31.发酵工程第二课时

第31讲 发酵工程 细胞的一辈子 课程要求 考点1 发酵与传统发酵技术的概念及泡菜的制作 考点2 果酒和果醋的制作　 考点3 发酵工程及其应用 1．举例说明日常生活中的某些食品是运用传统发酵技术生产的。　 2．阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。　 3．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。 考点4 微生物的基本培养技术 考点5 微生物的选择培养和计数 4．阐明在发酵工程中灭菌是获得纯净的微生物培养物的前提。　 5．阐明无菌技术是在操作过程中，保持无菌物品与无菌区域不被微生物污染的技术。　 6．举例说明通过调整培养基的配方可有目的地培养某种微生物。　 7．概述平板划线法和稀释涂布平板法是实验室中进行微生物分离和纯化的常用方法。　 8．概述稀释涂布平板法和显微镜计数法是测定微生物数量的常用方法。 03 发酵工程及其应用 环节 目的 菌种选育 性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。 1）若生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 2）若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造。 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 环节 目的 扩大培养 工业发酵罐体积大(几十到几百立方米)，接种菌种总体积大(几立方米到几十立方米)，所以发酵前需对菌种多次扩大培养。 将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 增加菌种数量，缩短生产周期 1.目的: 2.方法: 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 环节 目的 培养基的配制 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。 1.类型: 2.要求: 发酵工程一般使用液体培养基 ①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。 ②培养基应满足微生物在碳源、氮源、水、无机盐，特殊生长因子等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。 ③应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 环节 目的 灭菌 发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌 机制：①杂菌将与菌种形成竞争关系使产量下降； ②杂菌产生的代谢物质抑制菌种生长而使产量下降； 1）放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。 2）在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 [特别提醒]:(1)发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基一般用高压蒸汽灭菌，空气采用过滤的方法除菌。 环节 目的 接种、 发酵罐发酵 发酵罐发酵是发酵工程的中心环节， 1.发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。 2.还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还影响微生物代谢物的形成。 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 01 02 03 04 菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 05 06 07 发酵 产品的分离、提纯 3.发酵工程及其应用 1.发酵工程的基本环节 环节 目的 产品的分离、提纯 如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。 如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离、纯化措施来获得产品。 蒸馏、萃取、离子交换 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 调节罐压 抽取样本进行检测 调节罐温 ①使微生物与发酵液充分接触，提高原料利用率；②使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧；③散热 控制溶解氧 发酵罐示意图 无菌空气 3. 传统发酵技术和发酵工程在分离提纯步骤的的区别？ 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。 常用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换、液相层析法、结晶法等方法。 传统发酵技术一般菌种是多样的，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提纯，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。 3.发酵工程及其应用 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： 3.发酵工程及其应用 2.发酵工程的应用——食品工业上 大豆中蛋白 小分子肽和氨基酸 酱油 黑曲霉等（蛋白酶） 淋洗、调制 各种谷物、水果 酿酒酵母 各种酒类 利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类 ①生产传统的发酵产品 利用黑曲霉发酵生产柠檬酸； 利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。 ②生产各种各样的食品添加剂 3.发酵工程及其应用 14 2.发酵工程的应用——食品工业上 ③生产酶制剂 果胶对果汁制作的影响： 影响果汁的出汁率，还会使果汁浑浊。 果胶酶分解果胶成可溶性的半乳糖醛酸，使浑浊的果汁变得澄清，瓦解植物细胞壁和胞间层，使榨取果汁变得更加容易。 酶制剂可以用于食品的直接生产，改进生产工艺，简化生产过程，提高产品产量，延长食品储存期，改善产品的品质和口味 3.发酵工程及其应用 15 2.发酵工程的应用——医药工业上 (1)获得具有__________生产能力的微生物。 (2)直接对_____进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 (3)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。 某种药物 菌种 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 微生物 病原体的 抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 例：生产生长激素释放抑制激素。 例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 例：生产乙肝疫苗的方法。 转入 3.发酵工程及其应用 16 ①生产微生物肥料 微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的 、　 　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长、增强植物抗病性和抗逆性。 