化學(xué)工藝學(xué)：微生物基礎(chǔ)

第一節(jié)微生物基礎(chǔ)1.微生物的特點(diǎn)1.1

什么是微生物？微生物是指那些個(gè)體微小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，必須借助顯微鏡的幫助才能看清它們外形的一群微小生物，包括所有形體微小的單細(xì)胞(細(xì)菌、酵母等)，個(gè)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多細(xì)胞(如霉菌等)，或沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物(病毒或類病毒等)。返回1.2

微生物的共同特點(diǎn)比表面積大，代謝能力強(qiáng)若以人體的“面積和體積”比值為1，則與人等質(zhì)量的大腸桿菌這一比值高達(dá)30萬(wàn)。代謝能力強(qiáng)的主要原因是由于個(gè)體小，比表面積大，能夠在細(xì)胞與環(huán)境之間迅速交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物。

例如，發(fā)酵乳糖的細(xì)菌在1小時(shí)內(nèi)可分解其自身質(zhì)量1000~10000倍的乳糖。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)1.2

微生物的共同特點(diǎn)（2）種類多，分布廣類型低限傾向種數(shù)高限病毒與立克次氏體121712171217支原體424242細(xì)菌與放線菌>100015001500藍(lán)細(xì)菌122715001500藻類150512310023100真菌371754730068939原生動(dòng)物240682406830000總數(shù)7978098727127298地球上除了火山的中心區(qū)域外，從土壤圈、水圈、大氣圈直至巖石圈，到處都有微生物家族的蹤跡。

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)1.2

微生物的共同特點(diǎn)（3）生長(zhǎng)旺，繁殖快在生物界中，微生物具有最高的繁殖速度，其中以二均分裂方式繁殖的細(xì)菌尤為突出。

在適宜的條件下，大腸桿菌能在20~30min繁殖一代，24h可繁殖72代。微生物這一生長(zhǎng)迅速、繁殖快的特性在發(fā)酵工業(yè)上具有重要的實(shí)際意義。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)1.2

微生物的共同特點(diǎn)（4）適應(yīng)性強(qiáng)，易培養(yǎng)微生物可通過(guò)自身的調(diào)節(jié)機(jī)制誘發(fā)某些特殊酶系的生成，以使其能適應(yīng)該環(huán)境的特殊要求。大多數(shù)微生物都能在常溫常壓下，利用簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)，并在生長(zhǎng)過(guò)程中積累代謝產(chǎn)物，所以發(fā)酵工業(yè)上常利用各種微生物來(lái)生產(chǎn)各種產(chǎn)品。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)1.2

微生物的共同特點(diǎn)（5）易變異微生物易變異原因：個(gè)體多為單細(xì)胞或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多細(xì)胞，甚至非細(xì)胞結(jié)構(gòu)，易受到外界物理或化學(xué)因素影響。例如：生產(chǎn)青霉素的產(chǎn)黃青霉菌,開(kāi)始篩選獲得時(shí)，每毫升發(fā)酵液僅含約20單位的青霉素,但經(jīng)過(guò)多次誘變選育后，每毫升已超過(guò)5萬(wàn)單位，甚至接近10萬(wàn)單位。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2

常見(jiàn)的工業(yè)微生物2.1細(xì)菌什么是細(xì)菌？細(xì)菌是一類細(xì)胞細(xì)而短（細(xì)胞直徑約0.5μm，長(zhǎng)度約0.5~5μm）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、細(xì)胞壁堅(jiān)韌、以二等分裂方式繁殖和水生性較強(qiáng)的原核微生物。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌醋桿菌屬(Acetobacter)

醋桿菌是產(chǎn)醋酸的主要菌種，有兩種類型的鞭毛，一種是周生鞭毛細(xì)菌，可將乙醇氧化成醋酸，并將醋酸進(jìn)一步氧化成CO2和H2O；另一種是極生鞭毛，也可將乙醇氧化成醋酸，但醋酸不能進(jìn)一步被氧化。氧化法制醋所用的醋桿菌有醋化醋桿菌(Acetobactoraceti)、巴氏醋桿菌(AcetobacterPasteurianus)、許氏醋桿菌(Acetobacterschutzenbachui)等。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌乳桿菌屬(Lactobacillus)

革蘭氏染色陽(yáng)性

微好氧或厭氧

營(yíng)養(yǎng)要求復(fù)雜，需要生長(zhǎng)因子葡萄糖

同型發(fā)酵

乳酸

異型發(fā)酵

乳酸乙醇

德氏乳酸桿菌(Lactobacillusdelbruekii)

