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1、内容概念发酵生理学研究对象-(工业)微生物发酵生理学的研究方法发酵生理研究产生与发展本学期课程内容安排同学建议讨论第1页/共26页一、几个概念 发酵 (Fermentation)(Fermentation)生理学（PhysiologyPhysiology）发酵生理学 (Fermentation physiology)(Fermentation physiology)微生物生理学（Microbiol physiologyMicrobiol physiology）工业微生物（Inductrial microbiologyInductrial microbiology）第2页/共26页发酵发酵(fe
2、rmentation)(fermentation)1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵4、现代工业发酵最初发酵是用来描述酿酒过程中因产生大量二氧化碳引起的气泡沸腾的现象利用微生物或通过细胞工程、酶工程、基因工程等获得的微生物或动植物细胞生产各种有用物质的过程。现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。泛指利用微生物制造或生产各种生物产品
3、的过程。包括：1.1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。发酵工艺学（发酵工程）是研究发酵工艺，支撑现代发酵工业的重要技术。研究内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面 第3页/共26页生理学（生理学（PhysiologyPhysiology）研究生物的功能的科学。按生物类别分为：人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学等分科。生理学的研究是在分子、细胞、器官和系统、以及整体这样几个水平上进行的 第4页/共26页发酵生理学(Fermentation Physiology)是微生
4、物生理学和生物工艺学（发酵工艺）的交叉分支，它是从生理、生化及发酵工艺角度研究工业微生物细胞的形态、结构和功能以及微生物生命活动（主要是代谢活动）规律的学科。区别？微生物生理学（Microbiol Physiology）是微生物学的一个分支，是从生理生化的角度研究微生物细胞的形态、结构和功能以及微生物生命活动（及代谢）规律的学科。微生物是发酵工业的核心和灵魂。发酵使用的微生物一般都是经过人工改造的，是“异常”的微生物，在正常生理条件下，微生物依靠其代谢调节系统，最经济地利用环境中的营养物，按照其生长繁殖的需要合成其代谢产物。所以，研究发酵生理学，了解微生物的代谢机理，然后对微生物进行改造，以现
5、代调控理论来对发酵过程进行控制，获得理想的产物及其产量，这是微生物发酵的基本路线。因而，微生物发酵生理学具有重要的作用，它是发酵的代谢基础，也是发酵调控的理论依据。第5页/共26页工业微生物（Inductrial Microbiology）是指在发酵工业上已经应用或具有潜在应用价值的微生物，它包括细菌、放线菌、酵母菌、霉菌也包括藻类和病毒。其范畴随科学技术的发展而不断扩大。除了使用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌来进行反应 工业微生物基本特性：1、遗传稳定；2、生长繁殖力强，有较高的生长速率；3、底物转化率高，副产物少；4、底物耐受性强，可以利用廉价原料；5、培养条
6、件易于控制；6、具有抗噬菌体的能力；7、菌种不是病原菌。第6页/共26页工业微生物常用菌种细菌：细菌：醋酸杆菌、乳链球菌、乳酸杆菌、黄单胞菌、甲烷杆菌、肠杆菌科、醋酸杆菌、乳链球菌、乳酸杆菌、黄单胞菌、甲烷杆菌、肠杆菌科、芽孢杆菌科、棒杆菌科、假单胞菌科、粘细菌、海洋细菌等等芽孢杆菌科、棒杆菌科、假单胞菌科、粘细菌、海洋细菌等等放线菌：放线菌：链霉菌科链霉菌科 诺卡氏菌诺卡氏菌酵母：酵母：酿酒酵母、假丝酵母酿酒酵母、假丝酵母霉菌：霉菌：青霉、曲霉、毛霉、根霉、木霉青霉、曲霉、毛霉、根霉、木霉病毒：病毒：噬菌体（用于育种、蛋白展示、疫苗等）噬菌体（用于育种、蛋白展示、疫苗等）一些植物、动物和人的
7、一些植物、动物和人的病原微生物病原微生物在可控条件或经过改造用来生产药物在可控条件或经过改造用来生产药物（植物病菌赤霉菌和麦角菌生产生长激素、生物碱等）、疫苗、酶类等（植物病菌赤霉菌和麦角菌生产生长激素、生物碱等）、疫苗、酶类等另外，还包括一些另外，还包括一些人工改造人工改造（如诱变）、（如诱变）、基因工程菌基因工程菌（基因重组、代谢工程改造）等基因重组、代谢工程改造）等第7页/共26页发酵生理学的研究方法发酵生理学的研究方法常用的技术：常用的技术：显微技术显微技术细胞破碎：研磨法、压榨法、超声波法等细胞破碎：研磨法、压榨法、超声波法等离心技术：超速离心、差速离心、密度梯度离离心技术：超速离心
8、、差速离心、密度梯度离心心层析技术：分子筛、离子交换、亲和层析、吸层析技术：分子筛、离子交换、亲和层析、吸附层析、薄层层析、纸层析、附层析、薄层层析、纸层析、HPLCHPLC、GCGC等等等等电泳技术：如电泳技术：如SDSSDSPAGEPAGE，NativeNativePAGEPAGE、等、等电点电泳、二维电泳电点电泳、二维电泳元素分析元素分析质谱技术质谱技术第8页/共26页研究代谢的方法有：休止细胞（静息细胞）、无细胞体系、纯酶休止细胞（静息细胞）、无细胞体系、纯酶同位素标记示踪同位素标记示踪极谱分析法极谱分析法瓦勃氏压力法瓦勃氏压力法突变株的应用突变株的应用第9页/共26页发酵生理学的发展
