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1、第十章,第二节微生物在发酵工业中的应用,一、微生物发酵与发酵工程,发酵：（原始概念）指从液体中向外冒气泡的现象。（广义概念）指发酵工业上应用微生物生产某种产品的过程，包括好氧过程和厌氧过程。（在生物化学中）指有机物脱下的氢直接交给另一内源有机物的过程。,发酵工程技术：是大规模工业化应用的技术，最终目标是获得产物或产品，是发酵工艺学和工程学相结合的产物。发酵工程,菌种的选育,最佳发酵条件的选定和控制,生化反应器的设计,发酵产品的分离和精制,天然发酵：利用自然环境中存在的多种微生物进行发酵，一般为混合发酵。,纯培养发酵：指利用已知菌种进行的发酵，现代工业发酵大多数采用纯培养发酵。纯培养发酵提高了产
2、品的稳定性，被认为是发酵工业的第一个转折点。,发酵工程的运用,医药工业：抗生素、维生素、胰岛素、疫苗、干扰素等,食品工业：氨基酸、新糖原、饮料、酒类、食品添加剂等,能源工业：生产乙醇、沼气等,化学工业：生产化工原料如乙醇、丙酮、生物表面活性剂等,冶金工业：黄金开采和铜、铀等金属的浸提,农、牧业：生物固氮、生物杀虫剂和微生物饲料的生产等,环境保护：对污染物进行降解和转化等,发酵,固体发酵：指发酵原料、菌体吸附在固体支持物（载体）上，通过微生物的代谢活动将原料转化为发酵产品。,液体发酵：微生物的菌体或菌丝均匀分散在液体培养基中，通过向培养液强制通气进行发酵。,发酵基本过程示意图：,二、发酵罐,广义
3、发酵罐指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意环境的容器，工业发酵中指进行微生物深层培养的设备。发酵（按微生物生长）,厌氧发酵罐,好氧发酵罐,（按发酵罐设 备特点）,机械搅拌通风发酵罐,非机械搅拌通风发酵罐,发酵罐一般所具有,严密的结构,良好的液体混合性能,高的传质和传热速率,灵敏 的检测,控制仪表,发酵的基本过程,菌种培养与扩大（一般需要经过斜面培养、三角摇瓶和小型发酵罐的活化与放大）,培养基和发酵设备的灭菌（主要采用蒸汽灭菌，因为蒸汽具有强大的穿透力，破坏菌体蛋白和核酸的化学键，使酶失活，微生物因代谢障碍而死亡。）,发酵过程控制（受很多环境条件的影响，如培养基组成、pH、温度、氧气、泡
4、沫、杂菌污染和噬菌体感染等因素）,下游加工过程（是从发酵液中分离、精制有关产品的过程。一般包括发酵液预处理和固体分离）,培养基的灭菌,分批灭菌：培养基和发酵罐一起灭菌,连续灭菌：培养基在发酵罐外灭菌后经过冷却后送人发酵罐,优点：高温快速灭菌，发酵罐利用率高，热能利用合理，自动化控制,缺点：不适合黏度大或固型物含量高的培养基，增加操作环节，增加染菌机会,空气除菌主要通过加入灭菌、静电除菌和介质过滤除菌等方式,pH影响微生物生长繁殖和代谢积累，还影响酶活性，影响膜的通透性，影响微生物营养吸收及代谢产物分泌，影响营养物质的分解或中间代谢产物解离，影响微生物对这些物质的利用。温度控制要考虑菌体生长和产
5、物形成两个方面。前期控制温度，使其适合微生物菌体的生长繁殖，后期控制温度，使其适合产物的形成。泡沫中的空气有隔热作用，造成培养基灭菌不彻底，有时从排气口溢出，容易污染。杂菌污染可导致发酵产物复杂，有毒物质产生，产物分离、提纯困难，严重时导致发酵失败。要经常检查菌种、设备等。噬菌体是细菌的病毒，噬菌体可侵染发酵菌种，造成发酵菌种的裂解，导致发酵失败。,四、微生物发酵的应用乙醇发酵,1，白酒酿造原料：糖质原料甘蔗、废糖蜜 淀粉原料高粱、玉米、马铃薯 纤维素原料木屑、作物秸秆、甘蔗渣基本原理：利用霉菌、细菌等微生物产生的淀粉酶、纤维素酶将原料中的淀粉、纤维素等转化为葡萄糖，在酵母菌作用下通过EMP途
6、径将1分子的葡萄糖转化为2分子的乙醇。,2、啤酒发酵,原料：以大麦为主原理:利用大麦发芽时产生的淀粉酶将原料中的淀粉转化为葡萄糖，然后利用酵母菌进行乙醇发酵。酒花：增加啤酒的香味和爽口苦味，同时具有澄清和防腐的作用。发酵完成后，还要经过过滤，以去除酵母菌体。分类：熟啤酒：经过巴斯德消毒后的啤酒；生啤酒：不经过巴斯德消毒后的啤酒；纯生啤酒：采用无菌酿造、特殊的过滤技术除菌、无菌灌装技术生产的,啤酒生产的工艺过程如下：,3、葡萄酒,葡萄酒是葡萄发酵而成的一种饮料酒，酒度较低，一般介于8 22度。分类：以颜色分：红葡萄酒利用红色或紫色葡萄，果皮、果肉与果汁混在一起进行主发酵，发酵中含有果皮或果肉中的
