微生物发酵和其应用.ppt

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氨 酸,谷氨酸脱氢酶,NH,4,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,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,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,pH,7-8,发酵工程生产实例,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：,菌种的选育,培养基的配置,灭菌,扩大培养和接种,发酵过程,分离提纯,1,、菌种的选育,选育的方法：,从自然界中先分离出相应的菌种；,利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；,利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞或工程菌。,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,培养基配置的原则：,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,。,培养基的营养要协调，以利于产物的合成。,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。,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,发酵产物：,发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。,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。,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,+CO2 3.,醋酸发酵 酒精,+,醋酸菌,+O2,醋酸,+H2O 4.,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,在食品工业方面：,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。,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：,-,胡萝卜素等；,甜味剂：高果糖浆等。,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,2.0 x10,7,t,，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）、,-,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,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。,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。,物理、化学条件适宜。（,pH,、水活度、渗透压）,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,是从微生物细胞中提取的蛋白质,B,通过发酵生产的微生物菌体,C,是微生物细胞分泌的抗生素,D,单细胞蛋白不能作为食品,B,单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含有丰富的蛋白质，如真菌蛋白可作为食品。,练习,谷氨酸棒状杆菌的培养液常采用的灭菌方法是（）,A,高压蒸汽灭菌,B,高温灭菌,C,加入抗生素灭菌,D,酒精灭菌,A,单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液，制糖工业的废液，石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含有丰富的蛋白质，如真菌蛋白可作为食品。,练习,工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，应采用的最好方法是（）,A,加大菌种密度,B,改变碳源和氮源比例,C,改变菌体细胞膜通透性,D,加大葡萄糖释放量,C,谷氨酸棒状杆菌能够利用,C6H12O6,，经过复杂的代谢过程形成谷氨酸；谷氨酸合成过量，使合成途径中断，要提高谷氨酸产量的最好方法是改变菌体细胞膜的通透性，使谷氨酸能迅速排放到外面，避免因过量引起合成途径中断。,练习,关于灭菌和消毒的不正确的理解是（）,A,灭菌是指杀灭环境中的一切微生物的细胞、芽孢和孢子,B,消毒和灭菌实质上是相同的,C,接种环用灼烧法灭菌,D,常用灭菌的方法有加热法、过滤法、紫外线法、化学药品法,B,1,灭菌是指采用强烈的理化因素杀死一定环境中所有微生物的细胞、芽孢和孢子的措施，是彻底杀死。消毒是一种采用较温和的理化因素，杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒物体基本无害的措施，是部分杀灭。,2,常用灭菌方法：物理杀菌的常用方法：高温、辐射、超声波和激光等；化学杀菌常用方法：表面消毒剂和化学治疗剂，如抗生素，中草药有效成分。,练习,为研究微生物群体生长规律，常将少量的某种细菌接种到培养基中，取样测定培养基里的细菌数目，以时间为横坐标，以细菌数目的对数为纵坐标，得到生长曲线图，对培养基的要求是（）,A,恒定容积的液体培养基,B,任意容积的液体培养基,C,恒定容积的半固体培养基,D,任意容积的半固体培养基,A,练习,在啤酒生产过程中，发酵是重要环节。生产过程大致如下：将经过灭菌的麦芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌种后输人发酵罐。初期，酵母菌迅速繁殖，糖度下降，产生白色泡沫，溶解氧逐渐耗尽。随后，酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降解，酒精浓度渐渐上升，泡沫不断增多。当糖浓度下降到一定程度后，结束发酵。最后分别输出有形物质和鲜啤酒。根据上述过程，回答以下问题：,（,1,）该过程表明啤酒酵母异化作用的特点是,。,（,2,）初期，酵母菌迅速繁殖的主要方式是,。,（,3,）经测定酵母菌消耗的糖中，,98.5,形成了酒精和其他发酵产物，其余,1.5,则是用于,。,（,4,）请写出由麦芽糖葡萄糖酒精的反应方程式。,（,5,）如果酵母菌消耗的糖（没有麦芽糖，相对分子质量为,342,）有,98.5,（质量分数）形成酒精（相对分子质量为,46.0,）和其他发酵产物。设有,500t,麦芽汁，其中麦芽糖的质量分数为,8.00,，发酵后最多能生产酒精浓度为,3.20,（质量分数）的啤酒多少吨？,练习,答案,（,1,）既能进行有氧呼吸又能进行无氧呼吸,（,2,）出芽生殖,（,3,）酵母菌自身的生长和繁殖,（,4,）,C,12,H,22,O,11,+H,2,O,2,C,6,H,12,O,6,C,6,H,12,O,6,2C,2,H,5,OH+2CO,2,（,5,）,C,2,H,5,OH,的相对分子质量为,46.0,（,500t8.00%98.5%46 4/342,）,/0.032=662t,练习,尽管微生物发酵有各种各样的产物，但通常它们的生产能力小而且单一，不能胜任大批量的工业生产，于是，科学家们想方设法使它们的,“,功力,”,增长几十倍到上百倍，从而成为本领高强的,“,高级工人,”,。第一种方法是用人工办法让微生物的,DNA,发生突变。比如在,DNA,分子的长链中插入或删除碱基，或者把某一碱基换成另外一种。然后在这些动过,“,小手术,”,的菌种中筛选出符合我们要求的，能增加产量的个体。,（,1,）发酵工程的第一种方法从遗传学角度看，属于哪一类型的变异？这类变异有何特点？,练习,第二种方法叫,“,原生质融合法,”,。这是将两种且有不同发酵本领的微生物细胞放在一起进行处理，溶解掉细胞壁，让它们的原生质相互融合。等到重新长出细胞壁后，一种新的微生物就诞生了。它可以同时具有两种微生物的发酵能力，也可能产生新的本领。,（,2,）第二种方法从遗传学角度看属于哪一类型的变异？所诞生的新型微生物其后代具有什么特点？,练习,第三种方法是通过直接转移遗传物质,DNA,，制备出有超强能力的发酵微生物。以下是一个发酵生产维生素,C,（后称,Vc,）的例子：科学家找到两种微生物,草生欧文氏菌和棒状杆菌。当它们共同作用时，可以通过发酵而产生,Vc,，后来人们发现，这两种菌在生产,Vc,的过程中好像接力赛一样，各自先后承担一段任务：先由草生欧文氏菌将原料发酵成一种中间产物，随后再由棒状杆菌把体内与完成后半段的工作有关的遗传物质移入到草生欧文氏菌体内，与它的,DNA,相连接。通过这种人工改造后培育出的微生物被称作,“,工程菌,”,，是发酵工程的主角。,（,3,）第三种方法所应用的技术是,技术。经过改造后的草生欧文氏菌再繁殖，其后代能够,。,练习,答案：,（,1,）基因突变率低，不定向，但能大幅度改良某些性状。,（,2,）基因重组具有两种微生物的遗传特点。,（,3,）转基因 独立完成生产,Vc,的全过程。,