9、发酵生理学的发展1919世纪后期（世纪后期（1857185718641864），巴斯德系统研究），巴斯德系统研究了酒精、乳酸、丁酸等发酵原理，奠定了发酵了酒精、乳酸、丁酸等发酵原理，奠定了发酵生理学的基础。生理学的基础。荷兰的荷兰的BeijerinckBeijerinck研究了豆科植物的根瘤菌及研究了豆科植物的根瘤菌及土壤中的固氮菌，俄国的维诺格拉德斯基研究土壤中的固氮菌，俄国的维诺格拉德斯基研究了硫细菌、铁细菌和硝化细菌，提出了土壤微了硫细菌、铁细菌和硝化细菌，提出了土壤微生物和自养微生物德研究方法。生物和自养微生物德研究方法。转折点：转折点：18971897年德国年德国BuchnerBuc
10、hner证实了酵母菌酒精证实了酵母菌酒精发酵是酶（酒化酶）的催化作用，研究进入了发酵是酶（酒化酶）的催化作用，研究进入了蛋白分子水平，开创了生物化学，将发酵生理蛋白分子水平，开创了生物化学，将发酵生理和生物化学紧密联系起来，推动了发酵生理学和生物化学紧密联系起来，推动了发酵生理学和发酵工业的研究。和发酵工业的研究。第10页/共26页彻底否定了微生物自然发生说彻底否定了微生物自然发生说证实发酵由微生物引起证实发酵由微生物引起微生物学之父巴斯德的功绩免疫学免疫学预防接种预防接种发明巴氏消毒法发明巴氏消毒法著名的曲颈瓶试验著名的曲颈瓶试验第11页/共26页发酵生理学的发展发酵生理学的发展192219
11、22年，年，FlemingFleming发现了青霉素，二战的爆发推动了青霉素的生发现了青霉素，二战的爆发推动了青霉素的生产，二战结束时青霉素已经工业化生产，为后来的微生物发酵产，二战结束时青霉素已经工业化生产，为后来的微生物发酵工艺提供了样板。工艺提供了样板。随着抗生素、氨基酸、有机酸、酒精、多糖和精细化学品，以随着抗生素、氨基酸、有机酸、酒精、多糖和精细化学品，以及基因工程产物和药物蛋白等大量需求，进一步促进了生理学及基因工程产物和药物蛋白等大量需求，进一步促进了生理学的研究，而生理学又为其菌种选育、基因改造、发酵调控等方的研究，而生理学又为其菌种选育、基因改造、发酵调控等方面提供了重要的理
12、论依据。面提供了重要的理论依据。生理学与现代分子生物学的结合，又开创了生理学与现代分子生物学的结合，又开创了代谢组学和代谢物代谢组学和代谢物组学组学，为工业应用和分子生物学的研究提供了重要的基础。，为工业应用和分子生物学的研究提供了重要的基础。第12页/共26页现代工业微生物学的兴起及其发展早期阶段早期阶段1919世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。世纪末利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。2020世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用世纪初期，英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）。亚硫酸盐法生产甘油（第一次
13、世界大战）。厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。1933193319331933年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。年发明了摇瓶培养法。好氧发酵好氧发酵好氧发酵好氧
14、发酵第13页/共26页微生物发酵工业的兴起与发展 第二次大战中青霉素与原子弹和雷达并驾齐驱的三大发现之一 主要的技术进展：主要的技术进展：主要的技术进展：主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无基灭菌、无基灭菌、无基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密
15、封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。迅速形成工业大规摸生产。迅速形成工业大规摸生产。迅速形成工业大规摸生产。1928192819281928年由年由年由年由 FlemingFlemingFlemingFleming发现青霉素，发现青霉素，发现青霉素，发现青霉素，1941194119411
16、941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究意义：意义：意义：意义：抗生素工业的发展抗生素工业的发展抗生素工业的发展抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定
17、了基础为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础第14页/共26页大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置第15页/共26页氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点切断支路代谢转折点:酶的活力调控酶的活力调控,酶的合成调控酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏反馈控制和反馈阻遏)解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节,特殊特殊调节控制的利用调节控制的利用,突变株的应用突变株的应用,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等现
18、代工业微生物学的新发展 20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代后年代后年代后年代后细胞融合技术、基因操作技术等生物技术细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物微生物;现代工业微生物学现代工业微生物学已经与基因工程、细胞工程和酶工程已经与基因工程、细胞工程和酶工程等紧密结合起来，在生物工程这个高科技前沿带中充分等紧密结合起来，在生物工程这个高科技前沿带中充分发挥其主角的作用并得到新的发展。发挥其主角的作用并得到新的发展。第16页/共26页人类社会经济发展的危机人类社会经济发展的危机
19、现代工业微生物的发展前景当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需。环境保护的急需。环境保护的急需。环境保护的急需。基于基于基于基于碳氢化合物碳氢化合物碳氢化合物碳氢化合物的经济转变为基于的经济转变为基于的经济转变为基于的经济转
20、变为基于碳水化合物碳水化合物碳水化合物碳水化合物的经济的经济的经济的经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源
21、结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。社会的稳定、和国家安全。社会的稳定、和国家安全。社会的稳定、和国家安全。第17页/共26页Why should we study fermentation physiology?微生物发酵生理的研究意义微生物发酵生理的研究意义微生物发酵生理的研究意义微生物发酵生理的研究意义 Two major reasonsmicrobiology deals with many
22、important practical problems in medicine,agriculture,food and industry.As a basic biological science As an applied biological science Provides research tools:Understands the principle of physiology in microbiology第18页/共26页微生物发酵生理的原理微生物的营养和生长情况是什么？微生物的营养和生长情况是什么？微生物的代谢（分解和合成）是如何进行的？如何协调控制？微生物的代谢（分解和合
23、成）是如何进行的？如何协调控制？微生物代谢中的能量如何产生和利用？微生物代谢中的能量如何产生和利用？代谢控制发酵第19页/共26页在理论研究和工业生产中的应用进行遗传分析进行遗传分析 基因功能解析，表达调控，依赖于蛋白水平上的生理分析基因功能解析，表达调控，依赖于蛋白水平上的生理分析工业生产育种工业生产育种发酵调控发酵调控原生质体融合技术原生质体融合技术原生质体融合技术原生质体融合技术物理化学诱变技术物理化学诱变技术物理化学诱变技术物理化学诱变技术基因工程育种（代谢工程基因工程育种（代谢工程基因工程育种（代谢工程基因工程育种（代谢工程）在医药、食品、化工、环保等方在医药、食品、化工、环保等方在
24、医药、食品、化工、环保等方在医药、食品、化工、环保等方面有着广泛的用途面有着广泛的用途面有着广泛的用途面有着广泛的用途第20页/共26页Content frame ScheduleArrangement第21页/共26页课程总体结构Part:Part:微生物的结构、营养和生长（微生物的结构、营养和生长（3 3）Part:Part:微生物的产能代谢（微生物的产能代谢（4 4）Part:Part:微生物的合成代谢（微生物的合成代谢（2 2）Part:Part:微生物的次级代谢（微生物的次级代谢（2 2）Part:Part:微生物的代谢调节（微生物的代谢调节（4 4）We will discuss:
25、第22页/共26页教学安排学分：2学时：36时间：118周 周1（12节）微生物225 安排：117周 上课 18 周 复习总结 答疑（1次课）19周 考试 课程论文 Presentation（ppt）第23页/共26页建议？第24页/共26页参考书目参考书目作作 者者:储炬，李友荣编著储炬，李友荣编著 页数页数:349:349页页 出版日期出版日期:2002:2002化工出版社化工出版社 简介简介:本书以工业发酵过程的调控为主线，将微本书以工业发酵过程的调控为主线，将微生物的生理生化和分子生物学知识运用于阐述微生物的生理生化和分子生物学知识运用于阐述微生物的代谢调节与发酵规律，内容包括微生物生生物的代谢调节与发酵规律，内容包括微生物生长与调节，微生物的基础代谢等。长与调节，微生物的基础代谢等。作作 者者:李友荣李友荣,马辉文编著马辉文编著页数页数:435:435页页 出版日期出版日期:1989:1989 湖南科技出版社湖南科技出版社简介简介:本书包括微生物的生长、微生物本书包括微生物的生长、微生物的基础代谢和生物能的转换、合成代的基础代谢和生物能的转换、合成代谢、微生物代谢调节等内容谢、微生物代谢调节等内容。第25页/共26页感谢您的观看！第26页/共26页