工業(yè)乳酸德氏乳桿菌保加利亞亞種嗜酸乳桿菌干酪乳桿菌酸奶干酪

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌芽孢桿菌屬(Bacillus)

好氧或兼性厭氧

環(huán)境條件不利時(shí)會(huì)形成芽孢

枯草芽孢桿菌是工業(yè)發(fā)酵的重要菌種之一，生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶（納豆激酶）、5’-核苷酸酶、某些氨基酸及核苷。

蘇云金芽子包桿菌(Bacillusthuringiensis)的伴孢晶體是一種廣泛使用的生物農(nóng)藥，可用于生物殺蟲劑。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌梭菌屬(Clostridium)

細(xì)胞桿狀，可形成梭形孢子以周毛運(yùn)動(dòng)或不運(yùn)動(dòng)革蘭氏陽(yáng)性，少數(shù)為陰性或不定專性厭氧菌丙酮丁醇芽孢梭菌

工業(yè)生產(chǎn)丙酮丁醇

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌

大腸桿菌(Escherichiacoli)

革蘭氏染色陰性，無(wú)孢子的桿菌，在動(dòng)物腸中行程細(xì)菌群，菌落呈白色至黃白色，光滑應(yīng)用：大腸桿菌是進(jìn)行微生物學(xué)、分子遺傳學(xué)和基因工程很好的研究材料。大腸桿菌也是最早用作基因克隆的宿主菌。工業(yè)上生產(chǎn)谷氨酸脫羧酶、治療白血病的天冬酰氨酶和制備天冬氨酸、蘇氨酸及纈氨酸。大腸桿菌也是食品業(yè)和飲用水衛(wèi)生檢驗(yàn)的指示菌。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的細(xì)菌產(chǎn)氨短桿菌(Brevibacteriumammoniagenes)

短而直的桿菌革蘭氏陽(yáng)性大多數(shù)不運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)種具有周毛或極毛）無(wú)芽孢產(chǎn)氨短桿菌

發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸和核苷酸類產(chǎn)物產(chǎn)氨短桿菌KY13105是工業(yè)上生產(chǎn)肌苷酸的主要菌種產(chǎn)氨短桿菌IFQ12071是生產(chǎn)輔酶A的主要菌種生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.常見(jiàn)的工業(yè)微生物2.2放線菌什么是放線菌？放線菌是一類介于細(xì)菌和真菌之間的又接近細(xì)菌的絲狀原核生物。放線菌有發(fā)育良好的菌絲體，菌絲體分為基內(nèi)菌絲和氣生菌絲，但無(wú)橫隔，為單細(xì)胞，菌絲和孢子內(nèi)不具有完整的核，因此放線菌屬于原核微生物。放線菌以無(wú)性方式繁殖，主要是形成孢子，也可通過(guò)菌絲斷片繁殖。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)菌絲氣生菌絲孢子絲生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的放線菌放線菌對(duì)人類最突出的貢獻(xiàn)就是它能產(chǎn)生大量的、種類繁多的抗生素達(dá)4400多種。鏈霉菌屬(Streptomyces)

抗生素主要由放線菌產(chǎn)生，而其中90%由鏈霉菌屬產(chǎn)生。形態(tài)：有營(yíng)養(yǎng)菌絲、氣生菌絲和孢子絲（形成分生孢子）、無(wú)橫隔、多核，孢子絲為長(zhǎng)鏈，呈直、波曲或螺旋狀。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)鏈霉菌的次生代謝產(chǎn)物：鏈霉素、土霉素、紅霉素抗腫瘤的博萊霉素、絲裂霉素抗真菌的制霉菌素抗結(jié)核的卡那霉素能有效防治水稻紋枯病的井岡霉素等生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)諾卡氏菌屬(Nocardia)

只有營(yíng)養(yǎng)菌絲

一般沒(méi)有氣生菌絲

能產(chǎn)生的抗生素：小單孢菌屬(Micromonosporaoerskov)

有營(yíng)養(yǎng)菌絲，無(wú)氣生菌絲

營(yíng)養(yǎng)菌絲上長(zhǎng)出很多分枝小梗，頂端著生一個(gè)孢子

地中海諾卡氏菌

利福霉素絳紅小單孢菌和棘孢小單孢菌慶大霉素生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.常見(jiàn)的工業(yè)微生物2.3霉菌什么是霉菌？霉菌亦稱絲狀真菌，是真菌的主要代表。凡生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)上形成絨毛狀、蜘蛛網(wǎng)狀或絮狀菌絲體的真菌，統(tǒng)稱為霉菌。霉菌的菌落形態(tài)較大，質(zhì)地一般比放線菌疏松，外觀干燥不透明，呈或緊或松的蛛網(wǎng)狀、絨毛狀或棉絮狀；菌落與培養(yǎng)基連接緊密，不易挑取，菌落的正反面顏色以及邊緣與中心的顏色常不一致等。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)霉菌的繁殖有無(wú)性繁殖和有性繁殖兩種方式。無(wú)性繁殖主要是產(chǎn)生孢囊孢子、分生孢子、厚壁孢子和節(jié)孢子；有性繁殖通過(guò)產(chǎn)生有性孢子而進(jìn)行。霉菌在自然界分布極廣，同人類的生產(chǎn)、生活關(guān)系密切。在發(fā)酵工業(yè)、農(nóng)業(yè)、紡織、食品和皮革等方面也起著極重要的作用。

