第七讲生物技术概论1a.ppt

1、第七讲 生物技术概论 生物技术总论 生物技术(Biotechnology)，又称生物工程（Bioengineering)。它和微电子、新材料被称为二十一世纪三大前沿学科。 生物技术是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需的产品或达到某种目的。 生物技术一般分为：发酵工程，酶工程，细胞工程，基因工程，生物化学工程等。,第一节发酵工程 发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合起来，利用微生物生长和代谢活动来生产各种有用物质的工

2、程技术,一、发酵工程的发展历程 发酵工程的萌芽 石器时代的后期古人类已能进行酒精发酵。 古埃及人用酵母发酵制作面包和啤酒。 中国周代后期,制作酱油和酿醋。 发酵工程的产生 19世纪后期法国科学家巴斯德确定发酵是由微生物引起的，并建立了微生物纯种培养 科赫建立了划线法和平板培养法等分离纯化微生物的方法促进了微生物的生理生化研究。,发酵工程的建立 20年代大规模纯种培养发酵生产丙酮和丁醇，4050年代青霉素的大规模发酵生产标志着，现代发酵工程的建立。随着遗传育种学与代谢调控技术的发展，60年代发酵工程飞速发展，称为第一次绿色革命 发酵工程的发展 1972年体外基因重组获得成功，标志着 基因工程技术

3、开始，80年代开始大量将 基因工程改造的微生物与细胞应用于发 酵工程。,作为一个最古老的生物技术，发酵工业在国民经济中起着举足轻重的作用。,发达国家发酵工业的产值占国民生产总值的5%。 而抗生素发酵工业的产值占医药工业的20%,二.工业微生物介绍： （一）. 细菌 属于原核生物，单细胞生物 形态： 具有一定的细胞形态并基本 保持恒定球菌、杆菌、螺旋菌 三大类，大小0.21.5um 其中发酵工业中常见与常用的 为球菌与杆菌，尤其是杆菌，而螺旋菌主要是病源菌,电镜下的杆菌、球菌、螺旋菌 2.细胞的结构： 细菌细胞一般构造包括：细胞壁、细胞膜、细胞质、间体、核糖体、核区、内含物颗粒。部分细菌具有特殊

4、结构：夹膜、鞭毛、线毛、芽孢 根据细菌细胞壁结构的不同可分为革兰氏阳性菌（细胞壁主要由肽聚糖组成）与革兰氏阴性菌（细胞壁主要由蛋白质、脂多糖组成）,3.细菌的繁殖： 细菌一般进行无性繁殖，即细胞的横分裂，称为裂殖。有时也会出现有性结合，但以裂殖为主。 4.重要的细菌 乳酸杆菌、大肠杆菌、芽孢杆菌、醋酸杆菌、丙酸菌、棒杆菌、假单胞菌 甲烷菌、瘤胃球菌、氧化亚铁硫杆菌 6.用途 广泛，食品、医药、轻工业、农业、化工、能源、环保、选矿 如棒杆菌利用淀粉水解糖和尿素等原料发酵生产谷氨酸可制备味精,（二）放线菌 1、 放线菌是一种原核生物，以菌落呈放射状而得名。 2、分布：放线菌在自然界分布很广，主要习

5、居于土壤之中，中性、偏碱性的 土壤和有机质丰富的土壤中较多。土壤特有的泥腥味主要由放线菌的代谢产物 引起的。 3、结构： 基内菌丝长在培养基内，吸收营养 气生菌丝向培养基上空伸展 孢子丝 气生菌丝分枝部分，具有形成孢子 作用的繁殖菌丝,菌丝体,4、应用 在医药工业中放线菌非常重要，目前大部分抗生素都是利用放线菌发酵生产，此外还可用于生产酶类和维生素。但需要注意的是有少数放线菌是致病菌。 例如链霉菌属的放线菌可生产土霉素、金霉素、链霉素等抗生素。,5、繁殖方式： 以无性方式繁殖，主要是 孢子丝通过横隔分裂形成 孢子，也可通过菌丝断片 繁殖，有些放线菌的菌丝 上可形成孢子囊，孢囊成 熟后释放出孢囊

