应用微生物学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 生产有机酸和醇类的微生物,微生物学家早就预言：,对每一种天然有机,化合物，总存在一种微生物能,合成,和,分解,它。,就,有机酸和醇类,大家知道得不少，但从微,生物发酵的角度或者说有哪些微生物，,哪种微生物,最适合用于生产,，哪些微生物,力，,可能就不一定了解的全面。,1,只知道,哪类微生物,能,产生哪些产品还不够,，还,应知道怎样从,自然界获得它,，这才能深入研究它，,利用它。,另外作为一种微生物产物，必要的性质和用途,也要了解，不然研究的目的和方法也就难以清晰。,以上问题大家在化学中有所了解，由于时间关系,在这里就不一一赘述，必要时可参阅有关专著。,2,有机酸,(organic acid)在化学上是,羧酸,RCOOH、,磺酸,RSO,2,OH、,亚磺酸,RSOOH、,硫羧酸,RCOSH等的,总称,。,通常,，一般有机酸就指,羧酸,，我们所讲的,有机酸也指羧酸,。,采用微生物发酵方法生产的,有机酸,很多是食,品酸性添加剂或者本身就是一种食品，如,醋,。,有时也用一些,有机酸,来,抑制,食物上微生物引,起的,腐败,作用。能完全抑制一些常见微生物生,长的有机酸浓度见表。,3,对常见细菌完全抑制的某些有机酸浓度,单位：mg/100ml,菌 名 乙酸 乳酸 柠檬酸 苹果酸 酒石酸 琥珀酸,大肠杆菌 42 109 146 69 68 226,鼠伤寒沙门氏菌 42 92 180 92 56 226,枯草芽孢杆菌 84 51 79 92 46 100,表皮微球菌 42 80 53 53 46 100,黄微球菌 74 80 53 53 46 100,藤黄微球菌 42 80 79 53 56 68,金黄色葡萄球菌 255 92 146 92 68 226,4,第一节 乙 酸,一、用途,乙酸,在,有机化学工业中,的地位与,无机化学工业中,的硫酸,一样，是一种,极为重要,的化工产品，它的,动,态,常常会反映出整个,有机化学,工业的,面貌,。然而，,各国对乙酸使用情况则有较大的差异。例如，,美国,用于生产,乙酸乙烯酯,的比例较大，而,日本,则有较多,的乙酸用于,发酵工业,，利用微生物使乙酸转化为某,些,氨基酸。,5,乙酸,还用做生产,食品添加剂谷氨酸,、,柠檬酸,和,赖氨酸,的基本原料，在这方面,乙酸,常能与,其他廉价,的碳水化合物竞争。食品中,禁用,合成乙酸,。,（一）乙酸在有机化学工业中的用途,1、,乙酸乙烯酯,几乎所有的,乙酸乙烯酯单体,都用于生产,聚合物,，如生产,聚乙酸乙烯乳胶,、,聚乙烯醇,及其,乙酰化的,衍生物,、,聚乙烯基缩醛,和,聚乙烯基缩丁醛,。,少量的,乙酸乙烯酯,用于生产,聚丙烯系纤维,、,热熔性胶粘剂,、,与乙烯共聚物、,口香糖乳胶体,以及其他,许多日用化,工产品,。还用于生产,维尼纶合成纤维,。,6,乙酸纤维,长期以来是,重要的合成聚合物,，是重要的,热,塑性塑料和纤维,成分，用于生产,塑料板,、,薄膜和喷漆,。,乙,酸纤维,有高度的结晶性，,强度好,，,质地轻,，主要用于,降落,伞、雷达天线罩、工作服、气球、织品材料等。,2、,溶剂,在许多,工业有机化学反应中,，要用,乙酸作为溶剂,。例,如，对二甲苯液相氧化生产,对苯二甲酸,的反应介质就是乙,酸，在反应中部分乙酸被消耗了，部分则由于回收处理和,机械渗漏而流失。由于,对苯二甲酸产量大,，所以消耗的乙,酸也很可观。据估计用于溶剂的乙酸会有所增长。（,对苯,二甲酸是生产聚酯切片、长短绦纶纤维等化纤产品和其它,重要化工产品的原料）。,7,3、,乙酸酯的合成,乙酸的低级烷基酯，如甲酯、乙酯、异丙,酯、丁酯、叔丁酯、异丁酯和戊酯都是很好,的廉价溶剂，其中以乙酯和戊酯最为重要。,目前大部分的乙酸酯仍是由乙酸与相应的,醇直接酯化合成的,。,乙酸乙酯除用做溶剂外，也是广泛用于有,机合成的乙酰乙酸乙酯（,用于有机合成、香,料、染料及医药工业,）的原料。,8,4、,乙酸盐,乙酸能形成各种盐类，如,碱金属盐,、,碱土,金属盐、铵盐、贵金属盐和过渡金属盐,，在,工业上都有重要的用途，尤其是,钠盐,和,铵,盐。,5、,杀菌剂,乙酸和乙酸钠常用于控制面包生产中由,真,菌,引起的,发粘现象,。最近还用于含水量较高,的,谷物的保藏,。,9,乙酸,和丙酸的,混合物,对,红曲霉,、,青霉菌和曲霉菌,等有杀,菌作用。含水量高达27的谷物用乙酸和丙酸的混合物处,理，可保存145天而不受霉菌感染，否则谷物在,1周内,就会,变质。,6、,合成卤代乙酸,乙酸,的,卤代反应,可制得,氟、氯、溴、碘,四种不同,取代,基,的,卤代乙酸,，其中用途最广的是,氯乙酸,（,应用于农药、,医药、染料、日用化工等专业,） 。,乙酸衍生物,品种很多，主要包括,乙酰乙烯酯、乙酸酐、,卤代乙酸、乙酰胺、二甲基乙酰胺、乙酰替苯胺和乙酸酯,等。,10,（二）微生物发酵法生产的乙酸,用,微生物生产乙酸,的过程是由,乙醇,或含,乙,醇,的产物如,葡萄酒、发酵的苹果汁、麦芽汁,和发酵的乳清,得到的。,它的用途是以乙酸的形式作为生活的必需,品。但,食醋,中并非只含乙酸一种有机酸，酸,味是许多,有机酸综合平衡,的结果。包括：,-,酮戊二酸、乳酸、琥珀酸、葡萄糖酸、苹果,酸、柠檬酸、酒石酸等。,11,三、产生乙酸的微生物,醋酸菌,是指,氧化酒精生成乙酸,的,细菌的总称,。,它属,假单胞杆菌,科，是,需氧,细菌的代表。,醋酸菌,的主要作用是氧化,酒精,生成,乙酸,，某,些醋酸菌能继续氧化乙酸分解为二氧化碳和水。,醋酸菌,的形态为,短杆或长杆状,细胞，,单独、成,对,或排列成,链状,，有时,几条链平行排列成指级状,，,细胞大小为1,3.7,m x0.2,0.5,m。,12,醋酸菌,的分类方法有多种，1978年，柳田腾,氏根据,醋酸菌,对,维生素,要求和对,有机酸,的,同化,性，将食醋酿造的优良菌株分为两个属，即,醋,酸杆菌属和葡萄糖杆菌属。,醋酸杆菌属：,现已发现有53种，它们的特点,是：,氧化乙醇生成乙酸，不氧化葡萄糖，不需,要维生素，能同化主要有机酸(特别是对乳酸、,琥珀酸同化力很强)。,13,葡萄糖杆菌属：,现已发现有8个种，它们的特点,是：,能氧化乙醇生成乙酸,，,但氧化能力很弱，它,们不再分解乙酸为二氧化碳和水，能利用葡萄糖,生成葡萄糖酸，需要维生素，对主要有机酸几乎,都不能同化。,14,几种酿造食醋常见醋酸菌：,1,奥尔兰醋酸杆菌,：属葡萄酒醋酸菌属，是,法国奥尔兰地区,由,葡萄酒生产乙酸,的主要,菌,株，它能产生少量的酯，生酸能力较小，最,大产酸量为2.9，但有较强的耐酸性。,菌体大小为,：,0.3,0.4,m x1.6,2.4m,。,最适生长温度30，最高温度39，最低,8 。,15,2、,许氏醋酸杆菌,：,许氏醋酸杆菌为,速酿醋酸菌,，,是德国有名的速,酿醋酸菌株，产酸量最高可达11.5，但耐酸能力,比较弱，为人工培养醋酸菌.,菌体大小为0.3,0.41.62.4m,。最适生长温,度25,27.5最高37。,16,3、,弯曲醋酸菌,：,可能是许氏醋酸菌的变种，细胞呈明显的弯曲，,性能与,许氏醋酸杆菌类似,。,4、,产醋醋酸杆菌,产醋醋酸杆菌是,德国哈斯雷醋厂,使用的菌株，为,速酿醋酸菌。此菌能产生大量的乙酸乙酯，给食醋,以葡萄酒的芳香。但该菌株产酸量较低，又可将乙,酸分解为二氧化碳和水。,菌体大小为0.1,0.2,m1.,2,1.,4,m；最适生长,温度33。,17,5,纹膜醋酸杆菌,为啤酒醋酸菌,。是,日本酿醋的主要菌株,。此菌培,养过程中在,液面能形成乳白色、皱折状、有粘性的,菌膜,，,一摇动易破碎，使液体混浊。产酸量最高可,达8.75，能耐酒精14,15。此菌株能分解乙,酸生成二氧化碳和水。,其菌体大小为0.4,0.8,x1.0,2.0,m 。最适生长温,度为30，最高生长温度42，最低温度为4,5。,18,6、,恶臭醋酸杆菌,为啤酒醋酸菌,。,此菌在液面能形成皱折的皮,膜，菌膜沿器壁上升，溶液不混浊。该菌株最,高产酸量为7,9，耐酒精8以下，并能继,续分解乙酸生成二氧化碳和水。其最适培养温,度28,30,，最适pH3.5,6.0。,19,7、,攀膜醋酸杆菌,为,葡萄酒醋酸菌,，是酿造葡萄酒、葡萄醋,的有害菌。此菌在液体中能形成特别粘而薄,的膜，沿器壁上升，膜下面的液体很混浊，,有不良气味产生，不适于酿醋。,20,8、,胶质醋酸菌,为葡萄酒醋酸菌，能在酒醪中繁殖，致使酒醪,酸败变粘。该菌生酸速度慢，又分解乙酸,并能生成大量粘膜，称为“醋母”，使乙酸产生腐败,的坏味。,此菌在所有的醋厂都为有害菌,。,优良醋酸菌种应发酵速度快、转酸率高、代谢,产物除乙酸外还应有多种有机酸和芳香性酯类等,。,21,我国醋厂,，有的使用人工,纯培养醋酸菌,，菌,种主要有,两株,：,一株是：,恶臭醋酸杆菌,，,菌号AS1.41,。,该,菌细胞杆状，常呈链锁状，大小为,0.3,0.,4,mX1,2,m，无运动性，不产生芽孢。,在,长期培养、高温培养、含盐过多,或,营养不,足,等条件下，细胞,有时出现伸长形,、,线形,或,棒形,，甚至,管状膨大等畸形,。,22,在,固体培养基,上,菌落隆起、平滑，呈灰白色,。,在,液体培养基,上培养，,菌体沿瓶壁上升，在表面,生长，呈淡青色的极薄平滑菌膜，液体不很混浊,。,最适培养温度,28,30,，最适,产酸温度,28,33,，最适pH 3.5,6.0,，耐酒精8以下，最高产酸量,7,9(乙酸计)。,转化蔗糖力很弱,，,产葡萄糖酸能力也很弱。能,氧化乙酸为CO,2,和H,2,0，也能同化铵盐。,23,另一株是沪酿1.01,。,但是，目前,我国大多数酿醋厂，仍然利用天然,酸菌进行自然发酵，开放式的操作必然会有天然,醋酸菌侵入，致使产品质量不够稳定。,醋酸菌能耐1,1.5的食盐,，当,食盐浓度大于,1.5时其生理作用受到抑制，甚至被杀死。,24,热醋酸梭菌，厌氧发酵,，,具不同的乙酸代谢,途径,。可将1mol己糖转化成3mol乙酸而酵,母和醋酸菌只能转化成2mol，,发酵由糖到乙,酸一步完成,。,但由于,乙酸,对其生长有,抑制,作用，故发酵,过程中要中和形成的酸，操作,条件严格,，,营,养要求高，至今尚未工业化。,25,乙醇经过醋酸杆菌的作用形成醋。根据现代分,类学的观点，醋酸杆菌能在PH4.5时氧化乙醇成乙,酸。