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1、第二章发酵过程的生物学基础 本章的教学内容 第一节发酵过程与微生物第二节微生物的营养与培养基的设计第三节微生物的生长模式及其动力学第四节环境对微生物的影响第五节代谢产物的代谢调控第六节微生物代谢产物的过量产生 微生物的概念 微生物的种类 微生物的特点 微生物与发酵 第一节发酵过程与微生物 一 微生物的概念 微生物 Microorganism microbe 是指一大类形体微小 结构简单的低等生物的总称 小 观察借助光镜 测量单位为微米或纳米 简 简单多细胞 单细胞 无细胞结构 低 进化程度低 为原始的生命形式 微生物的概念 三个要点 微生物的概念 独立存在 自主生存 1 微生物小的直观感觉 真
2、核细胞型 原核细胞型 电镜 微生物的相对大小 肉眼 光学显微镜 可见范围 病毒 微生物的概念 2 微生物的细胞类型 真核细胞的主要特征 有核膜 核仁 染色体 有细胞器 核糖体为80S 微生物的概念 微生物的细胞类型 原核细胞的主要特征 无核膜 核仁 染色体 仅有裸露的DNA链形成的核区域 称核质体 无细胞器 核糖体为70S 微生物的概念 二 微生物的种类 1 原核生物细菌 放线菌 衣原体支原体 立克次氏体 蓝细菌2 真核生物真菌 霉菌 酵母菌等 原生动物 单细胞藻类 3 非细胞生物病毒 类病毒 拟病毒 朊病毒等 各种 视野 下的细菌 光镜 暗视野 荧光 透射电镜 超薄切片 冷冻切片 扫描电镜
3、DNA蛋白质复合物 微生物的种类 电镜下的微生物 曲霉 阿米巴 草履虫 酵母菌 微生物的种类 细菌 酵母菌 放线菌菌落形态观察菌落 colony 将单个细菌细胞接种到适宜的固体培养基中 在适宜的条件下细菌便迅速生长繁殖 经过一定时间后 由于细胞生长受到各种因素的限制 因而可在培养基表面或里面聚集形成一个肉眼可见的 具有一定形态的子细胞群体 形状 大小 颜色 光泽 表面状况 边缘 隆起度 透光性 质地以及是否分泌色素等方面 酵母菌落 呈圆形 湿润具有粘性 不透明 表面光滑 有油脂状光泽 多数白色或乳白色 少数红色 与培养基结合不紧 易被挑取 当培养时间较长时 菌落颜色变暗 有特殊的酒香味 放线菌
4、的菌落 常呈辐射状而得名 菌落周缘有辐射形菌丝 菌落特征介于霉菌与细菌之间 菌落质地致密 干燥 多皱 菌落较小而不广泛延伸 幼龄菌落因气生菌丝尚未分化形成孢子丝 故菌落表面与细菌菌落相似 当形成大量孢子丝及分生孢子布满菌落表面后 就形成表面絮状 粉末状或颗粒状的典型放线菌菌落 此外 由于放线菌菌丝及孢子常含有色素 使菌落的正面和背面呈现不同颜色 由于营养菌丝生长在培养基内与培养基结合较牢固 所以菌落不易挑起 细菌菌落 共有特征 湿润 较光滑 较透明 较粘稠 易挑取 质地均匀 颜色多样 菌落正反面及边缘与中央颜色一致 特有特征 有鞭毛 菌落大而平坦 边缘多缺刻 不规则有糖被 菌落大 透明 呈蛋清
5、状有芽孢 菌落外观粗糙 干燥 不透明且表面多褶 霉菌菌落特征 菌落形态较大 质地疏松 外观干燥 不透明 呈现或松或紧的蛛网状 绒毛状 棉絮状或毡状 菌落与培养基间的连接紧密 不易挑取 菌落正反面 边缘与中心颜色常不一致 细菌菌落及菌苔 放线菌的的形态 微生物的种类 气生菌丝 孢子丝 孢子 培养基 基内菌丝 放线菌菌落 几种菌落 青霉 毛霉 青霉 黑曲霉 黄曲霉 红曲霉 黄曲霉 霉菌菌落 黑曲霉 黄曲霉 构巢曲霉 烟曲霉 绳状青霉 杂色曲霉 桔青霉 兰色梨头毛霉 少根根霉 三 发酵工业常用微生物的形态特征 发酵工业对菌种的要求 1 能在价廉原料制备的培养基上迅速生长并生成所需代谢产物 且产量高2
