微生物发酵过程及其应用

微生物发酵及其应用微生物原核生物界原生生物界真菌界病毒界(细菌、放线菌、蓝藻)(酵母菌霉菌大型真菌)(草履虫变形虫衣藻)(噬菌体、艾滋病毒)种类:特点：结构都相当简单,个体多数十分微小.通常要用光学显微镜或电子显微镜才能看到，有的甚至没有细胞结构.病毒的形态细菌的种类球菌杆菌螺旋菌细菌气生菌丝孢子丝孢子基内菌丝培养基为什么要利用微生物？抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。为什么要利用微生物？微生物繁殖非常迅速微生物培养易于控制微生物本身也容易改造什么是发酵？利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。什么是发酵工程？采用现代化工程技术手段，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。发酵工业经历了哪几个阶段？原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理。）传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大。）现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。）生物技术产业阶段（利用构建的基因工程菌生产）发酵工程生产实例谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径葡萄糖中间产物a－酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶NH4＋抑制只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。发酵工程生产实例1.菌种的选择谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢?发酵工程生产实例2.培养基的选择成分酸碱度水无机盐氮源碳源生长因子豆饼水解液、玉米浆中的水磷酸二氢钾氧化钾硫酸镁尿素豆饼水解液、玉米浆生物素pH7-8发酵工程生产实例3.发酵罐示意图电动机pH检测及控制装置培养液无菌空气排气口冷却水出口冷却水进口搅拌器加料口放料口发酵工程的内容发酵工程的内容包括了以下的基本步骤：1.菌种的选育2.培养基的配置3.灭菌4.扩大培养和接种5.发酵过程6.分离提纯1、菌种的选育1.选育的方法：1)从自然界中先分离出相应的菌种；2)利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；3)利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞或工程菌。2.举例：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。2、培养基的配置1.培养基配置的原则：1.根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的PH。2.培养基的营养要协调，以利于产物的合成。3.培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。2.举例：发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且，经常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆，以及乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。3、灭菌灭菌的原因：在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。举例：如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。4、扩大培养和接种扩大培养：扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体接种：有了用于生产的充足的菌体，在接种时要注意什么事项呢？接种过程中要注意防止杂菌污染5、发酵过程1.发酵产物：发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。2.发酵进程在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。3.发酵条件发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大影响。6、分离提纯发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不同，产物分离、提纯的一般方法是：代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法。菌体本身：过滤、沉淀。从自然界分离的菌种产品基因工程诱变育种诱变育种生产用菌种扩大培养原料微生物菌体代谢产物分离提纯发酵罐发酵条件控制接种培养基配置灭菌发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程啤酒制造工艺流程发酵工程啤酒制造工艺流程发酵类型根据是否需要氧气：厌氧发酵（静置发酵）和好氧发酵（通气发酵）；根据发酵培养基的性质：固态发酵和液态发酵；根据发酵方式的不同：分批发酵、补料分批发酵及连续发酵等。根据产物的不同1.乳酸发酵糖+乳酸菌→乳酸2.酒精发酵糖+酵母→酒精+CO23.醋酸发酵酒精+醋酸菌+O2→醋酸+H2O4.丁酸发酵乳酸或糖+酪酸梭状芽孢杆菌→丁酸+副产物5.产气发酵糖+大肠杆菌等→CO2+H2四、发酵工程的应用2.在食品工业方面：1)发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。如：生产呻酒，果酒等。2)发酵工程能生产各种食品添加剂。例如,酸味剂：柠檬酸、乳酸等；鲜味剂：谷氨酸等；色素：β-胡萝卜素等；甜味剂：高果糖浆等。3)发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。微生物的应用酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。微生物的应用醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸杆菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。微生物的应用酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。微生物的应用酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。微生物的应用酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。微生物的应用醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。微生物的应用面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。微生物的应用馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。微生物的应用泡菜：请参看《生物技术实践》的专题1的课题3（乳酸菌）腐乳：请参看《生物技术实践》的专题1的课题2（毛霉、青霉、酵母、曲霉等）酸菜：与泡菜类似。微生物的应用糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽；果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用；各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等；各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感；饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。微生物的应用制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家；化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家；饲料业：饲料添加剂的生产厂家；农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产厂家。微生物的应用酒类：如果酒（葡萄酒等）、米酒、白酒等；有机溶剂：如乙醇、丙酮、丁醇、甘油；有机酸：如醋酸、乳酸、葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、衣康酸、长链二元酸（以十三到十八碳的直链烷烃为原料的发酵产品）；氨基酸：如谷氨酸（单谷氨酸钠又称味精）、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、丝氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等；核苷酸及其类似物：如鸟嘌呤核苷酸（5’-GMP）、肌苷酸（5’-IMP）、腺嘌呤核苷酸（5’-AMP）、黄嘌呤核苷酸（5’-XMP）等；抗生素：包括疾病治疗的药用抗生素，农业和畜牧业用于防病抗病的抗生素，如青霉素、头孢霉素、链霉素、四环素、土霉素、红霉素、稻瘟素、井岗霉素、春日霉素等等；多糖：如黄原胶、普鲁兰等；酶：如碱性蛋白酶（洗涤剂）、中性蛋白酶（洗涤剂等）、脂肪酶（洗涤剂）、α-淀粉酶（淀粉水解）、葡萄糖淀粉酶（葡萄糖生产）、葡萄糖异构酶（高果糖糖浆生产）、纤维素酶（纤维素水解、纺织品加工）、果胶酶（食品、水果加工等）、凝乳酶（奶酪制造）、青霉素酰化酶（青霉素母核生产）、天冬氨酸酶（L天冬氨酸制造）、延胡索酸酶（L苹果酸制造）、葡萄糖氧化酶（检验葡萄糖）、乳酸脱氢酶（临床检验）、链激酶（治疗血栓）等等，目前世界上有100多种酶用微生物发酵生产，应用于不同领域。发酵培养基的配制微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源。生长因子：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些脂肪酸及其他膜成分发酵培养基的配制原则①营养物质应满足微生物的需要。不同营养类型的微生物对营养的需求差异很大，应根据菌种对各营养要素的不同要求进行配制。②营养物的浓度及配比应恰当。营养物浓度太低，不能满足微生物生长的需要；浓度太高，又会抑制微生物生长。③物理、化学条件适宜。（pH、水活度、渗透压）④在设计培养基时，必须考虑是要培养菌体，还是要积累菌体代谢产物；是实验室培养，还是大规模发酵等问题。练习利用酵母菌发酵生产酒精时，投放的最适原料和产生酒精的阶段要控制的必要条件是（）A．玉米粉和有氧B．大豆粉和有氧C．玉米粉和无氧D．大豆粉和无氧C练习关于单细胞蛋白叙述正确的是（）A