其中,有一群不氧化醋酸盐和乳酸盐成CO,2,，这,就是,葡萄糖杆菌,。,两种工业用醋酸菌特征如下：,特征 葡萄糖杆菌 醋酸杆菌,鞭毛 极生或无 周生或无,氧化乙醇成乙酸 慢 快,氧化醋酸盐成CO,2,+,氧化乳酸盐成CO,2,+,氧化葡萄糖成葡萄糖酸盐,+,不定,三羧酸循环,+,5-酮基葡萄糖酸,+,不定,26,在工业上主要使用的是,醋酸杆菌,的菌株，通过,使用,强烈氧化乙醇的种可以进行迅速的发酵作用,。,通过,正确控制发酵时间可以排除醋酸盐继续氧,化成CO,2,的过氧化作用。,应用于工业上制造乙酸的种必须,耐高浓度的乙,醇和乙酸，并且其营养要求比较低,。,醋酸杆菌,在,缺氧,的情况下，对,高浓度乙醇或乙,酸，或乙醇和乙酸的混合物都是很敏感的。,27,第二节 柠檬酸,柠檬酸,(citric acid)，学名2-羥基-丙烷三羧,酸或,-,羥基丙三酸，分子式C,6,H,8,O,7,，相对分,子质量192.13。无水柠檬酸是无色半透明全,对称晶体。,28,一、用途,柠檬酸具有,溶解度大、酸味好、毒性小、易于吸,收和价格低廉,等待点，广泛用做,食品酸化剂、药物,添加剂、化妆品和洗涤用品添加剂,。,1、,食品工业,大量用于食品酸化添加剂特别是,软饮料,和,糖,果,。加入硬糖中能增加酸味，还有助于,使蔗糖转化,为单糖类,，可避免因,蔗糖,溶解度小而,结晶成粒,。食,品中加入柠檬酸还可控制,适当pH,。,29,2、,药物,柠檬酸可与水中的碳酸盐作用生成二氧化碳(发,泡)和柠檬酸盐，,有助于药物的有效成分快速溶,解,，还可增加某些泻药和麻醉药的溶解作用，并可,改善口味,，檬酸盐还是血液的,抗凝剂,。,柠檬酸用于配制口服药水可控制pH为3.5,4.5，,以促使药物有效成分的稳定性。,30,3、,化妆品,含柠檬酸的洗发液能使头发,具有光泽且富,有弹性,、可与,铬矾、糊精、甘油和氯化铵,等,配制成,固发液,。,4、洗涤剂,柠檬酸盐有很好的,洗涤剂,性质，作为添加,剂能,取代磷酸盐,配制易于,生物降解,的洗涤,剂，以避免,富磷化,污染环境。,31,5、其他工业用途,可做为,二氧化硫吸收剂,、,油井处理剂、纺织助,剂、金属清洁剂、烟草添加剂和废水处理剂等。,柠檬酸,是我国,发酵工业的一个大行业,，我国也,是世界上,最大的柠檬酸生产国,，出口量历来处于我,国生物技术产品的,最前列,。,32,我国柠檬酸的产量和出口量,年份 产量/10,4,t 出口量/10,4,t,1976 0.13,1980 0.84,1986 4.6,1990 8.8,1992 11.2 9.8,1994 16.4 12.5,1995 20.9 14.4,1996 25.3 15.2,1997 26.9 17.8,1998 26.8 15.6,33,二、产生的菌类,生产的原料不同所用菌种不同：,淀粉质原料,：黑曲霉(生产菌为其变种),烃类原料,：,假丝酵母,1965年，上海工业微生物研究所以“,沪轻2号,”为,出发菌，用氮芥诱变筛选出薯干直接深层发酵工业,化生产菌种,宇佐美曲霉N,558,与天津工业微生物研究,所、南通发酵厂等合作使之工业化生产，并在全国,推广，形成,我国独特的薯干直接深层发酵法,生产柠,檬酸的工业。,34,1973年，复旦大学等采用浸渍培养基和溴甲酚,绿的滤纸培养黑曲霉，并根据变色圈与菌落直径之,比，筛选高产菌株。,l 974年，上海工业微生物研究所采用酸性平板,法从土壤中分离柠檬酸产生菌。并经,60,Co,射线诱,变，获得我国柠檬酸生产中的,第二代菌种黑曲霉,D,353,。,1977年筛选获得,第三代,高浓度薯干直接深层,发酵新菌种,黑曲霉5061,。,1979年筛选获得,第四代,生产菌种,黑曲霉3008,。,1982年推出,第五代生产菌种Co827,。,35,目前大多数工厂仍使用此菌种生产，发酵产酸,可达14以上，转化率95以上，周期64h，发酵,强度可达2.19kg(h,m,3,)。,1990年筛选出Co860菌种，发酵产酸达20，,转化率95，周期96h。,1998年天津工业微生物研究所选获了新菌种,-,144、,-145优良菌种。,石油原料柠檬酸发酵,的研究以日本、美国的研,究报道占多数。以正烷烃为原料，采用解脂假丝酵,母发酵，产酸达18.3，转化率155。其缺点是,发酵液中,异柠檬酸,含量较高。,36,用NTG(,亚硝基胍,）诱变处理得到,变异株,，发,酵10正烷烃所得的发酵液中，柠檬酸与异柠檬,酸的比例为97,3,，柠檬酸的含量为14.5。但以烃,类作基质，因其安全性而不宜用做食品或美容品等,的添加剂。,目前已知很多微生物能产生柠檬酸，特别是霉,菌,，尤其是,黑曲霉,，但生产上用的是其,变种,。一些,细菌如,石油节杆菌、捧状杆菌；局限青霉,的一些,种；,假丝酵母,的一些种可以,烃类,为原料产,柠檬酸,。,37,第三节、乳 酸,乳酸(,lactic acid)学名,2-羥基丙酸,，分子式,C,3,H,6,O,3,，结构式CH,3,CHOHCOOH，相对分,子量89.04。,38,一、用途,1、工业原材料,乳酸钙,和,乳酸钠,是两种广泛使用的药物。,乳酸钙,在医药方面用于,补充钙质、固齿和,助长骨骼的发育。