)養(yǎng)物濃度太低，不能滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)的需要；濃度太高，又會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)。物理、化學(xué)條件適宜。pH、水活度、滲透壓 在設(shè)計(jì)培養(yǎng)基時(shí)，必須考慮是要培養(yǎng)菌體，還是要積累菌體

11、代謝產(chǎn)物；是實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，還是大規(guī)模發(fā)酵等問(wèn)題。 練習(xí)利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精時(shí)，投放的最適原料和產(chǎn)生酒精的階段要控制的必要條件是 A玉米粉和有氧B大豆粉和有氧C玉米粉和無(wú)氧D大豆粉和無(wú)氧C練習(xí)關(guān)于單細(xì)胞蛋白表達(dá)正確的選項(xiàng)是 A是從微生物細(xì)胞中提取的蛋白質(zhì)B通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)的微生物菌體C是微生物細(xì)胞分泌的抗生素D單細(xì)胞蛋白不能作為食品B 單細(xì)胞蛋白是利用淀粉或維生素的水解液，制糖工業(yè)的廢液，石化產(chǎn)品等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得大量的微生物菌體，所以不是特指微生物的某種蛋白質(zhì)或抗生素；單細(xì)胞蛋白含有豐富的蛋白質(zhì)，如真菌蛋白可作為食品。 練習(xí)谷氨酸棒狀桿菌的培養(yǎng)液常采用的滅菌方法是 A高壓蒸汽滅菌B高溫滅菌C參

12、加抗生素滅菌D酒精滅菌A 單細(xì)胞蛋白是利用淀粉或維生素的水解液，制糖工業(yè)的廢液，石化產(chǎn)品等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得大量的微生物菌體，所以不是特指微生物的某種蛋白質(zhì)或抗生素；單細(xì)胞蛋白含有豐富的蛋白質(zhì)，如真菌蛋白可作為食品。 練習(xí)工業(yè)上利用谷氨酸棒狀桿菌大量積累谷氨酸，應(yīng)采用的最好方法是 A加大菌種密度B改變碳源和氮源比例C改變菌體細(xì)胞膜通透性D加大葡萄糖釋放量C 谷氨酸棒狀桿菌能夠利用C6H12O6，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的代謝過(guò)程形成谷氨酸；谷氨酸合成過(guò)量，使合成途徑中斷，要提高谷氨酸產(chǎn)量的最好方法是改變菌體細(xì)胞膜的通透性，使谷氨酸能迅速排放到外面，防止因過(guò)量引起合成途徑中斷。 練習(xí)關(guān)于滅菌和消毒的不正確的理

13、解是 A滅菌是指殺滅環(huán)境中的一切微生物的細(xì)胞、芽孢和孢子B消毒和滅菌實(shí)質(zhì)上是相同的C接種環(huán)用灼燒法滅菌D常用滅菌的方法有加熱法、過(guò)濾法、紫外線法、化學(xué)藥品法B 1滅菌是指采用強(qiáng)烈的理化因素殺死一定環(huán)境中所有微生物的細(xì)胞、芽孢和孢子的措施，是徹底殺死。消毒是一種采用較溫和的理化因素，殺死物體外表或內(nèi)部一局部對(duì)人體有害的病原菌，而對(duì)被消毒物體根本無(wú)害的措施，是局部殺滅。2常用滅菌方法：物理殺菌的常用方法：高溫、輻射、超聲波和激光等；化學(xué)殺菌常用方法：外表消毒劑和化學(xué)治療劑，如抗生素，中草藥有效成分。 練習(xí)為研究微生物群體生長(zhǎng)規(guī)律，常將少量的某種細(xì)菌接種到培養(yǎng)基中，取樣測(cè)定培養(yǎng)基里的細(xì)菌數(shù)目，以時(shí)間

