第1章 發(fā)酵工程（背誦版）

第1章發(fā)酵工程第1節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵技術的應用[必備知識]1．腐乳一直受到人們的喜愛。這是因為經(jīng)過微生物的發(fā)酵，豆腐中的蛋白質被分解成小分子的肽和氨基酸，味道鮮美，易于消化吸收，而腐乳本身又便于保存。多種微生物參與了豆腐的發(fā)酵，如酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。(P5)2．直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發(fā)酵保存下來的面團、鹵汁等發(fā)酵物中的微生物進化發(fā)酵、制作食品的技術一般稱為傳統(tǒng)發(fā)酵技術。(P5)3．傳統(tǒng)發(fā)酵以混合菌種的固體發(fā)酵及半固體發(fā)酵為主，通常是家庭式或作坊式的。(P5)4．乳酸菌是厭氧細菌，在無氧的情況下能將葡萄糖分解成乳酸[反應簡式為C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C3H6O3(乳酸)＋能量]，可用于乳制品的發(fā)酵、泡菜的腌制等。常見的乳酸菌有乳酸鏈球菌和乳酸桿菌。(P5)5．酵母菌是兼性厭氧微生物，在無氧條件下能進行酒精發(fā)酵[反應簡式為C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量]，可用于釀酒、制作饅頭和面包等。溫度是影響酵母菌生長的重要因素，釀酒酵母的最適生長溫度約為28℃。(P6)6．用于制作泡菜的蔬菜應新鮮，若放置時間過長，蔬菜中的亞硝酸鹽含量相對較高。用清水和食鹽配制質量分數(shù)為5%～20%的鹽水。鹽的用量過高，乳酸發(fā)酵受抑制，泡菜風味差；用量過低，雜菌易繁殖，導致泡菜變質。鹽水要煮沸后冷卻。煮沸的作用：一是除去鹽水中的O2，二是殺滅雜菌等微生物。(P6“探究·實踐”)7．泡菜在腌制過程中會有亞硝酸鹽產(chǎn)生。膳食中的亞硝酸鹽一般不會危害人體健康，但如果人體攝入過量，會發(fā)生中毒，甚至死亡。(P6“探究·實踐”)8．醋酸菌是好氧細菌，當O2、糖源都充足時能通過復雜的化學反應將糖分解成乙酸[反應簡式為C6H12O6＋2O2eq\o(→,\s\up7(酶))2CH3COOH(乙酸)＋2H2O＋2CO2＋能量]；當缺少糖源時則直接將乙醇轉化為乙醛，再將乙醛變?yōu)橐宜醄反應簡式為C2H5OH＋O2eq\o(→,\s\up7(酶))CH3COOH(乙酸)＋H2O＋能量]。醋酸菌可用于制作各種風味的醋。多數(shù)醋酸菌的最適生長溫度為30～35℃。(P7)9．果酒自然發(fā)酵時，利用葡萄皮上的野生酵母菌；工業(yè)生產(chǎn)時，人工接種純化的酵母菌，以提高發(fā)酵效率。(P7“探究·實踐”)10．果酒變果醋發(fā)酵改變兩個條件：一、通氧，因為醋酸菌是好氧細菌；二、升高溫度，因為果酒的發(fā)酵溫度為18～30℃，而果醋的發(fā)酵溫度為30～35℃。(P7“探究·實踐”)11．果酒與果醋發(fā)酵流程：挑選葡萄→沖洗(再去梗)→榨汁→酒精發(fā)酵eq\o(――→,\s\up11(通氧),\s\do4(升溫))乙酸發(fā)酵。(P7“探究·實踐”)[易錯提醒]錯點1：果酒和果醋制作成功的四個提醒精析：(1)選擇新鮮的葡萄,榨汁前先將葡萄進行沖洗,再除去枝梗,以防葡萄汁流失及污染。(2)葡萄汁裝入發(fā)酵瓶時,要留有大約1/3的空間:目的是先讓酵母菌進行有氧呼吸快速繁殖,耗盡瓶內(nèi)O2后再進行酒精發(fā)酵,還可防止發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2造成發(fā)酵液溢出。(3)果酒發(fā)酵時要適時排氣:防止發(fā)酵裝置爆裂。果醋發(fā)酵時要及時通氣:防止醋酸菌死亡。