,乳酸钠,可用于解除因,腹泻脱水、糖尿病和,胃炎等引起的酸中毒。,乳酸,本身可用做,消毒防腐剂,。,39,工业级乳酸,用于,鞣革,工业做,酸化剂,；是合成,乳,酸甲酯、乙酯和丁酯,的原料，这些,酯,是,涂料,的,溶,剂,；,高沸点乳酸酯,是合成,树脂,的增塑剂；,乳酸,和,己二酸,的,混合酯,，是,氯乙烯共聚物,的,增塑剂,。,40,近年来，,生物可降解塑料,的研制与开发已,成为人们,日益关注,的问题之一，且有一系列,的产品问世。,从材料的角度出发，,生物降解塑料,可分为,天然,和,合成高分子,两种。前者主要包括,纤,维、淀粉、甲壳质,等，后者主要包括,聚乙交,酯,(PGA)、,聚乳酸,(PLA)、,聚乙烯乙酸酯,(PVA)等。,41,其中生物降解塑料,聚乳酸,由于具有,生理适应性、,优良分解性和安全性好,等特点,，在,医用材料,方面,有,广阔的前景,。,未来，其应用有望在,包装领域,取得拓展。,目前，我国对,聚乳酸,的研究和开发尚处于实验室,研究阶段，也取得了一定的成绩，但由于多种因素,的限制，距工业化生产尚有很大的距离。国外多家,公司长期致力于这一领域的研究，部分产品已商品,化。,42,2、,乳酸发酵食品,它的主要特点有：,（1）,具有酸味，改善风味，提高营养价值,等,乳酸菌,利用,可发酵性糖,，,产生乳酸,，乳酸,本身,酸味柔和,，不仅常作为食品的,酸味剂,，,而且还有,助消化,的作用。,43,乳酸菌,还可同时伴生,醋酸,、,丙酸,等有机,酸，它们在赋予食品以酸味的同时还可与发,酵中产生的,醇、醛、酮,等物质,相互作用,，形,成多种,呈味物质,和,去脱不良异味,，使乳酸发,酵食品具有其,独特,的,风味,。,乳酸菌,在代谢过程中产生,多种氨基酸和维,生素,，提高了产品的营养价值。,44,（2）,防止腐败，便于食品保存,乳酸,是,乳酸菌,代谢的主要产物，在防止,食品腐,败变质,中有,重要作用,。特别近年的研究发现，除,乳,酸外,，在乳酸发酵过程中还形成一些,抑菌物质,，如,链球菌肽,。,45,二、分离乳酸菌的材料,乳酸菌,是,生物圈,的一个重要成员，,是能产,生乳酸的微生物的总称,，绝大多数是,厌氧菌,或兼性厌氧菌,，,广泛存在于自然界,。,1、,土壤,其,数量和种类,，取决于,土壤,的,类别,和,环境,条件,。土壤中的乳酸菌主要,来自灌溉的污水,，,施肥、植物及雨水的夹带,，可以认为,乳酸,菌,不是土壤的土著微生物,。,46,2、水,乳酸菌,主要存在于,污水,中，数量可达10,4,10,5,个,ml。从,污水源头,可分离出大量,同型,和,异型,发酵,乳酸菌,，,异型菌,占乳酸菌总数的25左右。在污,水中有时还可以分离到来自,人,和,某些动物粪便,的,双,歧杆菌,，所以水中一旦检出,双歧杆菌,表明,水源已被,粪便,污染。,3、肥料,肥料,包括,人畜粪便,、,厩肥和堆肥,。,肥料中的乳,酸菌种类和数量与污水中差不多，主要来源于人畜,粪便。,47,4、,植物和青贮饲料,生长的植物上,存在着,一定数量的乳酸菌,。从树,叶上分离到的乳酸菌，其数量为10,1000,个g，,它们占,总细菌数,的0.01,1。,植物的根际,也是,乳酸菌,存在较多的地方。,乳酸菌,在植物中的广泛存在，虽然数量少，但,也说明了植物是某些乳酸菌的,最初来源,。,青贮饲料发酵的原动力是,乳酸菌,及一些,酵母菌,。,发酵初期主要是,明串珠菌,、,肠球菌,等迅速繁殖，产,生一定量的乳酸，,使pH下降,，为其他,乳酸菌和消,化球菌,创造条件。在,中后期,的发酵中植物,乳杆菌,占优势，还有其他一些乳酸菌。,48,5、,果蔬发酵食品,蔬菜乳酸发酵,是一种,传统,的发酵食品，许,多果蔬原料都可以进行乳酸发酵。但产量最,多、发酵过程最清楚的是,泡菜,、,腌菜,和,橄,榄,。在发酵物中可分离到多种乳酸菌。,49,6、,酱和酱油发酵中的乳酸菌,酱和酱油,是我国著名的传统发酵调味品。整个,发酵过程由多种微生物参加，,乳酸菌,参与了,后期,发,酵。,嗜盐片球菌,能在高于18的食盐中很好繁殖,，在24,26的食盐含量中也能,繁殖,和,产生乳酸,。它们与酵母联合作用，其代谢产物如,乳酸乙酯,等,能,赋予酱油特殊香味,。,嗜盐片球菌,在酱坯中的数量,可观，,酱坯中的乳酸含量,达,15mgg,，,酱油质量,较好。,50,7、,乳和乳制品,鲜牛乳,含有多种营养成分，是一种营养比较完,全的食品，非常适合微生物生长繁殖。由于环境中,的,乳酸菌,从,乳头侵入乳管之故,，所以在,开始,挤出的,乳中,含有少量的乳酸菌,。,大多数乳酸菌,是在挤奶过,程中，通过,用具、草、饲料、灰尘、牛体表,等途径,污染而进入奶中，在条件适宜的情况下便迅速繁殖,起来。大多数情况下,牛乳中乳酸菌的含量约为,l0,3,个/ml。,酸奶及其他发酵乳制品,：有的产品是利用牛乳中,天然存在的乳酸菌进行发酵，有些则需接种乳酸,菌。,51,在,酸牛乳,制作中常用做发酵剂的,乳酸菌,有,保加,利亚乳杆菌和嗜热链球菌。,粪便中的另一群重要的,乳酸菌,是,双歧杆菌属,，,它们是,肠道中正常菌群的重要成员,。它们在维持肠,道菌群平衡中起着重要作用，,对人体的健康十分有,益。