7、色素；白葡萄酒用葡萄汁单独发酵制成黄色的葡萄酒，深金黄至淡灰黄不等。以含糖量分：干葡萄酒含糖量不超过1%；半干葡萄酒含糖量为1%4%；甜葡萄酒含糖量至少为4%。,有机酸发酵,有机酸发酵的应用：由微生物发酵法生产的有机酸有多种多接近自然产物，对人体有益。应用于多种领域：在食品和饮料中作为酸味剂，如汽水；在水果罐头、果冻、果酱中具有保护色作用、抑制腐败微生物生长；在医药工业上，柠檬酸是很好的抗凝血剂葡糖酸钙补钙；在化学工业中，用于洗涤剂、电镀；用于化妆品、香皂沐浴液，可预防氧化与除臭；其他领域：卷烟中、纤维处理、乳酸钙等等。,柠檬酸发酵：柠檬酸（citric acid）在化工、医药、食品等方面用途
8、广泛。1893年以前主要从柑橘、菠萝和柠檬中提取，之后才开始以微生物进行有机酸发酵而获取主要由青霉、毛霉、木霉、曲霉及葡孢霉等发酵产生。原理是：己糖、淀粉等原料转变为柠檬酸，先经过EMP糖酵解途径，然后通过TCA形成柠檬酸。,乳酸发酵：是重要的一元酸因存在于牛奶而得名，从牛奶中分离得到乳酸菌，开始应用于工业不同微生物异型乳酸发酵产物不同。乙酸发酵（食醋发酵）：食醋发酵机制是淀粉质原料在细菌、霉菌产生的淀粉酶作用下水解为葡萄糖等单糖，然后经EMP途径发酵葡萄糖产生乙醇和二氧化碳。在酵母菌作用下产生乙醇，最后在醋酸细菌作用下产生乙酸。,氨基酸发酵,现在已经可以通过发酵法产生赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨
9、酸、苏氨酸等12种氨基酸氨基酸广泛用于食品、药品等多个领域,氨基酸发酵,食品工业可用于甜味剂、酸味剂、鲜味剂,氨基酸发酵,医药工业可作为高营养液、可用于降血氨、正血浆氨基酸失衡、治疗脂肪肝、治疗消化管溃疡、调节胃酸碱度、改善出血后遗症的记忆障碍、治疗心律失常等,谷氨酸发酵,目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌等。谷氨酸的生物合成包括糖酵解作用（EMP途径）、磷酸戊糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA循环）、乙醛酸循环和丙酮酸羧化支路等。,谷氨酸发酵,生物合成谷氨酸的主要方式是-酮戊二酸
10、的还原性氨基化作用。谷氨酸的生物合成受机体内复杂机制的调控。影响谷氨酸发酵过程的参数有很多，谷氨酸发酵过程主要受种子质量，培养基组成，温度，pH以及供氧速率等因素控制。提取谷氨酸常用的工艺为等电点法和离子交换法,合成途径,谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解(EMP途径)和己糖磷酸支路(HMP途径)生成丙酮酸，再氧化成乙酰辅酶A(乙酰COA)，然后进入三羧酸循环，生成-酮戊二酸。-酮戊二酸在谷氨 酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。,菌株特点：,
11、1.革兰式阳性2.不形成芽孢3.没有鞭毛，不能运动4.需要生物素作为生产因子，通气条件下才能产生谷氨酸,用途,谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射液等。我国的谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较大的提高，但与国外先进水平相比还存在一定差距。主要表现在：设备陈旧，规模小，自控水平、转化率和提取率低，易受噬菌体污染，废水污染问题尚未完全解决等,赖氨酸发酵,赖氨酸：碱性氨基酸，有D型和L型构型人体必需氨基酸之一谷类食物中最缺乏的氨基酸,作用：,提高智力、促进生长、增强体质。增进食欲、改善营养不良状况。增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。改善失眠，提高记忆力。帮助
