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1、选修选修2 第三章第三章 生物科学与工业生物科学与工业第一节第一节 微生物发酵及其应用微生物发酵及其应用青海油田第一中学青海油田第一中学王王 红红 娟娟2019.05.06一一 发酵与发酵工程发酵与发酵工程 1 什么是发酵？什么是发酵？发酵：发酵：利用微生物，在适宜的条件利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。化为人类所需要的产物的过程。味精是怎么来的？味精是怎么来的？2 什么是发酵工程？什么是发酵工程？发酵工程：发酵工程：采用现代化工程技术手段，采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人利用微生物的某些特定功
2、能，为人类生产有用的产品，或直接把微生类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技物应用于工业生产过程的一种新技术术。二二 发酵工业经历了的发展？发酵工业经历了的发展？原始发展阶段（原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。）传统发酵工业阶段（传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质人们才开始了解发酵现象的本质 ，采用，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模
3、一般不大模一般不大。）现代发酵工业阶段现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发生产技术要求高；生产规模大；技术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度的应用达到前所未有的程度。）生物技术产业阶段生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产利用构建的基因工程菌生产）三三 发酵工程的实例发酵工程的实例讨论讨论1阅读课本，小组讨论味精的的阅读课本，小组讨论味精的的生产过程。生产过程。发酵工程生产实例谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径 谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶NH4抑抑
4、 制制只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。发酵工程生产实例1.菌种的选择谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢?讨论讨论2发酵工程生产实例2.2.培养基的选择培养基的选择成成 分分酸酸碱碱度度水水水水无机盐无机盐无机盐无机盐氮源氮源氮源氮源碳源碳源碳源碳源生长因生长因生长因生长因子子子子豆饼水解豆饼水解豆饼水解豆饼水解液、玉米液、玉米液、玉米液、玉米浆中的水浆中的水浆中的水浆中的水磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾氧化钾氧化钾氧化钾氧化钾硫酸镁硫酸镁硫酸镁硫酸镁尿素尿素尿素尿素豆饼水豆饼水豆饼
5、水豆饼水解液、解液、解液、解液、玉米浆玉米浆玉米浆玉米浆生物素生物素生物素生物素pHpHpHpH7-87-87-87-8 思考：什么是培养基？其成分有哪些？思考：什么是培养基？其成分有哪些？发酵工程生产实例3.发酵罐示意图电动机电动机电动机电动机pHpH检测及检测及检测及检测及控制装置控制装置控制装置控制装置培养液培养液培养液培养液无菌空气无菌空气无菌空气无菌空气排气口排气口排气口排气口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水进口冷却水进口冷却水进口冷却水进口搅拌器搅拌器搅拌器搅拌器加料口加料口加料口加料口放料口放料口放料口放料口小结：发酵工程的内容发酵工程的内容包括了以下的基本步骤：1
6、.菌种的选育2.培养基的配置3.灭菌4.扩大培养和接种5.发酵过程6.分离提纯从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种产 品基因工程基因工程基因工程基因工程诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种生产用菌种生产用菌种生产用菌种生产用菌种扩大培养扩大培养扩大培养扩大培养原原原原 料料料料微生物菌体微生物菌体微生物菌体微生物菌体代谢产物代谢产物代谢产物代谢产物分离提纯分离提纯分离提纯分离提纯接种接种接种接种培养基配置培养基配置培养基配置培养基配置灭菌灭菌灭菌灭菌发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程讨论讨论3 列出你昨天的食谱，和同学讨列出你昨天的
7、食谱，和同学讨论以下问题：论以下问题：1 你吃的那些是有微生物直接发酵产的？你吃的那些是有微生物直接发酵产的？2 哪些食物添加了经微生物发酵产的食品哪些食物添加了经微生物发酵产的食品添加剂？添加剂？四、发酵工程的应用1 在食品工业方面：1)发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。如：生产呻酒，果酒等。2)发酵工程能生产各种食品添加剂。例如,酸味剂：柠檬酸、乳酸等；鲜味剂：谷氨酸等；色 素：-胡萝卜素等；甜味剂：高果糖浆等。3)发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0 x107t，广泛用
8、于食品加工和饲料中。酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被糖，转
9、化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。果酒和啤酒营养价值较高。发酵工发酵工程举例程举例啤酒制造工艺流程啤酒制造工艺流程发酵工程发酵工程啤酒制造工艺流程啤酒制造工艺流程醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由是由醋酸杆菌醋酸杆菌在好氧条件下发酵，将固体发在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由
