内容正文：
第3节 发酵工程及其应用
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从社会中来 P22
青霉素的生产
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。其发现者亚历山大·弗莱明（英国1881-1955。青霉素之父）在1945年获诺贝尔生理学医学奖。
早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢?
发酵工程（微生物工程）
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一
发 酵
人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
利用微生物，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
发酵工程（微生物工程）
直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。
传统发酵技术
一、什么是发酵工程
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一、什么是发酵工程
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一、什么是发酵工程
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1.5.1 山楂原料处理
选取成熟度高、色泽红艳、风味浓郁的豫北红山 楂果，除去腐烂果、虫蛀果及枯枝落叶等杂质。用清水洗去果实表面的尘土，捞出沥水，然后用破碎机将山楂果破碎，尽量不破碎果核，并尽量把果核去掉。
1.5.2 酒精发酵
把破碎后的山楂果肉按质量比添加 2 倍的饮用 水，加入 0.01 %的果胶酶，在 40 ℃条件下酶解 3 h。依 次加入白砂糖和果酒酵母进行调配，温度控制在 20 ℃~ 28 ℃，进行酒精发酵。接种 2 d~3 d 后进入主发酵期， 主发酵期一般维持 7 d~9 d，其间果酒酵母发酵旺盛， 酒精产生速度适中。
1.5.3 分离澄清
主发酵结束后，将山楂酒与果渣用滤网为 60 目~ 80 目的过滤机分离过滤。分离过滤出的山楂酒液进行密封，置于避光处，自然静置陈酿（一般 3~6 个月，甚至更长）。过滤得到山楂发酵果酒。分离出来的果渣进行二次发酵或蒸馏酒精回收[6]。
1.5.4 醋酸发酵
醋酸发酵时所使用的酒液酒精含量不宜过高，过高会抑制醋酸菌发酵[7]。先把静置澄清的山楂酒稀释成酒度为 4 °～6 °，接入醋酸菌，在恒温震荡培养箱里 进行发酵[8]。醋酸发酵是有氧发酵，用透气纱布封口发 酵容器，在震荡培养箱里进行震荡培养。经醋酸发酵， 当总酸含量不再升高、酒精度不再降低时，说明醋酸 发酵阶段结束。
1.5.5 分离调配
分离底部沉积物与上层果醋液，加入 0.3 %~0.4 % 的食盐，进行调味和抑制杂菌和醋酸菌，防止果醋继续发酵生成 CO2 和 H2O。
1.5.6 精滤
果醋贮藏陈酿一段时间后要及时进行过滤，以免 影响果醋的品质。
1.5.7 装瓶 过滤好的山楂醋经检测总酸含量符合产品标准之后，感官要求无悬浮物、无沉淀、无杂质，然后灌装封 口为成品。
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一
发 酵
人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
利用微生物，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
发酵工程（微生物工程）
特点：
1）菌种纯、产量大且质量稳定；
2）高度自动化控制 。
直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。
传统发酵技术
基础：
1）微生物纯培养技术的建立
2）密闭式发酵罐的成功设计
一、什么是发酵工程
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菌种来源
①自然界中筛选
②诱变育种
③基因工程育种
选育菌种
产柠檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期
1）发酵工程选用的菌种时需要考虑哪些因素?
①大量高效合成目的产物(副产物少)；
②菌种遗传特征稳定、耐受力强；
③能在低成本的培养基上快速生长繁殖；
④发酵条件易控制 。
（常规菌）
（工程菌）
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可通过哪些途径获得发酵工程使用的优良菌种?
二、发酵工程的基本环节
扩大培养
快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
目 的：
2）菌种扩大培养的最佳时期？
将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
1）扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养。
液体
液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
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获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养？
二、发酵工程的基本环节
配制培养基
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。
配置培养基要遵循的原则：
②营养物质满足微生物的需要；营养物质的浓度及配比合适；物理、化学条件适宜；经济节约等。
①应包括微生物生长所需的碳源、 氮源、水、无机盐及特殊营养要求。
③要经过反复试验才能大规模应用。
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二、发酵工程的基本环节
灭 菌
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
对象：培养基和发酵设备
目 的：
①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。
②灭菌的原因：
杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。
③实例：
在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。
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二、发酵工程的基本环节
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
接 种
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二、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3 阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
—发酵工程的中心环节！！！
发酵罐发酵
装置编号 主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
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二、发酵工程的基本环节
发酵罐发酵
1）发酵过程的监测与调控：
- 要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
- 及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物；
- 严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，已获得所需的发酵产物。
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—发酵工程的中心环节！！！
温度：原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。
方法：常用冷却水进行温度的调节
pH: 原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。
方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。
发酵过程中温度和pH会改变吗？如何调节发酵液的温度和pH?
二、发酵工程的基本环节
发酵罐发酵
2）为什么要严格控制发酵条件？
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；
实例——谷氨酸发酵 P23
②严格控制发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态。
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—发酵工程的中心环节！！！
二、发酵工程的基本环节
分离、提纯，获得产品
发酵产物类型 获得产品的方法
微生物细胞
代谢物
分离、提纯产物的方法措施：
过滤、沉淀等方法
适当的提取、分离和纯化措施
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二、发酵工程的基本环节
在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处?
