第七講 生物技術概論之發(fā)酵工程.ppt

1、第七講 生物技術概論 之發(fā)酵工程,王麗娟 生物與制藥工程學院,生物技術總論 生物技術(Biotechnology)，又稱生物工程（Bioengineering)。它和微電子、新材料被稱為二十一世紀三大前沿學科。 生物技術是指人們以現代生命科學為基礎，結合其他基礎學科的科學原理，采用先進的工程技術手段，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需的產品或達到某種目的。 生物技術一般分為：發(fā)酵工程，酶工程，細胞工程，基因工程，生物化學工程等。,第一節(jié) 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程是生物技術的重要組成部分，是生物技術產業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它是將微生物學、生物化學和化學工程學的基本原理有機結合起來，利用

2、微生物生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術,一、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程 發(fā)酵工程的萌芽 石器時代的后期古人類已能進行酒精發(fā)酵。 古埃及人用酵母發(fā)酵制作面包和啤酒。 中國周代后期,制作醬油和釀醋。 發(fā)酵工程的產生 19世紀后期法國科學家巴斯德確定發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生物純種培養(yǎng) 科赫建立了劃線法和平板培養(yǎng)法等分離純化微生物的方法促進了微生物的生理生化研究。,發(fā)酵工程的建立 20年代大規(guī)模純種培養(yǎng)發(fā)酵生產丙酮和丁醇，4050年代青霉素的大規(guī)模發(fā)酵生產標志著，現代發(fā)酵工程的建立。隨著遺傳育種學與代謝調控技術的發(fā)展，60年代發(fā)酵工程飛速發(fā)展，稱為第一次綠色革命,發(fā)酵工程的發(fā)展 1972年

3、體外基因重組獲得成功，標志著基因工程技術開始，80年代開始大量將基因工程改造的微生物與細胞應用于發(fā)酵工程。,作為一個最古老的生物技術，發(fā)酵工業(yè)在國民經濟中起著舉足輕重的作用。,發(fā)達國家發(fā)酵工業(yè)的產值占國民生產總值的5%。 而抗生素發(fā)酵工業(yè)的產值占醫(yī)藥工業(yè)的20%,二.工業(yè)微生物介紹： （一）. 細菌 屬于原核生物，單細胞生物 形態(tài)： 具有一定的細胞形態(tài)并基本 保持恒定。球菌、桿菌、螺旋菌三大類，大0.21.5um其中發(fā)酵工業(yè)中常見與常用的為球菌與桿菌，尤其是桿菌，而螺旋菌主要是病源菌。,電鏡下的桿菌、球菌、螺旋菌 2.細胞的結構： 細菌細胞一般構造包括：細胞壁、細胞膜、細胞質、間體、核糖體、核

4、區(qū)、內含物顆粒。部分細菌具有特殊結構：夾膜、鞭毛、線毛、芽孢 根據細菌細胞壁結構的不同可分為革蘭氏陽性菌（細胞壁主要由肽聚糖組成）與革蘭氏陰性菌（細胞壁主要由蛋白質、脂多糖組成）,3.細菌的繁殖： 細菌一般進行無性繁殖，即細胞的橫分裂，稱為裂殖。有時也會出現有性結合，但以裂殖為主。 4.重要的細菌 乳酸桿菌、大腸桿菌、芽孢桿菌、醋酸桿菌、丙酸菌、棒桿菌、假單胞菌 甲烷菌、瘤胃球菌、氧化亞鐵硫桿菌 5.用途 廣泛，食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)、農業(yè)、化工、能源、環(huán)保、選礦。如棒桿菌利用淀粉水解糖和尿素等原料發(fā)酵生產谷氨酸可制備味精,（二）放線菌 1、 放線菌是一種原核生物，以菌落呈放射狀而得名。 2、分布

5、：放線菌在自然界分布很廣，主要習居于土壤之中，中性、 偏堿性的土壤和有機質豐富的土壤中較多。土壤特有的泥腥味主 要由放線菌的代謝產物引起的。 3、結構： 基內菌絲長在培養(yǎng)基內，吸收營養(yǎng) 氣生菌絲向培養(yǎng)基上空伸展 孢子絲 氣生菌絲分枝部分，具有形成孢子 作用的 繁殖菌絲,4、應用 在醫(yī)藥工業(yè)中放線菌非常重要，目前大部分抗生素都是利用放線菌發(fā)酵生產，此外還可用于生產酶類和維生素。但需要注意的是有少數放線菌是致病菌。 例如鏈霉菌屬的放線菌可生產土霉素、金霉素、鏈霉素等抗生素。,5、繁殖方式： 以無性方式繁殖，主要是孢子絲通過橫隔分裂形成孢子，也可通過菌絲斷片繁殖，有些放線菌的菌絲上可形成孢子囊，孢囊