10、于使用酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。有不同的风味。酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如如黑曲霉黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成生大
11、量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌霉菌，将大豆中的蛋，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。
12、酱具有独特的酱香味。酸奶：牛奶在厌氧条件下，由酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌乳酸菌发酵，将发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。症者的优良食品。醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不
13、同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。不同甜度和不同香味的醪糟。面包：现在的面包均是利用面包：现在的面包均是利用活性干酵母活性干酵母（面包（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变
14、，变得易于消化、营养易于粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。吸收。馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用现在，大批量生产是采用干酵母干酵母发酵，所以不发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。产酸，
15、不需要再用碱中和即可蒸制。泡菜：请参看泡菜：请参看生物技术实践生物技术实践的专题的专题1 1的的课题课题3 3（乳酸菌乳酸菌）腐乳：请参看腐乳：请参看生物技术实践生物技术实践的专题的专题1 1的的课题课题2 2（毛霉毛霉、青霉、酵母、曲霉等）、青霉、酵母、曲霉等）酸菜：与泡菜类似。酸菜：与泡菜类似。2 食品添加剂糖果、饼干、果冻等添加了糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素红曲色素，以调节色泽；，以调节色泽；果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶黄原胶，起悬，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存
16、期等作用；用；各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等；保存营养和改善口感等；各种果汁、啤酒和饮料中均需使用各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸柠檬酸或乳酸作为酸味作为酸味剂调节口味、口感；剂调节口味、口感；饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷味精或肌苷，以增加，以增加鲜味。鲜味。可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂
17、，其中约中约70%70%80%80%的食品添加剂是用发酵法的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，或发酵产生的酶，加工生产的。加工生产的。3 其他制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家；家；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家；酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家；化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家；酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家；饲料业
18、：饲料添加剂的生产厂家；饲料业：饲料添加剂的生产厂家；农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产厂家。农药等的生产厂家。练习练习利用酵母菌发酵生产酒精时，投放的最适原利用酵母菌发酵生产酒精时，投放的最适原料和产生酒精的阶段要控制的必要条件是（料和产生酒精的阶段要控制的必要条件是（）A A玉米粉和有氧玉米粉和有氧B B大豆粉和有氧大豆粉和有氧C C玉米粉和无氧玉米粉和无氧D D大豆粉和无氧大豆粉和无氧C C练习练习关于单细胞蛋白叙述正确的是（关于单细胞蛋白叙述正确的是（）A A是从微生物细胞中提取的蛋白质是从微生物细胞中提取的蛋白质B B通过发酵生产
19、的微生物菌体通过发酵生产的微生物菌体C C是微生物细胞分泌的抗生素是微生物细胞分泌的抗生素D D单细胞蛋白不能作为食品单细胞蛋白不能作为食品B B 单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含有丰富的蛋白质，如真菌蛋白可作为食品。有丰富的蛋白质，如真菌蛋白可作为食品。练习练习谷氨酸棒状杆菌的培养液常采用的灭菌谷氨酸棒状杆菌的培养液常采
20、用的灭菌方法是（方法是（）A A高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌B B高温灭菌高温灭菌C C加入抗生素灭菌加入抗生素灭菌D D酒精灭菌酒精灭菌A A练习练习工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，应采用的最好方法是（应采用的最好方法是（）A A加大菌种密度加大菌种密度B B改变碳源和氮源比例改变碳源和氮源比例C C改变菌体细胞膜通透性改变菌体细胞膜通透性D D加大葡萄糖释放量加大葡萄糖释放量C C 谷氨酸棒状杆菌能够利用谷氨酸棒状杆菌能够利用C6H12O6C6H12O6，经过复杂的代谢过程，经过复杂的代谢过程形成谷氨酸；谷氨酸合成过量，使合成途径中断，要提高谷氨形成谷氨酸；谷氨酸合成过量，使合成途径中断，要提高谷氨酸产量的最好方法是改变菌体细胞膜的通透性，使谷氨酸能迅酸产量的最好方法是改变菌体细胞膜的通透性，使谷氨酸能迅速排放到外面，避免因过量引起合成途径中断。速排放到外面，避免因过量引起合成途径中断。