資源簡介

1.3 發酵工程及其應用
班級： 姓名：
學習目標：
概述發酵工程及其基本環節。
舉例說明發酵工程在生產上有重要的應用價值。
基礎學習
一、發酵工程的基本環節
1.選育菌種
（1）目的：獲得 的菌種。
（2）菌種來源：自然界中篩選、 或 育種。
（3）實例：篩選產酸量高的 用來生產檸檬酸；
使用基因工程改造的 ，加速發酵、縮短生產周期。
2.擴大培養
（1）目的：獲得更多的菌種。
（2）原因：工業發酵罐的體積一般 ，因此，需要接入的菌種總體積大（數目多）。
（3）擴大培養的培養基：一般為 培養基。
3.配制培養基、滅菌
（1）配制要求：①在菌種確定之后，選擇原料制備培養基。
②在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定。
（2）滅菌原因：發酵工程種所用的菌種大多是 菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大降低。
（3）滅菌目的：避免因 而影響產品的品質和產量。
和 都必須經過嚴格的滅菌。
4.接種
將擴大培養后的菌種投放到 中。
5.發酵罐內發酵
（1）地位：發酵罐內發酵是發酵工程的 。
（2）要求：
①發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物數量、產物濃度等，以了解 。
②要及時添加必需的 ，要嚴格控制溫度、pH和溶氧量等發酵條件。
（3）嚴格控制發酵條件的原因：
①環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成。
②嚴格控制發酵條件，有利于使發酵全過程處于 。
（4）不同發酵條件的影響。
實例—谷氨酸發酵
①在 條件下會積累谷氨酸。
②在 條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
補充內容：谷氨酸發酵常用菌種為谷氨酸棒狀桿菌（ 生物）。
（5）現代發酵工程使用的發酵罐的優點：
均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制，還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。
6.分離、提純產物、獲得產品
如果發酵產品是微生物細胞本身：
可在發酵結束后，采用 、 方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。
如果產品是代謝物：
可根據產物性質采取適當提取、分離和 措施來獲得產品。
思考·討論 發酵工程基本環節分析
1.微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時，需要考慮哪些因素？
①在低成本的培養基上能迅速生長繁殖。 ②生產所需代謝物的產量 。
③發酵條件易控制。 ④菌種不易 ，退化等。
2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？
要對 、 、溶氧量等發酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加
必要的 。
3.在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
傳統發酵技術獲得的產物一般不是 的組分，而是成分復雜的 ，很多時候不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離提純產物。
發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的 階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附或
離子交換等方法；在 階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行 ，合格后才能成為正式產品。
4.在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎 為什么？
不能；因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。
為了減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出的氣體和廢氣培養液進行二次清潔或滅菌處理。
二、發酵工程的應用
發酵工程的特點：
生產條件 ；原料來源豐富且價格低廉；產物 ；廢棄物對環境污染 且容易處理。
1.在食品工業上的應用
(1)生產傳統發酵產品
思考·討論 啤酒的工業化生產流程
1.與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高
的選育、對 的處理、 的控制、產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。
2.現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作？
一方面，這類產品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。
另一方面，這類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。
(2)生產各種各樣的食品添加劑
①作用：
增加食物的營養；改善食品的口味、色澤和品質；延長食品的保存期。
②實例：
檸檬酸：一種食品酸度調節劑，可以通過 的發酵制得。
味精：由 發酵可以得到谷氨酸經過一系列處理就能制成味精。
(3)生產酶制劑
①常見酶制劑
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶。
②食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、
延長食品儲存期和提高產品產量等。
③酶制劑來源少數由 生產；絕大多數通過 生產。
2.在醫藥工業上的應用
（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中,獲得具有某種
藥物生產能力的微生物。
（2）直接對 進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品。
（3）未來可能用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等。
（4）利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物就可以作為疫苗使用。
3.在農牧業上的應用
（1）生產微生物 。
①種類：根瘤菌肥、固氮菌肥。
②作用：
Ⅰ利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力，
改良土壤結構，促進植株生長。
Ⅱ有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。
（2）生產微生物 。
①作用機理：利用微生物或其 來防治病蟲害
②實例：蘇云金桿菌→防治80多種農林蟲害。
白僵菌→防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。
井岡霉素（一種放線菌產生的抗生素）→防治水稻枯紋病。
③防治類型： 。
（3）生產微生物飼料。
①原理：微生物含有豐富的蛋白質，且繁殖速度快。
②實例1—單細胞蛋白：
以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的微生物 ，即單細胞蛋白。
實例2—乳酸菌：
在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。
4.在其他方面的應用
（1）解決資源短缺與環境污染問題
隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。
（2）將極端微生物應用于生產實踐
①極端微生物：自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常生活。
②舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑。
嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。
【習題鞏固】
1．發酵罐內發酵是發酵工程的中心環節。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．在發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物數量、產物濃度等，以了解發酵進程
B．環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成
C．谷氨酸發酵在酸性條件下會積累谷氨酸
D．在發酵過程中，需要及時添加必需的營養組分
2．與傳統的手工發酵相比，利用發酵工程所釀制的啤酒產量和質量明顯提高，下列相關敘述不合理的是(　　)
A．通過基因工程對釀酒酵母進行選育的過程中，基因重組是所運用到的生物學原理之一
B．在發酵過程中的焙烤目的是加熱殺死種子胚，但不使淀粉酶失活
C．啤酒工業化生產的糖化階段，酵母菌將糖轉化為酒精和CO2
D．啤酒生產過程中蒸煮產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌
3．下列關于發酵工程的說法，正確的是 (　　)
A．人工誘變、基因工程等都可對微生物進行定向改造
B．環境條件的變化不僅影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝
C．發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成都與攪拌速度無關
D．單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的
4.下列不是發酵過程中要完成的是(　　)
A.隨時取樣檢測培養液中的微生物數量及產物濃度
B.不斷添加菌種
C.及時添加必需的營養組分
D.嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等條件
5.下列不屬于發酵工程應用的是( )
A.利用工程菌生產人生長激素釋放抑制激素
B.利用啤酒酵母釀造啤酒
C.用培養的人細胞構建人造皮膚
D.用酵母菌生產作為食品添加劑的單細胞蛋白
6.下列關于發酵工程在食品工業上應用的敘述，錯誤的是
A.生產傳統發酵產品，如利用產生蛋白酶的霉菌釀造醬油
B.生產各種各樣的食品添加劑，可以改善食品的口味但不能增加食品的營養
C.生產食品酸度調節劑，如檸檬酸可以通過黑曲霉的發酵制得
D.生產酶制劑，少數酶制劑由動植物生產，絕大多數通過發酵工程生產

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