1.3 发酵工程及其应用-【省心备课】2024-2025学年高二生物同步教学精优课件（人教版2019选择性必修3）

第3节 发酵工程及其应用 贺老师 第1章 发酵工程 1 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。 随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右。 从社会中来 1.在工业上，青霉素是怎样生产的？ 通过发酵工程生产 发酵工程是指利用 的特定功能，通过 ， 生产对人类有用的产品。（P1） 微生物 现代化工程技术 规模化 2.什么是发酵工程？ 能否你自己酿葡萄酒叫不叫发酵工程 2 发酵工程的基本环节 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 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 微生物的特定功能源于对发酵原理的认识 3 发酵工程的基本环节 1 选育菌种 （1）目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 （常规菌） （工程菌） 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母 筛选产酸量高的 用来生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期； 黑曲霉 发酵工程中所用的菌种大多是___________， 单一菌种 4 发酵工程的基本环节 2 扩大培养 （1）目的： 获得_______________ 更多的菌种 （2）原因： 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。 ①培养基应包括微生物生长所需的 要求。 ②在生产实践中，培养基的配方要经过___________才能确定。 反复试验 （1）灭菌原因： ①杂菌与菌种之间形成 关系使产量下降 ②杂菌产生的 抑制菌种的生长使产量下降。 （2）__________和___________都必须经过严格的灭菌； 发酵设备 3 配制培养基 4 灭菌 培养基 碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养 种间竞争 代谢物 在青霉素生产过程中如果被杂菌污染了，杂菌分泌青霉素酶将青霉素分解掉。 ③从物理性质上分，工业生产用的培养基通常是 。 液体培养基 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。 5 要及时添加必需的___________，要严格控制_______、_____和________等发酵条件； 将_____________的菌种投放到 中 发酵罐 扩大培养后 —发酵工程的中心环节 发酵过程中，要随时检测培养液中_____________、__________等 微生物数量 产物浓度 营养物质 温度 pH 溶氧量 （3）严格控制发酵条件的原因： 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； ②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态 发酵工程的基本环节 5 接种 6 发酵罐内发酵 谷氨酸的发酵生产，在中性和弱碱性条件下会积累 ； 在酸性条件下则容易生成 和 ； （1）了解发酵进程： （2）严格控制发酵条件： 谷氨酸 谷氨酰胺 N-乙酰谷胺酰胺 6 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器及控制装置 冷却水进入口 阀门 空气入口 放料管 生物传感器装置 搅拌叶轮 发酵液 冷却夹层 冷却水排出口 pH计 排气管 电动机 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧含量 不断搅拌的目的： ①使微生物得到充足的O2 ②使微生物与培养基充分接触，混合均匀； 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。 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： —发酵工程的中心环节 6 发酵罐内发酵 (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。 7 发酵工程的基本环节 7 分离、提纯产物 发酵产物类型 获得产品的方法 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施： 微生物细胞 代谢物 8 获得产品 酱油 味精 啤酒 青霉素 根瘤菌 ①如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。 ②如果产品是代谢物，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。 8 思考•讨论 发酵工程基本环节分析 p23 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？ 来源广，低成本、转化率高 目的产物多，副产物少 繁殖快、代谢旺盛、菌种不易变异、退化 发酵条件容易控制； 2.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？ 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。 ②产物方面： ④设备方面： ③菌体方面： ①原料方面： 9 项目 发酵工程 传统发酵技术 区别 菌种 对发酵条件的控制 产品处理 生产规模和产品 分离和提纯产物的方法较多。最后需要进行质量检查 不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种，大多是单一菌种 原材料中天然存在的混合菌种 严格无菌操作，防止杂菌污染。通过现代工程技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态 不是无菌操作，容易受到杂菌污染，对发酵条件不能严格控制，易受外界条件影响 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本低，产物多样，产量高 通常是家庭式或作坊式的，产量低，生产往往受季节和原料限制，产品风味品种比较单一，质量不稳定 3.发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 思考•讨论 发酵工程基本环节分析 p23 传统发酵技术：产物一般是复杂的混合物，一般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：使用的分离和提纯产物的方法较多。常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换，液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 10 发酵工程的应用 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 11 1 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 （1）生产传统的发酵产品 实例1：工业生产酱油 实例2：工业生产酿酒 大豆蛋白质 小分子肽 和氨基酸 酱油 谷物、水果 酒精+CO2 霉菌产生蛋白酶 酵母菌 无氧条件 淋洗调制 各种酒类 12 啤酒的工业化生产流程 13 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。 啤酒的工业化生产流程 大部分糖的分解、酵母菌的繁殖和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 14 啤酒的工业化生产流程 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？ 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂 稳定泡沫 有利于麦芽汁的澄清 平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲 问题3.蒸煮时啤酒花的作用是什么？ 15 啤酒的工业化生产流程 问题5.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？ 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 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。 16 淀粉 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸 谷氨酸 棒状杆菌 谷氨酸 味精 柠檬酸合成酶 发酵 氧气 处理 淀粉酶 1 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 （2）生产各种各样的食品添加剂 实例1：工业生产柠檬酸 实例2：工业生产味精 17 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 食品添加剂 ≠ 违法添加物 添加剂的类型 举例 酸度调节剂 增味剂 着色剂 增稠剂 防腐剂 常用的几类食品添加剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 5’-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 β-胡萝卜素、红曲黄色素 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 乳酸链球菌素、溶菌酶 18 1 在食品工业上的应用 发酵工程的应用 （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： 少数由动植物生产外， 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。 请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂？ 探究温度对酶活性的影响实验中的 。 探究pH对酶活性的影响实验中的 。 淀粉酶 过氧化氢酶 19 2 在医药工业上的应用 发酵工程的应用 生产抗生素 例如应用青霉菌生产青霉素，用于治疗脑膜炎、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。 生产疫苗 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 20 2 在医药工业上的应用 发酵工程的应用 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 特点：基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 21 3 在农牧业上的应用 发酵工程的应用 （1）生产微生物肥料 ①微生物肥料的种类： 根瘤菌肥、固氮菌肥等 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 的生长，从而减少病害的发生。 病原微生物 22 3 在农牧业上的应用 发酵工程的应用 微生物农药的作用机理： 利用 或其 来防治病虫害 防治类型： 生物防治 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 （2）生产微生物农药 微生物 代谢物 苏云金杆菌(Bt毒蛋白) 80多种农林害虫 白僵菌(真菌) 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 防治类型属于什么防治？ 23 3 在农牧业上的应用 发酵工程的应用 (3)生产微生物饲料 原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 实例1——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，即单细胞蛋白； 单细胞蛋白应用： 单细胞蛋白生产过程： 食品添加剂、微生物饲料； 单细胞蛋白成分： 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质 实例2-乳酸菌 在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。 24 4 在其他方面的应用 发酵工程的应用 (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 、 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 ； 嗜低温菌有助于提高 的产量。 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。 洗涤剂 热敏性产品 酒精 乙烯 虽然嗜低温菌本身并不直接提高热敏性产品的产量，但它们在特定条件下可能对热敏性产品的生产环境产生积极影响。例如，在低温发酵过程中，嗜低温菌能够稳定发酵体系，减少因高温导致的副反应，从而间接提高产品的纯度和质量。这有助于减少生产过程中的浪费，提高整体生产效率，从而可能间接地影响产量。通过分解脂肪和油脂，嗜热菌可以使清洁更加彻底。其次，嗜热菌产生的酶，如蛋白酶、淀粉酶、脱脂酶等，在高温条件下依然能保持活性，进一步增强洗涤效果。此外，嗜热菌还具有一定的抗菌作用，能够杀灭细菌，减少洗涤过程中释放的有害成分，从而提供更健康的洗涤环境。 25 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？ ③酶制剂： 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。 ①抗生素： 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氨基酸： 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。 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。 26 请计算4号试管的结果表明每克土壤中的活菌数约为 个。 1.1×108 10倍 102 倍 103 倍 104 倍 105 倍 （110+108+112）/3 0.1 × 105 = 1.1 ×108个/克 27 问题2.泡菜、果酒、果醋的制作过程中，发酵液的pH均会下降，原因分别是？ 问题1.腐乳、泡菜、果酒、果醋的制作过程中有哪些共性？ ①都是利用天然菌种发酵；都为主要菌种提供良好生存条件（同时抑制杂菌）； 发酵产物不单一； ②均可以通过人工接种，提高发酵效率，抑制杂菌增殖，提高食品品质； ③发酵过程中都要防杂菌污染。 ①泡菜： ②果酒： ③果醋： 乳酸菌无氧呼吸产生乳酸使pH下降 酵母菌呼吸作用产生CO2溶解在发酵液中使pH下降 醋酸菌代谢产生乙酸使pH下降 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 29 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 30 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。 31 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 （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 32 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。 33 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。 34 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 35 （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。 36 37 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf55.33.100 $$