食品生物技術導論第六剖析課件

2023/7/20第六章

發(fā)酵工程第一節(jié)發(fā)酵工程概述第二節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的制備與滅菌第三節(jié)發(fā)酵菌種及其擴大培養(yǎng)第四節(jié)發(fā)酵設備第五節(jié)發(fā)酵過程控制第六節(jié)發(fā)酵動力學授課教師

郭春鋒gcf@1什么是發(fā)酵發(fā)酵泛指微生物在無氧或有氧條件下，通過分解代謝、合成代謝或次生代謝等微生物活動，大量積累人類所需的微生物體、微生物酶或微生物代謝產(chǎn)物的過程。2什么是發(fā)酵工程發(fā)酵工程是指利用生物細胞或酶的某種特性，通過現(xiàn)代化工程技術手段進行工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的技術。第一節(jié)發(fā)酵工程概述2023/7/203發(fā)酵工程與其他四個生物工程主要技術體系的關系4現(xiàn)代發(fā)酵工程的研究內(nèi)容4.1上游工程物料的輸送和原料的預處理發(fā)酵培養(yǎng)基的選擇、制備和預處理菌種的選育、保藏、復壯和擴大培養(yǎng)發(fā)酵過程動力學發(fā)酵醪的特性氧的傳遞、溶解和吸收發(fā)酵生產(chǎn)設備的設計、選型和計算發(fā)酵過程的工藝技術控制4.2下游工程發(fā)酵醪與菌體的分離發(fā)酵產(chǎn)物的提取發(fā)酵產(chǎn)物的精制4.3輔助工程技術空氣凈化除菌與調(diào)節(jié)系統(tǒng)水處理與供水系統(tǒng)加熱和制冷系統(tǒng)2023/7/20-

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-2023/7/20供制作面包用的酵母菌5發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.1微生物菌體細胞酵母菌為兼性厭氧菌；在氧氣缺乏的情況下，將糖類轉(zhuǎn)化為二氧化碳和乙醇；在氧氣充足的情況下，將糖類轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。2023/7/20制作酸奶用的乳酸菌5發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.1微生物菌體細胞乳酸菌菌為兼性厭氧菌；酸奶發(fā)酵劑的菌株通常為嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌；發(fā)酵劑菌株可將乳中的糖類轉(zhuǎn)化為乳酸。2023/7/205發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.2食品工業(yè)用酶制劑

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents淀粉酶作用：淀粉液化；α-淀粉酶（內(nèi)切酶）和β-淀粉酶（外切酶）。2023/7/20

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents蛋白酶作用：肉的嫩化、果汁澄清。基于最適pH分類：酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶。基于對底物的水解方式分類：內(nèi)肽酶和外肽酶。黑曲霉：酸性蛋白酶(pH2.5-4)；枯草芽孢桿菌：中性蛋白酶(pH6-8)和堿性蛋白酶(pH9-11)；2023/7/205發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.3微生物的代謝產(chǎn)物

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents乙醇2023/7/205發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.3微生物的代謝產(chǎn)物

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents谷氨酸(鈉)1908年由日本池田菊苗教授發(fā)現(xiàn)。谷氨酸棒桿菌和黃色短桿菌是發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸的主要菌種。2023/7/205發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型5.4微生物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents乙酸(醋酸)乙酸通過醋酸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)；1863巴斯德發(fā)現(xiàn)了醋酸菌；(1)

CH3CH2OH→CH3CHO(2)CH3CHO→CH3COOH醋酸發(fā)酵歷程2023/7/206發(fā)酵工業(yè)發(fā)展史1900年以前，自然發(fā)酵階段。利用自然發(fā)酵釀酒和制醋；

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents1900-1940，純培養(yǎng)發(fā)酵階段。生產(chǎn)甘油、有機酸和丙酮；1940-1957，深層通氣發(fā)酵階段。發(fā)酵生產(chǎn)青霉素和維生素；1957-1960，代謝調(diào)控發(fā)酵階段。發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸和核苷酸；1960-1979，全面發(fā)展階段。發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白和新型抗生素；1979-，基因工程階段。發(fā)酵生產(chǎn)胰島素和干擾素；2023/7/201什么是發(fā)酵培養(yǎng)基