12、产生抗体、激素和酶，提高免疫力、增加血色素。帮助钙的吸收，治疗防止骨质疏松症降低血中甘油三酯的水平，预防心脑血管疾病的产生。用于饲料工业可提高禽兽的增重，改善肉质乏赖氨酸的症状包括疲劳，虚弱，恶心，呕吐，头晕，没有食欲，发育迟缓，贫血等,生产菌株 生产菌种,细菌：棒杆菌、短杆菌假单胞菌、埃希氏菌、芽孢杆菌真菌：酵母、假丝酵母、隐球酵母,谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌和乳糖、发酵短杆菌的各种突变菌,发酵法,二步发酵法（前体添加法）：50年代初开发的二步发酵法以赖氨酸的前体二氨基庚二酸为原料，借助微生物生产的酶（二氨基庚二酸脱羧酶），使其脱羧后转变为赖氨酸,发酵法,直接发酵法 广泛采用的赖氨酸生产法。常
13、用的原料为甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜、淀粉水解液等廉价糖质原料。此外，醋酸、乙醇等也是可供选用的原料。直接发酵法生产赖氨酸的主要微生物有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌的突变菌等 3种。,发酵法,酶法 主要用生产尼龙原料己内酰胺时生成的大量副产物环己烯为起始原料，用化学方法合成 DL-氨基己内酰胺，然后以此作为酶反应的底物，经罗伦氏隐球酵母生产的L-氨基己内酰胺水解酶，和从奥巴无色杆菌菌体中分离到的-氨基己内酰胺外消旋酶共同作用，转变为L-赖氨酸。该工艺由于反应速度快，原料便宜，产酸率高，已投入工业生产,酶制剂发酵,酶制剂（英文：enzyme)是一类从动物、植物、微生物中提取具有生物催
14、化能力的蛋白质。具有高效性，专一性，在适宜条件（pH和温度）下具有活性。主要作用是催化食品加工过程中各种化学反应，改进食品加工方法。应用范围：植物由于生长地域、季节、气候等的影响，生产酶制剂的产、质量都不稳定。动物产生的酶主要从屠宰牲畜的腺体中提取，来源有限；只有微生物生产的酶，可满足任何规模的需求，产率高、质量稳定。目前，除食品、轻纺工业外，微生物酶制剂还用于日用化学、化工、制药、饲料、造纸、建材、生物化学、临床分析等方面，成为发酵工业的重要部门。,种类,国外：在饲料中使用的酶制剂主要有淀粉酶、葡聚糖酶、糖化酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、植酸酶、角蛋白酶、木聚糖酶等。国内
15、：市场主要的酶制剂有淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、葡聚糖酶、植酸酶等。目前除植酸酶有单一产品外，其余饲用酶制剂大多是包含多种酶的复合制剂。生产酶制剂的微生物有丝状真菌、酵母、细菌3大类群，主要是用好气菌,淀粉酶,淀粉酶水解淀粉生成糊状麦芽低聚糖和麦芽糖。以芽孢杆菌属的枯草芽孢杆菌和地衣形芽孢杆菌深层发酵生产为主，后者产生耐高温酶。另外也用曲霉属和根霉属的菌株深层和半固体发酵生产，适用于食品加工。-淀粉酶主要用于制糖、纺织品退浆、发酵原料处理和食品加工等。葡糖淀粉酶能将淀粉水解成葡萄糖，现在几乎全由黑曲霉深层发酵生产，用于制糖、酒精生产、发酵原料处理等。,蛋白酶,使用菌种和生产品种最多。用地
16、衣形芽孢杆菌、短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌以深层发酵生产细菌蛋白酶；用链霉菌、曲霉深层发酵生产中性蛋白酶和曲霉酸性蛋白酶，用于皮革脱毛、毛皮软化、制药、食品工业；用毛霉属的一些菌进行半固体发酵生产凝乳酶，在制造干酪中取代原来从牛犊胃提取的凝乳酶。,微生物多糖,微生物在代谢过程中可利用单糖和双糖产生多糖对微生物具保护作用的生物高聚物。近二十年来，由于糖化学的迅速发展，微生物胞外多糖的研究逐渐引起人们的广泛关注于重视。自二十世纪五十年代以来，采用发酵工程技术生产多种微生物多糖是国际上的热门课题，并已有数种微生物多糖已具备相当的工业化规模。按合称位点和合成模式的不同可分为两种类型：同型多糖的合成与异型
17、多糖的合成。,黄原胶：肠膜状明串珠菌和葡聚糖明串珠菌用于工业制造葡聚糖（是若干葡萄糖脱水形成的聚合物）。Glucan是世界上早发现并较早作为主要的血浆代用品的微生物多糖。右旋糖酐-70是目前公认的优良血浆代用品之一。临床主要用于治疗由于失血、创伤、烧伤和中毒等引起的失血性休克。,葡聚糖：又称右旋糖酐。为一种多糖。存在于某些微生物在生长过程中分泌的粘液中。葡聚糖具有较高的分子量，主要由D葡萄吡喃糖以，16键连接，支链点有12、13、14连接的。随着微生物种类和生长条件的不同，其结构也有差别。葡聚糖不是单糖而是低聚糖它能够活化巨噬细胞、嗜中性白血球等，因此能提高白细胞素、细胞分裂素和特殊抗体的含量
