第三節發酵工程及其應用

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，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、提純產物獲得產品發酵工程形成的條件隨著人們對發酵原理的認識，微生物純培養技術的建立，以及密閉式發酵罐的成功設計，人們能夠在嚴格控制的環境條件下大規模生產發酵產品，發酵工程逐步形成。發酵工程的應用發酵工程與農業、食品工業、醫藥工業及其他工業生產有著密切的聯系。一、發酵工程的基本環節1、發酵工程的基本環節2、思考討論1、發酵工程的基本環節發酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養，培養基的配制、滅菌，接種，發酵，產品的分離、提純等方面。在青霉素生產過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。生產檸檬酸生產啤酒生產青霉素生產味精黑曲霉啤酒酵母黃青霉谷氨酸棒狀桿菌在菌種確定之后，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。接種選育菌種制備培養基擴大培養滅菌發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品性狀優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。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發酵工程中所用的菌種大多數是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌?，F代發酵工程使用的大型發酵罐均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制；還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。電動機排氣管pH計冷卻水排出口冷卻夾層發酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養物或營養物質的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口

這是發酵工程的中心環節。在發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物的數量、產物的濃度等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的營養組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。

環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。如果產品是代謝物，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。發酵工程的基本環節分析結合圖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。發酵工程的基本環節分析結合圖1-9，分析和討論以下問題。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。發酵工程的基本環節分析結合圖1-9，分析和討論以下問題。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次清潔或滅菌處理。旁欄思考（p22）：某鎮特產一種美酒，以下是對該鎮環境的描述：四面環山，地勢低洼，氣候炎熱，具有獨特的微生物種群，因為與外界的空氣對流循環較緩慢，所以微生物種群較穩定。這對你理解發酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示？提示：我國幅員遼闊，地理生態環境多樣，為各種微生物的生長繁殖提供了條件，這有利于發酵工程選育菌種。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，因此菌種選育環節很大程度上決定了生產發酵產品的成敗。二、發酵工程的應用1、發酵工程的特點2、在食品工業上的應用3、在醫藥工業上的應用4、在農牧業上的應用5、在其他方面的應用（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。1、發酵工程的特點第一，生產傳統的發酵食品。例如，用大豆來生產醬油產品；谷物或水果生產各種酒類。2、在食品工業上的應用大豆（蛋白質)黑曲霉（蛋白酶）小分子的肽和氨基酸醬油淋洗、調制谷物或水果釀酒酵母酒類第二，生產各種各樣的食品添加劑。食品添加劑不僅可以增加食品的營養，改善食品的口味、色澤和品質，有時還可以延長食品的保存期。許多食品添加劑都通過發酵工程生產。實例，檸檬酸是一種廣泛應用的食品酸度調節劑，可以通過黑曲霉的發酵制得；由谷氨酸棒狀桿菌發酵可以得到谷氨酸，谷氨酸經過一系列處理就能制作味精。2、在食品工業上的應用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β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶第三，生產酶制劑。常用的酶制劑如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多種酶制劑成功用于食品的直接生產、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方面。這些酶制劑除少數由動植物生產，絕大多數通過發酵工程生產。2、在食品工業上的應用啤酒的工業化流程選擇培養基配方的設計

討論：

1.與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？

●菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制，產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。討論：2.現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作？●應該辯證地看待這一產品。一方面，這類產品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面,這類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。選擇培養基配方的設計3、在醫藥工業上的應用近些年來，基因工程、蛋白質工程等的廣泛應用給發酵工程制藥領域的發展注入了強勁動力。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；或者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。如利用工程菌發酵生產生長激素釋放抑制激。未來可能用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等。3、在醫藥工業上的應用利用基因工程將病原體的抗原基因轉入微生物細胞，制成生物疫苗。如一種生產乙型肝炎疫苗的方法就是將乙型肝炎病毒的抗原基因傳入酵母菌，再通過發酵生產。第一，生產微生物肥料。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，促進植物生長，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料還可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。4、在農牧業上的應用第二，生產微生物農藥。與傳統的化學農藥不同，微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。如：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；一種放線菌產生的抗生素-井岡霉素可防治水稻枯紋病。微生物農藥作為生物防治的重要手段。將在農業的可持續發展方面發揮越來越重要的作用。4、在農牧業上的應用第三，生產微生物飼料。微生物含有豐富的蛋白質，如細菌的蛋白質含量占細胞干重的60%~80%,而且細菌生長繁殖速度很快。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的微生物菌體。即單細胞蛋白。用酵母菌等生產的單細胞蛋白可以作為食品添加劑使家畜、家禽增重快；用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家禽或家畜產奶或產蛋量顯著提高。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、在農牧業上的應用5、在其他方面的應用（1）解決資源短缺與環境污染問題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。（2）將極端微生物應用于生產實踐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）中正常生活。例如嗜熱菌、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。發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決糧食、環境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。

到社會中去1.列出你昨天一天的食譜，看看那些食品是直接由微