《发酵工程及其应用》课件

第3节发酵工程及其应用第1章发酵工程从社会中来青霉素青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。

随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。

一、发酵工程的基本环节

发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。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。

一、发酵工程的基本环节发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品选育菌种扩大培养接种灭菌配制培养基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。工业发酵罐体积大，接入的菌种多，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是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。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。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的微生物数量、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。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。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。发酵工程的基本环节和发酵罐示意图

一、发酵工程的基本环节

发酵工程基本环节分析

结合教材图1－9，分析和讨论以下问题。

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？

需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；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？

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。思考·讨论？

一、发酵工程的基本环节

发酵工程基本环节分析

结合教材图1－9，分析和讨论以下问题。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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。思考·讨论？

一、发酵工程的基本环节

发酵工程基本环节分析

结合教材图1－9，分析和讨论以下问题。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，实现清洁生产时，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。

二、发酵工程的应用

发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和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。思考·讨论？

二、发酵工程的应用

1．在食品工业上的应用

⑴生产传统的发酵产品

①酱油的发酵：

②啤酒的工业化生产流程

啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，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品味要求的不同而有所差异。大豆蛋白质小分子的肽和氨基酸酱油霉菌↓蛋白酶淋洗调制

二、发酵工程的应用啤酒的工业化生产流程及操作目的分析生产流程图示操作目的发芽产生淀粉酶分解淀粉焙烤加热杀死胚，终止麦芽生长，减少有机物消耗，保留营养物质，但不使淀粉酶失活碾磨将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉，便于糖化糖化淀粉酶将淀粉分解，形成糖浆蒸煮产生风味组分；使酶失活；灭菌发酵酵母菌将糖转化为酒精和CO2消毒杀死啤酒中的大多数微生物，延长保存期终止过滤、调节、分装、出售

二、发酵工程的应用啤酒的工业化生产流程及操作目的分析

讨论1与传统的手工发酵相比，在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。

讨论2“精酿”啤酒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。

二、发酵工程的应用

1．在食品工业上的应用

⑵生产各种各样的食品添加剂

①食品添加剂的作用

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。

②通过发酵工程生产的常见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

二、发酵工程的应用

1．在食品工业上的应用

⑵生产各种各样的食品添加剂

③生产食品添加剂的实例

实例1：柠檬酸的发酵

实例2：味精的生产黑曲霉↓淀粉酶柠檬酸合成酶淀粉葡萄糖柠檬酸发酵氧气处理谷氨酸棒状杆菌谷氨酸味精

二、发酵工程的应用

1．在食品工业上的应用

⑶生产酶制剂

目前，已有50多种酶制剂成功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品产量等方面。这些酶制剂除少数由动植物生产外，绝大多数也是通过发酵工程生产的。

//////////请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。//////////

探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶；探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶等。？

二、发酵工程的应用

2．在医药工业上的应用

青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。之后，发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等的生产领域。⑴利用基因工程，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，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。⑵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。⑶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，再通过发酵技术大量获得疫苗。

二、发酵工程的应用

3．在农牧业上的应用

从自然界选育出优良菌株，再通过发酵工程大规模发酵生产制成的活菌或其代谢物产品等正在用于现代农牧业的很多方面。

⑴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、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植物生长。

②利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。

⑵生产微生物农药

利用微生物或其代谢物来防治病虫害。

二、发酵工程的应用

3．在农牧业上的应用⑶生产微生物饲料

研究表明，微生物含有丰富的蛋白质，而且细菌生长繁殖速度很快。以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。

用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；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。

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。

4．在其他方面的应用

对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义。1234567891011121314A级必备知识基础练1.下列关于发酵工程的菌种的叙述,错误的是(

)A.发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来B.发酵工程可以利用原材料中含有的菌种C.发酵工程的菌种可以来自基因工程D.发酵工程的菌种可以来自诱变育种B解析

发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种,一旦有杂菌污染,可能导致产量下降,因此,培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌。故发酵工程的菌种不可以利用原材料中含有的菌种。发酵工程中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和基因工程育种获得。12345678910111213142.下列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.酵母菌的大量繁殖发生在啤酒发酵的主发酵阶段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、密闭环境下进行的C解析

啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌无氧呼吸将糖类分解为酒精制成的,A项正确;酵母菌的大量繁殖发生在啤酒发酵的主发酵阶段,B项正确;啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行无氧呼吸,将糖类分解成酒精,C项错误;为了防止酒精形成乙醛和乙酸,啤酒生产的后发酵阶段要在低温、密闭环境下进行,D项正确。12345678910111213143.下列对发酵工程内容的叙述,正确的是(

