1.3 发酵工程及其应用课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第一章 第3节 发酵工程及其应用 学习目标 01 概述发酵工程及其基本环节 02 举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值 01 问题探讨 01 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，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。 青霉素 在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢? 过渡 02 发酵工程的基本环节 发酵工程 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。 02 发酵工程的基本环节 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 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 现代发酵工程使用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、　　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。 发酵罐内发酵 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。 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。 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。 生产青霉素 黄青霉 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。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 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 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。 分离、提纯产物 获得产品 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。 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 02 发酵工程的基本环节 讨论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。 02 发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 要对温度、pH、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，同时及时添加必要的营养组分。 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，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 02 发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 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、过滤等方法来分离和提纯产物。 在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、吸附和离子交换等方法;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，都需要进行质量检査，合格后才能成为正式产品。 02 发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 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？ 不能直接排放到外界环境中；因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。 03 发酵工程的应用 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且容易处理 发酵工程的应用领域 ①在食品工业上的应用 ②在医药工业上的应用 ③在农牧业上的应用 ④在其他方面的应用 03 发酵工程的应用 ——在食品工业上的应用 1.生产传统的发酵产品 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 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 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 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 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 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖， 大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 讨论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。 讨论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？ 讨论3.与传统的手工发酵相比，在上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。 思考·讨论：啤酒的工业化生产流程 讨论4.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。 03 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，有时还可以延长食品的保存期。 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 03 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 常用的几类食品添加剂 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 03 发酵工程的应用 ——在食品工业上的应用 3.生产酶制剂 （1）概念： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 （2）来源： 少数由动植物生产 （3）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。 （4）产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 03 发酵工程的应用 ——在医药工业上的应用 1.生产抗生素 例如应用产黄青霉生产青霉素， 用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 2.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。 03 发酵工程的应用 ——在医药工业上的应用 3.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。 4.生产免疫调节剂 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 03 发酵工程的应用 ——在农牧业上的应用 1.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、增强植物抗病性和抗逆性。 2.常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 03 发酵工程的应用 ——在农牧业上的应用 (2)生产微生物农药 如：利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫， 一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。 微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。 微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用 03 发酵工程的应用 ——在农牧业上的应用 ①微生物饲料原理： ②常见微生物饲料： (3)生产微生物饲料 实例1——单细胞蛋白 许多国家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——食品添加剂、微生物饲料； 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。 单细胞蛋白 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。 03 发酵工程的应用 ——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。 04 课堂小结 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 05 课堂小测 1.发酵工程的内容包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵和产品的分离、提纯等方面。下列关于发酵工程的认识不科学的是( ) A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小等特点 B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶和菌体本身 C.通常所指的发酵条件包括温度控制、溶解控制、pH控制 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 解析：发酵工程具有条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物单一、污染小和容易处理的特点，A错误；发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶和菌体本身，应用于食品工业、医药工业和农牧业等领域，B错误；通常所指的发酵条件包括温度控制、溶解氧控制、pH控制，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，C错误；传统发酵技术和现代发酵工程最大的相同之处是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产，D正确。 05 课堂小测 2.啤酒生产的主要工艺流程如图所示，其中糖化的目的主要是将麦芽中的淀粉水解为小分子糖类。下列关于啤酒发酵的叙述错误的是( ) A.制麦芽时要浸泡大麦,使大麦种子发芽产生淀粉酶 B.糖化过程中淀粉水解有利于酵母菌的发酵 C.活化的酵母菌液需经过灭菌处理后才能用于接种发酵 D.过滤后封装,能延长啤酒的保存期 C 解析：制麦芽时要浸泡大麦，增加自由水含量，使大麦种子发芽产生淀粉酶，A正确；糖化过程使淀粉水解成小分子的葡萄糖，有利于酵母菌利用葡萄糖发酵，B正确；活化的酵母菌液不可进行灭菌，以免杀死酵母菌，C错误；过滤后封装，制造了无氧环境，避免醋酸菌等利用乙醇发酵产生乙酸，能延长啤酒的保存期，D正确。 05 课堂小测 3.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是( ) A.夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.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 B 解析：生产果酒是利用酵母菌的无氧呼吸产生酒精的过程，酒精发酵时一般将温度控制在18～30℃(18～25℃)，夏季温度高，且发酵过程有热量产生，故夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；在发酵产酒精过程中需保持无氧状态，B错误；酵母菌的呼吸过程会产生CO2，故正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压，C正确；可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度决定何时终止发酵，D正确。 感谢指正 Thanks To Correct Me Lavf58.46.101 $