發(fā)酵學(xué)工業(yè)微生物的菌種選育_第1頁
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文檔簡介

發(fā)酵學(xué)工業(yè)微生物的菌種選育第一頁,共八十八頁,2022年,8月28日第一節(jié)概述第二節(jié)自然選育第三節(jié)誘變育種第四節(jié)雜交育種第二頁,共八十八頁,2022年,8月28日第一節(jié)概述一、工業(yè)微生物二、發(fā)酵工業(yè)對菌種的要求三、菌種選育的目的四、菌種選育的基本理論五、菌種來源第三頁,共八十八頁,2022年,8月28日1.細菌第一節(jié)概述一、工業(yè)微生物第四頁,共八十八頁,2022年,8月28日第五頁,共八十八頁,2022年,8月28日鏈霉菌屬小單孢菌屬地中海諾卡氏菌米蘇里游動放線菌

抗生素中60%以上由放線菌產(chǎn)生,如鏈霉素、紅霉素、金霉素、慶大霉素等。生產(chǎn)多種抗生素2.放線菌(單細胞原核微生物)第六頁,共八十八頁,2022年,8月28日

酵母菌是一群單細胞的真核微生物,其形態(tài)因種而異.通常為圓形、卵圓形或橢圓形。也有特殊形態(tài),如檸檬形、三角形、藕節(jié)狀、臘腸形,假菌絲等。3.酵母菌第七頁,共八十八頁,2022年,8月28日第八頁,共八十八頁,2022年,8月28日許多國家已把它作為人類保健食品和飼料。還可通過藻類將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槭停粐膺€有從“藻類農(nóng)場”獲得氫能的報道。4.藻類第九頁,共八十八頁,2022年,8月28日二、發(fā)酵工業(yè)對菌種的要求1.生產(chǎn)力:能在廉價的培養(yǎng)基上迅速生長,代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量高,其它代謝產(chǎn)物少2.操作性:發(fā)酵條件易控制,菌種改造的可操作性要強(有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡單),產(chǎn)品易分離3.穩(wěn)定性:抗雜菌和抗噬菌體能力強,遺傳性狀穩(wěn)定,菌種不易變異退化4.安全性:是非病源菌,不產(chǎn)有害生物活性物質(zhì)或毒素第一節(jié)概述第十頁,共八十八頁,2022年,8月28日三、菌種選育的目的1、提高發(fā)酵產(chǎn)量2、改進菌種的性能3、產(chǎn)生新的發(fā)酵產(chǎn)物4、去除多余的組分第一節(jié)概述第十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日(一)菌種選育的理論基礎(chǔ)(二)突變誘發(fā)的過程四、菌種選育的基本理論第一節(jié)概述第十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日(一)菌種選育的理論基礎(chǔ)遺傳和變異

基因突變是指由于染色體和基因本身的變化而產(chǎn)生的遺傳性狀的變異。第十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日前突變:誘變劑所造成的DNA分子的某一位置的結(jié)構(gòu)改變稱為前突變。影響前突變產(chǎn)生的的因素細胞對誘變劑的透性細胞質(zhì)和酶的影響基因所處的狀態(tài)1、前突變形成(二)突變誘發(fā)的過程第十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日

1)光復(fù)活作用

2)切補修復(fù)

3)重組修復(fù)

4)SOS修復(fù)系統(tǒng)(多數(shù)誘變來源于此)

5)DNA多聚酶的校正作用2、DNA損傷的修復(fù)(二)突變誘發(fā)的過程第十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日(二)突變誘發(fā)的過程第十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日(二)突變誘發(fā)的過程第十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日SOS修復(fù)系統(tǒng)

它允許新生的DNA鏈越過胸腺嘧啶二聚體而生長。其代價是保真度的極大降低,這是一個錯誤潛伏的過程。

(二)突變誘發(fā)的過程第十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日校正差錯:光復(fù)活作用、切補修復(fù)引起差錯:重組修復(fù)、SOS修復(fù)系統(tǒng)。3、從前突變到突變(二)突變誘發(fā)的過程第十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日表型遲延:表型的改變落后于基因型的改變分離型遲延(基因雜合)經(jīng)誘變處理后,細胞中的基因處于不純的狀態(tài),突變型基因由于屬于隱性基因而暫時得不到表達,需經(jīng)過復(fù)制、分離,在細胞中處于純的狀態(tài)時,其性狀才得以表達。生理性遲延

