期末复习课件：发酵工程及其应用-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

复习 传统发酵技术 与发酵工程 发酵工程 传统发酵技术 发酵、传统发酵技术、相关反应式 乳酸发酵和泡菜制作 酒精发酵、醋酸发酵和果酒、果醋制作 微生物培养技术 培养基的配制、无菌技术 微生物的纯培养、 选择培养基、微生物的选择培养 微生物的数量测定 发酵工程 基本过程 优点 应用 知识框架： 传统发酵技术 一、发酵 1.概念：指人们利用微生物，在适宜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。 需氧发酵（醋酸发酵、谷氨酸发酵) 厌氧发酵（酒精发酵、乳酸发酵) 2.原理：不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力。 3.类型： 二、传统发酵技术 2.类型： 固体发酵（泡菜、粮食白酒、腐乳等） 半固体发酵（豆豉、酱、酱油等） 3.实例——腐乳： ①参与发酵的微生物：毛霉、曲霉和酵母等，其中起主要 作用的是毛霉。 ②发酵原理：经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解成小分子肽和氨基酸 1.概念：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留下来的 面团、卤汁等发酵物中微生物进行发酵、制作食品的技术。 4.优、缺点： ①优点：操作简单，适用于家庭式或作坊式生产。 ②缺点：生产条件不易控制，产品容易受杂菌污染，生产效率较低等。 三、泡菜的制作 乳酸菌是异养厌氧细菌，在无氧条件下能将葡萄糖分解为乳酸，可用于乳制品发酵、泡菜腌制等。 制作原理：乳酸发酵 乳酸菌在自然界中分布广泛。 常见的乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌。 三、泡菜的制作 蔬菜装至半坛，加蒜、生姜及其它香辛料。再装蔬菜至 八成满。 将盐水倒入坛中，没过全部菜料。 向坛盖 边沿的水槽注满水。 3.装坛 配制泡菜 盐水（5%~20%），煮沸，冷却 1.配制泡菜盐水 新鲜蔬菜洗净、切条状或块状，晾干 2.原料处理 水槽中适时补充水。 4.发酵 调味并抑制微生物生长， 故盐含量过低会造成细菌污染。 杀菌除氧 不影响乳酸菌等微生物的生命活动 防止引入生水 ①蔬菜发酵失水后坛内液体增加， 防止液体溢出； ②发酵初期混有杂菌,杂菌的发酵 过程可能产生气体,防止瓶子炸裂。 隔绝坛内空气，制造无氧环境 隔绝外界空气，制造无氧环境 三、泡菜的制作 发酵 时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐 发酵 初期 发酵 中期 发酵 后期 数量少 (有O2，乳酸菌活动受抑制) 数量最多 (乳酸抑制其它菌活动) 减少(乳酸继续积累，pH继续下降，抑制其活动) 少 积累增多， pH下降 继续增多， pH继续下降 含量增加 (硝酸盐还原菌的作用) 含量下降 (硝酸盐还原菌受抑制， 部分亚硝酸盐被分解) 含量下降至相对稳定 (硝酸盐还原菌被完全抑制) 泡菜腌制中亚硝酸盐产生 四、果酒果醋的制作 酒精发酵 酵母菌是一种单细胞真菌，属于兼性厌氧微生物，能够在无氧条件下进行酒精发酵，可用于酿酒、制作馒头和面包 酵母菌能以多种糖类作为物质和能量来源，因此在一些含糖量高的水果、蔬菜表面经常可以发现酵母菌 酿酒酵母的最适生长温度约28℃(18-30℃) 制作原理： 四、果酒果醋的制作 制作原理： 醋酸发酵 醋酸菌是好氧细菌，当O2、糖源都充足时能将糖分解为醋酸；当缺少糖源时则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸。 可用于制作各种风味的醋 醋酸菌分布广泛 多数醋酸菌的最适生长温度为30～35℃ 四、果酒果醋的制作 方法步骤 1）灭菌消毒 将发酵瓶、榨汁机用洗洁精洗净，并用70﹪酒精消毒，晾干备用。 2）材料处理 取新鲜葡萄，用清水冲洗1-2次，去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干。 3）榨葡萄汁 4）果酒发酵 温度在18－300C发酵,每隔12h拧松瓶盖一次,发酵时间为10-12d,可从瓶口取样监测 用榨汁机榨取葡萄汁将葡萄汁装人发酵瓶中， （要留大约1／3的空间）盖好瓶盖。 为发酵初期提供氧气，保证酵母菌初期进行有氧呼吸，大量繁殖；避免发酵液溢出。 酒精发酵过程中产生CO2，瓶盖拧松放出CO2防止进入O2，继续进行酒精发酵。 不能反复冲洗，以防止菌种的流失 防止杂菌污染。 5）果醋发酵 打开瓶盖,盖上一层纱布,进行葡萄酒发酵.温度在30-350C发酵,发酵时间为7-8d 四、果酒果醋的制作 微生物培养技术 一、菌落 微生物结构简单、形体微小，眼睛看不到。 1.定义：单个或少数同种菌体在固体培养基 表面或内部大量繁殖形成肉眼可见 的、有一定形态的子细胞群体。 2.特征：不同菌落的形状、大小、颜色、透明度 等特点不同。 3.功能：菌落是鉴定菌种的重要依据。 4.单菌落：一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养物。 