風(fēng)味食品、酒精、抗生素（青霉素、灰黃霉素）、有機(jī)酸（檸檬酸、葡萄糖酸、延胡索酸等）、酶制劑（淀粉酶、果膠酶、纖維素酶）、維生素、甾體激素等。在農(nóng)業(yè)上用于飼料發(fā)酵、植物生長(zhǎng)刺激素（赤霉素）、殺蟲農(nóng)藥（白僵菌劑）等。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)霉菌也有對(duì)人類不利的一面，有的霉菌能造成農(nóng)副產(chǎn)品、衣物、木材等發(fā)霉變質(zhì)，有的還能引起人和動(dòng)植物的病害。我國(guó)在1950年發(fā)生的麥銹病和1974年發(fā)生的稻瘟病，使小麥和水稻分別減產(chǎn)了60億公斤。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的霉菌曲霉屬(Aspergillus)：曲霉為多細(xì)胞，菌絲有隔膜，營(yíng)養(yǎng)菌絲大多匍匐生長(zhǎng)，無(wú)假根分生孢子著生在頂囊的小梗上，分生孢子梗從特化了的菌絲細(xì)胞生出，頂端膨大成頂囊頂囊表面生輻射狀小梗，小梗單層或雙層，頂端分生孢子串生生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)黃曲霉黑曲霉生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)黃曲霉米曲霉酸性蛋白酶淀粉酶大豆發(fā)酵食品醬油、豆醬等曲霉屬的菌種具有很多活力強(qiáng)大的酶，可制成酶制劑淀粉酶：α-淀粉酶和糖化型淀粉酶黑曲霉的糖化酶活性最為強(qiáng)大蛋白酶果膠酶黃曲霉、黑曲霉等酸性或中性蛋白酶果汁和果酒的澄清米曲霉、黃曲霉、黑曲霉等檸檬酸生產(chǎn)主要菌種：黑曲霉生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)發(fā)酵工業(yè)常用的霉菌青霉屬(Penicillium)：多細(xì)胞，菌絲有隔膜，有分枝。分生孢子結(jié)構(gòu)與曲霉不同，分生孢子梗頂端不膨大，無(wú)頂囊。經(jīng)多次分枝產(chǎn)生幾輪小梗，小梗頂端產(chǎn)生成串分生孢子，狀如掃帚。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)代表種：

產(chǎn)黃青霉(Penicilliumchrysogenum)

橘青霉(Penicilliumcitrinum)

婁地青霉(Penicilliumroqueforti)

展開(kāi)青霉(Penicilliumpatulum)應(yīng)用：是生產(chǎn)抗生素的重要菌種，如產(chǎn)黃青霉和橘青霉都能生產(chǎn)青霉素，展開(kāi)青霉用于生產(chǎn)灰黃霉素。生產(chǎn)有機(jī)酸，如葡萄糖酸、檸檬酸。婁地青霉能將甘油三酸酯氧化為甲基酮。產(chǎn)黃青霉還能作為霉腐試驗(yàn)菌。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.常見(jiàn)的工業(yè)微生物根霉屬(Rhizopus)

什么是根霉？根霉屬于單細(xì)胞生物，菌絲無(wú)分隔。根霉因有假根（Rhizoid）而得名（假根的功能是在培養(yǎng)基上固著，并吸收營(yíng)養(yǎng)）。根霉的用途很廣，其淀粉酶的活力很高，釀酒工業(yè)上多用它作淀粉質(zhì)原料的糖化菌。根霉能產(chǎn)生有機(jī)酸，如反丁烯二酸、乳酸、琥珀酸等，還能產(chǎn)生芳香族酯類物質(zhì)，根霉亦是轉(zhuǎn)化甾體化合物的重要菌類。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)黑根霉(Rhizopusnigricans)米根霉(Rhizopusoryzae)華根霉(Rhizopuschinensis)無(wú)根根霉(Rhizopusarrhizus)應(yīng)用：產(chǎn)生一些酶類，如淀粉酶、果膠酶、脂肪酶等

在釀酒工業(yè)上常用做糖化菌

有些根霉還能產(chǎn)生乳酸、延胡索酸等有機(jī)酸

黑根霉是微生物轉(zhuǎn)化甾體化合物的重要霉菌

華根霉是中國(guó)酒藥和酒曲中的重要霉菌根霉的代表屬生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.