6、 培养条件易于控制 3 生长迅速 发酵周期短 4 满足代谢控制的要求5 抗噬菌体和杂菌的能力强 6 遗传性状稳定 菌种不易变异退化7 在发酵过程中产生的泡沫少 这对装料系数 提高单罐产量 降低成本有重要意义8 对需要添加的前体物质有耐受力 并且不能将这些前体物质作为一般碳源利用9 不是病原菌 同时在系统发育上与病原菌无关 不产生任何有害的生活物质 以保证安全 1 细菌 Bacterium 1 形态 球形 杆形 弧形螺旋形 发酵工业常用微生物的形态特征 螺旋菌 螺旋体 弧菌 短杆菌 梭状芽孢杆菌 长杆菌 细菌个体形态图 2 结构 基本结构 细胞壁 细胞膜 细胞质 核质体 特殊结构 荚膜 芽孢 鞭
7、毛 发酵工业常用微生物的形态特征 观察荚膜和鞭毛标本片 周生 荚膜 3 培养特征 固体培养基上 菌落 colony 菌苔 lawn 大量细菌的菌落连成一片 发酵工业常用微生物的形态特征 液体培养基上均匀混浊 沉淀生长 表面生长 3 培养特征 发酵工业常用微生物的形态特征 a 大肠杆菌 Escherihiacoli 特征 细胞杆状 长度为0 5 1 0 3 0 m 有的近似球状 有的则为长杆状 革兰氏染色阴性 能运动或不运动 运动者周生鞭毛 许多小种产生荚膜或微荚膜 无芽抱 生化特点 大肠杆菌发酵葡萄糖和乳糖 产酸 产气 大肠埃希氏杆菌 简称为大肠杆菌 是最为著名的原核生物 4 工业上常见的种类
8、 A 革兰氏阴性无芽孢杆菌 Escherich属菌株和大多数大肠杆菌是无害 但也有些大肠杆菌是致病的 会引起腹泻和尿路感染 大肠杆菌的用途主要有 1 制取氨基酸天门氨基酸 色氨酸 苏氨酸和缬氨酸等 如AS1 797 中国科学院微生物研究所编号 下同 AS1 751 AS1 129和AS1 183等为氨基酸产生菌株 2 制备多种酶天门冬酰氨酶 抗肿瘤酶 用于治疗白血病 青霉素酰化酶 用于制备6 APA母核 生产半合成青霉素 酰基转移酶 用于拆分DL 氨基酸 制备L 氨基酸 溶菌酶 用于消炎 抗菌等 谷氨酸脱羧酶 味精工业中用于谷氨酸的定量分析 多核苷酸化酶 半乳糖苷酶等 3 作为基因工程受体菌经
9、改造后成为基因工程菌 用于生产各种多肽蛋白质类药物 如生长素 胰岛素 干扰素 白介素 红细胞生成素等 和氨基酸 如大肠杆菌K12的突变菌株HB101 C600 JM103和LE392等作为当前重组DNA的主要受体菌 此外 目前最常用的宿主菌还有大肠秆菌DH5 b 醋酸杆菌 Acetobacter 形态特征 椭圆形到杆状 0 6 0 8 1 0 3 0 m 有单个的 成对的 也有成链的 在老培养物中易呈多种畸形菌体 如丝状 梯状 弯曲等 鞭毛有两种类型 周生鞭毛 端生鞭毛 不形成芽孢 生理生化特征 醋酸菌是化能异养菌 革兰氏染色阴性 因为没有芽孢 故对热抵抗力较弱 温度醋酸杆菌 一般发育适温在3
10、0 以上 以氧化酒精成醋酸为主葡萄糖氧化杆菌 发育适温在30 以下 氧化葡萄糖为葡萄糖酸在醋酸杆菌中常用的有ASl 41 外形为短杆状 两端钝圆 革兰氏染色阴性 对培养基要求粗放 在米曲汁培养基中生长良好 好气性 氧化酒精为醋酸 于空气中使酒精变浑浊 表面有薄膜 有醋酸味 也能氧化醋酸为CO2和H2O 繁殖适宜温度为3l 发酵温度一般为36 37 醋酸杆菌的主要用途有 1 发酵生产各种食用醋如恶臭醋酸杆菌混浊变种AS1 41 能氧化乙醇高产醋酸 2 发酵生产多种有机酸如醋酸 酒石酸 葡萄糖酸等 3 制备葡萄糖异构酶用于生产高果糖浆 4 生产山梨糖由山梨醇氧化为山梨糖 作为生产维生素C的中间体
11、C 假单胞菌 Pseudomonas 形态特征 革兰氏阴性 直或微弯杆菌 单个 卵圆到短杆 有的长杆 大多数为0 5 1 0 1 5 4 m 无芽孢 极生鞭毛运动 单毛或丛毛 有少数种不运动 菌苔不明显呈色 可产生水溶性色素 生理生化特征 氧化性而非发酵性异养菌 氧化葡萄糖 分解蛋白质和利用无机氮 好氧菌 有的种在有硝酸盐存在下能行无氧呼吸 应用 维C 抗生素 酶及酶抑制剂 有机酸从石油产品制造产品 水杨酸等 消除环境污染 处理石油废水 含酚 氰和化学农药的污水等 d 黄单胞菌 Xanthomonas 形态特征 细胞直杆状 两端钝圆稍尖 大小为0 4 0 7 1 2 1 5 m 革兰氏染色阴性
12、 无芽孢 极生鞭毛 在含蔗糖的琼脂平板上可形成圆形 边缘整齐 粘稠光滑的黄色菌落 液体培养形成黄色粘稠的胶状物一荚膜多糖 其黄色为一种非水溶性色素 生理生化特征 野油菜黄单胞菌在通气条件下 于pH6 8 7 0 28 30 时 能以淀粉作碳源发酵生产黄原胶 B 革兰氏阳性无芽孢杆菌 a 短杆菌 Brevibacterium 短而直的杆菌 一般在0 5 1 0 1 0 5 m左右革兰氏阳性大多数不运动 运动种具有周毛或极毛 无芽孢有时产生非水溶性色素 呈红 橙红 黄 褐色 黄色短杆菌乳糖发酵短杆菌 发酵生产各种氨基酸 产氨短杆菌 发酵生产核苷酸类产物 ATP IMP NAD 辅酶 FAD等 需要
13、生物素作为生长因子 才能满足谷氨酸发酵 b 棒状杆菌 Corynebacterium 革兰氏阳性直杆菌 一端膨大的棒状 折断分裂 成八字形排列或栅状排列 大多数种不运动多数好氧 谷氨酸棒状杆菌北京棒状杆菌 味精生产中使用的主要菌种 生物素是必需的生长因素 硫胺素或某些氨基酸有促进生长的作用 能利用葡萄糖 果糖 甘露糖 麦芽糖等产酸 但均不产气 通气培养在含葡萄糖和尿素或铵盐的适宜培养基中 能大量积累L 谷氨酸 C 乳酸杆菌 Lactobacillus 革兰氏阳性大小一般为0 5 1 2 10 m 长丝 单个或成链 无芽孢多数不运动 能运动者为周生鞭毛微好氧菌 葡萄糖 同型发酵 乳酸 异型发酵
14、乳酸乙醇 EMP途径 丙酮酸还原 磷酸解酮酶途径 PK EMP 磷酸甘油醛生成乳酸HMP 乙酰磷酸还原成乙醇 德氏乳酸杆菌 工业乳酸 德氏乳杆菌保加利亚亚种嗜酸乳杆菌干酪乳杆菌 酸奶干酪 由于乳酸菌能产生乳酸 所以可用于食品的保存和调整食品的风味 在食品工业上如干酪的成熟 乳脂的酸化和腌莱 泡菜等制作无不与乳酸菌有关 在酱油酿造过程中 它也起到了良好的作用 d 双歧杆菌 Bifidobacterium 菌体细胞呈现多形态革兰氏阳性不形成芽孢不运动不抗酸厌氧菌 葡萄糖 双歧途径 乳酸乙醇 活性双歧杆菌的乳制品或微生态制剂 E 丙酸杆菌 Propionibacterium 革兰氏阳性无芽孢不运动细
15、胞呈多形态 薛氏丙酸杆菌费氏丙酸杆菌 丙酸维生素B12 费氏丙酸杆菌是其主要的工业生产菌种 费氏丙酸杆菌发酵过程中会产生大量丙酸和乙酸 a 枯草芽孢杆菌 Bacillussubtilis 形态特征 直状 近直状的杆菌 周生或侧生鞭毛 革兰氏阳性 无荚膜 芽孢0 5 1 5 1 8 m 中生或近中生生理生化特征 生长温度为30 39 但在50 56 时尚能生长 最适pH为6 7 7 2 属需氧菌 芽孢耐高温 一般在100 3h才能杀死 有的芽孢抗高温能力更强 在100 煮沸8h尚能发育生长 故需高温灭菌才行 它能在铵盐液体中发酵各种糖类生成酸 应用 枯草芽孢杆菌是工业发酵的重要菌种之一 生产淀粉
16、酶 蛋白酶 5 核苷酸酶 某些氨基酸及核苷 例如 ASl 393枯草芽泡杆菌用于生产中性蛋白酶来发酵 生产酱油 食醋及饴糖时就可采用BF7658枯草芽孢杆菌生产的 淀粉酶 C 革兰氏阳性芽孢杆菌 b 芽孢梭菌 Clostridium 细胞杆状 有芽孢 芽孢大于菌体宽 以周毛运动或不运动革兰氏阳性 少数为阴性或不定专性厌氧菌无接触酶 产各种非水溶性色素 该属93个种中 有能发酵糖类的 有能分解纤维素的 有能分解果胶的 有分解蛋白质能力很强的 也有能固定大气氮的 丙酮丁醇芽孢梭菌 丁酸梭状芽孢杆菌 工业生产丙酮丁醇 丁酸或己酸 3 革兰氏阳性球菌链球菌 Streptococcus 细胞球状或卵球状 排列成链或成对不运动 少数肠球菌运动革兰氏阳性无芽孢厌氧菌 乳链球菌 乳链球菌肽 Nisin 乳酸菌素 lactolin 天然食品防腐剂 嗜热链球菌 与保加利亚乳杆菌混合 酸牛乳和干酪生产的发酵剂 微球菌 Micrococcus 自学 4 肠膜状串珠菌 Leuconostocmesenteroides 形态 细胞呈球状或双凸镜状 大小0 5 0 7 0 7 1 2 m 成对或链 常排列成短链 革