,双歧杆菌,主要存在于人和动物的肠道内，小肠,下部数量可达10,3,10,6,个g，粪便中可达10,8,10,12,个g。,双歧杆菌,在人的消化道内的种群和数量随人的,年龄、营养、健康等的变化而,相应演变,。,52,三、产生乳酸的主要菌 类,1、 米根霉 L- 乳酸产生菌,2、 乳杆菌属 L-，D-，DL-乳酸产生菌,3、 德氏乳杆菌 D- ，DL-乳酸产生菌,4、 保加利亚乳杆菌 D-，DL-乳酸产生,5、 嗜热乳杆菌 L-乳酸产生菌,6、 干酪乳杆菌 L-乳酸产生菌,7、 植物乳杆菌 DL-乳酸产生菌,8、 链球菌属 L-乳酸产生菌,9、 肠膜明串珠菌 D-乳酸产生菌,10、 有害片球菌 DL-乳酸产生菌,11、 嗜盐片球菌 D-乳酸产生菌,53,四、乳酸发酵的前景,当今世界食品发展的潮流是,营养保健食品,，即,不仅具有一般食品所具有的营养和色、香、味，而,且还具有,调节人体生理功能,作用。,乳酸发酵食品属于,营养保健食品,，发展乳酸发酵,食品符合时代的要求，所以，,开发乳酸发酵食品的,潜力很大。,生物降解塑料,聚乳酸,由于具有,人体适应性,、,优良,分解性,和,安全性好,等特点，在医用材料和包装领域,方面有广阔的前景，所以,乳酸发酵的研究开发前景,很宽广。,54,第四节 丙酮酸,丙酮酸,(Pyruvic aicd)，学名,2-氧代丙酸,、,乙酰甲酸,。分子式C,3,H,4,O,3,，结构式：,CH,3,COCOOH，相对分子质量88.06,。,55,一、用途,1、,丙酮酸,是合成多种其他产品的,前体,例如丙酮酸是合成某些氨基酸，如L-色氨酸、L-酪,氨酸、L-多巴、L-亮氨酸、L-半胱氨酸的重要前,体。丙酮酸还可用于合成维生素B,6,、B,12,。,2、,丙酮酸在工业上的应用,在工业上，丙酮酸是制备,氢化阿托酸(是布洛芬,类包括布洛芬、酮基布洛芬、苯氧苯丙酸等非甾体,抗炎药的母核,）,，和合成,乙烯系聚合物,的原料。丙,酮酸及其盐类还可以作为,食品添加剂,广泛应用于,食,品和酿酒工业。,56,3、,丙酮酸在医学领域的应用,丙酮酸,有很强的,抗氧化作用,，它有利于,防止自,由基,的形成。,丙酮酸,与,乳酸,组成,抗氧剂,，,能降低对,细胞的伤害,。,丙酮酸盐,已用于,太阳灼伤、痤疮,等的,治疗。,在体育运动中,，,丙酮酸盐,有助于,恢复运动员所,受的微小损伤，提高机体的耐受性,。此外，,丙酮酸,可与,乳酸及锂,构成,人工胰脏,，作为,体外传感器,，测,量,乳酸和葡萄糖,的含量。,57,4、,丙酮酸的最新用途是应用于减肥方面,美国匹兹堡大学医学研究中心经过27年的广泛,研究和临床试验发现,丙酮酸钙,有助于提高,脂肪降,解,，降解率可达48，而对体内的,蛋白质,降解可,控制至,最小程度,。该产品荣获1997年度美国医药,发明奖，1998年度又成为,全美减肥品,销量冠军。,58,丙酮酸钙,具有,减肥效果,主要是因为丙酮酸有助于,防止脂肪过量储存,。食物被消化后，进入血液以被,吸收，这时身体分泌,胰岛素,，用来储存碳水化合,物。,如果分泌太多的胰岛素，血液中过量的葡萄糖,转化为脂肪。,丙酮酸,有助于将血液中过量的,葡萄糖,吸入细胞,，从而保持,低浓度的血糖,，并,减少胰岛素的分泌,。,胰岛素量下降,，,转变为脂肪储存的碳水化合物量就,会减少。,59,二、产生丙酮酸的微生物,据文献记载，自20世纪50年代以来，人,们开始探索,发酵法,生产,丙酮酸,。研究的,微生,物,很广泛包括：,酵母菌、担子菌、霉菌、放,线菌、细菌等，,不再一一详细介绍,。,60,第五节、苹果酸,苹果酸,(malic acid)，学名,羥基丁二酸,，结,构式：CH,2,(COOH)CH(OH)COOH ,分子式,C,4,H,6,O,5,，相对分子质量134.09。,61,一、用 途,苹果酸,的主要用途可以分为,食用,和,非食用,两方面。,1、,食用方面,主要用做食品的,酸化剂,，特别是,软饮料和硬糖,。,由于苹果酸具有,很好的酸味,，,价廉物美,。这方面,用途正在不断增长。,2、,非食用方面,包括,医药、化妆品、洗牙液、螯合剂,(金属清洁剂),和缓冲剂,；纺织工业用做,阻凝剂,。还是,有机合成原,料。,62,二、用微生物技术生产苹果酸,用微生物技术生产苹果酸有两类方法，一类是,发,酵法,，一类是,固定化细胞法,。,1、,微生物发酵法,适用于发酵法生产苹果酸的菌种有,米曲霉,、,黄曲,霉、寄生曲霉以及短乳杆菌。,由于延胡索酸是苹果酸的真正前体，因此在微生,物发酵中,苹果酸,是由,延胡索酸,经,延胡索酸酶,(或延胡,索酸水化酶)的作用经过,三羧酸循环,而形成的。,63,（）采用,曲霉,经好氧发酵生产,苹果酸,。,这些曲霉菌种从10的糖溶液中形成的苹果酸量如,下：由,麦芽糖及葡萄糖,得4；由,果糖、蔗糖、甘油及山,梨醇,得3.4,3.6；由,半乳糖、淀粉、甘露糖及糖蜜,得,2.4,3.1；由,木糖,约得1.9。,Mn,2+,、Al,3+,及Cr,4+,促进苹果酸的形成。,发酵初期先达到足够的菌丝量，这时的培养温度为,35，然后保持在28直到形成约5的苹果酸。在培养,液内加入约6的CaCO,3,，发酵产生的,苹果酸,就以,钙盐,形,式,沉淀,下来。