1.3 发酵工程及其应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 高中生物选择性必修3 生物技术与工程 1 基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。（科学思维） 2 认可发酵工程在生产上重要的应用价值。（社会责任） 3 根据发酵产品和利用微生物的不同，讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。（科学探究） 学习目标 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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。 讨论：那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 青霉素 P22 从社会中来 情境导入 SZ-LWH 抗生素等抗菌剂的抑菌或杀菌作用，主要是针对“细菌有而人（或其他动植物）没有”的机制进行杀伤，主要包含以下作用机理，即：抑制细菌细胞壁合成，增强细菌细胞膜通透性，干扰细菌蛋白质合成以及抑制细菌核酸复制转录。 青霉素 情境导入 SZ-LWH 工业上，青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进行：首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育；然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基进行灭菌；在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培 养液中，控制温度、pH、溶解 氧等发酵条件进行发酵；发酵 结束后进行青霉素的分离、提 纯，就可以得到大量青霉素。 P22 从社会中来 情境导入 SZ-LWH 5 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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。 讨论：那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 青霉素 选育高产菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 P22 从社会中来 情境导入 SZ-LWH 发酵工程的概念 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 第3节 发酵工程及其应用 1 2 3 目 录 SZ-LWH 传统发酵食品：利用天然菌种，存在 、 ， ， 。 传统发酵食品制作过程中存在哪些问题? 菌种差异 杂菌情况不明 发酵过程控制缺乏标准 工业大规模生产：先通过微生物培养技术获得 菌种，再将它们接种到物料中进行发酵，从而缩短发酵时间，确保品质稳定。 如何改善？ 单一 易造成发酵食品品质不一 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术的建立 密闭式发酵罐的成功设计 严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等) 大规模生产发酵产品 微生物的特定功能 现代工程技术 一、发酵工程的概念 SZ-LWH 发酵工程的概念： 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 1.微生物 自然界的微生物 诱变育种的微生物 基因重组的微生物 常规菌 工程菌 2.产品： 包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。 3.实质： 利用微生物进行产品生产。 一、发酵工程的概念 SZ-LWH 某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。 P22 旁栏思考题 一、发酵工程的概念 SZ-LWH 10 发酵工程的概念 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 第3节 发酵工程及其应用 1 2 3 目 录 SZ-LWH 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 柠檬酸 啤酒 味精 青霉素 黑曲霉 啤酒酵母 黄青霉 谷氨酸棒状杆菌jun菌 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 问：微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种 时，需要考虑哪些因素？ ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵 目的： 问题：怎样对菌种进行扩大培养？ 将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 问题：扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选什么培养基进行培养？ 液体培养基 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。 原因： 工业发酵罐体积 几十 ~ 几百m3 几 ~ 几十m3 接入的菌种总体积 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 类型： 要求： ①根据菌种的代谢类型，选择不同的材料配制培养基。 ②配置的培养基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应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。 ④配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 （即不断优化培养基） 发酵工程一般使用液体培养基。 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 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。 *培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌； 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 发酵罐示意图 抽取样本进行检测 调节罐温 控制溶解氧 使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热 调节罐压 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 21 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 实例：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 监控要点一 监控要点二 监控要点三 检测培养液中的微生物数量、产物浓度等 及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期时间，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 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 计算机控制系统 温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等 微生物数量、产物浓度 及时添加必需的营养组分 使发酵过程 处于最佳状态 监测 控制 检测 微生物的生长繁殖和代谢物的形成 影响 发酵条件 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 如图是大型发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题： 1.搅拌叶轮在发酵过程中有什么作用？ 2．如何控制发酵罐中的发酵条件？ (1)使微生物得到充足的氧气； (2)使微生物与培养基充分接触； (3)有助于充分散热； (4)有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。 (1)温度的控制：可通过温度传感器和控制装置进行检测，可通过调节冷却水的进、出水口的水流来调整。 (2)溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度调节。 (3)pH的控制：可通过pH计检测，通过加酸或碱进行调节；也可通过pH缓冲液进行保持。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 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 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 啤酒 味精 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？ ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。 ①反复试验确定培养基的配方； ②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； ③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ P23 思考·讨论 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 3.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？ 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、吸附或离子交换等方法；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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 P23 思考·讨论 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 不能。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。 发酵工程的特点: 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 P23 思考·讨论 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 29 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 ①菌体本身：过滤、沉淀 监控 途径 归纳总结 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 30 1.发酵工程的正确操作过程是（ ） ①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　 ⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养 A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④ C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③① 典例分析 B 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 2．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究， 下列叙述错误的是(　　) A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 B 典例分析 二、发酵工程的基本环节 SZ-LWH 32 发酵工程的概念 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 第3节 发酵工程及其应用 1 2 3 目 录 SZ-LWH 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 34 1.在食品工业上的应用 传统的发酵产品 食品添加剂 酶制剂 利用黑曲霉生产酱油 利用酵母菌生产酒类 利用黑曲霉生产柠檬酸 利用谷氨酸棒状杆菌生产味精 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等 明显提高产品的产量和质量 增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期 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品产量等方面 三、发酵工程的应用 SZ-LWH (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 1.在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 后发酵 在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。 焙烤的目的： 蒸煮的目的： 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌 阅读教材P24-25，写出啤酒的工业化生产流程 P24 思考·讨论 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH ①发芽 ②焙烤 ③碾磨 ④糖化 大麦 水 糖化罐 大麦种子发芽， 释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解 形成糖浆。 P24 思考·讨论 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 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。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 接种 啤酒的工业化生产流程 P24 思考·讨论 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂 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 啤酒花的作用 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 冷却 消毒 终止 过滤 加啤酒花 过程概述： （1）啤酒的发酵过程分为__________和__________两个阶段； （2）主发酵阶段完成__________________________________________________ （3）后发酵的条件____________________________________________________ （4）焙烤的目的：____________________________________________________ （5）蒸煮的目的：____________________________________________________ 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌 主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 接种 P24 思考·讨论 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 问题1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ “通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖； “密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 问题2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会 使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？ P24 思考·讨论 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 讨论1. 与传统的手工发酵相比，在下面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。 