新的表型必須等到原有基因的產(chǎn)物稀釋到某一程度后才能表現(xiàn)出來。4、從突變到突變型(二)突變誘發(fā)的過程第二十頁,共八十八頁,2022年,8月28日從菌種保藏中心購買育種從自然界中篩選誘變雜交育種基因工程育種

四、菌種來源第一節(jié)概述第二十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日source1第二十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日第二十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日國際承認的中國培養(yǎng)物保藏單位

武漢大學(xué)的中國典型培養(yǎng)物保藏中心CCTCC。保藏了幾乎所有的培養(yǎng)物。中科院微生物研究所的中國普通微生物菌種保藏管理中心CGMCC。保藏有普通菌種。(CGMCC)中國微生物菌種保藏管理委員會CCCCM——管理機構(gòu)

第二十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日第二十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日訂購程序申請生物安全性說明確認訂貨第二十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日一、定義二、方法三、特點及應(yīng)用第二節(jié)自然選育第二十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日自然選育:在生產(chǎn)過程中,不經(jīng)過人工誘變處理,根據(jù)菌種的自發(fā)突變而進行菌種篩選的過程。自發(fā)突變:就是指某些微生物在沒有人工參與下所發(fā)生的那些突變。一、定義多因素低劑量的誘變效應(yīng)互變異構(gòu)效應(yīng)第二節(jié)自然選育第二十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日二、菌種自然選育方法單菌落分離法菌種單細胞懸液瓊脂板分離挑取單菌落測定生產(chǎn)能力細菌:轉(zhuǎn)種到新鮮肉湯培養(yǎng)基中培養(yǎng)放線菌、霉菌:石英砂震蕩打散孢子,棉花或濾紙過濾第二節(jié)自然選育第二十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日第三十頁,共八十八頁,2022年,8月28日用剛果紅染色法鑒定篩選降解纖維素的菌株

羧甲基纖維素鈉作培養(yǎng)物抗生素篩選檢定菌培養(yǎng),加上發(fā)酵液

這一步是采用與生產(chǎn)相近的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件,通過三角瓶的容量進行小型發(fā)酵試驗,以求得適合于工業(yè)生產(chǎn)用菌種。第三十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日三、特點及應(yīng)用簡單易行、自發(fā)突變的效率低。純化菌種,防止菌種衰退、穩(wěn)定產(chǎn)量和提高產(chǎn)量第二節(jié)自然選育第三十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日1、目前生產(chǎn)用菌種的特點多為人工誘變而來。代謝調(diào)控系統(tǒng)失控。生活力比野生菌株弱。容易發(fā)生變異。菌種衰退原因的分析第三十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日2、菌種遺傳特性的改變1)異核現(xiàn)象--導(dǎo)致菌種這一微生物群體發(fā)生變異2)自發(fā)突變3)回復(fù)突變或產(chǎn)生分離子--形成具有不同基因型的個體異核體孢子遺傳特性和生長速度不同菌種遺傳特性發(fā)生改變相鄰菌絲細胞吻合回復(fù)突變:突變基因再次發(fā)生突變又恢復(fù)原來的基因,這類突變稱為回復(fù)突變。第三十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日1)一個菌種不是純一的群體。3、菌種生理狀態(tài)的改變2)培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的影響3)某些培養(yǎng)條件下,某些基因所處的狀態(tài)不同,使得菌種的生理狀態(tài)不同。主要是因為培養(yǎng)條件不適當。第三十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日一、定義及特點二、誘變劑三、誘變育種的主要環(huán)節(jié)第三節(jié)誘變育種第三十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日第三節(jié)誘變育種誘變育種:通過誘變劑處理提高菌種的突變頻率,擴大變異幅度,然后采用簡便、高效的篩選方法,從中選出具有優(yōu)良特性的變異菌株的方法。特點:速度快、收效大、方法簡便,但缺乏定向性。一、定義及特點第三十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日生物誘變劑化學(xué)誘變劑物理誘變劑紫外線快中子NTG亞硝酸烷化劑噬菌體轉(zhuǎn)座子烷化劑是重要的誘變劑,帶有活性烷基,通過烷化磷酸基、堿基與DNA作用。第三節(jié)誘變育種二、誘變劑第三十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日第三節(jié)誘變育種突變的誘發(fā)↓突變株的篩選↓突變高產(chǎn)基因的表現(xiàn)第三十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日1.出發(fā)菌株的選擇2.誘變處理