14、為橫坐標(biāo)，以細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，得到生長(zhǎng)曲線圖，對(duì)培養(yǎng)基的要求是 A恒定容積的液體培養(yǎng)基B任意容積的液體培養(yǎng)基C恒定容積的半固體培養(yǎng)基D任意容積的半固體培養(yǎng)基A練習(xí)在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)過(guò)程大致如下：將經(jīng)過(guò)滅菌的麥芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌種后輸人發(fā)酵罐。初期，酵母菌迅速繁殖，糖度下降，產(chǎn)生白色泡沫，溶解氧逐漸耗盡。隨后，酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降解，酒精濃度漸漸上升，泡沫不斷增多。當(dāng)糖濃度下降到一定程度后，結(jié)束發(fā)酵。最后分別輸出有形物質(zhì)和鮮啤酒。根據(jù)上述過(guò)程，答復(fù)以下問(wèn)題：1該過(guò)程說(shuō)明啤酒酵母異化作用的特點(diǎn)是 。2初期，酵母菌迅速繁殖的主要方式是 。3經(jīng)測(cè)定酵母菌

15、消耗的糖中，98.5形成了酒精和其他發(fā)酵產(chǎn)物，其余1.5那么是用于 。4請(qǐng)寫(xiě)出由麥芽糖葡萄糖酒精的反響方程式。5如果酵母菌消耗的糖沒(méi)有麥芽糖，相對(duì)分子質(zhì)量為342有98.5質(zhì)量分?jǐn)?shù)形成酒精相對(duì)分子質(zhì)量為46.0和其他發(fā)酵產(chǎn)物。設(shè)有500t麥芽汁，其中麥芽糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.00，發(fā)酵后最多能生產(chǎn)酒精濃度為3.20質(zhì)量分?jǐn)?shù)的啤酒多少?lài)?？練?xí)答案1既能進(jìn)行有氧呼吸又能進(jìn)行無(wú)氧呼吸2出芽生殖3酵母菌自身的生長(zhǎng)和繁殖4C12H22O11+H2O2 C6H12O6 C6H12O6 2C2H5OH+2CO25C2H5OH的相對(duì)分子質(zhì)量為46.0500t8.00%98.5% 46 4/342/ 0.032=6

16、62t練習(xí)盡管微生物發(fā)酵有各種各樣的產(chǎn)物，但通常它們的生產(chǎn)能力小而且單一，不能勝任大批量的工業(yè)生產(chǎn)，于是，科學(xué)家們想方設(shè)法使它們的“功力增長(zhǎng)幾十倍到上百倍，從而成為本領(lǐng)高強(qiáng)的“高級(jí)工人。第一種方法是用人工方法讓微生物的DNA發(fā)生突變。比方在DNA分子的長(zhǎng)鏈中插入或刪除堿基，或者把某一堿基換成另外一種。然后在這些動(dòng)過(guò)“小手術(shù)的菌種中篩選出符合我們要求的，能增加產(chǎn)量的個(gè)體。1發(fā)酵工程的第一種方法從遺傳學(xué)角度看，屬于哪一類(lèi)型的變異？這類(lèi)變異有何特點(diǎn)？練習(xí)第二種方法叫“原生質(zhì)融合法。這是將兩種且有不同發(fā)酵本領(lǐng)的微生物細(xì)胞放在一起進(jìn)行處理，溶解掉細(xì)胞壁，讓它們的原生質(zhì)相互融合。等到重新長(zhǎng)出細(xì)胞壁后，一種新的微生物就誕生了。它可以同時(shí)具有兩種微生物的發(fā)酵能力，也可能產(chǎn)生新的本領(lǐng)。2第二種方法從遺傳學(xué)角度看屬于哪一類(lèi)型的變異？所誕生的新型微生物其后代具有什么特點(diǎn)？練習(xí)第三種方法是通過(guò)直接轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)DNA，制備出有超強(qiáng)能力的發(fā)酵微生物。以下是一個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)維生素C后稱(chēng)Vc的例子：科學(xué)家找到兩種微生物草生歐文氏菌和棒狀桿菌。當(dāng)它們共同作用