1、第3節 發酵工程及其應用從社會中來青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入了產業化生產的道路。如今，一瓶規格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。那么，在工業上，青霉素究竟是怎樣生產的呢？選育高產菌種擴大培養配制培養基滅菌接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節1 13 32 24 45 56 67 7選育菌種8 8接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品擴大培養配制培養基滅菌1.選育菌種（1）目的：獲得性狀優良的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、誘變育種或基因工

2、程育種。（3）實例：旁欄思考題優良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發酵產品的產量高、質量穩定等優點，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味，因此菌種選育環節在很大程度上決定了生物發酵產物的成敗篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發酵、縮短生產周期；一、發酵工程的基本環節1 13 32 24 45 56 67 7選育菌種8 8接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品擴大培養配制培養基滅菌2.擴大培養u目的：獲得更多的菌種u原因：工業發酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發酵之前還需要對菌種進行擴大培養。一、發酵工程的基本環節

3、1 13 32 24 45 56 67 7選育菌種8 8接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品擴大培養配制培養基滅菌3.配制培養基在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定。4.滅菌發酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。例如，在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌。一、發酵工程的基本環節1 13 32 24 45 56 67 7選育菌種8 8接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品擴大培養配制培養基滅菌5.接種將擴大培養后的菌種投放到發酵罐中

4、。6.發酵罐內發酵發酵工程的中心環節u要求隨時檢測;及時添加營養、嚴格控制發酵條件；u為什么要嚴格控制發酵條件的原因？舉例說明。環境條件會影響微生物的生長繁殖和微生物代謝物的形成；有利于使發酵全過程處于最佳狀態。例如谷氨酸發酵：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生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；一、發酵工程的基本環節一、發酵工程的基本環節1 13 32 24 45 56 67 7選育菌種8 8接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品擴大培養配制培養基滅菌7.分離、提純產物u如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。u如果產

5、品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。8.獲得產品一、發酵工程的基本環節結合圖1-9，分析和討論以下問題。1. 微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？需要考慮的因素包括：在低成本的培養基上能迅速生長繁殖；生產所需代謝物的產量高；發酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。2. 怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？要對溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養組分。一、發酵工程的基本環節3. 在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？傳統發酵技術獲得的產物一般不是單

6、一的組分， 而是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。在發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。4. 在進行發酵時，排出的氣體和發起培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什么？不能。因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出的氣體和廢棄培養液進行二

7、次清潔或滅菌處理。二、發酵工程的應用（一）發酵工程的特點 1.生產條件溫和。 2.原料來源豐富且價格低廉。3.產物專一。 4.廢棄物對環境的污染小以及容易處理。（二）發酵工程的應用1.在食品工業上的應用2.在醫藥工業上的應用3.在農牧業上的應用4.在其他方面的應用1.食品工業-（1）生產傳統的發酵食品二、發酵工程的應用u 實例1生產醬油大豆大豆黑曲霉黑曲霉蛋白質水解成小分蛋白質水解成小分子的肽和氨基酸子的肽和氨基酸淋洗、調制淋洗、調制醬油醬油u 實例2釀酒谷物或水果谷物或水果釀酒酵母釀酒酵母酒類酒類啤酒的工業化流程1.食品工業-（1）生產傳統的發酵食品二、發酵工程的應用完成酵母菌的繁殖，大部分

8、糖的分解和代謝物的生成。完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發酵結束后，發酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環境下儲存主發酵結束后，發酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環境下儲存一段時間進行后發酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。一段時間進行后發酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發芽發芽焙烤焙烤碾磨碾磨糖化糖化蒸煮蒸煮發酵發酵主發酵冷冷卻卻消毒消毒終止終止后發酵過過濾濾啤酒的工業化流程1.食品工業-（2）生產食品添加劑二、發酵工程的應用u 食品添加劑的作用增加食物的營養，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期u 實例1.1.檸檬酸：是一種食品檸檬酸：是一種食品酸度調節劑酸度調