舉例3.篩選4.突變菌株高產(chǎn)基因的表達第三節(jié)誘變育種三、誘變育種的主要環(huán)節(jié)第四十頁,共八十八頁,2022年,8月28日選擇純種菌株(排除異核體)優(yōu)良性狀的菌株(產(chǎn)生孢子、生長速度)對誘變劑敏感的菌株同時選擇幾株不同的優(yōu)良菌株1.出發(fā)菌株的選擇第四十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日1)誘變劑的選擇堿基類似物和羥胺具有很高的特異性,但很少使用,回復(fù)突變率高,效果不大。亞硝酸和烷化劑應(yīng)用的范圍較廣,造成的遺傳損傷較多。其中甲基磺酸乙酯常被稱為”超誘變劑”,是毒性最小的誘變劑之一。紫外線仍十分有效。電離輻射是造成染色體巨大損傷的最好誘變劑,它能造成不可回復(fù)的突變。但它可能影響鄰近基因的性能。2.誘變處理第四十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日2)選擇原則不穩(wěn)定菌株→溫和的、常用的誘變劑;穩(wěn)定菌株→強烈的、不常用的、誘變譜廣的誘變劑不經(jīng)常使用一種誘變劑,也不宜頻繁更換。注意考慮誘變劑本身的特點。

UV→DNA的嘧啶堿基;亞硝酸→嘌呤堿基第四十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日高劑量:致死率90%-99.9%變異幅度大,但負變株多低劑量:致死率75%-80%負變株少,且突變菌株穩(wěn)定3)誘變劑量的選擇第四十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日4)影響誘變效果的因素(1)菌種的生理狀態(tài)

堿基類似物、亞硝基胍→分裂中的DNAUV、亞硝酸、烷化劑、電離輻射→都有效。

(2)輔助劑

核酸堿基、氯霉素、氨基酸、氯化鋰、重金屬離子等

(3)溫度、氧、pH值、可見光等第四十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日誘變的有效波長是253-265nm。誘變效果由紫外強度、距離和照射時間決定可見光能夠激活光復(fù)活酶,將紫外誘變的DNA修復(fù)。舉例(紫外線育種)第四十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日紫外誘變機理DNA對紫外線有強烈的吸收作用,引起結(jié)構(gòu)的變化形成嘧啶二聚體,破壞腺嘌呤的正常摻入和堿基的正常配對。鏈間二聚體阻礙雙鏈解開。第四十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日制備菌懸液細菌要處于對數(shù)生長期,此時,生長狀態(tài)同步,生理活性一致,細胞濃度較高。霉菌、放線菌要用孢子。保證菌懸液均勻用玻璃珠振蕩,使細胞均勻分散。維持一定的細胞濃度真菌和酵母一般是106-107個/毫升,放線菌和細菌是108個/毫升。紫外誘變步驟第四十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日培養(yǎng)達到要求時間后,蓋上培養(yǎng)皿蓋,在紅外燈下稀釋分離,涂平板,用黑布包扎,在適當溫度下培養(yǎng)。第四十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日功率為15W的紫外燈照射距離:30cm照射時間:幾秒~10min處理過程應(yīng)在暗室的紅光下操作(why?)誘變:單細胞懸液放置于培養(yǎng)皿中,放入無菌攪拌子。將培養(yǎng)皿置于磁力攪拌器上,打開磁力攪拌器和培養(yǎng)皿蓋,打開紫外燈,計時。培養(yǎng):達到要求時間后,蓋上培養(yǎng)皿蓋,在紅外燈下稀釋分離,涂平板,用黑布包扎,在適當溫度下培養(yǎng)。第五十頁,共八十八頁,2022年,8月28日3.篩選根據(jù)步驟可以分為初篩和復(fù)篩初篩量大,條件粗放。一個菌種進一個搖瓶。復(fù)篩條件要求應(yīng)逐步提高。每個菌株進3~5個搖瓶,如果生產(chǎn)能力繼續(xù)保持優(yōu)異,再重復(fù)篩選幾次。注意親株作對照。復(fù)篩后的優(yōu)良菌株要考查其穩(wěn)定性、菌種特性和最適培養(yǎng)條件第五十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日根據(jù)操作方法可分為隨機篩選和理性化篩選

隨機篩選

理性化篩選運用遺傳學(xué)、生物化學(xué)的原理,根據(jù)產(chǎn)物已知的或可能的生物合成途徑、代謝調(diào)控機制和分子結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計和采用一些篩選方法。從而打破微生物原有的代謝調(diào)控機制,獲得能大量形成產(chǎn)物的高產(chǎn)突變株經(jīng)過誘變處理后,進行平板分離,隨機挑選單菌落,篩選高產(chǎn)菌株第五十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日

