微生物發(fā)酵及其應(yīng)用蚌埠一中生物資源網(wǎng)生物資源首

微生物發(fā)酵及其應(yīng)用第一頁，共三十九頁。為什么要利用微生物？抗生素、氨基酸、酶制劑等產(chǎn)品為什么能通過微生物發(fā)酵來生產(chǎn)？這與微生物的生長和代謝特點(diǎn)有什么關(guān)系？1、某些微生物因爭奪生存環(huán)境或營養(yǎng)物，會產(chǎn)生抗生素將其他種類的微生物殺死。2、微生物會產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將營養(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)胞會通過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。第二頁，共三十九頁。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第三頁，共三十九頁。什么是發(fā)酵？利用微生物，在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。第四頁，共三十九頁。發(fā)酵工業(yè)經(jīng)歷了哪幾個階段？原始發(fā)展階段（發(fā)酵技術(shù)原始，頂多是家庭小制作，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（人們才開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)，采用開放式的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過程較為簡單，對生產(chǎn)設(shè)備要求不高，規(guī)模一般不大。）現(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)發(fā)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)用達(dá)到前所未有的程度。

）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)

）第五頁，共三十九頁。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)過程的一種新技術(shù)。第六頁，共三十九頁。發(fā)酵工程第七頁，共三十九頁。發(fā)酵工程第八頁，共三十九頁。發(fā)酵工程我國工業(yè)生產(chǎn)味精使用的菌種主要是經(jīng)過誘變育種得到的營養(yǎng)缺陷型的北京谷氨酸棒狀桿菌

第九頁，共三十九頁。發(fā)酵工程啤酒制造工藝流程第十頁，共三十九頁。發(fā)酵工程啤酒制造工藝流程第十一頁，共三十九頁。微生物的應(yīng)用酒類：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、其他醇類和少量低碳醛酮類化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發(fā)酵時酵母將果汁中或發(fā)酵液中的葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精，而其他營養(yǎng)成分會部分被酵母利用，產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等，也會進(jìn)入發(fā)酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營養(yǎng)價值較高。

第十二頁，共三十九頁。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)合成的食品級醋酸勾兌的外，其他的則是由醋酸菌在好氧條件下發(fā)酵，將固體發(fā)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)酵過程中會產(chǎn)生乳酸或其他有機(jī)酸，因而使醋有不同的風(fēng)味。

第十三頁，共三十九頁。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。微生物在生長過程中會產(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。

第十四頁，共三十九頁。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、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。第十五頁，共三十九頁。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；同時蛋白質(zhì)也部分水解。因此，酸奶是營養(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。

第十六頁，共三十九頁。微生物的應(yīng)用醪糟：又稱酒釀，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。根霉在生長時會產(chǎn)生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時利用部分葡萄糖發(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。

第十七頁，共三十九頁。微生物的應(yīng)用面包：現(xiàn)在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）經(jīng)活化后，與面粉混合發(fā)酵，再加入各種添加劑，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、營養(yǎng)易于吸收。第十八頁，共三十九頁。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，微生物會因生長優(yōu)勢而單一化。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?，F(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。第十九頁，共三十九頁。微生物的應(yīng)用泡菜：請參看《生物技術(shù)實(shí)踐》的專題1的課題3（乳酸菌）腐乳：請參看《生物技術(shù)實(shí)踐》的專題1的課題2（毛霉、青霉、酵母、曲霉等）酸菜：與泡菜類似。第二十頁，共三十九頁。微生物的應(yīng)用糖果、餅干、果凍等添加了紅曲色素，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、延長儲存期等作用；各類罐頭，包括蔬菜、水果、蘑菇、魚類、肉類、蛋類罐頭，香腸，包裝奶等添加了乳鏈桿菌肽，以保鮮、防腐，保存營養(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市場上出售的各類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。第二十一頁，共三十九頁。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、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。第二十二頁，共三十九頁。酒類：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（單谷氨酸鈉又稱味精）、賴氨酸、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；核苷酸及其類似物：如鳥嘌呤核苷酸（5’-GMP）、肌苷酸（5’-IMP）、腺嘌呤核苷酸（5’-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）、α-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）、青霉素酰化酶（青霉素母核生產(chǎn)）、天冬氨酸酶（L天冬氨酸制造）、延胡索酸酶（L蘋果酸制造）、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)用于不同領(lǐng)域。第二十三頁，共三十九頁。發(fā)酵培養(yǎng)基的配制