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents發(fā)酵培養(yǎng)基是人工制備的，適合不同發(fā)酵微生物生長繁殖及積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基源第二節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的制備與滅菌2發(fā)酵培養(yǎng)基制備的原則消耗單位質(zhì)量的底物產(chǎn)生最大的菌體或產(chǎn)物得率；獲得最高的產(chǎn)物合成速率；最大限度降低副產(chǎn)物的生成量；原料來源豐富，價格便宜。2023/7/203工業(yè)發(fā)酵常用的培養(yǎng)基原料3.1碳源：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜，谷物淀粉等作為碳源；

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents3.2氮源：銨鹽、尿素、硝酸鹽、玉米漿選擇題下列原料不屬于工業(yè)發(fā)酵常用的碳源原料的是(

)A甘蔗糖蜜B甜菜糖蜜C谷物淀粉D硝酸鹽2023/7/204培養(yǎng)基中添加的前體物質(zhì)4.1案例1

淀粉酶DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸時，向培養(yǎng)基中添加吲哚能增加色氨酸的產(chǎn)量。選擇題：發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸時，向培養(yǎng)基中添加下列何種物質(zhì)能增加色氨酸的產(chǎn)量（）A吲哚B咪唑C嘌呤D嘧啶2023/7/204培養(yǎng)基中添加的前體物質(zhì)4.2案例2

DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents發(fā)酵法生產(chǎn)青霉素G時，向培養(yǎng)苯乙酸能顯著增加青霉素G的產(chǎn)量。選擇題：發(fā)酵法生產(chǎn)青霉素G時，向培養(yǎng)基中添加下列何種物質(zhì)能顯著增加其產(chǎn)量（）A苯磺酸B苯乙酸C丙酮D丙酮酸2023/7/205培養(yǎng)基中添加的促進劑5.1誘導物DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents誘導物可增加誘導酶（如水解酶類）的產(chǎn)量，進而加速與該酶相關的一些化學反應的進程O-硝基半乳糖苷(ONPG)和異丙基巰基半乳糖苷(IPTG)可誘導大腸桿菌分泌乳糖酶。ONPGIPTG乳糖2023/7/205培養(yǎng)基中添加的促進劑5.2表面活性劑增加膜的透性，促進細胞外物質(zhì)進入細胞內(nèi)被催化(胞內(nèi)酶)增加膜的透性，促進細胞內(nèi)部的酶向細胞外的轉(zhuǎn)移(胞外酶)影響酶和底物之間的相互作用5培養(yǎng)基中添加的抑制劑添加抑制劑的主要目的：抑制副產(chǎn)物的產(chǎn)生和雜菌的繁殖。2023/7/206最佳培養(yǎng)基的確定單因素試驗：國外學者廣泛采用正交試驗：由日本學者田口玄一發(fā)明均勻設計：由我國學者方開泰發(fā)明2023/7/207培養(yǎng)基的滅菌在發(fā)酵工程領域，培養(yǎng)基的滅菌廣泛采用加熱滅菌法滅菌溫度通常要在達到121攝氏度或以上選擇題在發(fā)酵工程領域，最廣泛采用的培養(yǎng)基滅菌方法是（）A機械法B化學法C生物法D加熱法欲在121攝氏度的溫度下將培養(yǎng)基中的微生物全部殺死需要多少分鐘（）A

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20判斷題達到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可明顯縮短滅菌時間（）2023/7/20Descriptionofthecontents發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌的方法1分批式滅菌方法—實消該方法適合小型發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基的滅菌。發(fā)酵培養(yǎng)基在發(fā)酵罐內(nèi)滅菌，操作簡便，但滅菌時間長，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分容易遭到破壞。2連續(xù)式滅菌方法—連消該方法適合大型發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基的滅菌。需要專門的滅菌設備，可采用高溫短時滅菌，對培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞程度低。選擇題發(fā)酵培養(yǎng)基連續(xù)式滅菌設備的組成不包括下列中的（）A連消塔B維持罐C冷卻器D閃蒸罐2023/7/201發(fā)酵工業(yè)對菌種的要求

淀粉酶Descriptionofthecontents第三節(jié)發(fā)酵菌種及其擴大培養(yǎng)能在廉價培養(yǎng)基上迅速生長并大量產(chǎn)生所需的細胞或代謝產(chǎn)物；選擇抗噬菌體能力強的菌株，使之不易感染噬菌體；菌種純，不易變異退化，以保證發(fā)酵生產(chǎn)的持續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；菌體不是病原菌，不產(chǎn)生有害物質(zhì)，以保證安全。2023/7/202發(fā)酵菌種的育種

淀粉酶Descriptionofthecontents自然選育誘變育種雜交育種原生質(zhì)融合育種基因工程定向育種選擇題現(xiàn)代發(fā)酵工程菌種育種技術的標志是（）A誘變育種B雜交育種C原生質(zhì)融合育種D基因工程定向育種2023/7/203發(fā)酵菌種保藏方法

淀粉酶定期移植保藏法（4攝氏度，1-2月）液體石蠟保藏法（4攝氏度，1-2年）真空冷凍干燥法（-18攝氏度以下，10年以上）甘油冷凍保藏法（-18攝氏度以下，3-4年）選擇題下列菌種保藏方法中可將菌種保藏時間最長的為（）A定期移植保藏法B液體石蠟保藏法C真空冷凍保藏法D甘油冷凍保藏法2023/7/204菌種的復壯

淀粉酶Descriptionofthecontents4.1什么是復壯對已衰退的菌種進行純種分離和選擇性培養(yǎng)，使其中未衰退的個體獲得大量繁殖，重新成為純種群體的措施。2023/7/205發(fā)酵菌種的擴大培養(yǎng)

淀粉酶5.1目的為每次發(fā)酵罐的投料提供相當數(shù)量的、代謝旺盛的種子。5.2分類靜止培養(yǎng)和通氣培養(yǎng)固體培養(yǎng)和液體培養(yǎng)淺層培養(yǎng)和深層培養(yǎng)2023/7/20

淀粉酶Descriptionofthecontents5.3程序1生物反應器（發(fā)酵罐）生物反應器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置或系統(tǒng)。生物反應器可分為酶反應器和細胞反應器。第四節(jié)發(fā)酵設備2發(fā)酵設備分類2.1厭氧發(fā)酵設備厭氧固體發(fā)酵設備厭氧液體發(fā)酵設備2.2好氧發(fā)酵設備好氧固體發(fā)酵設備好氧液體發(fā)酵設備判斷題目前，發(fā)酵工業(yè)上最廣泛采用的好氧發(fā)酵設備幾乎均是液體淺層發(fā)酵設備（）機械攪拌通用式發(fā)酵罐是好氧液體深層發(fā)酵廣泛應用的設備（）2023/7/203機械攪拌通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸2023/7/204機械攪拌通用式發(fā)酵罐的特點通過機械攪拌作用使無菌空氣與發(fā)酵液混合，提高了發(fā)酵液的溶氧量。發(fā)酵過程容易控制，操作簡便；發(fā)酵罐內(nèi)部結構復雜，設備成本高。能量消耗大，機械攪拌對絲狀細胞的培養(yǎng)與發(fā)酵不利。簡答題簡述機械攪拌通用式發(fā)酵罐的特點？5機械攪拌通用式發(fā)酵罐設計的原則（論述題）能在長時間運轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定；能通氣和充分攪拌，滿足微生物代謝需要；具有低的功率消耗和勞動力消耗；應配備溫度和pH值控制系統(tǒng)以及采樣裝置；發(fā)酵罐內(nèi)的蒸發(fā)損失不應太多；具有適宜的徑高比，以提高氧的利用率；具有足夠的傳熱面積，以縮短加熱或冷卻時間；發(fā)酵罐內(nèi)表面應光滑，以保證滅菌徹底；在能滿足工藝要求的情況下，使用較便宜的制造材料。2023/7/202023/7/20填空題機械攪拌通用式發(fā)酵罐常配備的攪拌器有平槳式、螺旋槳式和渦輪式三種，其中以渦輪式應用得最為普遍。判斷題機械攪拌通用式發(fā)酵罐攪拌器的作用是提高培養(yǎng)基的溶氧度和促進培養(yǎng)基傳質(zhì)和傳熱過程的發(fā)生（）。請思考？發(fā)酵罐內(nèi)擋板的作用是什么呢？2023/7/204氣升式發(fā)酵罐1溫度對發(fā)酵過程的影響及控制1.1發(fā)酵熱的組成發(fā)酵過程中釋放的凈熱量稱為發(fā)酵熱。發(fā)酵熱包括生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱和輻射熱。發(fā)酵過程的發(fā)酵熱為Q總=Q生物+Q攪拌+Q蒸發(fā)+Q輻射第五節(jié)發(fā)酵過程控制1.2溫度對發(fā)酵過程的影響溫度對微生物細胞的影響溫度每升高10攝氏度，微生物的生長速度加快1倍。溫度對微生物酶的影響溫度每升高10攝氏度，酶反應速度加快1倍。溫度對培養(yǎng)基物理性質(zhì)的影響溫度低氧溶解度高，溫度高氧溶解度低。溫度對代謝產(chǎn)物形成的影響金色鏈球菌在溫度低于30攝氏度時，主要合成金霉素；在溫度高于35攝氏度時，主要合成四環(huán)素。1.3發(fā)酵過程溫度的控制控制設備：溫度傳感器+換熱器（夾套、蛇管或排管換熱器）控制原則：接種后適當提高培養(yǎng)基溫度；剛進入對數(shù)期時，保持微生物最適生長溫度；對數(shù)中期，適當降低培養(yǎng)基的溫度；進入穩(wěn)定期后，再次降低培養(yǎng)基的溫度。判斷題：同一菌株的最適生長溫度和最適的代謝產(chǎn)物積累溫度往往是一致的（）2pH對發(fā)酵過程的影響及控制2.1微生物生長的最適pH細菌6.5-7.5；霉菌4.0-6.0；酵母菌3.8-6.0；放線菌7.0-8.02.2

pH對微生物及代謝的影響影響酶的活性影響膜電荷狀態(tài)影響營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的解離影響氧的溶解度2.3

pH對微生物及代謝的影響影響酶的活性影響膜電荷狀態(tài)影響營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的解離影響氧的溶解度2.4影響發(fā)酵液pH下降的因素碳源過量氧含量過低微生物酸性生理物質(zhì)的存在2.5影響發(fā)酵液pH上升的因素氮源過剩微生物堿性生理物質(zhì)的存在補料過剩2.6發(fā)酵過程pH控制的方法調(diào)節(jié)初始pH控制碳源和氮源的種類和比例發(fā)酵過程中向培養(yǎng)基中加入弱酸和弱堿發(fā)酵過程中及時補料（培養(yǎng)基）向培養(yǎng)基中加入碳酸鈣發(fā)酵過程中向培養(yǎng)基中加入尿素3溶解氧對發(fā)酵過程的影響及控制3.1臨界溶解氧濃度不影響微生物呼吸時的最低溶解氧濃度稱為臨界溶解氧濃度。判斷題在臨界溶解氧濃度以下，溶解氧是菌體生長的限制因素（）。在臨界溶解氧濃度以上，溶解氧是菌體生長的限制因素（）。為了使微生物積累特定的代謝產(chǎn)物，培養(yǎng)基中的溶解氧濃度必須達到臨界溶解氧濃度（）。3.2溶解氧監(jiān)測方法發(fā)酵工業(yè)最常用的溶解氧監(jiān)測方法是覆膜氧電極法。2023/7/202023/7/204基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及控制4.1基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響假定在任何時間（t），微生物細胞數(shù)目的增長率（