6、孢子,（三）霉菌 霉菌是一类形成菌丝体的丝状真菌的统称 ，属于真核生物，分布广泛 包括藻状菌纲、子囊菌纲和半知菌纲 1.形态：（见右图） 霉菌菌丝可以是单细胞的也可以是多 细胞的（有隔膜的），形态多样 曲霉属：有分生孢子，顶囊，次生小梗 初生孢子梗等 青霉属：具有帚状枝，其最后一级分枝 即为产生孢子的小梗 根霉属：有匍匐菌丝并生出假根，向上 伸出孢囊梗，形成孢子囊，其中含孢子 囊孢子,根霉,曲霉在显微镜下的菌丝形态,根霉在显微镜下的菌丝形态,青霉在显微镜下的菌丝形态,2. 繁殖方式：具有有性繁殖和无性繁殖，但大部分为无性繁殖 有性繁殖方式：卵孢子、结合孢子、子囊孢子 无性繁殖方式：游动孢子、孢

7、子囊孢子、分生孢子、菌丝孢子,根霉的孢子囊孢子,3. 用途： 根霉酿酒、生产乳酸、发酵食品、 脂肪酶、甾体转化 毛霉豆类发酵食品、甾体转化 青霉青霉素、有机酸 黑曲霉柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶、 果胶酶、甾体转化等 米曲霉发酵食品、有机酸、杀 虫剂、降血脂、淀粉酶、蛋白酶、果 胶酶 红曲霉降血脂、红曲色素、发酵食品 但需要注意黄曲霉能产生致癌毒素,（四）酵母菌： 酵母菌是一类单细胞的真核微生物 1.形态：多为球形、卵形、圆筒形、尖形等， 一般酵母大小23um,部分达2050um 酵母细胞典型构造包括： 细胞壁、细胞膜、细胞核、液泡、线粒体、 核糖体、内质网、微粒、微丝、内含物等 2.分布：喜欢生长

8、在含糖环境，成熟水果表皮上含有，果园、糖厂、酒厂土壤中,3.繁殖方式： 分为有性繁殖和无性繁殖 无性繁殖中包括：芽殖和裂殖，发酵工业中以芽殖为主。,4.用途： 食品工业酿酒、食用酵母、某些发酵食品、食用色素 化工生产甘油、乙醇、石油脱蜡、有机酸、酶制剂 制药核酸、辅酶,（五）担子菌 是最高级的大型真菌，能产生担孢子的一类多细胞真核生物 1.形态：由发育良好其有分割的菌丝组成，往往扩展生成扇形，能形成子实体,2.繁殖方式：无性繁殖和有性繁殖 无性繁殖：芽殖、菌丝体的裂殖、分生孢子、粉孢子 有性繁殖：形成担孢子 3.用途： 食用：蘑菇、木耳、香菇 药用：虫草、灵芝等 一般取用其子实体,担孢子,三、

9、发酵工程及其应用 （一）发酵的定义 定义：发酵（fermentation）最初是由拉丁语ferver即“发 泡”、“沸涌”派生而来的。指酵母作用于果汁或谷物，进 行酒精发酵时产生二氧化碳（CO2）的现象。 随后，法国微生物学家巴斯德探讨了酵母酒精发酵的生理意义，认为发酵是在无氧状态下的呼吸过程。 现在发酵定义为： 发酵是指利用特定的微生物（活细胞）来获得产物的有氧或无氧的任何过程，泛指所有通过培养生物细胞（含动物、植物、微生物细胞）制得产物的过程,（二）发酵和微生物新陈代谢的特点 1.微生物发酵具有以下特点： a.利用微生物， b.原料多数为粮食性原料， c.发酵条件温和， d.现代发酵多为无