有机酸 生物活性物质 2.发酵工程的应用——农牧业上 ②生产微生物农药 微生物农药是利用　　 或　　 　来防治病虫害的。 微生物农药作为　　 　的重要手段； 微生物 其代谢物 生物防治 一种放线菌生产的抗生素——井冈霉素可以防治水稻枯纹病 3.发酵工程及其应用 ③生产微生物饲料 2.发酵工程的应用——农牧业上 微生物含有丰富的　　 　。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 ，即 ，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高 青贮饲料中添加乳酸菌，提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力 蛋白质 微生物菌体 单细胞蛋白 3.发酵工程及其应用 2.发酵工程的应用——其他方面 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。 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、乙烯等能源物质 2、对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂； 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量； 3.发酵工程及其应用 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。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 消毒 终止 后发酵 啤酒的工业化流程 3.啤酒的工业化生产流程 3.发酵工程及其应用 3.啤酒的工业化生产流程 大麦 水 糖化罐 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 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。 3.发酵工程及其应用 酒花的作用是防腐、增加苦味和提供香气风味，这三种作用对酒花特性的要求是不一样的，再加上风土适应和抗菌防病等因素，就延伸出了数百个酒花品种。 21 蒸煮 5 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 防腐、增加苦味和提供香气风味 3.啤酒的工业化生产流程 3.发酵工程及其应用 (选择性必修3 P25“思考·讨论”)与传统的手工发酵相比，啤酒的工业化生产过程中，能使啤酒的产量和质量明显提高的工程手段有： 提示：菌种的选育、对原材料的处理、发酵工程的控制、产品的消毒等 3.啤酒的工业化生产流程 3.发酵工程及其应用 长 低 短 高 4.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 3.发酵工程及其应用 2．(2023·山东淄博市一模)发酵技术是指人们利用微生物的发酵作用，运用一些技术手段控制发酵过程，从而进行大规模生产发酵产品的技术。下列说法错误的是(　　) A．制作泡菜时加盐过多会导致泡菜咸而不酸 B．可通过检测发酵前后发酵液pH的变化来鉴定果醋制作是否成功 C．可采用过滤、沉淀等方法分离提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白 D．传统发酵的发酵产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 D 制作泡菜时加盐过多，会抑制乳酸菌的生命活动，导致乳酸含量低，A正确；制作果醋是利用醋酸菌发酵产生乙酸，可通过检测发酵前后发酵液pH的变化来鉴定果醋制作是否成功，B正确；分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白，指的就是单细胞菌体，可采用过滤、沉淀等方法从培养液中分离，C正确；发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，D错误。 真题感悟 明确考向 1．(2023·河北衡水中学一调)图1为谷氨酸发酵装置示意图，所用培养基中有豆饼水解液、玉米浆等，图2为谷氨酸产生机理图。下列有关谷氨酸发酵的叙述，错误的是(　　) A．4为充气口，发酵过程需不断通入无菌空气，说明谷氨酸发酵的菌体为异养需氧微生物 B．培养基中包含多种天然物质，化学成分不确定 C．谷氨酸的发酵生产中， 在中性和弱碱性条件下会 积累谷氨酸 D．提高产物产量的关键 是抑制菌体膜的通透性 D 4为充气口，发酵过程需不断通入无菌空气，说明谷氨酸发酵的菌体需要在有氧条件下才能发酵，是异养需氧微生物，A正确；谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆等，该培养基中包含多种天然物质，化学成分不确定，B正确；谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要严格控制发酵液的pH，即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，C正确；当谷氨酸过量时，会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，导致谷氨酸的合成量减少，若细胞膜的通透性好，有利于代谢产物分泌出来，避免了谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的抑制，从而提高产物产量，故不能抑制菌体膜的通透性，D错误。 2．(2023·广东校联考模拟预测)黑茶是一种后发酵茶，通常用采摘的鲜茶经过数道工序制成，富含多肽、氨基酸、维生素等营养物质。黑茶刚制成时有酒香气，滑润甘甜。黑茶制成后常用牛皮纸、绵纸等包装材料进行包装储存，保存时间越久的老茶，茶香味越浓厚。下列相关叙述正确的是(　　) A．发酵过程涉及多种酶催化，发酵后饮用有利于营养物质的吸收 B．黑茶发酵需要在开放装置中进行，有利于微生物的快速繁殖 C．黑茶的制作需利用包括酵母菌在内的多种细菌进行发酵 D．新茶发酵完成后要进行灭菌并密封，有利于茶的长期保存 A 发酵过程涉及多种酶催化，大分子物质转化成了小分子物质，发酵后饮用有利于营养物质的吸收，A正确；黑茶发酵过程处于湿热少氧的环境，多种酶起作用，而不是微生物大量繁殖， B错误；黑茶发酵过程用到的酵母菌属于真菌，不属于细菌，C错误；黑茶保存要通风忌密闭，通风有助于茶品的自然氧化，同时可适当吸收空气中的水分(水分不能过高，否则容易产生霉变)，加速茶体的湿热氧化过程，也为微生物代谢提供水分和氧气，切忌密封，可用牛皮纸、绵纸等通透性较好的包装材料进行包装储存，D错误。 考向2　发酵工程在生产上的应用 3．(2023·辽宁沈阳二模)制药产业是关系国计民生的重要产业，随着人民群众日益增长的健康需求，我国已成为全球药品消费增速最快的国家之一。发酵工程在现代生物制药中起了重要作用，下列相关叙述正确的是(　　) A．青霉素是世界上首次应用于临床的抗生素，随着厌氧发酵技术的发展，青霉素的生产实现了产业化 B．发酵结束后，可采用适当的提取、分离和纯化措施获得青霉素 C．接种是发酵工程的中心环节，所用的菌种大多是单一菌种 D．发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件，营养成分一次性添加即可 B 青霉菌的代谢类型是异养需氧型，A错误；青霉素是青霉菌的代谢物，发酵结束后，可采用适当的提取、分离和纯化措施获得青霉素，B正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，C错误；发酵过程中要及时添加必需的营养成分，严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件，营养成分并不是一次性添加，D错误。 $$