P24 思考·讨论 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 讨论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？ P24-25 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 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,稳定性提高 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 讨论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。 P24-25 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 淀粉 黑曲霉 淀粉酶 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 ①柠檬酸（酸度调节剂） ②味精（增味剂） ③食品添加剂的作用 增加食品的营养 改善食品的口味、色泽和品质 延长食品的保存期 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 (2)生产各种各样的食品添加剂 食品添加剂 ≠ 违法添加物 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 添加剂的类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5’-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶 常用的几类食品添加剂 三、发酵工程的应用 SZ-LWH (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、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 (2)生产各种各样的食品添加剂 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。 （1）发酵工程一般包括菌种的选育、_________、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品的分离、提纯等方面。啤酒酵母的新陈代谢类型是_________________。 （2）在酿酒过程中常加入_________（填某种植物激素）以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使_________失活。 扩大培养  异养兼性厌氧型 赤霉素 淀粉酶 典例分析 三、发酵工程的应用 SZ-LWH （3）发酵阶段的底物是_________，发酵液和发酵设备都必须经过严格的_______处理。 （4）请写出一条啤酒的发酵生产过程中，可以使啤酒的产量和质量得到明显提高的工 程手段： （5）请写出一条发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因： 葡萄糖 灭菌 随时检测培养液中的酵母菌数量、产物浓度；及时添加必需的营养组分； 严格控制发酵温度、发酵时间、pH、溶解氧含量、罐压和搅拌速率等发酵条件 生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉； 产物专一；废弃物对环境污染小、易处理 典例分析 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 2.在医药工业上的应用： 人们可以采用基因工程等的方法直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 改造菌种 人们可以采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物; 工程菌 科学家利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用 疫苗 利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素 未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物 将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 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。 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。 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。 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： 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 转入 微生物 直接改造微生物 病原体的抗原基因 转入 微生物 发酵工程 药物 药物 疫苗 2.在医药工业上的应用： 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 3.在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 ①微生物肥料的种类： 根瘤菌肥、固氮菌肥 ②微生物肥料的作用： 生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。 有的微生物肥料可以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 SZ-LWH （2）生产微生物农药 微生物农药的作用机理： 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 微生物农药作为______________的重要手段 生物防治 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林害虫 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病 3.在农牧业上的应用 三、发酵工程的应用 SZ-LWH (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。 单细胞蛋白 3.在农牧业上的应用 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 4.在其他方面的应用 (1)解决资源短缺与环境污染问题 随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 (2)将极端微生物应用于生产实践 ①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 ②举例： 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 SZ-LWH 问题：抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？ 这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？ ①某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。 ②微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。 ③微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。 　P27“异想天开”：单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物　 　。其不仅含有丰富的　　 　，还含有糖类、　 　和维生素等物质。 菌体 蛋白质 脂质 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 58 思考 提示：在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。 1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。 提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。 2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。 (1)图中①表示的育种方法是 ________________。 (2)人工控制微生物代谢的措施包括 _____________________ 和 __________________________。 (3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断 地产生，这说明该生产采用了________ 的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为 ______菌。 (4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用 等分离提纯的方法进行提取。 诱变育种 改变微生物遗传特性 　 控制生产过程中的各种条件 连续培养 好氧 萃取(或蒸馏或离子交换等) 典例分析 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 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。 三、发酵工程的应用 SZ-LWH 正误判断: (1)在发酵工程中，可通过诱变育种、基因工程育种获得菌种( ) (2)发酵工程的中心环节是选育菌种( ) (3)在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌( ) (4)发酵工程中要对培养基进行灭菌,发酵设备不用灭菌( ) (5)发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成速度都与搅拌速度有关( ) (6)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体( ) (7)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种( ) (8)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身( ) (9)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的酵母菌（ ） (10)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。（ ） √ × √ × √ √ √ √ × √ 第3节 发酵工程及其应用 SZ-LWH 62 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 课堂小结 SZ-LWH 课堂小结 SZ-LWH 1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 (1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ） (2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ） (3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ） (4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ） × √ √ × 一、概念检测 教材P28 练习与应用 SZ-LWH 1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力) 可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 (2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 二、拓展应用 教材P28 练习与应用 SZ-LWH 2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。 存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 教材P28 练习与应用 SZ-LWH 1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。 （1）在培养基中加入化合物A的目的是________________________________，这种培养基属于___________培养基。 （2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量_____________的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量___________。 筛选出可降解化合物A的微生物 选择 显著降低 扩增 教材P30 （3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用 方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。 细菌计数板计数 S形增长 复习与提高 SZ-LWH 1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。 （4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决? 目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。 （5）有人提出,可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌,请分析这种方法是否可行。 可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。 教材P30 复习与提高 SZ-LWH 2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。 立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1×10-1×105 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。 （1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？ 不同意。 只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。 教材P30 复习与提高 SZ-LWH ②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？ 提示：我国卫生部门规定了饮用水标准， 1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37 ℃培养24 h），1000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h） 没有必要。 根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。 （2）下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是_________。 B 教材P30 复习与提高 SZ-LWH （3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？ 说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。 统计结果比实际值偏少。 因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。 （4）如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么? 应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。 教材P30 复习与提高 SZ-LWH Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf59.6.100 EV录屏3.9.7软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $$