1.3 发酵工程及其应用-【生物好课】2024-2025学年高二生物同步教学课件（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 本节聚焦 1.什么是发酵工程？ 2.发酵工程的一般流程是什么？ 3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值？ 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。 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 问题探讨 3 一、发酵工程 1.发酵工程： 2.发酵工程的基本环节 阅读教材P22~23，找出各个环节的目的和操作要点； 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。 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 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （1）选育菌种 ①目的： ②菌种来源： ③实例： 获得性状优良的菌种； 一、发酵工程 （1）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所需发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。 思考·讨论 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （1）选育菌种 ①目的： ②菌种来源： 获得性状优良的菌种； 从自然界中筛选; 诱变育种或基因工程育种； （P26） 生产柠檬酸需要筛选 产酸量高的黑曲霉 使用基因工程改造的啤酒酵母 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （2）扩大培养 目的：获得更多菌种，缩短生产周期。（液体培养基） 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （3）配制培养基 要选择原料制备培养基； 培养基的配方要经过反复试验 才能确定。 （4）灭菌 培养基和发酵设备必须严格灭菌；一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。 一、发酵工程 （2）怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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； 思考·讨论 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （5）接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 （6）发酵罐内发酵 发酵工程的中心环节。 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 （6）发酵罐内发酵（中心环节） 要求∶ ①随时检测微生物数量、产物浓度; ②及时添加营养成分、严格控制发酵条件。 因为环境条件会影响微生物的生长繁殖和 微生物代谢物的形成； 如：谷氨酸发酵： ①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸； ②在酸性条件下容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。 一、发酵工程 2.发酵工程基本环节（6）发酵罐内发酵 （中心环节） 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧 ①增加溶氧量 ②使微生物与发 酵液充分接触， 混合均匀 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 （6）发酵罐内发酵（中心环节） 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 使发酵过程处于最佳状态 监测 反馈控制 一、发酵工程 （2）怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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； ⑥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。 思考·讨论 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （7）分离提纯 微生物细胞本身： 代谢物： （8）获得产品 发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，得到产品； 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。 一、发酵工程 2.发酵工程的基本环节 一、发酵工程 （3）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？ 传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物， 基本没有经过产物分离和提纯等步骤； 发酵工程根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法。 思考·讨论 一、发酵工程 发酵工程的基本环节 二、发酵工程的特点 ①生产条件温和、 ②原料来源丰富且价格低廉、 ③产物专一、 ④废弃物对环境的污染小和容易处理等。 三、发酵工程的应用 阅读教材P24~27正文内容，梳理总结发酵工程在各个领域的应用 发酵工程 食品工业 医药工业 农牧业 其他方面 发酵工程 食品工业 医药工业 农牧业 其他方面 三、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （1）生产传统发酵产品 酱油 大豆 （主要原料） 黑曲霉 （蛋白酶） 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 三、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 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。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 三、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 冷却 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。 淀粉分解，形成糖浆。 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。 消毒 终止 后发酵 过滤 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 啤酒花 啤酒花的作用： 1.使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。 2.形成啤酒优良的泡沫。 3.有利于麦芽汁的澄清。 4.平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5-10d。 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。一般1-2个月。 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。 添加剂类型 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、溶菌酶 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 黑曲霉 柠檬酸 柠檬酸合成酶 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸 味精 处理 氧气 添加了柠檬酸的饮料 三、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （2）生产各种各样的食品添加剂 食品添加剂 ≠ 违法添加物 公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。 《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。 三、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （2）生产各种各样的食品添加剂 三、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （3）生产酶制剂 果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基肽酶 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。 少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产; 三、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 三、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 发酵工程生产的药物 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 例：乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒 的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。 例：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。 例：生产生长激素释放抑制激素 三、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 根瘤菌肥、固氮菌肥 微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 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治病虫害。 思考：此类防治类型属于什么防治？ 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 三、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 （3）生产微生物饲料 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的 60%~80% ,而且细菌生长繁殖速度很快。 ②实例1——单细胞蛋白 单细胞蛋白生产过程： 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，即单细胞蛋白。 单细胞蛋白成分： 单细胞蛋白应用： 可以作为食品添加剂、微生物饲料等。其中微生物饲料能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质 三、发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 ①解决资源短缺和环境污染问题（利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等； 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对极端微生物的利用（嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂等） 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。 粮食 环境 能源 健康 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 三、发酵工程的应用 课堂小结 发酵工程 选育菌种→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 发酵工程的基本环节 发酵工程的特点 发酵工程的应用 食品工业上的应用 医药工业上的应用 农牧业上的应用 其他方面的应用 生产条件温和 原料丰富、价格低廉 产物专一 废弃物污染小、容易处理等 $$