(4)嚴格控制溫度:18～30℃利于酵母菌的繁殖和酒精發(fā)酵;30～35℃利于醋酸菌的繁殖和果醋的發(fā)酵。錯點2：混淆“發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵及工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)（發(fā)酵工程）”的區(qū)別精析：傳統(tǒng)發(fā)酵技術和發(fā)酵工程都是人們通過發(fā)酵獲得人類所需產(chǎn)物的過程，兩者最大區(qū)別在于：第一、菌種的選擇；第二、發(fā)酵過程（條件）的控制；第三、發(fā)酵產(chǎn)物的分離和提純等方面。發(fā)酵是指人們利用微生物，在適宜的條件下，將原料通過微生物的代謝轉化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。傳統(tǒng)發(fā)酵技術是直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發(fā)酵保存下來的面團、鹵汁等發(fā)酵物中的微生物進行發(fā)酵、制作食品的技術。傳統(tǒng)發(fā)酵以混合菌種的固體發(fā)酵及半固體發(fā)酵為主，通常是家庭式或作坊式的。傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作過程利用了天然存在的菌種，因此，由于菌種差異、雜菌情況不明和發(fā)酵過程的控制缺乏標準等，往往會造成發(fā)酵食品的品質不一。為了縮短發(fā)酵時間，確保品質穩(wěn)定，工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)時，通常會先通過微生物培養(yǎng)技術獲得單一菌種,再將它們接種到物料中進行發(fā)酵。（“選必三”P5、8“教材正文”）錯點3：對微生物發(fā)酵所需條件或對應反應式書寫錯誤（精析：微生物的發(fā)酵反應式強調(diào)：1、該知識點看似簡單，但極易出錯。在寫有關菌種對應反應式時，首先應產(chǎn)生看清該菌種所處條件，其次應注意反應式上的“酶、能量”等關鍵詞不能漏掉。2.注意制作葡萄酒和葡萄醋的區(qū)別：(1)制作葡萄酒,利用酵母菌,先通氧讓酵母菌繁殖,后斷氧,厭氧發(fā)酵產(chǎn)酒精,溫度控制在18～30℃。(2)制作葡萄醋利用醋酸菌,通氧,溫度控制在30～35℃。第2節(jié)微生物的培養(yǎng)技術及應用一、微生物的基本培養(yǎng)技術[必備知識]1．培養(yǎng)基的化學成分包括水、無機鹽、碳源、氮源等。另外，培養(yǎng)基還要滿足微生物生長對pH、特殊營養(yǎng)物質以及氧氣的要求。例如，培養(yǎng)乳酸桿菌時需要在培養(yǎng)基中添加維生素；培養(yǎng)霉菌時，一般需將培養(yǎng)基的pH調(diào)至酸性；培養(yǎng)細菌時，一般需要將pH調(diào)至中性或弱堿性；培養(yǎng)厭氧微生物時，則需要提供無氧的條件。(P10)2．培養(yǎng)基的種類及用途(1)按物理性質可分為液體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和固體培養(yǎng)基。液體培養(yǎng)基應用于工業(yè)或生活生產(chǎn)，固體培養(yǎng)基應用于微生物的分離和鑒定，半固體培養(yǎng)基則常用于觀察微生物的運動及菌種保藏等。(2)按照培養(yǎng)基的用途，可將培養(yǎng)基分為選擇培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基。3．獲得純凈的微生物培養(yǎng)物的關鍵是防止雜菌污染。(P10)4．消毒(1)消毒是指使用較為溫和的物理、化學或生物等方法殺死物體表面或內(nèi)部一部分微生物(不包括芽孢和孢子)。