,64,（）,顶青霉生产苹果酸,顶青霉,由,D-木糖,除形成D-木质酸以外，还能形,成较大量的,L-苹果酸,。由10g的D-木糖会形成2.1g,D-木质酸及520mgL-苹果酸。,（）,短乳杆菌生产苹果酸,短乳杆菌,能在25,28时，CaCO,3,存在的条件,下，约20h内，由,延胡索酸形成高产量的苹果酸钙,。,（）,根霉与酵母混合发酵生产苹果酸,先用,根霉,形成延胡索酸，接着用膜醭毕赤氏酵,母转变成L-苹果酸。,（）,聚乙二醇,可促进苹果酸的生成,当加入聚乙二醇于发酵基质中，霉菌所形成的延,胡索酸的95左右会转变成苹果酸。,65,2、,用固定化微生物细胞生产,利用固定化的,氨基短杆菌细胞,，可从反丁烯二,酸生产,左旋苹果酸,，药用级苹果酸收率约70。,在此法中先将,氨基短杆菌,细胞用,聚丙烯酰胺,固,定。细胞在生理盐水中的悬浮液与丙烯酰胺和适当,的交联剂以及聚合促进剂混合，所得凝胶制成直径,3mm的颗粒,洗涤后,浸泡在约含0.3牛胆汁的,1mol/L,反丁烯二酸钠,中，溶液保持在37、20h，,经此处理的细胞即用做反应柱的填料。加料是,1mol/L的,反丁烯二酸钠,，在37通过反应柱，用,通常的方法从流出物中分离,苹果酸,。,66,此法在柱式,反应器,中于37进行，,牛胆汁,可提高,反丁烯二酸,盐的,活性和抑制,生成丁二,酸副产物。用100L反应柱，进料流速为,200L/h，可以生成理论收率为15.4td的左,旋苹果酸，但实际生产中只能达到理论量的,70左右。,67,第六节、衣康酸,衣康酸,，又称为,甲叉丁二酸,、,分解头酸,，,学名,亚甲基丁二酸,。结构式：,CH,2,C COOH ， 分子式C,5,H,6,O,4,，,CH,2,COOH,相对分子量130.10。,68,一、用 途,1、,是制造多种有机化合物的添加剂和原料,衣康酸及其酯类,是制造,合成树脂、合成纤维、塑,料、橡胶、离子交换树脂、表面活性剂、高分子螯,合剂等的良好添加剂和单体原料,。它作为,交联剂和,乳化剂，,在含量为1,5时，生产的苯乙烯-二烯,共聚物是,质轻、易塑、绝缘、防水、抗蚀性能均好,的塑料和涂料,。用玻璃纤维填充则是一种高强度玻,璃钢，可用于制作,车、船和飞机的外壳及各种容器,69,2、,粘结剂,含,衣康酸,的,丙烯酸胶乳,可以作为非织造纤维的,粘结剂,。含,衣康酸单体的聚氯乙烯,显示对纸张、,赛璐吩,和,聚对苯二酸乙二醇薄膜,的粘着性增强。,聚丙烯晴纤维,中含少量的,衣康酸,，就能大大改善,其,染色性能,，使着色加深。,在,衣康酸-丙烯酸,制成的,牙科粘合剂,中，加入,多价金属氧化物,(如,锌和镁的硅铝酸盐或氧化物,)，,具有良好的,抗压性能和粘结强度,，并有很好的,生,理适应性。,70,3、,是制造宝石的原料,衣康酸聚合物,有,特殊光泽，透明,，适合于制造,人造宝,石和特种透镜,，以及防水性能良好的抗化学剂和涂料等。,4、,可做除垢剂,衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子螯合剂，用于作,为,水处理中的除垢剂,，对防止,碱性钙、镁垢,的形成特别有,效。加到,海水蒸发脱盐体系中,，有效成分为0.5,10mgL,时，就能有效抑制水垢在蒸发器表面的形成与附着。它用,于锅炉、水冷却器等系统的,在线清洗,，,在设备不停止运行,的情况下，就能除去较厚(0.01,1.7mm)的垢层。,71,5、,可用于水处理,在处理水时，无令人不愉快的气味，可以与其,他化学处理剂，如碱剂NaOH、KOH、吗啉或环己,胺，缓冲剂磷酸盐、三乙醇胺，以及有机酸盐、螯,合剂EDTA和杀菌剂次氯酸钠等配合使用，以达到,不同的目的。,6、,是润滑剂的增稠剂,由,衣康酸,与,芳香二胺,生成的,毗咯烷酮,衍生物，是,润滑剂,的,增稠剂,等。,72,由于,衣康酸,的毒性，几乎没有人将它用在制药,工业及食品工业中。,尽管,衣康酸,有着很大的潜在应用价值，但它迄,今只有少量得到应用。,因为顺丁-烯二酸及反丁-烯,二酸在很多情况下和衣康酸有其类似的性质而能代,替它。,衣康酸的最大用途为造纸业,。,73,二、衣康酸的发酵法生产,1、,浅盘法,：,类似于,柠檬酸,所采用的，用,土曲霉孢子,接种过的营养,液(大部分是糖蜜)在30,32下培养，并在表面上良好通,风。最初的pH为1.9,2.3,；霉菌的,培养,约持续12天，直到,发酵完成。在过滤后将培养液蒸发到原始体积的1/10。冷,却后酸结晶出来并用离心法分离，其产量约为投人糖量的,70一75。,74,2、,深层法：,在通气的深层培养中，采用加玉米浆的含糖溶,液，以,土曲霉,为菌种，其最适PH为1.8,2.2,。采用,衣康酸曲霉,为菌种，pH为4.0,4.4。大部分生产是,采用土曲霉；用木材水解液常用衣康酸曲霉。开始,的糖浓度为6，但能提高到15。发酵时间持续,23天，其糖转化率为60,65，产酸浓度6,8。在一种,两级,的,深层发酵,中，,在第一级尽量,长菌体，然后将菌丝体转入一个新发酵罐中进行,生产衣康酸的发酵。,75,也有人报道过用连续法生产,衣康酸,，该法以二,级发酵进行，转化率为60。