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微生物发酵及其应用

作者:365平台 发布日期:2021-01-30 11:13



  微生物发酵及其应用_六年级其它课程_其它课程_小学教育_教育专区。微生物发酵及其应用 种类: 病毒界 微生物 原核生物界 真菌界 (噬菌体、艾滋病毒) (细菌、放线菌、蓝藻) (酵母菌霉菌大型真菌) 原生生物界 (草履虫变形虫衣藻) 特点:结构都相当简单,

  微生物发酵及其应用 种类: 病毒界 微生物 原核生物界 真菌界 (噬菌体、艾滋病毒) (细菌、放线菌、蓝藻) (酵母菌霉菌大型真菌) 原生生物界 (草履虫变形虫衣藻) 特点:结构都相当简单,个体多数十分微小.通常要用光学 显微镜或电子显微镜才能看到,有的甚至没有细胞结构. 病毒的形态 细菌 球菌 细菌的种类 杆菌 螺旋菌 气 孢 生 子 菌 丝 丝 孢子 培养基 基内菌丝 为什么要利用微生物? 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微 生物发酵来生产?这与微生物的生长和代谢特点 有什么关系? 1、某些微生物因争夺生存环境或营养物,会产生抗生素将 其他种类的微生物杀死。 2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶,将营养物质 水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖 。 3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物 质,包括氨基酸、核苷酸等。 为什么要利用微生物? 微生物繁殖非常迅速 微生物培养易于控制 微生物本身也容易改造 什么是发酵? 利用微生物,在适宜的条件下, 将原料经过特定的代谢途径转化 为人类所需要的产物的过程。 什么是发酵工程? 采用现代化工程技术手段,利用微生物 的某些特定功能,为人类生产有用的产 品,或直接把微生物应用于工业生产过 程的一种新技术。 发酵工业经历了哪几个阶段? 原始发展阶段(发酵技术原始,顶多是家庭小制作,技术进步 缓慢,完全是经验式的,并不知道其中的原理 。) 传统发酵工业阶段(人们才开始了解发酵现象的本质 ,采用 开放式的发酵方式,生产过程较为简单,对生产设备要求不高,规 模一般不大 。) 现代发酵工业阶段(生产技术要求高;生产规模大;技术发 展速度快;菌种的生产能力大幅度提高,新产品、新技术、新设备 的应用达到前所未有的程度。 ) 生物技术产业阶段 (利用构建的基因工程菌生产 ) 发酵工程生产实例 ? 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径 葡萄糖 中间产物 a-酮戊二酸 NH4+ 谷氨酸 谷氨酸 脱氢酶 抑制 发酵工程生产实例 1. 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? 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 2. 培养基的选择 成分 酸 水 无机盐 氮源 碳源 生长因 碱 子度 豆饼水解 磷酸二氢钾 豆饼水 pH 液、玉米 氧化钾 尿素 解液、 生物素 7- 浆中的水 硫酸镁 玉米浆 8 发酵工程生产实例 3. 发酵罐示意图 加料口 搅拌器 电动机 pH检测及 控制装置 排气口 冷却水出口 冷却水进口 放料口 培养液 无菌空气 发酵工程的内容 ? 发酵工程的内容包括了以下的基本步骤: 1. 菌种的选育 2. 培养基的配置 3. 灭菌 4. 扩大培养和接种 5. 发酵过程 6. 分离提纯 1、菌种的选育 1. 选育的方法: 1) 从自然界中先分离出相应的菌种; 2) 利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种 ; 3) 利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞 或工程菌。 2. 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 1. 培养基配置的原则: 1. 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。 2. 培养基的营养要协调,以利于产物的合成。 3. 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。 2. 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 1. 发酵产物: ? 发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。 2. 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 。 3. 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 诱变育种 扩大培养 基因工程 生产用菌种 诱变育种 原料 接种 发酵罐 灭菌 发酵条件控制 培养基配置 分离 提纯 微生物菌体 代谢产物 产品 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 2. 在食品工业方面: 1) 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。 2) 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:β-胡萝卜素等; 甜味剂:高果糖浆等。 3) 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2.0x107t,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)、α-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 ① 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。 ② 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。 ③物理、化学条件适宜。(pH、水活度、渗透压 ) ④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(C ) 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 练习 关于单细胞蛋白叙述正确的是(B) 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 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) 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 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(C) 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 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(B ) 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.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 ) 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 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)C12H22O11+H2O2 C6H12O6 C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 (5)C2H5OH的相对分子质量为46.0 (500t×8.00%×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。

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