)A.单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质B.用诱变育种、细胞工程、基因工程等方法选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养C.根据工程菌所需的营养精确地配制出培养基并进行严格的消毒处理D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件B1234567891011121314解析

单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料,通过发酵获得的大量的微生物菌体,A项错误;用诱变育种、细胞工程、基因工程等方法选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养,B项正确;根据工程菌所需的营养精确地配制出培养基并进行严格的灭菌处理,C项错误;人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件等,D项错误。12345678910111213144.[河北张家口高二期末统考]下列关于发酵工程的基本环节及应用的叙述,正确的是(

)A.培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降B.在主发酵阶段酵母菌会大量繁殖,主发酵结束后可得到澄清、成熟的啤酒C.单细胞蛋白是指从大量培养的微生物菌体中获得的蛋白质,可以作为家畜和家禽的饲料D.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的,是化学防治的重要手段A1234567891011121314解析

培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降,如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解,A项正确;在主发酵阶段酵母菌会大量繁殖,主发酵结束后需要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵,这样才能得到澄清、成熟的啤酒,B项错误;单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料,通过发酵工程生产的微生物菌体,C项错误;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,D项错误。12345678910111213145.三华李中含有丰富的矿质元素和维生素,有机酸含量和种类丰富。某同学按照“三华李果实→清洗破碎→酶解→过滤→硫处理→成分调整→接种→主发酵→倒灌过滤→后发酵→陈酿→澄清→配兑→灌装→杀菌→成品”的流程研究三华李果酒酿造工艺。下列叙述错误的是(

)A.在酶解环节,需要向果浆中添加果胶酶和纤维素酶并控制酶解温度B.在成分调整环节,按比例添加蔗糖可以提高果酒的酒精含量C.主发酵时环境需密闭,后发酵时需要通气,应保持前后温度在28℃左右D.可通过研究发酵时间、接种量、初始糖度等因素优化三华李果酒的发酵工艺C1234567891011121314解析

在果浆中添加果胶酶和纤维素酶可以酶解细胞壁,增加细胞内容物的释放,酶活性受到温度的影响,所以在酶解环节需要控制酶解温度,A项正确;酵母菌利用水果中的有机物进行氧化分解产生酒精,在成分调整环节,按比例添加蔗糖一方面可以为酵母菌提供碳源,促进接种后的酵母菌菌种繁殖,另一方面可以提高果酒的酒精含量,B项正确;主发酵阶段进行通气,使酵母菌进行有氧呼吸,促进酵母菌大量繁殖,后发酵阶段需要密闭,使酵母菌进行无氧呼吸产生酒精,酿酒酵母的适宜生长温度为28

℃左右,所以发酵时应保持前后温度在18~30

℃,C项错误;实验时可通过研究发酵时间、接种量、初始糖度等因素来确定最佳的发酵时间和酒精含量等,优化三华李果酒的发酵工艺,D项正确。12345678910111213146.[山东临沂高二期中联考]青霉菌属于异养需氧型多细胞真菌。下列关于实验室纯化青霉菌,以及利用青霉菌发酵大规模生产青霉素过程异同的分析,错误的是(

)A.均须使用液体培养基B.均须在适宜温度下进行C.前者需通过平板划线法或稀释涂布平板法得到单菌落D.后者需实时检测发酵液中O2等物质的含量A解析

实验室纯化青霉菌应使用固体培养基,A项错误;温度是青霉菌生长和发酵的重要条件,故均须在适宜温度下进行,B项正确;实验室纯化青霉菌需通过平板划线法或稀释涂布平板法得到单菌落,C项正确;发酵过程中需要实时检测发酵液中O2等物质的含量以控制适宜的发酵条件及了解发酵情况,D项正确。12345678910111213147.下列有关发酵工程的叙述,错误的是(

)A.可以通过设置生长条件选育优良的目的菌种B.菌种扩大培养过程一般使用液体培养基C.所有发酵过程中使用的菌种都是单一菌种D.发酵过程中,要随时对培养液中的微生物数量及产品浓度等进行检测C解析

符合生产要求的菌种可以通过设置生长条件选择出来,从而抑制不符合条件的菌种的生长,然后从符合条件的菌种中选出目的菌种,A项正确;菌种扩大培养过程一般使用液体培养基,这样可以让菌体和培养液充分接触,便于菌体的大量繁殖,B项正确;发酵工程中所使用的菌种大多是单一菌种,C项错误;发酵过程中,要随时对培养液中的微生物数量及产品浓度等进行检测,以便确定合适的加料和出料的速度以及对发酵条件的控制,D项正确。12345678910111213148.下列关于微生物发酵过程的叙述,正确的是(

)A.菌种选育是发酵工程的中心环节B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基,就能保证发酵的正常进行C.在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成D.在谷氨酸发酵过程中,当pH呈酸性时,生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸C1234567891011121314解析