,用离子交换树脂可很好地将培养液中的,衣康酸,分离出来。发酵液中有很多其他的物质，例如,赤藓,糖醇、琥珀酸、酮戊二酸及一些不饱和脂肪酸，,都可作为副产品。,76,三、产生衣康酸的菌种,衣康酸,的工业生产菌种主要是属于,土曲霉,群,的,土曲霉,和属于,灰绿曲霉群,的,衣康酸曲,霉,。两群都属于,半知菌纲，丛梗孢目，丛梗,孢科,：两者除了都高产,衣康酸,之外，在其他,方面没有多少共同之处。另外，近来日本一,些研究者对酵母的,衣康酸,发酵进行了研究，,但还无,工业规模生产,的报道。,77,第七节,-亚麻酸、二十碳五烯酸(EPA)和 二十二碳六烯酸(DHA),-,亚麻酸,，学名：全顺式-6,9,12-十八碳三烯酸；商品,名称有:,真菌油脂、三呜养生王、真菌降脂素,等。,-,亚麻酸,是,多不饱和脂肪酸,，具有,3个双键,，,双键的顺,式构象使,-,亚麻酸的碳氢链几乎成一直线。,一般表达方式为18:3,第一个数字表示碳原子数，冒号,后边的数字表示双键的个数；,-,亚麻酸的分子式为,C,18,H,30,O,2,相对分子质量为278.4。EPA表达方式为,20:5,，DHA为22:6,。,78,一、生理功用,巳发现EPA和DHA在,预防和治疗动脉粥样硬,化、血栓形成和高血压，气喘、关节炎、周期性,偏头痛、牛皮癣、肾炎，乳腺、前列腺和结肠癌,等方面有很好的生理功能,。所以这两种脂肪酸已,被广泛用于,营养保健,方面，但天然EPA和DHA通,常只在,海洋动物,和,海洋浮游植物,中含量丰富。,目前市场上供应的这类多不饱和脂肪酸的惟一,来源是,深海鱼,及其,鱼油,。,79,-,亚麻酸,(GLA),是人体必需的脂肪酸之一,，国外,有些报道称为,维生素,F，由于它在医学方面的重要,性，所以除了作为营养保健品之外，当前的发展动,向主要朝向,医药方面,，因此，大量的资料报道了,-,亚麻酸在,代谢调控,中的作用，以及对许多,疾病调控,的机理。,-,亚麻酸,在人体内由,亚油酸,转化而来，,-,亚麻,酸,是人体合成,前列腺素,的前体，因此,-,亚麻酸,的,缺,乏,会导致人,体内分泌代谢机能的显著紊乱,。,-,亚,麻酸,在医学上的用途表现在以下几个方面：,80,1、,改善心血管障碍,包括降低胆固醇水平、降低血压、降低甘油三,酯、增强血小板凝集。,2、,糖尿病综合征,3、,癌症,已经有实验表明,-,亚麻酸对某些肿瘤细胞有,的,细胞毒性,，主要对,腹水瘤、淋巴瘤、乳腺癌、胰,腺癌、肝癌、骨肉瘤及食管瘤细胞的生长有明显的,抑制作用。,4、,生殖紊乱,包括乳房疼痛和月经前综合征。,5、,皮肤病,湿疹和普通鳞癣病。,81,6、,抗病毒感染,能增强内源性防御以抵抗病毒的袭击。,7、,抗衰老等,。,-,亚麻酸之所以具有重要的生理功能，是因为,它是人体内,细胞膜的必需组分,，,并且赋予细胞膜柔,韧性、流动性和选择通透性,。因此，一旦细胞膜缺,乏,-,亚麻酸,等必需脂肪酸，就会丧失了,细胞膜,固有,的特性而引发许多疾病。所以,-,亚麻酸,的,生理功能,是一种,结构功能,。,82,二、产生EPA、DHA和GLA的微生物,能产生一定量EPA的微生物有,较低级真菌,中的,藻状菌纲,和,藻类,。,高山被孢霉,在12的,低温条件下，可积累,总脂肪酸量15,以上的,EPA。,一种分离自海岸边水中的,金色破囊壶菌,，,是一种,海生真菌,，是目前已知的含DHA最高,的真菌。,83,已发现许多,海藻,能产生较多量的EPA，但淡水,藻中几乎不含有值得开发的,藻类,。,用于发酵生产,-,亚麻酸,的微生物主要是一些,低,等的丝状真菌,，大多分布于,接合菌纲,中，已报道的,有：,被孢霉属、根霉属、小克银汉霉属、毛霉,属、枝霉属等,。,84,第八节、乙 醇,乙醇，商品名酒精，,分子式C,2,H,6,O,结构式,CH,3,CH,2,OH，相对分子量46.07，是一种具有,香味而刺鼻的无色透明液体。,85,一、用途,乙醇是重要的,轻化工原料,，也是,酒精饮料,的基,本成分，从长远看又是一种,重要的能源。,1、,溶剂,：,乙醇,是重要的,有机溶剂,，用在,卫生用品,和,药,品、洗涤剂、工业加工溶剂、专用溶剂和稀释,剂、表面涂料溶剂,等六个方面。,86,美国，用量最大的是,卫生用品,，占溶剂总用,量的40,，其次是,专用溶剂,，占24,洗涤剂,占,22，,工业加工用溶剂,占12。,西欧则大部分消费在,化妆品,及,卫生用品,方面。,近年来乙醇用于,洗涤剂,和,液体去垢剂,的量增长,很快，用于,化妆品,的量也有相应增长。法国、意大,利对,合成乙醇,在,医药,和,化妆品方面,的应用做了,限,制。,87,2、,基本化工原料,：,乙醇,是重要的,基本化工原料,，,300种,以上产品需,要乙醇。,目前化学用,乙醇,总量的增长率主要取决于,乙酸乙,酯,和其他,乙基酯类及乙二醇酯类,的用量,。,88,3、,能源,多年来，乙醇已在一些国家作为,汽车燃料,的一种,掺和剂,。,我国非常重视,“燃料酒精”,的发展，而且,前,景越来越好。,4、,勾兑白酒,我国的,发酵法乙醇,则大量用于,勾兑白酒,，,每年用量达,200余万吨,。,5、,乙醇,还是,其他,各种酒类,的主要成分。