分离、提纯，获得产品
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。
在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、
吸附和离子交换等方法；
在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。
发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。
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二、发酵工程的基本环节
分离、提纯，获得产品
发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理?
不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
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二、发酵工程的基本环节
本节小结
①对发酵工程概念的理解
原理
所用生物
过程
实质
产物
发酵原理和工程学原理
常规菌种、通过诱变育种或基因工程获得的菌种等
通过微生物的大量繁殖获得所需产品
代谢物或微生物细胞本身
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本节小结
②发酵工程基本环节分析
选育菌种
扩大培养
配置
培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
①从自然界中筛选的常规菌种
①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜
①目的：防止杂菌污染
①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
地位：中心环节
②通过诱变育种或基因工程育种获得
②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等
②对象：培养基和发酵罐
②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物
②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施
③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件
③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产
条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖
目的：增加菌种数量
所用培养基：液体培养基或固体培基
①菌体本身：过滤、沉淀
监控
途径
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三、发酵工程的应用
1. 发酵工程的特点：
生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点。
2. 应用：
农牧业
医药工业
食品工业
其他方面的应用
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（1）在食品工业上的应用
①生产传统的发酵产品
大豆蛋白质
霉菌产生蛋白酶
小分子肽和氨基酸
淋洗调制
酱油
谷物、水果
酵母菌无氧条件
酒精+CO2
各种酒类
三、发酵工程的应用
①发芽
大麦种子发芽，释放淀粉酶
②烘烤
加热杀死种子胚
但不使淀粉酶失活
③碾磨
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉
④糖化
淀粉分解，形成糖浆
三、发酵工程的应用
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45-52 ℃：蛋白酶作用
62-70 ℃ 淀粉酶作用（糖化）
【啤酒的工业化生产流程】
⑤蒸煮
⑥发酵
⑦消毒
⑧终止
产生风味组分，
终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期
过滤、调节、分装啤酒进行出售
【啤酒的工业化生产流程】
使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂
形成啤酒优良的泡沫
有利于麦芽汁的澄清
平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲
三、发酵工程的应用
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主发酵：酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成，一般为5-10天。（生啤酒）
后发酵：低温、密闭的环境下储存一段时间，一般1-2个月（熟啤酒）
巴氏消毒法
讨论
1. 与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
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【啤酒的工业化生产流程】
三、发酵工程的应用
2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿” 啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
讨论
【啤酒的工业化生产流程】
三、发酵工程的应用
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
【啤酒的工业化生产流程】
三、发酵工程的应用
②生产各种各样的食品添加剂
（1）在食品工业上的应用
增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期
淀粉
淀粉酶
黑曲霉
葡萄糖
柠檬酸合成酶
柠檬酸
谷氨酸棒状杆菌
发酵
氧气
谷氨酸
处理
味精
三、发酵工程的应用
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（1）在食品工业上的应用
③生产酶制剂
概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
来源：
少数由动植物生产
大多数通过发酵工程生产
应用：
用于食品的直接生产、
改进生产工艺、
简化生产过程、
改善产品的品质和口味、
延长食品储存期和提高产量等方面。
产品：
α-淀粉酶、
β-淀粉酶、
果胶酶、
氨基酸肽酶
脂肪酶等。
三、发酵工程的应用
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（2）在医药工业上的应用
【实例】
①生产抗生素
例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。
②生产多种氨基酸
许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。
三、发酵工程的应用
③生产激素：
利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。
④生产免疫调节剂：
例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。
（2）在医药工业上的应用
【实例】
三、发酵工程的应用
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
（2）在医药工业上的应用
三、发酵工程的应用
【发酵工程生产药物的方法】
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（2）在医药工业上的应用
三、发酵工程的应用
【前景】
青蒿素可治疗疟疾
①从黄花蒿中提取
②生物化学合成
③发酵工程生产
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紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。
（2）在医药工业上的应用
三、发酵工程的应用
【前景】
（3）在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
【原理】
利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
三、发酵工程的应用
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（3）在农牧业上的应用
②生产微生物农药
利用微生物或其代谢物来防止病虫害。
【原理】
三、发酵工程的应用
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项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理
优点
缺点
利用微生物或代谢物进行防治
成本低、无污染，可以维持生态平衡
防治速度慢
利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治
见效快，操作简单
成本高，污染环境，不利于维持生态平衡
微生物农药防治和化学农药防治的比较
三、发酵工程的应用
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（3）在农牧业上的应用
③生产微生物饲料
微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。
单细胞蛋白：
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体。
用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；
单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快，产奶量或产蛋量高。
青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
三、发酵工程的应用
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（4）在其他方面的应用
对纤维素水解研究，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义。
三、发酵工程的应用
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（4）在其他方面的应用
嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
三、发酵工程的应用
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发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
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