常見(jiàn)的工業(yè)微生物

紅曲霉屬(Monascus)

菌絲呈紅色或紫色，可由我國(guó)南方紅曲中分離得到生長(zhǎng)溫度范圍為26~42℃，最適溫度32~35℃，最適pH為3.5~5.0。

應(yīng)用：產(chǎn)生一些酶類，如淀粉酶、蛋白酶等

檸檬酸、琥珀酸、乙醇、麥角甾醇等

產(chǎn)生紅曲霉紅素和紅曲霉黃素

例如紫色曲霉(Monascuspurpureus)等可用以生

產(chǎn)食用紅色色素。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.常見(jiàn)的工業(yè)微生物2.4酵母(Yeast)

什么是酵母？酵母菌是一類單細(xì)胞真菌的俗稱，分類學(xué)上分屬于子囊菌綱和半知菌類。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)酵母菌的主要特征:

1.個(gè)體一般以單細(xì)胞狀態(tài)存在；

2.無(wú)性繁殖包括芽殖、裂殖和產(chǎn)生無(wú)性孢子，而芽殖是酵母菌最常見(jiàn)的繁殖方式；

3.有性繁殖主要以形成子囊和子囊孢子4.能發(fā)酵糖類產(chǎn)能；

5.細(xì)胞壁常含有甘露聚糖；

6.喜在偏酸性、糖分高的水生環(huán)境中生長(zhǎng)；

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)1.酵母菌屬例：啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae)2.裂殖酵母屬(Schizosaccharomyces）3.假絲酵母屬(Candida)例：熱帶假絲酵母(Candidatropiculis)、解脂假絲酵母(Candidalipolyticu)和產(chǎn)朊假絲酵母(Candidautilis)

4.畢赤氏酵母屬(Pichia)和漢遜氏酵母屬(Hansenula)5.球擬酵母屬(TorulopsisBerlese)6.紅酵母屬(RhodotorulaHarrison)酵母菌的代表屬生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)應(yīng)用：啤酒酵母是釀造啤酒典型的上面發(fā)酵酵母，也是發(fā)酵工業(yè)最常用的酵母，除了釀造啤酒、酒精及其他飲料酒外，還可發(fā)酵制面包?？査共湍?Saccharomycescarlsbergensis)是丹麥的卡爾斯伯啤酒廠分離出來(lái)的一種底面發(fā)酵酵母，是釀造啤酒最早采用的酵母。由非洲本地人飲用的粟酒中分離出的粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)，發(fā)酵最適溫度為37℃，可發(fā)酵糊精得到高產(chǎn)量的酒精。

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)應(yīng)用：產(chǎn)朊假絲酵母的蛋白質(zhì)和維生素含量都比啤酒酵母高產(chǎn)朊假絲酵母能利用五碳糖和六碳糖，即能利用造紙工業(yè)的亞硫酸紙漿廢液。還能利用糖蜜、土豆淀粉廢液、木材水解液等生產(chǎn)人畜可食用的單細(xì)胞蛋白。解脂假絲酵母氧化烴類能力很強(qiáng)，是石油發(fā)酵脫蠟和制取單細(xì)胞蛋白的較優(yōu)良菌種。巴斯德畢赤酵母(Pichiapastoris)作為一種新型的基因表達(dá)宿主菌有如下優(yōu)點(diǎn)：高表達(dá)、高穩(wěn)定、高分泌、高密度生長(zhǎng)以及可用甲醇嚴(yán)格控制表達(dá)。漢遜氏酵母屬能產(chǎn)乙酸乙酯，可用于發(fā)酵生產(chǎn)醬油，增加其香味，能利用酒精為碳源，因此也常是酒類飲料的污染菌。生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)應(yīng)用：球擬酵母屬能生產(chǎn)甘油等多元醇，在230~290℃石油餾分中培養(yǎng)能得到相當(dāng)于烴類質(zhì)量70％的菌體。紅酵母屬可用于生產(chǎn)脂肪，有的種類對(duì)正癸烷、正十六烷及石油有弱氧化作用，并能合成β－胡蘿卜素、

－丙氨酸、谷氨酸和蛋氨酸等。

生物化工反應(yīng)單元操作——微生物基礎(chǔ)2.常見(jiàn)的工業(yè)微生物2.5