1)搖瓶篩選法

單菌落→傳種斜面→模擬發(fā)酵瓶→測定發(fā)酵能力

2)瓊脂塊篩選法

打孔取塊→鑒定平板測定發(fā)酵能力→(須經(jīng)搖瓶復(fù)篩)隨機篩選第五十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日3)篩選自動化和篩選工具微型化隨機篩選第五十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日96孔板高通量孵育篩選隨機篩選第五十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日1.初級代謝產(chǎn)物高產(chǎn)菌株的篩選

①篩選營養(yǎng)缺陷型理性化篩選第五十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日理性化篩選第五十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日②篩選細胞膜透性改變的突變株使之大量分泌終產(chǎn)物,以降低細胞內(nèi)終產(chǎn)物濃度,從而避免終產(chǎn)物反饋調(diào)節(jié)。谷氨酸棒桿菌生物素營養(yǎng)缺陷型細胞膜通透性谷氨酸分泌至胞外理性化篩選第五十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日③篩選結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株用與代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似的化合物處理微生物細胞群體,殺死或抑制絕大多數(shù)細胞,選出能產(chǎn)生該代謝物的抗反饋突變株。理性化篩選第五十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日2.次級代謝產(chǎn)物(主要是抗生素)高產(chǎn)菌株的篩選

(1)利用營養(yǎng)缺陷型篩選(滲漏缺陷型)

滲漏缺陷型:遺傳性障礙不完全的營養(yǎng)缺陷型,突變使某一種酶的活性下降而不是完全喪失,所以這種缺陷型能夠少量地合成某一代謝產(chǎn)物,能在基本培養(yǎng)基上少量的生長理性化篩選第六十頁,共八十八頁,2022年,8月28日(2)篩選負變株的回復(fù)突變株選擇經(jīng)過誘變處理后抗生素生產(chǎn)能力明顯降低或完全喪失,但其他性狀仍近于正常的突變株作為實驗材料,進行誘變,再挑選高產(chǎn)菌株。理性化篩選第六十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日

(3)篩選去磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株

①能在磷酸鹽抑制濃度下,正常合成抗生素的突變株②磷酸鹽結(jié)構(gòu)類似物(砷酸鹽、釩酸鹽)抗性突變株

(4)篩選去碳源分解代謝調(diào)節(jié)突變株

能被菌快速利用的碳源在被快速分解利用時,往往對許多其他代謝途徑中的酶有阻遏或抑制作用,成為抗生素發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。篩選去碳源分解代謝調(diào)節(jié)突變株,可提高抗生素發(fā)酵產(chǎn)量,簡化生產(chǎn)工藝。理性化篩選第六十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日*篩選出賴氨酸類似物抗性株→(5)篩選氨基酸結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株

*半光氨酸、纈氨酸→青霉素前體→青霉素理性化篩選第六十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日(6)篩選二價金屬離子抗性突變株(7)篩選前體或前體結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株①不能合成或很少合成的前體

苯乙酸和苯氧乙酸(有毒性)→青霉素側(cè)鏈前體②能合成但不能大量累積的中間產(chǎn)物

丙酸(干擾初級代謝中間產(chǎn)物)→紅霉素③初級代謝終產(chǎn)物,有反饋作用不能大量累積。

纈氨酸→青霉素(8)篩選自身所產(chǎn)的抗生素抗性突變株理性化篩選第六十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日1、營養(yǎng)缺陷型菌株篩選

所謂營養(yǎng)缺陷型菌株是微生物經(jīng)誘變劑處理后產(chǎn)生的一種生化突變體。由于基因突變,它失去了合成某種物質(zhì)(氨基酸、維生素或核苷酸堿基)的能力,在基本培養(yǎng)基上不能生長,大多數(shù)營養(yǎng)缺陷型菌株需要補加一定種類的有機物質(zhì)后才能生長。補充內(nèi)容第六十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日1)篩選用培養(yǎng)基⑴基本培養(yǎng)基:凡是能滿足某種野生型菌株營養(yǎng)要求的最低成分的合成培養(yǎng)基,稱為基本培養(yǎng)基;常以‘[-]’表示;⑵在基本培養(yǎng)基中加入一些富含氨基酸、維生素及含氮堿基之類的天然有機物質(zhì)如蛋白胨、酵母膏等,以滿足該微生物的各種營養(yǎng)缺陷型菌株都能生長繁殖的培養(yǎng)基,稱為完全培養(yǎng)基,常用‘[+]’表示;⑶在基本培養(yǎng)基中只是有針對性地加入某一種或某幾種營養(yǎng)缺陷成分,以滿足相應(yīng)的營養(yǎng)缺陷型生長的培養(yǎng)基,稱為補充培養(yǎng)基,補充培養(yǎng)基可按所加入營養(yǎng)成分相應(yīng)地用‘[A]’、‘[B]’等來表示。補充內(nèi)容第六十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日2)營養(yǎng)缺陷型菌株篩選的一般方法