10、菌环境纯种培养。 此外微生物新陈代谢还具有代谢速度快，代谢方式受环境影响的特点,（三）发酵工程的类型 微生物菌体发酵 以获取具有某种价值的菌体为目的 微生物酶发酵 以获取代谢产生的酶为目的，如淀粉酶、脂肪酶 微生物代谢产物发酵 是发酵工业的主要支柱，包括初级代谢产物和次级代谢产物， 初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、核酸、糖类 次级代谢产物：抗生素、生物碱、细菌毒素,微生物的转化发酵 利用微生物细胞产生的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的化合物，如将某些甾体转化为维生素，将乙醇转化为乙酸的醋酸发酵 生物工程的细胞发酵 利用生物工程获得的细胞，特别是DNA重组技术获得的工程菌和细胞融合得到的杂

11、交细胞进行发酵获得产物 如重组人胰岛素、干扰素,（五）微生物发酵的一般过程： 微生物发酵的一般过程包括：菌种制备、种子培养、发酵和提取精制等几个过程。,微生物发酵过程的特点 发酵培养基是人工配制的适合于微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。培养基中的营养成分应包含碳源、氮源、无机盐微量元素、生长因子。 发酵是在无菌状态下对微生物进行纯种培养，因此所用的培养基和培养设备需经过灭菌，通入的空气也必须为无菌，转移菌种也必须采用无菌接种技术。 发酵过程中微生物出现典型的生长周期：延滞期、对数生长期、静止期、衰亡期。 发酵工艺的控制包括：温度、pH、溶解氧浓度的控制及染菌的防治,（六）发酵工程的应用

12、1、发酵工程在食品工业中的应用 食品加工 蛋白酶、淀粉酶、糖化酶 酿酒与含酒精饮料 发酵乳制品 酸奶、乳酪、奶酒 调味品与发酵食品 味精、肌苷酸、鸟苷酸、酱油、醋、酱、豆腐乳、泡菜、酱菜、发酵肉类 食品添加剂 面包酵母、有机酸、色素、维生素、多糖、乳酸菌肽、甜味剂,2、发酵工程在医药工业中的应用 抗生素 最大一类治疗药物。到目前为止，抗生素总数不少于9000种产品100多种，年产值数百亿美圆。 氨基酸 20多种，是重要的医药原料 维生素 重要的医药原料 甾体激素 重要的医药原料，大部分为化学合成-微生物转化 疫苗、核酸类药物、药用酶、蛋白质类药物 天然药物 通过细胞培养或微生物转化,3、发酵工

13、程在轻工业中的应用 生产工业酶、糖酶、脂肪酶、果胶酶 蛋白酶主要是洗涤剂。 4、发酵工程在化工产品中的应用 生产各种醇及有机溶剂，如乙醇、甘油、丙酮 生产有机酸：醋酸、苹果酸、乳酸、柠檬酸 利用藻类生产油脂，如DHA、EPA 5、发酵工程在新能源中的应用 生产甲烷、乙醇、氢气,6、发酵工程在农业中的应用 生物农药 微生物杀虫剂：细菌、真菌、原生动物杀虫剂 防治动植物病害：农用抗生素 生物除草剂 杂草病原微生物 生物增产剂 生产食用及药用真菌 蘑菇、草菇、木耳、香菇、灵芝等上百种,7、发酵工程在环境保护中的应用 厌氧发酵、好气发酵处理废水废渣 8、发酵工程在冶金选矿中的应用 利用氧化亚铁硫杆菌等

14、自养微生物将含硫金属矿石中的金属形成金属盐释放出来，如金、银、铜、铀、铅、锌,三.发酵工程举例 (一）啤酒生产 （二）酸奶生产,（一）啤酒生产 一. 概述 啤酒：以大麦经发芽制成的大麦芽为主要原料，经糖化和发酵制成。 特点： （1）添加酒花作为香料，经啤酒酵母发酵酿制而成。是含CO2、低酒精浓度、起泡的酿造酒。 （2）啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料酒，且营养丰富，人们适量饮用时酒精对人体毒害相对较小。 啤酒是世界饮料酒，现除伊斯兰国家由于宗教原因不生产和不饮用酒外，啤酒生产几乎遍及世界各国，是世界产量最大的饮料酒，已达11300万吨，人均年占有量23L。,糖化车间,生产原料: 1、主要原料 大

15、麦 可产生大量的水解酶类 大麦种植遍及全球 大麦的化学成份适合酿造啤酒 大麦是非人类主食 2、辅助原料 小麦、玉米、大米、高梁等谷类，玉米淀 粉、木薯等淀粉，蔗糖、淀粉糖浆等. 目的:降低成本；(麦芽价格几乎翻了1倍) 降低麦汁总氮，提高啤酒稳定性。(辅料只含糖类）,3、啤酒花和酒花制品 酒花是啤酒的通用香料，能赋于啤酒柔和优美的芳香和爽口的微苦味，能加速麦汁中高分子蛋白质的絮凝，能提高啤酒泡沫起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的生物稳定性。主要是苦味物质，如-酸、-酸及一系列氧化聚合产物，它们是啤酒苦味物质和涩味的主要物质。酒花精油，是啤酒中幽雅香气的主要成份。多酚物质，含量很少（4%-8%

16、）在啤酒中可形成色泽。,制麦工艺流程： 原料大麦 清洗分级 称量 浸麦槽 2.2mm以下小麦粒作饲料 湿大麦（含水4348%) 发芽箱 (1218, 57天 ) 干燥 除根机 贮藏 成品麦芽,麦芽质量： 叶芽长度：浅色麦芽叶芽长度为麦粒长的3/4者占75%，平均长度为麦粒长的0.75左右，不发芽粒少于5%，可认为优良。 糖化力：指麦芽中-淀粉酶和-淀粉酶联合使淀粉水解成还原糖（以麦芽糖表示）的能力,麦汁的组成是酿造啤酒的物质基础之一，近代生物化学知识和分析技术使麦汁制造中复杂的变化被人们所掌握，复杂的工艺过程也被酿造师的理论和技术所调节与控制。 啤酒瓶包装上的度数指的是麦芽汁的浓度而不是酒精含

17、量,啤酒发酵： 啤酒酵母菌株 a 粉末型酵母（上面啤酒酵母）：大量酵母分散到液体中 b 凝聚型酵母（下面啤酒酵母）：发酵到一定程度，酵母自动凝块沉降 啤酒发酵技术： 19世纪初采用“上面发酵”；19世纪中叶德国首先分离出下面啤酒酵母，这种淡色啤酒酵母称为“慕尼黑”型。现今下面发酵法生产啤酒占世界总产量90%左右。我国基本采用此法。,啤酒发酵生产流程图,室外圆筒体锥体发酵罐（C.C.T）发酵：100600m3 单酵罐发酵：前发酵、主发酵、后发酵、贮酒全部在一罐完成。 前酵： 菌株适应期1220h 主酵： 低温发酵910，麦汁浓度3.64.00P ，20d 中温发酵1012（淡爽啤酒），18d 此

18、时酵母沉降 后酵： 糖类继续发酵，促进啤酒风味成熟，增加Co2溶解，促进啤酒澄清。210d（与后酵温度有关）降温、排酵母、贮酒：36左右排酵母，罐内继续降温至0（约需1d），在0左右下贮酒； 27d 罐装：贮酒27天后，通过过滤除去固体杂质，澄清酒体，然后罐装并经过杀菌后作为产品。,发酵控制室,大型啤酒发酵罐,（二）酸奶生产 一、酸奶有非常好的保健作用： 1、营养作用 乳糖降解为葡萄糖与半乳糖，前者进一步转化为乳酸或其他有机酸；后者被人体吸收后，可参与幼儿脑苷脂和神经物质的合成，并有利于提高乳脂肪的利用率。牛奶中的蛋白质经发酵后，乳蛋白变成微细的凝乳粒，易于被人体吸收；酸奶中的磷、钙和铁易于吸

19、收；发酵过程中乳酸菌还会产生人体所必需的维生素B1、B2、B6、B12、烟酸和叶酸等营养物质。 2、缓解乳糖不耐症 乳糖分解为葡萄糖与半乳糖 3、整肠作用 饮用酸奶可以维持有益菌群的优势 4、抑菌作用 5、改善便秘作用 6、降低胆固醇 7、抗癌作用,二、酸奶的类型： 从形态上分有凝固型、搅拌型和饮料型 按产品中是否含活乳酸菌，可分为活菌型和杀菌型 添加果汁的酸奶，被称为果汁型酸奶 三、酸奶生产菌株 选择菌株原则 应选产酸缓和、产香性强和后熟性好（即在酸奶保存期间酸度增加较少）的菌株 *产酸程度适宜 如果菌株的产酸力太强，就会影响酸奶的风味，而且，高酸度会抑制乳酸菌的生长，使酸奶制品中活菌数不足

20、。 *保健效果好（1）L-乳酸（2）活菌在肠道中定植性好，粪便中被检出的活菌数高（3）对沙门氏菌、结核杆菌等人体有害菌的拮抗力强（4）在酸奶保存期间不易死亡（5）有较强的产维生素的能力,常用菌株 1、传统用菌 习惯上采用嗜热链球菌（Streptococus thermothilus)和保加利亚乳杆菌(Lactobacilllus bulgaricus)混合菌发酵 2、添加其他乳酸菌 在上述传统采用的两种菌的基础上，添加嗜酸乳杆菌(Lactobacilus acidophilus)或双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum)，这两种菌能在肠道中定植，使酸奶的保健作用进一步增加。,

21、保加利亚乳杆菌,酸奶发酵流程图,酸奶生产工艺 蔗糖 脱脂奶粉 原料鲜奶 净化 脂肪含量标准化 配料 过滤 预热 均质 杀菌 冷却 接 种 分装 发酵 冷却 后熟 *均质：充分分散乳脂肪，使酸奶不会发生脂肪上浮现象，酸奶的硬度和粘度都有所提高；而且酸奶的口感细腻，更易消化吸收 *灭菌 方法1、将乳加热到90保温5分钟，或85保温30分钟 方法2、在135 保温23秒（超高温灭菌法UHT法） *分装 将接种后的牛乳先分装到销售用的小容器中,加盖后送入恒温室培养制成酸奶。分装应在无菌室进行。,第二节 酶工程 酶（ENZYME）是一种生物催化剂，酶的功能特异与生物的生命活动密切相关，如执行具体生理活动

22、，参与外来物质的转化与解毒，协同激素发挥效应、催化代谢反应等等，没有酶，就没有生物体的一切生命活动。 古代人类就开始利用酶，如酿酒、制酱。 在近代开始逐渐工业化生产酶，1894年日本利用米曲霉生产淀粉酶用于促进消化。 1914年法国生产出细菌-淀粉酶用于纺织工业 50年代，日本第一个用深层液体发酵法生产-淀粉酶开创了现代酶制剂工业。 酶工程已成为一门新兴学科,(一）酶的概述 1、酶的化学本质 一般情况下，酶的化学本质是蛋白质，是具有特殊催化功能的蛋白质 酶一般不能通过半透膜，酶是两性电解质，酶能够被蛋白酶水 解，失活条件与蛋白质相同，结构分析与蛋白质相同。 组成： 单成分酶的组成成分只有酶蛋白

23、，而全酶含有酶蛋白和辅助因子，两者必须结合组成复合物才能有催化活性 辅助因子有的是金属离子；有的是有机小分子，其中与酶蛋白结合紧密的称为辅基，与酶蛋白可分开的称为辅酶 但是，20世纪80年代发现了核酶，其本身属于一种RNA，并非蛋白质，但也能特异性地催化某个反应。,例如：许多脱氢酶需要NAD或NADP为辅酶（烟酰胺核苷酸）,2、酶的结构与催化功能 1.酶的催化功能是由酶蛋白的分子结构，特别是由酶的特殊的空间构象决定的。 酶的活性部位： 酶的活性部位（活性中心）是酶蛋白分子中直接与底物结合，进行催化反应的部位，是由相关酶对底物结合和催化的氨基酸残基在空间上组成一个与酶显示活性直接相关的区域。,酶