6、成熟后釋放出孢囊孢子 。,（三）霉菌 霉菌是一類形成菌絲體的絲狀真菌的統稱 ，屬于真核生物，分布廣泛 包括藻狀菌綱、子囊菌綱和半知菌綱 1.形態(tài)：（見右圖） 霉菌菌絲可以是單細胞的也可以是多 細胞的（有隔膜的），形態(tài)多樣 曲霉屬：有分生孢子，頂囊，次生小梗 初生孢子梗等 青霉屬：具有帚狀枝，其最后一級分枝 即為產生孢子的小梗 根霉屬：有匍匐菌絲并生出假根，向上 伸出孢囊梗，形成孢子囊，其中含孢子 囊孢子,根霉,曲霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),根霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),青霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài),2. 繁殖方式：具有有性繁殖和無性繁殖，但大部分為無性繁殖 有性繁殖方式：卵孢子、結合孢子、子囊孢子 無性繁

7、殖方式：游動孢子、孢子囊孢子、分生孢子、菌絲孢子,根霉的孢子囊孢子,3. 用途： 根霉釀酒、生產乳酸、發(fā)酵食品、 脂肪酶、甾體轉化 毛霉豆類發(fā)酵食品、甾體轉化 青霉青霉素、有機酸 黑曲霉檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶、 果膠酶、甾體轉化等 米曲霉發(fā)酵食品、有機酸、殺 蟲劑、降血脂、淀粉酶、蛋白酶、果 膠酶 紅曲霉降血脂、紅曲色素、發(fā)酵食品 但需要注意黃曲霉能產生致癌毒素,（四）酵母菌： 酵母菌是一類單細胞的真核微生物 1.形態(tài)：多為球形、卵形、圓筒形、尖形等， 一般酵母大小23um,部分達2050um 酵母細胞典型構造包括： 細胞壁、細胞膜、細胞核、液泡、線粒體、 核糖體、內質網、微粒、微絲、內含物等

8、 2.分布：喜歡生長在含糖環(huán)境，成熟水果表皮上含有，果園、糖廠、酒廠土壤中,3.繁殖方式： 分為有性繁殖和無性繁殖 無性繁殖中包括：芽殖和裂殖，發(fā)酵工業(yè)中以芽殖為主。,4.用途： 食品工業(yè)釀酒、食用酵母、某些發(fā)酵食品、食用色素 化工生產甘油、乙醇、石油脫蠟、有機酸、酶制劑 制藥核酸、輔酶,（五）擔子菌 是最高級的大型真菌，能產生擔孢子的一類多細胞真核生物 1.形態(tài)：由發(fā)育良好其有分割的菌絲組成，往往擴展生成扇形，能形成子實體,2.繁殖方式：無性繁殖和有性繁殖 無性繁殖：芽殖、菌絲體的裂殖、分生孢子、粉孢子 有性繁殖：形成擔孢子 3.用途： 食用：蘑菇、木耳、香菇 藥用：蟲草、靈芝等 一般取用其

9、子實體,擔孢子,三、發(fā)酵工程及其應用 （一）發(fā)酵的定義 定義：發(fā)酵（fermentation）最初是由拉丁語ferver即“發(fā)泡”、“沸涌”派生而來的。指酵母作用于果汁或谷物，進行酒精發(fā)酵時產生二氧化碳（CO2）的現象。 隨后，法國微生物學家巴斯德探討了酵母酒精發(fā)酵的生理意義，認為發(fā)酵是在無氧狀態(tài)下的呼吸過程。 現在發(fā)酵定義為： 發(fā)酵是指利用特定的微生物（活細胞）來獲得產物的有氧或無氧的任何過程，泛指所有通過培養(yǎng)生物細胞（含動物、植物、微生物細胞）制得產物的過程。,（二）發(fā)酵和微生物新陳代謝的特點 1.微生物發(fā)酵具有以下特點： a.利用微生物， b.原料多數為糧食性原料， c.發(fā)酵條件溫和，

10、d.現代發(fā)酵多為無菌環(huán)境純種培養(yǎng)。 此外微生物新陳代謝還具有代謝速度快，代謝方式受環(huán)境影響的特點,（三）發(fā)酵工程的類型 微生物菌體發(fā)酵 以獲取具有某種價值的菌體為目的 微生物酶發(fā)酵 以獲取代謝產生的酶為目的，如淀粉酶、脂肪酶 微生物代謝產物發(fā)酵 是發(fā)酵工業(yè)的主要支柱，包括初級代謝產物和次級代謝產物， 初級代謝產物：氨基酸、核苷酸、核酸、糖類 次級代謝產物：抗生素、生物堿、細菌毒素,微生物的轉化發(fā)酵 利用微生物細胞產生的一種或多種酶把一種化合物轉變成結構相關的化合物，如將某些甾體轉化為維生素，將乙醇轉化為乙酸的醋酸發(fā)酵 生物工程的細胞發(fā)酵 利用生物工程獲得的細胞，特別是DNA重組技術獲得的工程菌

11、和細胞融合得到的雜交細胞進行發(fā)酵獲得產物 如重組人胰島素、干擾素,（五）微生物發(fā)酵的一般過程： 微生物發(fā)酵的一般過程包括：菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵和提取精制等幾個過程。,微生物發(fā)酵過程的特點 發(fā)酵培養(yǎng)基是人工配制的適合于微生物生長繁殖或積累代謝產物的營養(yǎng)基質。培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分應包含碳源、氮源、無機鹽微量元素、生長因子。 發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下對微生物進行純種培養(yǎng)，因此所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設備需經過滅菌，通入的空氣也必須為無菌，轉移菌種也必須采用無菌接種技術。 發(fā)酵過程中微生物出現典型的生長周期：延滯期、對數生長期、靜止期、衰亡期。 發(fā)酵工藝的控制包括：溫度、pH、溶解氧濃度的控制及染菌的防治,（六

12、）發(fā)酵工程的應用 1、發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應用 食品加工 蛋白酶、淀粉酶、糖化酶 釀酒與含酒精飲料 發(fā)酵乳制品 酸奶、乳酪、奶酒 調味品與發(fā)酵食品 味精、肌苷酸、鳥苷酸、醬油、醋、醬、豆腐乳、泡菜、醬菜、發(fā)酵肉類 食品添加劑 面包酵母、有機酸、色素、維生素、多糖、乳酸菌肽、甜味劑,2、發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應用 抗生素 最大一類治療藥物。到目前為止，抗生素總數不少于9000種產品100多種，年產值數百億美圓。 氨基酸 20多種，是重要的醫(yī)藥原料 維生素 重要的醫(yī)藥原料 甾體激素 重要的醫(yī)藥原料，大部分為化學合成-微生物轉化 疫苗、核酸類藥物、藥用酶、蛋白質類藥物 天然藥物 通過細胞培養(yǎng)或微生

13、物轉化,3、發(fā)酵工程在輕工業(yè)中的應用 生產工業(yè)酶、糖酶、脂肪酶、果膠酶 蛋白酶主要是洗滌劑。 4、發(fā)酵工程在化工產品中的應用 生產各種醇及有機溶劑，如乙醇、甘油、丙酮 生產有機酸：醋酸、蘋果酸、乳酸、檸檬酸 利用藻類生產油脂，如DHA、EPA 5、發(fā)酵工程在新能源中的應用 生產甲烷、乙醇、氫氣,6、發(fā)酵工程在農業(yè)中的應用 生物農藥 微生物殺蟲劑：細菌、真菌、原生動物殺蟲劑 防治動植物病害：農用抗生素 生物除草劑 雜草病原微生物 生物增產劑 生產食用及藥用真菌 蘑菇、草菇、木耳、香菇、靈芝等上百種,7、發(fā)酵工程在環(huán)境保護中的應用 厭氧發(fā)酵、好氣發(fā)酵處理廢水廢渣 8、發(fā)酵工程在冶金選礦中的應用 利

14、用氧化亞鐵硫桿菌等自養(yǎng)微生物將含硫金屬礦石中的金屬形成金屬鹽釋放出來，如金、銀、銅、鈾、鉛、鋅,三.發(fā)酵工程舉例 (一）啤酒生產 （二）酸奶生產,（一）啤酒生產 一. 概述 啤酒：以大麥經發(fā)芽制成的大麥芽為主要原料，經糖化和發(fā)酵制成。 特點： （1）添加酒花作為香料，經啤酒酵母發(fā)酵釀制而成。是含CO2、低酒精濃度、起泡的釀造酒。 （2）啤酒是酒類中酒精含量最低的飲料酒，且營養(yǎng)豐富，人們適量飲用時酒精對人體毒害相對較小。 啤酒是世界飲料酒，現除伊斯蘭國家由于宗教原因不生產和不飲用酒外，啤酒生產幾乎遍及世界各國，是世界產量最大的飲料酒，已達11300萬噸，人均年占有量23L。,糖化車間,生產原料:

15、 1、主要原料 大麥 可產生大量的水解酶類 大麥種植遍及全球 大麥的化學成份適合釀造啤酒 大麥是非人類主食 2、輔助原料 小麥、玉米、大米、高梁等谷類，玉米淀 粉、木薯等淀粉，蔗糖、淀粉糖漿等. 目的:降低成本；(麥芽價格幾乎翻了1倍) 降低麥汁總氮，提高啤酒穩(wěn)定性。(輔料只含糖類）,3、啤酒花和酒花制品 酒花是啤酒的通用香料，能賦于啤酒柔和優(yōu)美的芳香和爽口的微苦味，能加速麥汁中高分子蛋白質的絮凝，能提高啤酒泡沫起泡性和泡持性，也能增加麥汁和啤酒的生物穩(wěn)定性。主要是苦味物質，如-酸、-酸及一系列氧化聚合產物，它們是啤酒苦味物質和澀味的主要物質。酒花精油，是啤酒中幽雅香氣的主要成份。多酚物質，含

16、量很少（4%-8%）在啤酒中可形成色澤。,麥芽質量： 葉芽長度：淺色麥芽葉芽長度為麥粒長的3/4者占75%，平均長度為麥粒長的0.75左右，不發(fā)芽粒少于5%，可認為優(yōu)良。 糖化力：指麥芽中-淀粉酶和-淀粉酶聯合使淀粉水解成還原糖（以麥芽糖表示）的能力,麥汁的組成是釀造啤酒的物質基礎之一，近代生物化學知識和分析技術使麥汁制造中復雜的變化被人們所掌握，復雜的工藝過程也被釀造師的理論和技術所調節(jié)與控制。 啤酒瓶包裝上的度數指的是麥芽汁的濃度而不是酒精含量 。,啤酒發(fā)酵： 啤酒酵母菌株 a 粉末型酵母（上面啤酒酵母）：大量酵母分散到液體中 b 凝聚型酵母（下面啤酒酵母）：發(fā)酵到一定程度，酵母自動凝塊沉

17、降 啤酒發(fā)酵技術： 19世紀初采用“上面發(fā)酵”；19世紀中葉德國首先分離出下面啤酒酵母，這種淡色啤酒酵母稱為“慕尼黑”型?，F今下面發(fā)酵法生產啤酒占世界總產量90%左右。我國基本采用此法。,啤酒發(fā)酵生產流程圖,室外圓筒體錐體發(fā)酵罐（C.C.T）發(fā)酵：100600m3 單酵罐發(fā)酵：前發(fā)酵、主發(fā)酵、后發(fā)酵、貯酒全部在一罐完成。 前酵： 菌株適應期1220h 主酵： 低溫發(fā)酵910，麥汁濃度3.64.00P ，20d 中溫發(fā)酵1012（淡爽啤酒），18d 此時酵母沉降 后酵： 糖類繼續(xù)發(fā)酵，促進啤酒風味成熟，增加Co2溶解，促進啤酒澄清。210d（與后酵溫度有關）降溫、排酵母、貯酒：36左右排酵母，罐

18、內繼續(xù)降溫至0（約需1d），在0左右下貯酒； 27d 罐裝：貯酒27天后，通過過濾除去固體雜質，澄清酒體，然后罐裝并經過殺菌后作為產品。,發(fā)酵控制室,大型啤酒發(fā)酵罐,（二）酸奶生產 一、酸奶有非常好的保健作用： 1、營養(yǎng)作用 乳糖降解為葡萄糖與半乳糖，前者進一步轉化為乳酸或其他有機酸；后者被人體吸收后，可參與幼兒腦苷脂和神經物質的合成，并有利于提高乳脂肪的利用率。牛奶中的蛋白質經發(fā)酵后，乳蛋白變成微細的凝乳粒，易于被人體吸收；酸奶中的磷、鈣和鐵易于吸收；發(fā)酵過程中乳酸菌還會產生人體所必需的維生素B1、B2、B6、B12、煙酸和葉酸等營養(yǎng)物質。 2、緩解乳糖不耐癥 乳糖分解為葡萄糖與半乳糖 3、整腸作用 飲用酸奶可以維持有益菌群的優(yōu)勢 4、抑菌作用 5、改善便秘作用 6、降低膽固醇 7、抗癌作用,二、