(1)誘變劑處理(2)淘汰野生型菌株①抗生素法②菌絲過濾法(3)檢出營養(yǎng)缺陷型(4)鑒定營養(yǎng)缺陷型補充內(nèi)容第六十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日檢出營養(yǎng)缺陷型①夾層培養(yǎng)法

②限量補充培養(yǎng)法

③逐個檢出法

影印接種法補充內(nèi)容第六十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日影印平板法篩選目的菌第六十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日將突變菌株放到完全致死的環(huán)境中,一次性篩出抗性突變株。包括:抗生素、金屬離子、溫度、噬菌體2、抗性突變株篩選補充內(nèi)容第七十頁,共八十八頁,2022年,8月28日培養(yǎng)基發(fā)酵條件4.突變菌株高產(chǎn)基因的表達第七十一頁,共八十八頁,2022年,8月28日一、定義和特點二、原理三、常規(guī)的雜交育種:準性生殖方式雜交四、原生質(zhì)體融合技術(shù)第四節(jié)雜交育種技術(shù)第七十二頁,共八十八頁,2022年,8月28日雜交育種一般是指兩個不同基因型的菌株通過接合或原生質(zhì)體融合使遺傳物質(zhì)重新組合,再從中分離和篩選出具有新性狀的菌株。一、定義和特點定向雜交后對誘變劑敏感—消除誘變效應(yīng)飽和改變產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量操作復(fù)雜,技術(shù)要求高,推廣和應(yīng)用受限特點第七十三頁,共八十八頁,2022年,8月28日

將兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起,經(jīng)過遺傳分子間的重新組合,形成新遺傳型個體的方式,稱為基因重組(generecombination)。二、原理1.理論基礎(chǔ)-基因重組2.重組與雜交的關(guān)系重組→分子水平,雜交→細胞水平雜交中必然包含著重組;重組則不限于雜交這一形式。第七十四頁,共八十八頁,2022年,8月28日

(一)遺傳標記

所謂營養(yǎng)缺陷型菌株是微生物經(jīng)誘變劑處理后產(chǎn)生的一種生化突變體。由于基因突變,它失去了合成某種物質(zhì)(氨基酸、維生素或核苷酸堿基)的能力,在基本培養(yǎng)基上不能生長,大多數(shù)營養(yǎng)缺陷型菌株需要補加一定種類的有機物質(zhì)后才能生長。

營養(yǎng)標記菌株(營養(yǎng)缺陷型菌株)是最常用的遺傳標記之一。三、常規(guī)的雜交育種第七十五頁,共八十八頁,2022年,8月28日(二)異核體形成第七十六頁,共八十八頁,2022年,8月28日(三)雜合二倍體的形成*提高異核二倍體的培養(yǎng)溫度*用紫外線照射異核體*樟腦蒸汽熏特點:體積、DNA含量明顯大于直接親本;具有較高的酶活性,生長速率和糖的利用率較快。提高異核體形成雜合二倍體的常用方法:第七十七頁,共八十八頁,2022年,8月28日(四)重組1染色體交換發(fā)生在體細胞的有絲分裂過程中。特點:形成的兩個子細胞仍為雙倍體細胞,但基因型不同。2染色體單倍化第七十八頁,共八十八頁,2022年,8月28日基因重組甲

生長快、產(chǎn)量低乙生長慢、產(chǎn)量高生長快、產(chǎn)量高應(yīng)用

第七十九頁,共八十八頁,2022年,8月28日

面包酵母:對麥芽糖及葡萄糖的發(fā)酵力強,產(chǎn)生CO2多,生長快;

酒精酵母:產(chǎn)酒率高而對麥芽糖、葡萄糖的發(fā)酵力弱

雜交:就得到了既能生產(chǎn)酒精,又能將其殘余菌體用作面包廠和家用發(fā)面酵母的優(yōu)良菌種。第八十頁,共八十八頁,2022年,8月28日四、原生質(zhì)體融合用脫壁酶處理,將微生物細胞壁除去,制成原生質(zhì)體,再用聚乙二醇(PE

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