南京工業(yè)大學生命工程與技術概論限選課-發(fā)酵工程

第七講生物技術★生物技術總論生物技術(Biotechnology)，它和微電子、新材料被稱為二十一世紀三大前沿學科。生物技術是微生物學、分子生物學、生物化學、化學工程等多學科交叉的綜合性學科。生物技術一般分為：發(fā)酵工程，酶工程，細胞工程，基因工程，蛋白質工程和生物化學工程。

1982年，國際合作與發(fā)展組織對生物技術的定義為：生物技術是應用自然科學和工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工以提供產品為社會服務的技術。生物技術的特點：

◆高技術

◆高投入◆高利潤生物技術應用診斷、防治疾病提高農副產物的質量和產量氨基酸、酶制劑、食品添加劑

開發(fā)新藥物治理環(huán)境

現代生物技術為人類提供了巨大的利益

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)。定義：現在發(fā)酵工程是將微生物學、生物化學和化學工程學的基本原理有機結合起來，利用微生物生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。發(fā)酵工程一、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?！?/p>

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)酵工程的建立二十世紀20年代大規(guī)模純種培養(yǎng)發(fā)酵生產丙酮和丁醇，40-50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?！?/p>

發(fā)酵工程的發(fā)展1972年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)在我國的國民經濟中起著舉足輕重的作用。

主要產品的產量產值1998166.3萬噸135億20011500萬噸1300億發(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%。一.工業(yè)微生物介紹：

（一）.細菌屬于原核生物，單細胞生物⒈形態(tài)：球菌、桿菌、螺旋菌三大類，大小0.2-1.5um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。電鏡下的桿菌、球菌、螺旋菌2.細菌細胞的結構：一般構造包括：細胞壁、細胞膜、細胞質、間體、核糖體、核區(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與革蘭氏陰性菌。革蘭氏陰性革蘭氏陽性4.細菌的繁殖

細菌一般采用無性繁殖5.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、氧化亞鐵硫桿菌。6.用途

廣泛應用于食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)、農業(yè)、化工、能源、環(huán)保、選礦。（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：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

菌絲體世田北里孢菌的產氣孢子多毛的鏈霉菌孢子鏈放線菌菌落形態(tài)◆放線菌的孢子常具有色素，呈白、灰等顏色，是分類的重要特征之一?！艟溆删z體組成，放線菌的氣生菌絲，較細，生長緩慢，菌絲分枝交錯纏繞，故菌落質地致密菌絲長在培養(yǎng)基內，不易挑起。4、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，孢囊成熟后釋放出孢囊孢子。5、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（4000種以上）；◆此外還可用于生產酶類（如：蛋白酶、葡萄糖異構酶）和維生素。（三）霉菌霉菌是一類形成菌絲體的絲狀真菌的統(tǒng)稱，屬于真核生物，分布廣泛。1.形態(tài)：（見右圖）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、乳酸、發(fā)酵食品、脂肪酶毛霉——豆類發(fā)酵食品青霉——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。

貴腐葡萄（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，一般酵母大小2-3um,部分達20-50um。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。有性繁殖是通過形成子囊孢子進行。

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）食用菌靈芝冬蟲夏草松茸羊肚菌二、發(fā)酵工程及其應用（一）發(fā)酵

⒈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)酵工程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d.無菌環(huán)境2.微生物的新陳代謝

微生物發(fā)酵實質是微生物的新陳代謝過程。⑴微生物不是孤立地存在，而是與外界環(huán)境發(fā)生密切聯系的。它們在生命活動中，一方面不斷從外界環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質，另一方面又不斷地排出廢物。這種生物體與外界環(huán)境的物質交換，就是生物的新陳代謝。⑶發(fā)酵是微生物的新陳代謝過程。在發(fā)酵過程中，微生物通過本身的新陳代謝活動，使原料發(fā)生了一系列的生物化學變化，最后變成人們所需要的產品。如：

糖酒精糖L-谷氨酸⑷代謝類型

a.合成代謝：如生物活性物質、多糖、脂肪等合成，一般消耗能量。

b.分解代謝：大小，如多糖單糖，是釋放能量的過程。這兩種過程不是單獨分別進行，而是相互聯結的。3、微生物新陳代謝的特點①新陳代謝過程中所發(fā)生的化學反應往往是通過一連串的中間反應過程來完成；②由酶所催化，所以代謝過程是在溫和條件下進行的；③具有靈敏而巧妙的自動調節(jié)作用，使彼此相互作用、有條不紊地進行。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）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。①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。②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。③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。④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（四）微生物發(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，年產值數百億美元。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