24、的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空间构象时才能存在并发挥其催化功能。 酶的其它部分分为： A. 有些去除一段肽链，酶活性不受影响 B. 有些对维持酶的空间构象、保护酶的活性部位、保护 酶的催化能力方面非常重要。,3.酶的催化特性 酶是一种催化剂，可以加快反应速度但不改变平衡点 具有以下催化特性： （1）酶的催化反应条件温和。一般在常压和较低的温度下即可发生酶催化反应。 （2）酶的催化效率高。酶比一般化学催化剂要高得多。 Fe作催化剂，0时1克分子铁10-5mol H2O2 /秒 H2O2酶作催化剂，0时1克分子酶105 H2O2 /秒，高1010倍 （3）酶的催化具有专一性。,酶的专一性 （1

25、）结构专一性 相对专一性：一种酶能催化一类具有相同化学键或基团 的物质进行某种类型的反应 脂类 脂肪酸 醇, 绝对专一性 一种酶只能催化一种化合物进行一种反应 几乎不催化尿素以外的任何物质发生水解,（2）立体异构专一性 旋光异构专一性： 当底物中含有不对称碳原子时，酶只能作用于异构体的一 种，而对另一种则全无作用。 L-乳酸, 几何异构专一性,酶的专一性在实践中很有意义。在科研和生产中得到广泛的应用。 利用这一特性，可以从原料得到单一的产物，防止副产物生成。 如：某些药物只有某一种构型才有生理作用，而有机合成 的药物只能是消旋产物，利用酶进行不对称合成,4、酶作用专一性机制的假说 锁钥学说：酶

26、与底物在表面结 构的特定部位其形状是互补的， 一定的酶只能与一定的底物结合。 诱导契合学说：酶的活性部位在 结构上是柔性的，当底物与酶的这 个部位接触时，可使酶蛋白发生构 象变化，这样就使反应所需基团正 确排列、定向，从而易与底物结合 反应。,5、酶的命名、分类 1、由于酶的化学结构已弄清楚的为数不多，不能按化学结构命名。目前有习惯命名法和系统命名法。 A. 习惯命名法：主要根据酶作用的底物和催化反应类型来命名。如：葡萄糖氧化酶；乙酰胆碱酶表示水解乙酰胆碱（水解酶可省水解两字）； B. 系统命名法：1961年，国际酶学会提出了一个命名原则,1、氧化还原酶 AH2+B A+BH 2、转移酶 AX

27、+B A+BX 3、水解酶 AB+H2O AH+BOH 4、裂合酶 AB A+B 5、异构酶 L-型 D-型 6、连接（合成）酶 A+B AB,裂解酶催化一个化合物分解成几个化合物或其逆过程，如脱羧酶催化分子中的C-C键裂解，脱水酶催化C-O键裂，产物为H2O；脱氨酶催化C-N键裂解。 合成酶一般是指在ATP参加的合成反应，这类酶关系着许多重要生命物质的合成，如蛋白质、核酸等。,（三） 酶工程的应用 酶在食品工业中的应用 1.淀粉加工工业 用于水解淀粉，生产功能性低聚糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖浆，年产1000万t，大多数低聚糖由酶水解或酶转移生产。 2.蛋白质加工工业 在蛋白酶作用下生产多肽、氨基酸、蛋白水解物 如生产玉米蛋白多肽、肽系调味品、肉类加工改善品质、增加面制品弹力 3.乳品工业 乳糖酶，降解乳糖为半乳糖，增加可消化性 凝乳酶，制造奶酪，溶菌酶用于婴儿奶粉消毒。,4.酿酒工业 填加糖化酶，降解淀粉，缩短酿造时间，提高出酒率。 中性蛋白酶可分解麦芽汁中的蛋白质，提高氨基酸含量，促进酵母发酵 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等可用于啤酒澄清，延长保质期 5.果蔬加工工业 常用