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1、第14讲发酵工程上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 目录发酵工程及特点古老的新技术:发酵技术发展历程发酵原理:人类如何利用微生物发酵产品的生产:现代发酵工业国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵工程及特点发酵的概念发酵工程的特点
2、国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵的概念发酵(Fermentation)英文来自拉丁语ferver,意思是“发泡”.描述果汁或谷物发酵时产生CO2的现象.实际上,在后来的啤酒 果酒生产中,起泡现象一直作为重要的直观指标.国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵的概念巴斯德认为:发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程,是生物获得能量的一种形式.国家级精品课程生命科学导
3、论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵的概念现代发酵定义:利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制造产品的过程.上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU葡 萄 糖 代 谢国家级精品课程生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵的特点微生物的共性发酵工程的特点国家级精品课程生命科学导论上海交通大
4、学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 微生物的共性体积小,面积大吸收多,转化快生长旺,繁殖快适应强,易变异分布广,种类多国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵工程的特点反应条件温和:常温常压原料来源广泛并无需精制众多反应都在同一发酵罐内完成国家级精品课程
5、生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵技术发展历程古代发酵近代发酵现代发酵国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 古代发酵距今8000至4500年前开始(中国),距今4000至3000年前开始(外国)特点 只知现象,不知本质产品 米酒 啤酒国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, S
6、JTU近代发酵纯培养技术的建立巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)于1857年 发现了发酵是由微生物引起的,从而使传统的经验发酵变成了一门科学.国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU巴 斯 德 发 明 的 消 毒 器国家级精品课程生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science
7、 and Biotechnology, SJTU现 代 化 工 厂 仍 采 用 巴 氏 消毒 法国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU人 们 心 中 的 巴 斯 德国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU近代发酵纯培养技术的建立
8、布雷费尔德 (Brefeld)于1872年创立了霉菌 纯培养技术.丹麦科学家汉逊(Hansen)1878年创立了酵 母纯培养技术德国科学家科赫 (Robert Koch,1843-1910) 于1881年创立了细菌纯培养技术.国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU近代发酵纯培养技术的建立上述技术突破,人们可以控制发酵进程,从而使发酵技术从天然发酵走向纯种发酵.完成了发酵技术的第一次转折.主要产品:酒精 甘油 丙酮-丁醇国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 Scho
9、ol of Life Science and Biotechnology, SJTU 现代发酵通气搅拌发酵代谢控制发酵基因工程菌发酵国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU通气搅拌发酵英国科学家弗莱明(A.Fleming),1929年发现了青霉素英国科学家弗洛里(Haward.Flory)和钱恩(E.B.Chain)精制分离出青霉素(1940年)第二次世界大战对青霉素的急切需求推动了工业化生产(1944年)技术关键 无菌空气制备,通风搅拌发酵代表产品 青霉素意义 完成了发酵技术的第二次
10、技术转折上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 代谢控制发酵代谢控制发酵 1959年木下祝郎发明了用微生物发酵发生产谷氨酸. 味精的分子式为:HOOC-(CH2)2CHNH2COONa.H2O 技术特点 从DNA分子水平上控制(无定向诱变)微生物代谢途径,进行最合理代谢.该技术的发展完成了发酵技术的第三次转折.代表产品 :氨基酸 核苷酸等国家级精品课程生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJT
11、U 基因工程菌发酵1970S以来基因工程技术的飞速发展,为发酵工程技术插上了腾飞的翅膀,人们可以定向改变生物的性状和功能,创造新的“物种”,是发酵工业能够生产出超出自然界微生物所不能合成的产物.技术特点:可定向改造生物基因,按人们的意志生产产品.意义:将引起发酵工程的技术革命.产品:人生长素,干扰素,疫苗国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 发酵原理与机制黄色短杆菌赖氨酸的合成与调节机制细胞膜通透性的改造发酵中如何控制关键条件国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院
12、 School of Life Science and Biotechnology, SJTU回忆一个概念反馈抑制:代谢途径的末端产物(即终产物)过量时,这个产物反过来直接抑制该途径第一个酶的活性,使整个反应过程减慢或停止.上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU反 馈 抑 制国家级精品课程生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU协同反馈抑制分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同
13、途径中的第一个酶的一种反馈调节方式.单独一种产物过量并不能引起抑制作用.国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU协同反馈抑制L y s上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU黄 色 短 杆 菌 生 物 合 成调 节 机 制国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU三 羧 酸 循 环国家级精品课程生
14、命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU黄色短杆菌生物合成Lys调节机制酶3活性比酶2高15倍,代谢优先生成高丝氨酸酶4活性比高丝氨酸激酶高,代谢优先向蛋氨酸方向进行蛋氨酸过量反馈阻遏酶4,3的合成异亮氨酸过量反馈抑制酶5的活性苏氨酸过量反馈抑制酶3的活性,并且与过量赖氨酸协同抑制酶1的活性国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU积累赖氨酸的菌株特性通过基因突变使酶3
15、失去活性,切断向苏氨酸方向的代谢流在培养液中加入限制量的高丝氨酸(或苏氨酸和蛋氨酸)国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU 细胞膜通透性的改造用能积累谷氨酸菌株做如下实验:生物素充足时,细胞内含大量谷氨酸,但培养液里几乎不含谷氨酸.用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷氨酸.当把原生质体放入低渗溶液里,将其涨破,谷氨酸才排出.生物素亚适量时,培养液里含大量谷氨酸,细胞里含量少.国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science
16、and Biotechnology, SJTU 结论谷氨酸的分泌是由细胞膜控制细胞膜的结构怎样?上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU磷 脂 分 子 形 成 细 胞 膜国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU磷 脂 分 子 结 构 式国家级精品课程生命科学导论国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology, SJTU生物素缺陷型可分泌谷氨酸营养缺陷型:微生物因突变不能合成某种必需生长因子,需外加该因子才能生长的菌株.如高丝氨酸营养缺陷型.生物素是脂肪酸合成最初反应关键酶的辅酶,生物素缺陷型菌株不能合成生物素,通过控制生物素亚适量,使磷脂合成不完全而导致细胞膜渗漏.从而使谷氨酸分泌到细胞外国家级精品课程生命科学导论上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science an