微生物的營養(yǎng)物質(zhì)有六大類要素，即水、碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長因子和能源。生長因子：某些微生物本身不能從普通的碳源、氮源合成，需要額外少量加入才能滿足需要的有機(jī)物質(zhì)，包括氨基酸、維生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有時也包括一些脂肪酸及其他膜成分

第二十四頁，共三十九頁。發(fā)酵培養(yǎng)基的配制原則①營養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)滿足微生物的需要。不同營養(yǎng)類型的微生物對營養(yǎng)的需求差異很大，應(yīng)根據(jù)菌種對各營養(yǎng)要素的不同要求進(jìn)行配制。②營養(yǎng)物的濃度及配比應(yīng)恰當(dāng)。營養(yǎng)物濃度太低，不能滿足微生物生長的需要；濃度太高，又會抑制微生物生長。③物理、化學(xué)條件適宜。（pH、水活度、滲透壓）④在設(shè)計(jì)培養(yǎng)基時，必須考慮是要培養(yǎng)菌體，還是要積累菌體代謝產(chǎn)物；是實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，還是大規(guī)模發(fā)酵等問題。第二十五頁，共三十九頁。練習(xí)利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精時，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．玉米粉和無氧D．大豆粉和無氧C第二十六頁，共三十九頁。練習(xí)關(guān)于單細(xì)胞蛋白敘述正確的是（）A．是從微生物細(xì)胞中提取的蛋白質(zhì)B．通過發(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。第二十七頁，共三十九頁。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．加入抗生素滅菌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。第二十八頁，共三十九頁。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)過復(fù)雜的代謝過程形成谷氨酸；谷氨酸合成過量，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，避免因過量引起合成途徑中斷。第二十九頁，共三十九頁。練習(xí)關(guān)于滅菌和消毒的不正確的理解是（）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、過濾法、紫外線法、化學(xué)藥品法B1．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，殺死物體表面或內(nèi)部一部分對人體有害的病原菌，而對被消毒物體基本無害的措施，是部分殺滅。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：表面消毒劑和化學(xué)治療劑，如抗生素，中草藥有效成分。

第三十頁，共三十九頁。練習(xí)為研究微生物群體生長規(guī)律，常將少量的某種細(xì)菌接種到培養(yǎng)基中，取樣測定培養(yǎng)基里的細(xì)菌數(shù)目，以時間為橫坐標(biāo)，以細(xì)菌數(shù)目的對數(shù)為縱坐標(biāo)，得到生長曲線圖，對培養(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第三十一頁，共三十九頁。練習(xí)在啤酒生產(chǎn)過程中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)過程大致如下：將經(jīng)過滅菌的麥芽汁充氧，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)上述過程，回答以下問題：（1）該過程表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)測定酵母菌消耗的糖中，98.5％形成了酒精和其他發(fā)酵產(chǎn)物，其余1.5％則是用于

。（4）請寫出由麥芽糖→葡萄糖→酒精的反應(yīng)方程式。（5）如果酵母菌消耗的糖（沒有麥芽糖，相對分子質(zhì)量為342）有98.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）形成酒精（相對分子質(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)）的啤酒多少噸？第三十二頁，共三十九頁。練習(xí)[答案]（1）既能進(jìn)行有氧呼吸又能進(jìn)行無氧呼吸（2）出芽生殖（3）酵母菌自身的生長和繁殖（4）C12H22O11+H2O2C6H12O6

C6H12O62C2H5OH+2CO2（5）C2H5OH的相對分子質(zhì)量為46.0（500t×8.00%×98.5%×46×4/342）/0.032=662t第三十三頁，共三十九頁。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”增長幾十倍到上百倍，從而成為本領(lǐng)高強(qiáng)的“高級工人”。第一種方法是用人工辦法讓微生物的DNA發(fā)生突變。比如在DNA分子的長鏈中插入或刪除堿基，或者把某一堿基換成另外一種。然后在這些動過“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，屬于哪一類型的變異？這類變異有何特點(diǎn)？第三十四頁，共三十九頁。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。等到重新長出細(xì)胞壁后，一種新的微生物就誕生了。它可以同時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)角度看屬于哪一類型的變異？所誕生的新型微生物其后代具有什么特點(diǎn)？第三十五頁，共三十九頁。練習(xí)第三種方法是通過直接轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)DNA，制備出有超強(qiáng)能力的發(fā)酵微生物。以下是一個發(fā)酵生產(chǎn)維生素C（后稱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)它們共同作用時，可以通過發(fā)酵而產(chǎn)生Vc，后來人