发酵工程与酶工程

1、19世纪中叶，人们仍不知道细菌是从哪里来的。当时一些著名的科学家认为细菌是自然发生的，例如，肉汤里就会自然形成细菌，使肉汤变质。法国科学家巴斯德（LouisPasteur，18211895）设计了一个巧妙的实验，证明了肉汤的腐败是来自空气中的细菌造成的。图图 5-30 巴斯德在展示他巴斯德在展示他的实验（图）的实验（图）1864年7月14日，在法国科学院的报告厅中，巴斯德演示了他的实验，作了精彩的说明，向世人证实了细菌不是自然发生的，而是由原来已经存在的细菌产生的。巴斯德对肉汤腐败的原因解释是：桌上瓶中的肉汤，因为空气中的细菌可以进去，几天就腐败了。而鹅颈瓶中的肉汤虽然与空气相通，但细菌只落在

2、鹅颈瓶的弯曲处，因此四年都没有腐败！细菌是由原已存在的细菌产生的。巴斯德还发现了乳酸菌、酵母菌（真菌的一种），提出了保存酒和牛奶的巴氏消毒法以及防止手术感染的方法，后人称他为“微生物学之父”。读了这个故事，你对科学的发现有什么新的认识？泡菜坛（图）泡菜坛（图）你见过泡菜坛吗？制作泡菜的原理就是利用乳酸菌使蔬菜中的有机物生成乳酸。泡菜坛的结构，既要加盖，还要用一圈水来封口，你能推测其中的科学道理吗？图图 5-13 某发酵工厂的生产车间某发酵工厂的生产车间发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却、pH检测等装置。上图显示的是某发酵工厂的生产车间。图

3、图 5-14 发酵罐的结构发酵罐的结构示意图示意图发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却、pH检测等装置。上图显示的是发酵罐的结构示意图。图图 5-15 发酵工程生产产发酵工程生产产品的流程简图品的流程简图发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。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。抗生素药品（图）抗生素药品（图）继青霉素之后，又有许多种抗生素陆续被发现，如抵抗结核菌的链霉素、消炎抗菌的红霉素等。

4、但是，抗生素并不是万能的，不同的抗生素适于治疗不同的疾病，而且对人体都有一定的副作用。如果滥用抗生素，不仅不能达到治疗目的，还会杀死人体内有益的细菌。在长期使用抗生素过程中，人们还发现原来对疾病有特效的抗生素多次使用后，变得不那么灵验了。这是怎么回事呢？原来，使用抗生素后，病菌中那些有抗药性的个体没有被杀死，它们会大量繁殖，使病菌在总体上产生较强的抗药性。现在，抗生素的使用范围越来越广泛。除用于医疗外，还被用于禽畜饲养业，而且常常过量使用。因此，即使你不打针吃药，也可能通过饮食摄入你不需要的甚至有害的抗生素。抗生素是人类的一大发明，它使亿万人受益。但是，滥用抗生素也带来新的问题。读了这篇短文，

5、你对科学、技术和社会的关系有什么新的认识？常用的几类食品添加剂常用的几类食品添加剂各种各样的食品添加剂改善了食品的品质及色、香、味。例如，用发酵方法制得的L-苹果酸是国际食品界公认的安全型酸味剂，广泛用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果、人造奶油等的生产中。图图 5-16 酶的几种固定方式示意图酶的几种固定方式示意图 微生物产生的酶种类很多，有的存在于微生物产生的酶种类很多，有的存在于细胞内，有的分泌到细胞外，因此，对细胞内，有的分泌到细胞外，因此，对所需要的某一种酶来说，需要提取和分所需要的某一种酶来说，需要提取和分离纯化。离纯化。 将提取和分离纯化后的酶制成酶制剂将提取和分离纯化后的酶制成酶制

6、剂（如将某种酶的酶液进行干燥处理后，（如将某种酶的酶液进行干燥处理后，加入适量的稳定剂和填充剂），就可以加入适量的稳定剂和填充剂），就可以用来催化化学反应了。但是，这样的催用来催化化学反应了。但是，这样的催化反应结束后，酶制剂和产物是混合在化反应结束后，酶制剂和产物是混合在一起的，产物的纯度不高，并且酶制剂一起的，产物的纯度不高，并且酶制剂不能重复使用。为此，科学家设想将分不能重复使用。为此，科学家设想将分离纯化后的固定到一定的载体上，使用离纯化后的固定到一定的载体上，使用时将被固定的酶投放到反应溶液中，催时将被固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后又能将被固定的酶回收，化反应结束后又能将被

7、固定的酶回收，这样的酶叫做固定化酶。例如，将葡萄这样的酶叫做固定化酶。例如，将葡萄糖异构酶吸附到离子交换树脂上，或者糖异构酶吸附到离子交换树脂上，或者包埋在明胶中，制成的固定化葡萄糖异包埋在明胶中，制成的固定化葡萄糖异构酶，不仅可以用于使葡萄糖转化成甜构酶，不仅可以用于使葡萄糖转化成甜度更高的高果糖浆、而且可以在生产中度更高的高果糖浆、而且可以在生产中反复使用。目前，科学家已经研制出膜反复使用。目前，科学家已经研制出膜状、颗粒状等多种形态的固定化酶。状、颗粒状等多种形态的固定化酶。图图 5-17 尿糖试纸和尿糖标准色标尿糖试纸和尿糖标准色标我们知道，糖尿病患者需要经常用尿糖试纸化验自己尿糖的情

8、况，那么，尿糖试纸是怎样制作出来的呢？科学家根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧，以及原子氧可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物的原理，将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上，制成测试尿糖含量的酶试纸。这种酶试纸与尿液相遇时，很快就会因尿液中葡萄糖含量的少到多而依次呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色。图图 5-18 用血糖快速测试仪化验血糖用血糖快速测试仪化验血糖 血糖快速测试仪实际上是利用有关的固定化酶制成的一种传感血糖快速测试仪实际上是利用有关的固定化酶制成的一种传感器器酶传感器。酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定

9、酶传感器。酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定化酶膜可以选择性地化酶膜可以选择性地“识别识别”被检测的物质，并且催化被被检测的物质，并且催化被“识别识别”出的物质发生化学反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的出的物质发生化学反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪表显示出来。用血糖快速测试仪化变量转换成电信号，进而通过仪表显示出来。用血糖快速测试仪化验血糖，具有灵敏度高和速度快等优点。验血糖，具有灵敏度高和速度快等优点。图图 5-19 酶传感器工作原理示意图酶传感器工作原理示意图 酶传感器主要由固定化酶膜和变换酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定化

10、酶膜可以选择性地器组成：固定化酶膜可以选择性地“识识别别”被检测的物质，并且催化被被检测的物质，并且催化被“识别识别”出的物质发生化学反应；变换器则把这出的物质发生化学反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的变量转换成一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪表显示出来。用血电信号，进而通过仪表显示出来。用血糖快速测试仪化验血糖，具有灵敏度高糖快速测试仪化验血糖，具有灵敏度高和速度快等优点。和速度快等优点。 酶传感器还可以用于水质监测。例酶传感器还可以用于水质监测。例如，酚是一类对人体有害的化合物，经如，酚是一类对人体有害的化合物，经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河