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选择性必修3

第1章 发酵工程 面包和酸奶，或者馒头夹着腐乳，是很多人喜欢的早餐。你知道吗？这些食品的制作都离不开微生物发酵。那么，制作不同的发酵食品，需要的微生物一样吗？如何分离和培养微生物呢？ 除了上述可以通过传统发酵技术生产的食品，啤酒、味精乃至胰岛素等药物的工业化生产，也利用了微生物的发酵。然而，工业化大规模生产在菌种的选育和培养、发酵条件的控制等方面比传统发酵生产要复杂得多，需要通过发酵工程来实现。那么，发酵工程的流程是怎样的？它用到的技术与传统发酵技术有什么不同？发酵工程在社会和经济中有哪些应用？ 第3节 发酵工程及其应用 举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 概述发酵工程及其基本环节。 目标 01 03 学习目标 3 从社会中来 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，一瓶规格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？ 通过发酵工程生产 什么是发酵工程？发酵工程是如何形成的？ 一、发酵工程的概念及形成 1. 发酵工程的概念： 发酵工程是指利用微生物的特定功能，规模化生产人类所需产品的综 合性生物工程。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐成功设计 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 2. 发酵工程的形成： 发酵工程逐步形成 发酵工程的基本环节是什么？ 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。 01 二、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： 从自然界中筛选、________或____________________。 诱变育种 基因工程育种 （3）实例： 筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程、缩短生产周期； 旁栏思考：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？ 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， 菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。 二、发酵工程的基本环节 2. 扩大培养 (1)目的： _______________，缩短生产周期。 增加菌种的数量 (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。 3. 配制培养基： (1)在菌种确定之后，要___________制备培养基。 (2)在生产实践中，培养基的配方要经过__________才能确定。 4. 灭菌： 选择原料 反复试验 (1)灭菌原因： 发酵工程种所用的菌种大多是_________，一旦有杂菌 污染，可能导致______________。 单一菌种 产量大大降低 (2)_____________ 都必须经过严格的灭菌； 培养基和发酵设备 二、发酵工程的基本环节 5. 接种： 将____________的菌种投放到_______中 发酵罐 扩大培养后 6. 发酵罐内发酵 —发酵工程的中心环节 (1)要求： ①发酵过程中，要_________培养液中____________、_________等， 以_____________； ②要及时添加_______________，要严格控制_____、___和_______等 发酵条件； 随时检测 微生物数量 产物浓度 了解发酵进程 必需的营养物质 温度 pH 溶氧量 (2)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。 二、发酵工程的基本环节 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 发酵罐示意图 (3)不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵 ①在_____和______条件下会积累谷氨酸； ②在_____条件下则容易生成谷氨酰胺和 N -乙酰谷胺酰胺； 中性 弱碱性 酸性 (4)现代发酵工程使用的发酵罐的优点 均有_______________，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_____和_____，还可以进行_________，使发酵全过程处于________； 计算机控制系统 监测 控制 反馈控制 最佳状态 二、发酵工程的基本环节 7. 分离、提纯产物 方法： ①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用 _____、_____等方法将菌体_____和_____； ②发酵产品是代谢物时，可________________采取______的 _____、_____和_____措施来获得产品； 过滤 沉淀 分离 干燥 根据产物的性质 适当 提取 分离 纯化 8. 获得产品： 啤酒 味精 二、发酵工程的基本环节 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。 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 思考·讨论 发酵工程基本环节分析 要对温度、pH和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长 繁殖，同时及时添加必需的营养组分。 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。 思考·讨论 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；因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。 为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 思考·讨论 1、发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养 和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的 认识错误的是(　　) A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小的特点 B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身 C.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等 D.发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵 D 巩固练习 15 2、某高 校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程 的研究。下列叙述正确的是(　　) A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温 B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间 C.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 D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用 稀释涂布平板法 C 巩固练习 16 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 发酵工程基本环节小结 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； 因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。 三、发酵工程的优点 1.在食品工业上的应用： (1)生产传统的发酵产品 实例1:酱油的生产 小分子肽 和氨基酸 酱油 黑曲霉 (蛋白酶) 淋洗、调制 实例2:各种酒类的生产 各种酒类 酿酒酵母 四、发酵工程的应用 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 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。 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 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。 啤酒的工业化流程 思考·讨论 后发酵 主发酵 主发酵： 后发酵： 思考·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。 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。 思考·讨论 1．关于啤酒生产的流程说法错误的是(　　) A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶 B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性 C．糖化的目的是让淀粉分解 D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌 巩固练习 B 2.啤酒是发酵工程的主要产品，关于啤酒发酵的说法错误的 是(　　) A．啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的 B．酵母菌的大量繁殖在啤酒发酵主发酵阶段 C．啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行有氧呼吸 D．啤酒生产的后发酵阶段是在低温度和密闭环境下进行的 巩固练习 C ①利用黑曲霉发酵生产柠檬酸； ②利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理 制成味精。 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 乳酸链球菌素、溶菌酶 (2)生产各种各样的食品添加剂 1.在食品工业上的应用： 四、发酵工程的应用 (3)生产酶制剂 种类 作用 食品的直接生产 改进生产工艺 简化生产过程 改善产品品质和口味 延长食品储存期 提高产品产量 α-淀粉酶 β-淀粉酶 果胶酶 脂肪酶 氨基肽酶 1.在食品工业上的应用： 四、发酵工程的应用 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 2.在医药工业上的应用： 四、发酵工程的应用 (2)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。 实例： ①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素； ②利用基因工程改造的微生物生产疫苗。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。如某种乙型肝炎疫苗的生产。 (1)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。 实例：通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素 ③未来甚至还可能利用微生物生产过去只能从植物中分离 提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物； 2.在医药工业上的应用： 四、发酵工程的应用 (1)生产微生物肥料 ①利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进 土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。 ②有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少 病害的发生。 3.在农牧业上的应用： 四、发酵工程的应用 如：根瘤菌肥、固氮菌肥等 31 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 例如： ①利用苏云金杆菌防治多种农林虫害 ②利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫 ③一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。 (2)生产微生物农药 3.在农牧业上的应用： 四、发酵工程的应用 32 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。 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，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: 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。 (3)生产微生物饲料 3.在农牧业上的应用： 四、发酵工程的应用 其原理是利用青贮原料上存在的乳酸菌等微生物，通过厌氧呼吸将青贮原料中的碳水化合物转化成有机酸，使pH值降到3.8～4.2，抑制有害菌的生长，从而实现长期保存饲料及其营养物质的目的。 33 (1)解决资源短缺与环境污染问题 例如：利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。 (2)将极端微生物应用于生产实践 ①极端微生物：能在极端恶劣的环境（如高温、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。 4.在其他方面的应用： 四、发酵工程的应用 34 (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌( ) (2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行( ) (3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨 酰胺( ) (4)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率( ) (5)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大， 不易处理。( ) (6)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。( ) (7)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇。( ) (8)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。( ) × × √ × 【基础过关】 × × × √ 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】 练习与应用 37 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 √ √ ✘ ✘ 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 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。 二、拓展应用 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 41 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $