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第1节微生物发酵及其应用,课程目标导航,1.说出微生物发酵生产的基本过程。2.举例说出微生物发酵与食品生产的关系。3.参与有关微生物发酵的调查活动。4.通过发酵工程发展的历史，体验科学、技术、社会三者间的紧密联系和互动。,知识点1发酵工程史话,知识梳理,1.四千年以前，我们的祖先就会利用将谷物发酵成酒类。2.1857年，法国微生物学家巴斯德用实验证明，酒精发酵是由活的引起的。3.1897年德国毕希纳进一步发现了在酵母发酵中的作用。4.20世纪40年代初，弗洛里和钱恩与许多科学家合作，研究出大规模生产的方法。,微生物,酵母,酶,青霉素,5.20世纪50年代起，发酵工业、酶制剂工业、多糖和维生素发酵工业相继诞生。6.20世纪70年代以后，获得具有特殊生产能力的基因工程菌发酵产生、等。,氨基酸,胰岛素,生长激素,活学活用,1.在将鲜牛奶制成酸奶的过程中，盛鲜奶的容器必须密封的主要原因是防止(),A.空气进入容器B.产生的乳酸分解C.水分过度蒸发D.灰尘掉入容器思维导图：,解析酸奶中含有乳酸，而乳酸是无氧呼吸产物，有氧存在时会抑制乳酸的生成。故制酸奶时容器应密封。答案A归纳总结发酵对周围环境的物理和化学条件十分敏感，任何一种微生物发酵均需要适宜的温度、pH、溶解氧、营养物质等，保证最适的发酵条件是发酵成功获得高产产品的关键。,2.下列不需要利用发酵工程的是(),A.生产单细胞蛋白饲料B.通过生物技术培育可移植的皮肤C.利用工程菌生产胰岛素D.工厂化生产青霉素思维导图：,解析生产单细胞蛋白是利用发酵工程生产微生物菌体本身的过程。利用工程菌生产胰岛素和工厂化生产青霉素是利用发酵工程。通过生物技术培育可移植的皮肤是利用细胞工程的动物细胞培养。答案B反思领悟发酵工程应用已非常广泛，现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸等，还生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物。,归纳总结,(1)原始发展时期人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的生产实践中，积累了丰富经验。最初可能是人类发现储存水果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。相传，在埃及和中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿酒。我国利用微生物进行谷物酒类发酵，至少是在四千年前的龙山文化时期。在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的记载。随着社会的发展，又出现制酱和酱油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵。,这个时期，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。在几千年的文明史中，人们只知道这样做可以得到所需的东西，并不知道其中的原理。(2)传统发酵工业时期1857年法国微生物学家巴斯德通过实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的。1897年德国的毕希纳进一步发现，即使将酵母磨碎，仍然能使糖发酵形成酒精，他将这种具有发酵能力的物质称为酶。从而人们才开始了解发酵现象的本质。,从19世纪末到20世纪30年代，随着人们对微生物世界认识的不断深入和发展，利用微生物生产的新产品不断出现，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。这些产品的生产，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，规模一般不大，因此被称为传统发酵工业。,(3)现代发酵工业时期1928年，弗莱明发现青霉素能杀菌。青霉素的发现和工业化生产，给人们带来巨大启迪。不久，链霉素、金霉素、土霉素等相继问世，从而兴起了一个新的工业抗生素工业。生产抗生素的经验和设备很快被引用到其他发酵产品的生产上，极大地促进了这些产业的迅速发展，从而形成了一个全新的产业现代发酵工业。,20世纪50年代的氨基酸发酵工业，60年代的酶制剂工业，70年代的多糖、维生素发酵工业，70年代以后生物大分子发酵技术相继诞生。这个时期生产技术要求高(由于多为好氧纯种发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件)；生产规模大(用于青霉素生产的搅拌通气发酵罐的体积达到500m3，单细胞蛋白生产用的气升式发酵罐已达到2000m3)；技术发展速度快。因此，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。,(4)生物技术产业时代现在人们可以将源于动物或植物，甚至源于人的基因转移到诸如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等微生物中，获得具有特殊生产能力的基因工程菌。由于基因表达的产物均为蛋白质，因此在工业上利用基因工程菌大规模生产的产品，主要是用于治疗各种疾病的药物，又称为基因工程药物(如人胰岛素、人干扰素、人生长激素等，大约有40多种)，同样也可以用于不同目的的酶(比如用于将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡萄糖异构酶，用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗衣粉中的碱性蛋白酶等等)。除了利用基因工程开发新的产品外，利用基因工程对传统发酵和现代发酵工业上使用的菌种进行改造，也获得了巨大成功。,知识点2发酵生产过程探秘与食品生产,知识梳理,1.发酵,是利用在适宜的条件下，将原料经过特定的转化为人类所需要的产物的过程。,2.原理,不同的微生物具有产生不同的能力。例如：谷氨酸棒状杆菌发酵可以生产；黄色短杆菌发酵可以生产。,微生物,代谢途径,代谢产物,味精,赖氨酸,3.发酵过程,(1)选育菌种：可采用自然界选种、_育种、_育种等。(2)配制培养基：根据微生物的营养需要提供、氮源、无机盐和水。(3)灭菌：培养基和发酵设备均需严格灭菌。(4)扩大培养和接种：大规模生产中需要使达到一定数量；将菌种接种到培养基上，接种时防止杂菌污染。(5)发酵罐内发酵：要随时检测发酵进程，要及时满足需求，还要严格控制、pH、等发酵条件。,诱变,基因工程,碳源,生长因子,菌种,营养,温度,溶解氧,4.生产日常食品5.