18、，全面刺激机体的免疫系统。,维生素,维生素是生命体生长发育、代谢、生命活动的具不可或缺及调节重要作用的微量有机物。许多维生素可由微生物合成，如维生素B12、麦角碱、核黄素、L-抗坏血酸等都可以通过微生物制备。利用烷烃作为碳源生产维生素A辅酶。-胡萝卜素、叶黄素及其他类胡萝卜素：-胡萝卜素在人体内肠粘膜上转变为维生素A，工业上三孢布拉霉、链霉菌、黄杆菌、分枝杆菌、短杆菌等都可以利用烷烃作为碳源生产维生素A辅酶。,维生素B2（核黄素）：作为核黄素类的辅基，核黄素的缺乏引起核黄素症，如某些皮炎、唇损害和视力受损。丙酮丁醇梭菌、假丝酵母属类球形德巴利酵母、无拟球酵母许多丝状真菌等都可以生产。维生素B1
19、2：合成维生素B12的微生物很多，主要有黄杆菌属、巨大芽孢杆菌、假单胞菌属、普通变形菌等。维生素C（L-抗坏血酸）：利用山梨醇通过细菌发酵生产维生素C。利用如霉菌、斜卧青霉、产黄青霉等发酵葡萄糖形成D-阿拉伯抗坏血酸。,微生物发酵领域的其他方面应用,制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产；食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产；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；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；饲料业：饲料添加剂的生产；农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产。,微生物风味剂：主要指酵母抽提物，是以食用酵母为原料，利用现代生
20、物技术将酵母菌体蛋白质、核酸类物质进行降解，经过精制加工得到的粉状、膏状或液体状的产品。具有营养、辅助医疗的作用，是天然的高级调味品。,微生物防腐剂：纳他霉素近白色或奶油黄色结晶粉末。是一种无臭、无味，低剂量且安全性高的食品防腐剂。纳他霉素(Natamycin)，是由纳他链霉菌受控发酵制得一种白色至乳白色的无臭无味的结晶粉末，通常以烯醇式结构存在。它的作用机理是与真菌的麦角甾醇以及其他甾醇基团结合，阻遏麦角甾醇生物合成，从而使细胞膜畸变，最终导致渗漏，引起细胞死亡。在焙烤食品用纳他霉素对面团进行表面处理，有明显的延长保质期作用。,微生物油脂,微生物油脂（microbial oils）又称单细胞
21、油脂，是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂为碳源、氮源、辅以无机盐生产的油脂和另一些有商业价值脂质。微生物油脂的特点 微生物生产油脂不仅具有油脂含量高、生产周期短、不受季节影响、不占用耕地等优点；而且可用细胞融合、细胞诱变等方法，使微生物产生高营养油脂或某些特定脂肪酸组成油脂，如EPA、DHA、类可可脂等。,微生物饲料,微生物饲料是以微生物、复合酶为生物饲料发酵剂菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体生物发酵饲料。该产品不但可以弥补常规饲料中容易缺乏的氨基酸，而且能使其它粗饲料原料营养成份迅速
22、转化，达到增强消化吸收利用效果,微生物与红茶,发酵，俗称“发汗”，是最为重要的一个环节。是指将揉捻好的茶胚装在篮子里，稍加压紧后，盖上温水浸过的发酵布，以增加发酵叶的温度和湿度，促进酵素活动，缩短发酵时间，一般在56小时后，叶脉呈红褐色，即可上焙烘干。发酵的目的，在于使茶叶中的多酚类物质在酶的促进作用下发生氧化作用，使绿色的茶坯产生红变。发酵是形成红茶色、香、味品质特征的关键性工序。一般是将揉捻叶放在发酵框或发酵车里，进入发酵室发酵。发酵要掌握满足茶多酚氧化酶的氧化聚合反应所需的适宜温度、湿度和氧气量。,发酵中的茶,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
