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1、第1节 微生物发酵及其应用课程标准举例说出发酵与食品生产。课标解读1说说出微生物发发酵生产产的基本过过程。2举举例说说出微生物发发酵与食品生产产的关系。3参与有关微生物发发酵的调查调查 活动动。4通过发过发 酵工程发发展的历历史，体验验科学、技术术、社会三 者间间的紧紧密联联系和互动动。1857年，法国微生物学家巴斯德通过实验证过实验证 明，酒精发发酵是由活的_引起的。1897年，德国的毕毕希纳进纳进 一步发现发现 了_在酵母发发酵中的作用。20世纪纪30年代传统发传统发 酵工业业生产产的新产产品：酒精、乳酸、_、丙酮酮、丁醇、柠柠檬酸、_和_等。发发酵工程史话话123酵母酶面包酵母淀粉酶蛋白
2、酶20世纪纪40年代大规规模生产产_、链链霉素、金霉素、土霉素等，抗生素工业兴业兴 起。20世纪纪50年代起： _发发酵工业业、酶制剂剂工业业、多糖和维维生素发发酵工业业相继诞继诞 生。20世纪纪70年代以后：有特殊生产产能力的基因工程菌发发酵产产生_、_等。微生物发发酵一定是在无氧条件下进进行的吗吗？提示 不是。微生物发酵有的是无氧发酵，有的是有氧发酵。思维维激活1456青霉素氨基酸胰岛岛素生长长激素发酵工业大致经历的时期(1)原始发展时期人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的生产实践中，积累了丰富经验。最初可能是人类发现储存水果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。相传，在埃及
3、和中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿酒。我国利用微生物进行谷物酒类发酵，至少是在四千年前的龙山文化时期。在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的记载。随着社会的发展，又出现制酱和酱油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵。这这个时时期，发发酵技术术原始，顶顶多是家庭小制作，技术进术进步缓缓慢，完全是经验经验 式的。在几千年的文明史中，人们们只知道这样这样 做可以得到所需的东东西，并不知道其中的原理。(2)传统发传统发 酵工业时业时 期1857年法国微生物学家巴斯德通过实验证过实验证 明了酒精发发酵是由活的酵母引起的。1897年德国的毕毕希纳进纳进 一步发现发现
4、，即使将酵母磨碎，仍然能使糖发发酵形成酒精，他将这这种具有发发酵能力的物质质称为为酶。从而人们们才开始了解发发酵现现象的本质质。从19世纪纪末到20世纪纪30年代，随着人们对们对 微生物世界认识认识 的不断深入和发发展，利用微生物生产产的新产产品不断出现现，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮酮、丁醇、柠柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。这这些产产品的生产产，采用开放式的发发酵方式，生产过产过 程较为简单较为简单 ，对对生产设备产设备 要求不高，规规模一般不大，因此被称为传统发为传统发 酵工业业。(3)现现代发发酵工业时业时 期1928年，弗莱明发现发现 青霉素能杀杀菌。青霉素的发现发现 和工业业化生产产
5、，给给人们带们带 来巨大启迪。不久，链链霉素、金霉素、土霉素等相继问继问 世，从而兴兴起了一个新的工业业抗生素工业业。生产产抗生素的经验经验 和设备设备 很快被引用到其他发发酵产产品的生产产上，极大地促进进了这这些产业产业 的迅速发发展，从而形成了一个全新的产业产业 现现代发发酵工业业。20世纪纪50年代的氨基酸发发酵工业业，60年代的酶制剂剂工业业，70年代的多糖、维维生素发发酵工业业，70年代以后生物大分子发发酵技术术相继诞继诞 生。这这个时时期生产产技术术要求高(由于多为为好氧纯纯种发发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件)；生产规产规 模大(用于青霉素生产产的搅搅拌通气发发酵罐的体积积达
6、到500 m3，单细单细 胞蛋白生产产用的气升式发发酵罐已达到2 000 m3)；技术发术发 展速度快。因此，菌种的生产产能力大幅度提高，新产产品、新技术术、新设备设备 的应应用达到前所未有的程度。(4)生物技术产业时术产业时 代现现在人们们可以将源于动动物或植物，甚至源于人的基因转转移到诸诸如大肠肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等微生物中，获获得具有特殊生产产能力的基因工程菌。由于基因表达的产产物均为为蛋白质质，因此在工业业上利用基因工程菌大规规模生产产的产产品，主要是用于治疗疗各种疾病的药药物，又称为为基因工程药药物(如人胰岛岛素、人干扰扰素、人生长长激素等，大约约有40多种)，同样样也可以用于不
7、同目的的酶(比如用于将葡萄糖转转化为为高果糖糖浆浆的葡萄糖异构酶，用于生产产青霉素母核的青霉素酰酰化酶，用在洗衣粉中的碱性蛋白酶等等)。除了利用基因工程开发发新的产产品外，利用基因工程对传统发对传统发 酵和现现代发发酵工业业上使用的菌种进进行改造，也获获得了巨大成功。19世纪纪初，德国一位科学家发发明了微生物分离与纯纯化技术术，开创创了人为为控制微生物的时时代。这这位科学家是( )。A科赫 B施莱登 C施旺 D达尔文解析 1905年德国微生物学家科赫建立了微生物的培养技术，故选A。答案 A【巩固1】1857年，微生物学家发现发现 了发发酵原理后才逐步形成了发发酵工程，这这位微生物学家是 ()。
8、A巴斯德 B拉马马克 C列文虎克 D科赫解析 1857年，微生物学家巴斯德通过实验证明酒精是由活的酵母引起的，发现了发酵的原理。答案 A【巩固2】是利用_在适宜的条件下，将原料经过经过 特定的_转转化为为人类类所需要的产产物的过过程。不同的微生物具有产产生不同_的能力。例如：谷氨酸棒状杆菌发发酵可以生产产_，黄色短杆菌发发酵可以生产产_。发发酵生产过产过 程探秘微生物1发发酵2原理代谢谢途径代谢产谢产 物味精赖赖氨酸发酵过程(1)选育菌种：可采用自然界选种、_育种、_育种等。(2)配制培养基：根据微生物的营养需要提供_、氮源、_、无机盐和水。(3)灭菌：培养基和发酵设备均需严格灭菌。(4)扩大
9、培养和接种：大规模生产中需要使_达到一定数量，将菌种接种到培养基上，接种时防止杂菌污染。(5)发酵罐内发酵：要随时检测发酵进程，要及时满足菌种的_需求，还要严格控制_、pH、_等发酵条件。3诱变诱变基因工程碳源生长长因子菌种温度溶解氧营营养(6)分离、提纯产纯产 物：如果产产品是菌体，可采用_、沉淀等方法；如果产产品是_，可采用提取、_和纯纯化措施来获获得产产品。利用酵母菌发发酵生产产酒精时时，应应如何控制氧气条件？提示 先通空气，后密封。思维维激活2过滤过滤代谢产谢产 物分离好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明(1)选育菌种根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的
10、微生物育种方法。主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。(2)扩大培养1(3)配制培养基在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则则，选择选择 原料制备备培养基。培养基中应应包含微生物需要的营营养物质质如碳源、氮源、生长长因子、无机盐盐和水等。配制培养基的原则则：目的明确、营营养物质协调质协调 、pH值值适宜。如培养基中C/N比影响代谢谢：C/N4时时，细细菌繁殖较较快；真菌在C/N10时时，生长较长较 快。谷氨酸发发酵生产时产时 ，C/N4时时，菌体繁殖快、产产物少；C/N3时时，菌体繁殖慢、产产物多。细细菌适宜pH4.56.0。(4)灭灭菌现现代发发酵工业绝业绝 大多数