,89,二、微生物发酵法生产乙醇,随着,石化工业,的迅速发展，,合成法乙醇,的,产量很大，但,合成法乙醇,中夹杂的,异构高碳,醇,对人的,高级神经中枢有麻痹作用,，,不适宜,制作,饮料、食品、医药和香料,等。,因此发酵,法乙醇不可能全部被代替，美国始终保持在,总产量的10左右,，,我国则主要为发酵法乙,醇。,（一）可以采用的原料：,90,1、含,淀粉,的原料,谷物类,：特别是玉米、稻米；,薯类,：如马铃薯、甘薯和木薯等。这些基质,在发酵前必须先经,-,淀粉酶液化,，,糖化酶糖化,，,或,边糖化边发酵,。,2、含,糖,原料,如,糖蜜、木糖、乳清,等,无须预先糖化就可直接,接入酒精酵母直接发酵。,3、一些含有,淀粉或糖类,的,残渣残液,。,91,（二）,生产乙醇的菌类,发酵法生产乙醇一般采用,酿酒酵母,及其亚种、,粟,酒裂殖酵母、克鲁维酵母、运动发酵单胞菌,等，,酿,酒酵母,是主要的。,、,对菌种的要求,原材料不同，对菌种的要求也不同。一般对酵母,的要求为：,（1）,发酵能力高，繁殖速度快,：,这样能很快达到需要的,细胞密度,，,快速并完全地,将,糖分,转化为,乙醇,。,92,（2）,要具有高的耐乙醇能力和忍受较高的渗透压,：,这样就可以采用,浓醪发酵,产生,更高浓度的乙醇,。,（3）,对杂菌抵抗力强，耐温、耐盐、耐有机酸能,力强，对培养基的适应性强，发酵稳定。,（4）对于,采用糖蜜发酵的菌株,还应在,含高浓度灰,分和胶体物质的糖液中,正常快速地生长繁殖并进,行乙醇发酵。还能有较高的,耐酸和耐温,的能力。,93,2、含乙醇酒类对菌种的要求,应该特别指出的是上述讲的是指生产乙醇而非生产含,乙醇饮料和酒类，发酵生产这些产品的菌种要求是不同,的。如啤酒酿造所用的,卡尔斯伯酵母,的评估与筛选就有自,己的标准。内容有：,（）细胞的形态：为圆形、卵形或椭圆形。,（2）细胞大小：倾向中小型细胞的菌株。,（3）繁殖速度：选择繁殖速度快的菌株，15平均世代,时间应8小时。,（4）细胞密度：6.0,10,7,8.0,10,7,个/ml，密度大的菌株,发酵速度快；,94,（5）同化能力强,：,对麦汁的,-,氨基氮同化能力强，同化,率为60,75。,（6）发酵力强：对麦汁中麦芽三糖的发酵率70以上。,另外，还应选择,凝聚性中等或强,；对于粉末型酵母沉,淀能力应选择发酵后沉淀结实；双乙酰峰值低和还原速,度快的菌株；挥发性风味物质的产生与啤酒风味适应等,的菌株。,食品中的乙醇发酵不仅仅是产生“酒”，还应伴随着风,味物质的合成。啤酒如此，白酒、葡萄酒、黄酒等也应,如此。,95,3、发酵单胞菌的特点：,（1）发酵速度快,由于,单位体积的细胞数较酵母大10倍以上,，所以,比表,面积要大,，这样糖的,吸收速度要比酵母快1,2,倍，,酒精产,生速度就快得多。,（2）糖转化酒精率高,由于代谢途径的差异，糖转化酒精率比酵母高，每消耗,1mol葡萄糖可生成1.9mol酒精,；,正常发酵温度为36,37,，比,酵母高6,7,，有利于高温发酵的进行。,但细菌发酵生产还不成熟，还要进行深入研究,。,96,（三）乙醇发酵的工艺技术,原料不同，采用的工艺技术也不同。,、采用具有,糖化,和,发酵,两类酶系统,的菌种,可以直接采用,淀粉质原料和糖类,直接发酵；,2、采用一般的酒精酵母和细菌，,淀粉质原,料必须先糖化。,所有酒精发酵都应采用,厌氧,发酵工艺。,97,第九节、丙三醇,丙三醇,(propane-1,2,3-triol)俗称,甘油,(glycerol)，是一种最简单的三元醇。,分子式C,3,H,8,O,3,， 结构式CH,2,CHCH,2,，,相对分子量92.09。 OH OH OH,98,一、用途,丙三醇,是,广泛,用于国民经济各个部门的重要有,机化工产品。它具有,沸点高,、,粘度高、吸湿性好、,溶解性好,等特性，因而成为,性能优异,的,吸湿剂、抗,冻剂、润滑剂、溶剂或助剂。,丙三醇分子中的三个,羥基,的,多功能作用,能与多,种物质反应，是,醇酸树脂、聚氨基甲酸脂、赛璐玢,和炸药,的,重要原料,。,99,（一）丙三醇的应用：,1、,食品工业,甘油,易于消化而无毒,，可用做,食品工业,的溶,剂、吸湿剂和载色剂。,在,调味和着色,食品中，由于甘油具有粘性而有,助于食品成型。,在,食品的快速冷冻,中，甘油可用做与食品直接,接触的,传热介质,。,甘油还是食品加工和包装机械的,润滑剂,。,此外，,聚甘油,和,聚甘油脂,在制造,松脆食品,和,人,造奶油,方面的应用正逐年增加。,100,2、,药物和化妆品,甘油在,药物和化妆品,制造中常用做,软化剂、粘,度改进剂和溶剂。,例如：凝胶和软膏中的,淀粉甘油,以及,麻醉药,、,止咳药,中均有甘油存在。,甘油衍生物,如,甘油创木酚,可用做,镇静剂,，,硝化,甘油（速效救心丸）,是,冠状动脉痉挛,中的一种,血管,扩张药,等。,化妆品,中甘油广泛用于,雪花膏、洗涤剂和牙膏,的配方中。,101,3、,烟草,在烟草加工中，喷涂,甘油,能,防止烟叶碎裂,，增,加烟草的,甜味和防止脱水,。,4、,润滑剂,甘油比其他矿物油的,耐氧化性能更好,，所以在,特殊场合(例如：氧气压缩机；耐苯耐汽油的轴承,等)中