二、实验室培养微生物条件 1）提供微生物生长繁殖所需营养和环境条件 ——配置培养基 2）确保其它微生物无法混入 ——无菌技术 3）将需要的微生物分离出来 ——微生物的纯培养 （1）提供微生物生长繁殖 所需营养和环境条件 （2）确保其它微生物 无法混入 （3）并将需要的微生物 分离培养出来 培养基 无菌技术 纯化培养 三、配置培养基 三、配置培养基 营养成分： 提供碳元素的物质 碳源 自养生物 异养生物 例如CO2、CO32-、HCO3-等 例如葡萄糖、牛肉膏、蛋白胨等 提供氮元素的物质 氮源 固氮生物 非固氮生物 例如空气中的N2等 例如牛肉膏、蛋白胨、尿素等 水 无机盐 调节酸碱平衡、维持一定的渗透压 良好溶剂，参与多种生化反应 三、配置培养基 碳源 氮源 水 无机盐 此外，培养基还需要满足微生物对pH、特殊营养物质（如维生素、氨基酸和碱基等）以及O2的需求。例如，培养乳酸杆菌需添加 ；培养霉菌需调至 ；培养细菌需调至 ；培养厌氧微生物需提供 环境。 维生素 酸性 中性或弱碱性 无氧 营养成分： 三、配置培养基 【典例】下表是牛肉膏蛋白胨培养基的配方，分析回答： (1)根据培养基的物理性质，该培养基属于________培养基， 理由是______________________________________。 (2)该培养基中主要提供碳源和氮源的物质分别是什么？属于有机物还是 无机物？________________________________________________________。 (3)该培养基培养的微生物同化作用类型是_____________， 理由是_______________________________________。 固体 该培养基的配方中含有凝固剂琼脂 牛肉膏主要提供碳源，蛋白胨主要提供氮源。二者均属于有机物 异养型微生物　 该微生物的碳源和氮源是有机物 四、无菌技术 获得纯净的微生物培养物的关键是 ！ 防止杂菌污染 无菌技术围绕着如何避免杂菌的污染展开,主要包括__ __和__ __。 消毒 灭菌 微生物无处不在 四、无菌技术 四、无菌技术 高压蒸汽灭菌锅内100kPa、121 ℃下维持15-30min。 四、无菌技术 1、无菌技术除用来防止实验室的培养物被其他外来微生物污染外，还有什么作用？ 无菌技术还能有效避免操作者被微生物感染。 2、消毒和灭菌是否适用于所有的生物和物品？ 不是，无菌技术既要考虑效果，又要考虑操作对象的承受能力。例如，活体生物材料、操作者的双手等只能消毒，而不能灭菌。 五、微生物的纯培养 培养物 纯培养物 将接种于培养基内，在合适条件下形成的含特定种类微生物的群体。 由单一个体繁殖所获得的微生物群体。 菌落（课本P12） = 过程 纯培养 微生物群 分散 单个细胞 单个菌落 繁殖 配制培养基→灭菌→接种→分离→培养 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 干热灭菌法 湿热灭菌法 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 待培养基冷却到50℃左右时，在酒精灯火焰附近倒平板。 1. 培养基灭菌后为什么要冷却到50℃左右时开始倒平板？ 琼脂是一种多糖，在98 ℃以上熔化，在44℃以下凝固； 倒平板时，高于50 ℃则会烫手，若低于50℃不及时操作，琼脂会凝固。 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 待培养基冷却到50℃左右时，在酒精灯火焰附近倒平板。 2.倒平板时为什么要使锥形瓶的瓶口通过火焰？ 3.为什么倒平板时，将培养皿打开一条稍大于瓶口缝隙，不能完全打开？ 4.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？ 防止杂菌污染培养基 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 4.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？ 平板冷凝后，皿盖上会凝结水珠， 凝固后的培养基表面的湿度也比较高， 将平板倒置，既可以使培养基表面的水分更好地挥发， 又可以防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染。 5.怎么确定所倒平板未被杂菌污染？ 将所倒平板放入37℃的恒温箱中培养12h～24h， 观察是否有菌落存在以确定是否被污染或灭菌是否彻底。 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 五、微生物的纯培养 酵母菌的纯培养——马铃薯琼脂培养基 五、微生物的纯培养 ①接种环只蘸一次菌液,在培养基不同位置连续划线多次； 使得微生物数目随划线次数增加而减少， 最终得到由单个菌种繁殖而来的菌落。 ②取菌种前、每次划线前和划线后都需要灼烧接种环； 杀死接种环上残留菌种，避免污染环境和感染操作者。 杀死上次划线时残留菌种，使下一次划线的菌种 直接来源上次划线的末端，使每次划线菌种数目 逐渐减少，直至得到单个细胞。 杀死接种环上原有微生物 五、微生物的纯培养 ④划线首尾不能相接； 保证最终得到由单个菌种繁殖而来的菌落。 ③每次划线前接种环进行灼烧灭菌，待冷却后再开始划线； 避免高温杀死菌种。 五、微生物的纯培养 完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板和一个未接种的平板倒置，放入28 ℃左右的恒温培养箱中培养24～48 h。 在未接种的培养基表面是否有菌落生长？如果有，说明了什么？ 