(2)消毒方法常用到煮沸消毒法、巴氏消毒法(對于一些不耐高溫的液體)，還有化學藥物消毒(如酒精、氯氣、石炭酸等)、紫外線消毒。(P10～11)5．滅菌(1)滅菌是指使用強烈的理化方法殺死物體內(nèi)外所有的微生物，包括芽孢和孢子。(2)滅菌方法有灼燒滅菌、干熱滅菌、濕熱滅菌等。①接種環(huán)、接種針、試管口等使用灼燒滅菌法滅菌；②玻璃器皿、金屬用具等使用干熱滅菌法滅菌，所用器械是干熱滅菌箱；③培養(yǎng)基、無菌水等使用濕熱滅菌滅菌，所用器械是高壓蒸汽滅菌鍋。(P10～11)6．比較消毒和滅菌比較項目理化因素的作用強度消滅微生物的數(shù)量芽孢和孢子能否被消滅消毒較為溫和部分生活狀態(tài)的微生物不能滅菌強烈全部微生物能7.微生物的純培養(yǎng)包括配制培養(yǎng)基、滅菌、接種、分離和培養(yǎng)等步驟。(P11)8．分散的微生物在適宜的固體培養(yǎng)基表面或內(nèi)部可以繁殖形成肉眼可見的、有一定形態(tài)結構的子細胞群體，這就是菌落。采用平板劃線法和稀釋涂布平板法能將單個微生物分散在固體培養(yǎng)基上，之后經(jīng)培養(yǎng)得到的單菌落一般是由單個微生物繁殖形成的純培養(yǎng)物。(P12“探究·實踐”)[重要圖解]1．倒平板的具體操作步驟：（P12）請用文字和箭頭寫出正確的倒平板操作流程:丙→乙→甲→丁。(1)培養(yǎng)基滅菌后，需要冷卻至50℃左右時，才能用來倒平板。可以用手觸摸盛有培養(yǎng)基的錐形瓶，感覺錐形瓶的溫度下降到剛剛不燙手時，就可以進行倒平板了。(2)通過灼燒滅菌，防止瓶口的微生物污染培養(yǎng)基。(3)平板冷凝后，皿蓋上會凝結水珠，凝固后的培養(yǎng)基表面的濕度也比較高，將平板倒置，既可以避免培養(yǎng)基中的水分過快地蒸發(fā)，又可以防止皿蓋上的水珠落入培養(yǎng)基，造成污染。(4)在倒平板的過程中，如果不小心將培養(yǎng)基濺在皿蓋與皿底之間的部位，則該平板不能繼續(xù)培養(yǎng)微生物了。原因是空氣中的微生物可能在皿蓋與皿底之間的培養(yǎng)基上滋生。(P12“探究·實踐”)2．平板劃線法的具體操作步驟①操作是將接種環(huán)放在火焰上灼燒，直到接種環(huán)的金屬絲燒紅。②操作是在火焰旁冷卻接種環(huán)，并打開盛有菌液的試管的棉塞。③操作是將試管口通過火焰。④操作是在火焰附近用接種環(huán)蘸取一環(huán)菌液。⑤操作是將試管口通過火焰，并塞上棉塞。⑥操作是：在火焰附近將皿蓋打開一條縫隙，用接種環(huán)在培養(yǎng)基表面迅速劃三至五條平行線，蓋上皿蓋。然后再灼燒接種環(huán)，待其冷卻后，從第一區(qū)域劃線的末端開始往第二區(qū)域內(nèi)劃線。重復以上操作，在三、四、五區(qū)域內(nèi)劃線即可得到圖⑦培養(yǎng)皿。在重復劃線時，注意不要將最后一區(qū)的劃線與第一區(qū)相連。(1)劃線前第一步灼燒接種環(huán)是為了避免接種環(huán)上可能存在的微生物污染培養(yǎng)物；每次劃線前灼燒接種環(huán)是為了殺死上次劃線結束后接種環(huán)上殘留的菌種；劃線結束后灼燒接種環(huán)，能及時殺死接種環(huán)上殘留的菌種，避免細菌污染環(huán)境和感染操作者。(2)灼燒接種環(huán)后，要等其冷卻后再進行劃線，以免接種環(huán)溫度太高，殺死菌種。(3)劃線后，線條末端細菌的數(shù)目比線條起始處要少，每次從上一次劃線的末端開始，能使細菌的數(shù)目隨著劃線次數(shù)的增加而逐步減少，最終能得到由單個細菌繁殖而來的菌落。(P12“探究·實踐”)二、微生物的選擇培養(yǎng)和計數(shù)[必備知識]1．在微生物學中，將允許特定種類的微生物生長，同時抑制或阻止其他種類微生物生長的培養(yǎng)基，稱為選擇培養(yǎng)基。(P16)2．分解尿素的細菌之所以能分解尿素，是因為它們能合成脲酶，其催化尿素分解產(chǎn)生NH3，NH3作為細菌生長的氮源。(P16“思考·討論”)3．稀釋涂布平板法除可以用于分離微生物外，也常用來統(tǒng)計樣品中活菌的數(shù)目。當樣品的稀釋度足夠高時，培養(yǎng)基表面生長的一個單菌落，來源于樣品稀釋液中的一個活菌。通過統(tǒng)計平板上的菌落數(shù)，就能推測出樣品中大約含有多少活菌。為了保證結果準確，一般選擇菌落數(shù)為30～300的平板進行計數(shù)。(P18)4．用稀釋涂布平板法統(tǒng)計的菌落數(shù)往往比活菌的實際數(shù)目少，這是因為當兩個或多個細胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落。因此，統(tǒng)計結果一般用菌落數(shù)而不是用活菌數(shù)來表示。(P18)5．除活菌計數(shù)外，利用顯微鏡進行直接計數(shù)，也是一種常用的、快速直觀的測定微生物數(shù)量的方法。該方法利用特定的細菌計數(shù)板或血細胞計數(shù)板，在顯微鏡下觀察、計數(shù)，然后再計算一定體積的樣品中微生物的數(shù)量，統(tǒng)計的結果一般是活菌數(shù)和死菌數(shù)的總和。(P18)6．細菌計數(shù)板和血細胞計數(shù)板的計數(shù)原理相同。血細胞計數(shù)板比細菌計數(shù)板厚，常用于相對較大的酵母菌細胞、霉菌孢子等的計數(shù)。用細菌計數(shù)板可對細菌等較小的細胞進行觀察和計數(shù)。(P18“相關信息”)7．絕大多數(shù)微生物都能利用葡萄糖，但是只有能合成脲酶的微生物才能分解尿素。利用以尿素作為唯一氮源的選擇培養(yǎng)基，可以從土壤中分離出分解尿素的細菌。(P18“探究·實踐”)[重要圖解]1．稀釋涂布平板法操作示意圖如果想知道1g土壤中有多少能分解尿素的細菌，僅有選擇培養(yǎng)基是不夠的，還需要對土樣進行適當?shù)奶幚硪约翱茖W的測定微生物數(shù)量的方法?？刹捎孟♂屚坎计桨宸?。(P17)（1）系列稀釋操作：如圖所示，在編號為1×102～1×107試管中分別盛有9mL無菌水；將10g土樣加入盛有90mL無菌水的錐形瓶中，充分搖勻；取1mL上清液加入盛有9mL無菌水的試管中，依次等比稀釋。（2）涂布平板操作：第1步：取菌液——取0.1mL菌液，滴加到培養(yǎng)基表面；第2步：涂布器消毒——將涂布器浸在盛有酒精的燒杯中；第3步：涂布器滅菌——將涂布器放在火焰上灼燒，待酒精燃盡、涂布器冷卻后，再進行涂布；第4步：涂布平板：用涂布器將菌液均勻地涂布在培養(yǎng)基表面。涂布時可轉動培養(yǎng)皿，使涂布均勻。（3）培養(yǎng)：待涂布的菌液被培養(yǎng)基吸收后，將平板倒置，放入恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1～2d。在涂布有合適濃度菌液的平板上就可以觀察到分離的單菌落。2．地球上的植物每年產(chǎn)生的纖維素超過70億噸，其中40%～60%能被土壤中某些微生物分解利用，這是因為它們能夠產(chǎn)生纖維素酶。對這些微生物的研究與應用，使人們能夠利用秸稈等生產(chǎn)酒精，用纖維素酶處理服裝面料等。已知剛果紅是一種染料，它可以與像纖維素這樣的多糖物質形成紅色復合物，但并不與水解后的纖維二糖、葡萄糖等發(fā)生這種反應。當我們在含有纖維素的培養(yǎng)基中加入剛果紅時，剛果紅與纖維素形成紅色復合物；而當纖維素被纖維素分解菌分解后，復合物就無法形成，培養(yǎng)基中會出現(xiàn)以這些菌為中心的透明圈(如下圖所示)。(P20“練習與應用”拓展應用2)[易錯提醒]易錯點1平板劃線法操作的五點提醒精析：(1)灼燒接種環(huán)之后，要待其冷卻后才能蘸取菌液，以免溫度太高殺死菌種。(2)在做第二次及以后的劃線操作時，總是從上一次劃線的末端開始劃線，這樣才能使微生物的數(shù)目隨著劃線次數(shù)的增加而減少，最終得到由單個微生物繁殖形成的菌落。(3)劃線時最后一次的劃線不要與第一次的劃線相連。(4)劃線力度要適當，防止用力過大將培養(yǎng)基劃破。(5)操作第一步即取菌種之前及每次劃線之前都需要將接種環(huán)進行火焰灼燒滅菌，劃線操作結束時，仍需灼燒接種環(huán)，每次灼燒的目的如下表：項目第一次操作每次劃線之前劃線結束目的殺死接種環(huán)上原有的微生物殺死上次劃線后接種環(huán)上殘留的菌種，使下次劃線的菌種直接來源于上次劃線的末端，使每次劃線菌種數(shù)目減少殺死接種環(huán)上殘存的菌種，避免微生物污染環(huán)境和感染操作者錯點2：混淆“培養(yǎng)物、純培養(yǎng)物、純培養(yǎng)”精析：錯點3：不明確平板劃線法接種菌種時，防止雜菌污染的具體操作而出錯精析：平板劃線法接種菌種時，可通過以下幾方面防止雜菌污染：①接種前將接種環(huán)放在酒精燈火焰上灼燒。②劃線操作在酒精燈火焰旁進行。③接種環(huán)蘸取菌液前后，要將試管口通過火焰。④劃線時將培養(yǎng)皿的皿蓋打開一條縫隙，用接種環(huán)在培養(yǎng)基表面迅速劃線，劃線后及時蓋上皿蓋。錯點4：錯判稀釋涂布平板法和顯微鏡直接計數(shù)法的統(tǒng)計結果精析：（1）用稀釋涂布平板法統(tǒng)計的菌落數(shù)往往比活菌的實際數(shù)目低。這是因為當兩個或多個細胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落。（2）用稀釋涂布平板法來統(tǒng)計樣品中的活菌數(shù)時，通過統(tǒng)計平板上的菌落數(shù)就能推測出樣品中的活菌數(shù)，原因是：平板上的一個菌落一般來源于樣品稀釋液中的一個活菌。（“選必三”P20“概念檢測T2”改編）第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用[必備知識]1．發(fā)酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、滅菌，接種，發(fā)酵，產(chǎn)物的分離、提純等方面。(P22)2．性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。(P22)3．現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計算機控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進行監(jiān)測和控制；還可以進行反饋控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。(P23)4．環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。如谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。(P23)5．如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質采取適當?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來獲得產(chǎn)品。(P23)6．發(fā)醇工程在食品工業(yè)方面的應用：生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如啤酒等；生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑、酶制劑，如味精、α-淀粉酶等。在醫(yī)藥工業(yè)方面的應用：生產(chǎn)抗生素、激素、免疫調(diào)節(jié)劑等。在農(nóng)牧業(yè)方面的應用：生產(chǎn)微生物肥料；生產(chǎn)微生物農(nóng)藥；生產(chǎn)微生物飼料。在其