发酵工程的内容包括菌种选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产物的分离、提纯等方面,其中发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节,A项错误。发酵过程中应随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行,B项错误。微生物发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,因为环境条件的变化不仅会影响菌种的生长繁殖,而且会影响代谢物的形成,C项正确。在谷氨酸发酵的过程中,当pH呈酸性时,谷氨酸棒状杆菌容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺;当溶解氧不足时,生成的代谢物就会是乳酸或琥珀酸,D项错误。12345678910111213149.[辽宁辽中高二期中]下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述,错误的是(

)A.生产传统发酵产品,如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油B.生产各种各样的食品添加剂,可以改善食品的口味但不能增加食品的营养C.生产食品酸度调节剂,如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得D.生产酶制剂,少数酶制剂由动植物生产,绝大多数通过发酵工程生产B1234567891011121314解析

酱油是一种传统发酵产品,一般是利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉)来进行生产,A项正确;食品添加剂不仅可以改善食品的口味,还能增加食品的营养,B项错误;常见的食品添加剂柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得,C项正确;常用的酶制剂绝大多数通过发酵工程生产,少数由动植物生产,D项正确。123456789101112131410.现代工业生产中往往采用规范的流程进行发酵生产以提高生产效率,下图是发酵工程生产产品的流程图。据图回答下列问题。(1)在啤酒生产中,使用①改造的啤酒酵母,可以加速发酵进程,缩短生产周期,①是

;高产青霉素菌种是通过②培育的,②是

;③是细胞工程。

(2)④表示

,⑤表示

。

基因工程诱变育种接种灭菌1234567891011121314(3)整个过程的中心环节是发酵罐内发酵,在此环节需要随时取样、检测等,以了解发酵进程,还要及时添加

,同时严格控制

。

(4)若发酵所得产品是单细胞蛋白,则⑥往往采用

的方法进行提取。

必需的营养成分温度、pH和溶解氧等发酵条件过滤、沉淀1234567891011121314解析

(1)啤酒生产中,使用基因工程改造的啤酒酵母,可以加速发酵进程,缩短生产周期;高产青霉素菌种的产生是诱变育种的结果。(2)根据发酵流程可以判断④⑤分别是接种和灭菌。(3)在发酵过程中随微生物的代谢过程的进行,微生物、发酵产物的量以及发酵液的各种理化性质随时都在发生变化,因此要不断进行检测,随时向发酵液中添加必需的营养成分,同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件,以便得到较多的发酵产品。(4)单细胞蛋白就是指通过发酵获得的大量微生物菌体,往往采取过滤、沉淀的方法进行提取。1234567891011121314B级能力素养提升练11.[云南昆明高二期中]青霉素是一种常用的抗生素,其工业化生产流程如下图所示。下列相关叙述错误的是(

)A.图中的过程①②都属于扩大培养,目的是增加菌种的数量B.过程③可以用化学药物进行灭菌处理,防止培养基中掺杂其他微生物C.过程④常用的方法是过滤和沉淀,分离出的菌种可以再使用D.发酵过程中要严格监控温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等发酵条件B1234567891011121314解析

图中的过程①②都属于扩大培养,进行培养液的更换,有利于增加菌种的数量,A项正确;过程③灭菌所用化学药物对各种微生物均有一定的杀灭能力,残留在培养基中的药物也会抑制接种的青霉菌的生长繁殖,B项错误;发酵完成后,如果产品是菌种,则需要采用过滤、沉淀等方法获得细胞,分离出的菌种可以再使用,C项正确;发酵过程中必须严格控制好温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等发酵条件,使发酵全过程处于最佳状态,D项正确。123456789101112131412.发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。消灭杂菌,获得纯种的方法不包括(

)A.根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸B.根据微生物缺乏生长因子的种类,在培养基中增减不同的生长因子C.根据微生物对碳源需要的差别,使用含不同碳源的培养基D.根据微生物对抗生素敏感性的差异,在培养基中加入不同的抗生素A解析

根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA)并不会直接影响微生物自身的遗传组成,即使其被微生物利用,也是被分解为核苷酸后才能利用,所以培养基中加入不同比例的核酸,不会对微生物起选择作用,A项符合题意。123456789101112131413.[多选][山东菏泽高二期末]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。下列有关说法正确的是(

)A.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B.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶制剂及菌体本身C.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D.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白BC1234567891011121314解析

发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵,A项错误;发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶制剂及菌体本身,B项正确;在发酵工程的发酵环节中,发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖,也会通过影响酶的活性影响微生物的代谢途径,C项正确;单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体,D项错误。123456789101112131414.阅读以下材料,回答相关问题。我国是