既可以防止培养基表面的水分挥发；又可以防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染 作对照，该培养皿无菌落说明培养基没有污染 五、微生物的纯培养 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 1.实验目的 （1）从土壤中分离出能分解尿素的细菌 （2）统计每克土壤样品中究竟含有多少这样的细菌 2.实验原理 绝大多数微生物都能利用葡萄糖，但是只有能合成_____的微生物才能分解尿素。利用 的_____培养基，可以从土壤中分离出 的细菌。 脲酶 以尿素作为唯一氮源 选择 分解尿素 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 选择培养基 在微生物学中，将允许 生长，同时 或 其他种类微生物生长的培养基称为选择培养基。 特定种类的微生物 抑制 阻止 70～80℃的高温 青霉素 尿素是唯一氮源 石油是唯一碳源 不加碳源 不加氮源 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 稀释涂布平板法： 将菌液进行一系列的梯度稀释，然后将不同稀释度的菌液分别涂布到琼脂固体培养基的表面，进行培养。 稀释度足够高时，能在培养基表面形成单个菌落。 两个基本操作：____________和___________。 梯度稀释 涂布平板 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 样品的稀释 将10g土样加入盛有90mL无菌水的锥形瓶中，充分摇匀。 取1mL上清液加入盛有9mL无菌水的试管中，依次等比稀释。 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 9 mL 无菌水 90mL无菌水 10g 1×10 1×102 1×103 1×104 1×105 1×106 1×107 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 涂布平板：各梯度分别涂布3个平板，1个不涂布作空白对照。 每个浓度至少设置4个平板 选择培养基（平行重复） 牛肉膏蛋白胨培养基 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 由于使用的是选择培养基，一般情况下获得的单菌落即目的菌， 但因为有些微生物可以利用目的菌的代谢产物来生长繁殖， 所以还需要进一步鉴定； 需要用“鉴别培养基” 在培养基中加入某种指示剂或化学药品(不影响微生物正常生长)，使微生物的某种代谢产物与培养基中的特定指示剂或化学药品发生反应，从而达到鉴定的作用。 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 细菌合成的脲酶将尿素分解为氨，氨会使培养基的碱性增强， pH升高，因此可以通过检测培养基pH的变化来判断是否发生了该 化学反应，进而判断该菌是否为尿素分解细菌。 CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO2 脲酶 呈碱性，遇酚红指示剂呈 色。 红 在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂。 培某种细菌后，如果pH升高，指示剂将变红。 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 1.直接计数法 ——显微镜直接计数法： （1）原理： 利用细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定体积的样品中 微生物的数量。 血细胞计数板：常用于相对较大的酵母菌细胞、霉菌孢子等的计数。 细菌计数板：对细菌等较小的细胞进行观察和计数。 （3）缺点： a.不能区分死菌和活菌→偏大； （2）优点： 快速、直观 b.不适于对运动细菌的计数； c.个体小的细菌在显微镜下难以观察。 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 2.间接计数法 ——稀释涂布平板法： （1）原理： 当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个单菌落， 来源于样品稀释液中的一个活菌。通过统计平板上的菌落数， 就能推测出样品中大约含有多少活菌。 （2）计数原则： ①选择菌落数为 的平板进行计数； ② 稀释度下，应 对 个平板进行重复计数，然后求出 。 ③统计的菌落数往往比活菌的实际数目 。 ④统计结果一般用 而不是用活菌数来表示。 30~300 同一 至少 3 平均值 少 菌落数 恰当的稀释度、涂布是否均匀是成功统计菌落数目的关键。 当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 （3）计算公式： 每g样品中的菌落数＝ (C÷V)×M M代表稀释倍数 C代表某一稀释度下平板上生长的平均菌落数 V代表涂布平板时所用的稀释液的体积(mL) 例：某同学在稀释倍数为106 的培养基中测得平板上菌落数的平均数为234，那么每g样品中的菌落数是（涂布平板时所用稀释液的体积为0.1mL) ( ) A. 2.34×108 B. 2.34×109 C. 234 D. 23.4 （234÷0.1）×106=2.34×109 答 B 例：甲同学做此实验在稀释倍数105获得3个平板，菌落数分别是80、90、100，涂布平板时均使用0.1ml菌液，试计算每克土壤中可以分离尿素的细菌数目？ （80+90+100）/3 0.1 × 105 =9 ×107个 六、微生物的选择培养 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 某两位同学用稀释涂布平板法测定同一土壤样品中的细菌数。从对应稀释倍数为106的培养基中，得到以下两种统计结果：甲同学在该浓度下涂布了一个平板，统计的菌落数为230；乙同学在该浓度下涂布了A、B、C三个平板，统计的菌落数分别为21、212、256，该同学以这三个平板上菌落数的平均值163作为统计结果。 请评价这两位同学的实验结果的有效性： 1.甲同学____________________________________； 原因是______________________________________。 2.乙同学____________________________________； 原因是______________________________________。 实验操作不合理 未设置重复实验组 结果计算不合理 21与另外两组数值相差太大，应舍去 发酵工程 一、发酵工程的基本环节 是指利用微生物的特定功能，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： P1 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 基本环节： 一、发酵工程的基本环节 在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。 生产柠檬酸 生产啤酒 生产味精 黑曲霉 啤酒酵母 谷氨酸 棒状杆菌 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 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。 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 发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 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 这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。 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。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。 二、例：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。 三、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 三、发酵工程的应用 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 (1)酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 (2)各种酒类的生产 在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 在食品工业上的应用 2. 生产各种各样的食品添加剂 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 食品添加剂的作用 三、发酵工程的应用 在食品工业上的应用 3. 生产酶制剂 食品直接生产 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 提高产品产量 酶制剂的作用 α-淀粉酶 β-淀粉酶 果胶酶 脂肪酶 氨基肽酶 … … 酶制剂 三、发酵工程的应用 在医药工业上的应用 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 发酵工程生产的药物 三、发酵工程的应用 在农牧业上的应用 1.生产微生物肥料 利用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。 有的微生物肥料抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 三、发酵工程的应用 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繁殖病虫害。 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 三、发酵工程的应用 在农牧业上的应用 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。 3.生产微生物饲料 青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。单细胞蛋白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 在其他方面上的应用 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。 Thank You $$