9、節劑；可；可以通過黑曲霉的發酵制得；以通過黑曲霉的發酵制得；2.2.味精：味精：由由谷氨酸棒狀桿菌谷氨酸棒狀桿菌發酵可以得發酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經過一系列處理就能到谷氨酸；谷氨酸經過一系列處理就能制成味精；制成味精；添加了檸檬酸的飲料1.食品工業-（2）生產食品添加劑二、發酵工程的應用常見的食品添加劑常見的食品添加劑添加劑類型舉例酸度調節劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶1.食品工業-（3）生產酶制劑二、發酵工程的應用常見酶制劑-淀粉酶、-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶酶制劑來源絕

10、大多數通過發酵工程生產；酶制劑應用食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、延長食品儲存期和提高產品產量等；少數由動植物生產；2.在醫藥工業上的應用二、發酵工程的應用（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某種藥物生產能力的微生物u1.利用經過基因改造的微生物生產生長激素釋放抑制激素；u2.利用基因工程改造的微生物生產疫苗。將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物就可以作為疫苗使用。如乙肝疫苗的生產。（2）直接對菌種進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品實例：青霉素高產菌株的培育u3.利用微生物生產過去只能從植

11、物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物；3.在農牧業上的應用二、發酵工程的應用（1）生產微生物肥料u微生物肥料的種類：根瘤菌肥、固氮菌肥u微生物肥料的作用：1.生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長；2.有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生.3.在農牧業上的應用二、發酵工程的應用（2）生產微生物農藥1.1.微生物農藥的作用機理：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害微生物農藥的作用機理：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害2.2.實例：實例：蘇云金桿菌蘇云金桿菌防治防治8080多種農林蟲害多種農林蟲害。白僵菌白

12、僵菌防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。井岡霉素（一種放線菌產生的抗生素）井岡霉素（一種放線菌產生的抗生素）防治水稻枯紋病。防治水稻枯紋病。3.3.防治類型：生物防治防治類型：生物防治3.在農牧業上的應用二、發酵工程的應用（3）生產微生物飼料1.原理：微生物含有豐富的蛋白質，且繁殖速度快2.實例單細胞蛋白單細胞蛋白=微生物菌體單細胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質，還含有糖類、脂質和維生素等物質單細胞蛋白應用：食品添加劑、微生物飼料；3.實例乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。4.在其他方面的應用二、發酵工程的應用（1）解決資源

13、短缺與環境污染問題（2）將極端微生物應用于生產實踐1.1.極端微生物：自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們極端微生物：自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常能在極端惡劣的環境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常生活。生活。2.2.舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑 嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。 具體應用成果食品工業生產傳統的發酵產品利用霉菌發酵生產醬油、利用釀

14、酒酵母生產各種酒類生產各種各樣的食品添加劑利用黑曲霉發酵生產檸檬酸、利用谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸生產酶制劑利用微生物發酵生產淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等醫藥工業通過工程菌生產藥物利用工程菌發酵生產生長激素釋放抑制激素通過改造菌種生產藥物通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素農牧業生產微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥生產微生物農藥利用蘇云金桿菌防治多種農林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲生產微生物飼料利用淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液通過發酵獲得大量微生物菌體用于飼料生產其他方面解決資源短缺和環境污染問題 利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯對極端微生物的利用利用嗜熱菌、嗜鹽

15、菌生產洗滌劑練習與應用一、概念檢測與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富，產量和質粒明顯提高。判斷下列相關表述是否正確。 （1）發酵工程與傳統發酵技術最大的區別就是前者可以利用微生物來進行發酵。（ ） （2）發酵工程的產品主要包括微生物的代謝、酶及菌體本身。（ ） （3）在發酵工程的發酵環節中，發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑。（ ） （4）通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（ ）二、拓展應用 1.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。 （1）青霉素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高效地供氧呢？ （2）在發酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑的研究發現，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同的酶的作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產菌使其只產生青霉素，或者只產生頭孢霉素呢？練習與應用可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產菌只生產一種產物。2. 通過微生物發酵，可以將糧食（如玉米、小麥等）及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比