第 3 节 发酵工程及其应用 一、教学目标 （1）概述发酵工程及其基本环节。 （2）举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 二、教学重点 （1）发酵工程的基本环节。 （2）发酵工程的应用。 三、教学难点 （1）发酵工程的基本环节。 四、课时安排 2 课时 五、教学过程 （一）新课导入 大家听说过青霉素吗？ 它是由青霉菌产生的，最早，科学家只能从青霉菌中提取少量的青霉素， 因此，它的价格贵如黄金。后来，科学家通过诱变育种的方法，获得了高产青 霉菌，并通过发酵技术实现了青霉素的产业化生产，今天，我们一起来学习什 么是发酵工程，发酵工程的基本环节有哪些？通过发酵工程能生产哪些产品？。 （二）讲授新课 一、发酵工程的基本环节 1、选育菌种 1）目的： 获得性状优良的菌种。 2）菌种来源：自然界中筛选、诱变育种（产生的是常规菌，生产微生物自身 能合成的产品，如青霉素）、基因工程、细胞工程定向育种（产生的是工程菌， 生产微生物自身不能合成的产品，如胰岛素） 3）菌种选育的重要性（意义） 优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优 点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决 定了生物发酵产物的成败 4）实例 筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期 2、扩大培养 1）目的：获得更多的菌种。 2）原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大。 3）扩大培养的培养基：一般为液体培养基。 3、培养基的配制、灭菌 1）配制要求 ① 在菌种确定之后（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基； ② 在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定（即不断优化培养 基）； 2）灭菌原因 发酵工程种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 大降低 3）灭菌目的 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量（培养基和发酵设备都必须经过严 格的灭菌） 4、接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 5、发酵罐内发酵 1）地位：发酵工程的中心环节 2）要求：①发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以 了 解发酵进程；②要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、 pH、溶氧 量等发酵条件。 3）严格控制发酵条件的原因 ① 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成； ② 严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态 4）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵 ① 在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸 ② 在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和 N-乙酰谷胺酰胺 5）发酵容器：发酵罐 见下图 6）现代发酵工程使用的发酵罐的优点 均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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。 6、产品的分离、提纯 1）目的：获得产品 2）产品的两种形式 ① 微生物细胞本身 ②代谢物 3）采取手段 ① 发酵产品是微生物细胞本身时，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 ② 发酵产品是代谢物时，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 思考、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。 2、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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 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 法来分离提纯产物。 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、吸附或离子交换等方法；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。 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，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。 二、发酵工程的应用 1、在食品工业上的应用 （1）生产传统的发酵食品 ① 实例 1——生产酱油 ② 实例 2——酿酒 （2 ）生产食品添加剂 ① 食品添加剂优点 增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期 ② 实例 1——柠檬酸 柠檬酸是一种食品酸度调节剂；可以通过黑曲霉的有氧发酵制得； ③ 实例 2——味精 谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；由谷氨酸棒状杆菌经有氧发酵可以 得到谷氨酸； （3）生产酶制剂 ① 常见酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 ② 酶制剂应用 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； ③ 酶制剂来源 少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产； 啤酒的工业化生产流程： 原料：大麦、酵母菌 过程： 1）发芽：大麦种子释放淀粉酶 2）焙烤：加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活，减少胚发育时有机物的消耗 3）碾磨：使麦芽磨碎，便于糖化 4）糖化：在淀粉酶的作用下，分解淀粉形成葡萄糖 5）蒸煮：加入啤酒花这种植物，改良啤酒风味、质量和防腐，同时高温灭菌、 终止酶的进一步作用 6）发酵：冷却后，加入酵母菌进行发酵，发酵过程分为主发酵和后发酵两个 阶 段，主发酵完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成；后 发酵阶段需要低温、密闭，以使二氧化碳溶于啤酒中。 7）消毒：杀死大多数微生物，但不是全部，因此，啤酒有保质期 8）终止：过滤、调节、分装啤酒出售 思考、讨论： 1、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 2、“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别是什么？ 2、在医药工业上的应用 （1）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 （2）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 例如利用微生物生产生长激素释放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前体等 化合物。 （3）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，获得的表达 产物就可以作为疫苗使用 例如乙型肝炎疫苗就是将乙肝病毒的抗原基因转入酵母菌，再发酵生产。 3、在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 ① 微生物肥料的种类 根瘤菌肥、固氮菌肥 ② 微生物肥料的作用 微生物肥料利用了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；有的微生物肥料可以抑制 土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生. （2）生产微生物农药 ① 微生物农药的作用 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 ② 防治类型：生物防治 （3）生产微生物饲料 ① 原理 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 ② 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； ③ 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。 4、在其他方面的应用 （1）解决资源短缺与环境污染问题 随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等 能源物质已取得成功 （2）将极端微生物应用于生产实践 自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高 温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产 品的产量。 六、板书设计 第 3 节 发酵工程及应用 一、发酵工程的基本环节 （1）选育菌种 （2）扩大培养 （3）培养基的配制、灭菌 （4）接种 （5）发酵罐内发酵（中心环节） （6）分离、提纯产物 二、发酵工程的应用 （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