11、采用单单一菌种发发酵，培养基和发发酵设备设备都必须经过严须经过严 格的灭灭菌，并进进行无菌操作，一般采用高压压蒸汽灭灭菌法。(5)接种 将多次扩扩大培养后的菌种接入工业发业发 酵罐中，菌种的体积积与发发 酵罐的体积积比约为约为 110。 (6)发发酵罐内发发酵 发发酵过过程中，要随时检测时检测 培养液中的微生物数量、产产物浓浓度等 ，以了解发发酵进进程。还还要及时时添加必需的营营养组组分，以满满足微 生物的营营养需求。同时时，要严严格控制温度、pH、溶解氧等发发酵 条件。这这是因为环为环 境条件的变变化，不仅仅会影响微生物的生长长繁 殖，而且会影响微生物代谢产谢产 物的形成。 (7)分离、提纯
12、产纯产 物 将发发酵液中的发发酵产产物进进行分离纯纯化，是制取发发酵产产品不可缺 少的阶阶段。产产品不同，分离提纯纯的方法也不同。如果发发酵产产品 是微生物细细胞本身，可在发发酵之后，采用过滤过滤 、沉淀等方法将菌 体分离，干燥即可得到产产品。如果产产品是代谢产谢产 物，可根据产产 物的性质质采取适当的提取、分离和纯纯化措施来获获得产产品。影响发酵的因素(1)菌种发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精的微生物是谷氨酸棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。为了利用发
13、酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。2(2)纯纯种发发酵与灭灭菌现现代发发酵工业绝业绝 大多数采用纯纯种发发酵，可以保证证高产产及生产产过过程和产产品质质量的稳稳定。污污染是发发酵工业业的大敌敌，它会使发发酵失败败，造成巨大损损失。因此，灭灭菌和无菌操作成为发为发 酵工业业的重要环节环节 。(3)发发酵培养基现现在大规规模工业发业发 酵产产品的生产产，多采用液体培养基进进行深层发层发 酵。使用的培养基必须满须满 足微生物细细胞生长长、繁殖的需要，因为为没有大量的细细胞就不可能产产生大量的
14、产产物；但是细细胞的过过分生长长会消耗大量的营营养物，有时时又会影响细细胞的生产产能力，会使产产物的产产量和产产率下降。使用的培养基还还必须须有利于微生物大量合成产产物。因此，培养基的组组成十分关键键。(4)温度对对微生物生长长的影响温度主要是通过过影响微生物细细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动动。一方面，随着温度的升高，细细胞内的酶反应应速度加快；另一方面，随着温度的进进一步升高，生物活性物质质(蛋白质质，核酸等)发发生变变性，细细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微生物都有最适生长长温度。(5)pH对对微生物生长长的影响培养基的pH对对微生物生长长的影响主要是引起细细胞膜电电荷变变
15、化，以及影响营营养物离子化程度，从而影响微生物对营对营 养物的吸收；pH也会影响生物活性物质质，如酶的活性。与温度对对微生物的影响类类似，微生物存在最低生长长pH、最适生长长pH和最高生长长pH。不同微生物对环对环 境pH适应应的范围围不同。一般微生物生长长的最适pH在4.09.0范围围内。真菌生长长的范围宽围宽 ，细细菌较较窄(pH在3.04.0范围围内)，细细菌、放线线菌一般适应应于中性偏碱性环环境，而酵母菌、霉菌适应应于偏酸性环环境。(6)溶氧的影响工业业上大部分为为好氧发发酵，如抗生素、氨基酸、维维生素、多糖、有机酸(细细胞发发酵生产产乳酸例外)等发发酵均需要往发发酵液中通入无菌空气，
16、以满满足微生物生长长代谢过谢过 程对对氧的需求；而酒精、丙酮酮、丁醇和乳酸的细细菌发发酵为厌为厌氧发发酵，发发酵过过程不需要氧。发发酵工程的第一重要工作是选择优选择优 良的单单一纯纯种，消灭杂灭杂 菌，获获得纯纯种的方法不包括 ( )。A根据微生物对对碳源需求的差别别，使用含有不同碳源的培养基B根据微生物需要生长长因子的种类类，在培养基中增减不同的生长长因子C根据微生物遗传组遗传组 成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸D根据微生物对对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素【巩固3】解析 微生物生长所必需的营养物质有碳源、氮源、无机盐、水和生长因子，不同微生物对营养物质的要求不同(水除外)，