生产食品添加剂,(6)分离、提纯产物：如果产品是菌体，可采用、沉淀等方法；如果产品是，可采用提取、和纯化措施来获得产品。如馒头、面包、泡菜、等。如味精、醋、酱油等调味剂，各种食品营养增强剂，食品防腐剂，。,过滤,代谢产物,分离,腐乳,葡萄酒,食品色素,活学活用,1.19世纪初，德国一位科学家发明了微生物分离与纯化技术，开创了人为控制微生物的时代。这位科学家是(),A.科赫B.施莱登C.施旺D.达尔文解析1905年德国微生物学家科赫建立了微生物的培养技术，故选A。答案A,2.1857年，微生物学家发现了发酵原理后才逐步形成了发酵工程，这位微生物学家是(),A.巴斯德B.拉马克C.列文虎克D.科赫解析1857年，微生物学家巴斯德通过实验证明酒精是由活的酵母引起的，发现了发酵的原理。答案A,归纳总结,1.好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明,(1)选育菌种根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。,(2)扩大培养,(3)配制培养基在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。培养基中应包含微生物需要的营养物质如碳源、氮源、生长因子、无机盐和水等。配制培养基的原则：目的明确、营养物质协调、pH适宜。如培养基中C/N比影响代谢：C/N4时，细菌繁殖较快；真菌在C/N10时，生长较快。谷氨酸发酵生产时，C/N4时，菌体繁殖快、产物少；C/N3时，菌体繁殖慢、产物多。细菌适宜pH约为4.56.0。,(4)灭菌现代发酵工业绝大多数采用单一菌种发酵，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌，并进行无菌操作，一般采用高压蒸汽灭菌法。(5)接种将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中，菌种的体积与发酵罐的体积比约为110。,(6)发酵罐内发酵发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，以满足微生物的营养需求。同时，要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。这是因为环境条件的变化，不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成。(7)分离、提纯产物将发酵液中的发酵产物进行分离纯化，是制取发酵产品不可缺少的阶段。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离，干燥即可得到产品。如果产品是代谢产物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。,2.影响发酵的因素,(1)菌种发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精的微生物是谷氨酸棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。为了利用发酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。,(2)纯种发酵与灭菌现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。(3)发酵培养基现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降。使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。,(4)温度对微生物生长的影响温度主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。一方面，随着温度的升高，细胞内的酶反应速度加快；另一方面，随着温度的进一步升高，生物活性物质(蛋白质、核酸等)发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微生物都有最适生长温度。,(5)pH对微生物生长的影响培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化，以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收；pH也会影响生物活性物质，如酶的活性。与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.09.0范围内。真菌生长的范围宽，细菌较窄(pH在3.04.0范围内)，细菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母菌、霉菌适应于偏酸性环境。,(6)溶氧的影响工业上大部分为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、多糖、有机酸(细胞发酵生产乳酸例外)等发酵均需要往发酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发酵，发酵过程不需要氧。发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括以下三方面。生产传统的发酵产品：如啤酒、果酒、白酒和食醋等，使产品的产量和品质得到明显的提高，特别是酒精饮料，是食品发酵工业中产量最大的一类产品。乳制品是仅次于酒精饮料的第二大食品发酵产品，其中酸奶是主要产品之一。,生产各种各样的食品添加剂(如下表)，改善了食品的品质及色、香、味。,随着人口的增长，粮食短缺已成为困扰人类的社会问题之一，而发酵工程的发展将为解决这一问题开辟新的途径。研究表明，微生物中含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%80%，酵母菌的蛋白质含量占45%65%，而且它们生长繁殖的速度很快。许多国家通过发酵获得大量的微生物菌体，这种微生物菌体就叫单细胞蛋白。单细胞蛋白用作饲料，能使家畜、家禽增重快，使产奶或产蛋量显著提高。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。,除以上所述，发酵工程在生产生物杀虫剂、生物肥料和微生物除草剂等农用生产物资以及在生物能源开发方面也发挥了重要作用。此外，发酵工程也应用于生物冶金(如铜、铀、钴、锰等)。,
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