第1章發(fā)酵工程（單元知識清單）（答案版）

第一章發(fā)酵工程知識清單第1節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用一、發(fā)酵與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)1．發(fā)酵(1)發(fā)酵的歷史：約9000年前，我們的祖先就會利用微生物將谷物、水果等發(fā)酵成含酒精的飲料。1857年，法國微生物學(xué)家巴斯德通過實驗證明，酒精發(fā)酵是由活的酵母菌引起的。(2)發(fā)酵的概念：人們利用微生物，在適宜的條件下，將原料通過微生物的代謝轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。2．傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)(1)腐乳的發(fā)酵①參與發(fā)酵的微生物：多種微生物，如酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。②發(fā)酵原理：經(jīng)過微生物的發(fā)酵，豆腐中的蛋白質(zhì)被分解成小分子的肽和氨基酸。(2)傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發(fā)酵保存下來的發(fā)酵物中的微生物進行發(fā)酵、制作食品的技術(shù)一般稱為傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)。(3)傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的特點及主要食品①以混合菌種的固體發(fā)酵及半固體發(fā)酵為主，通常是家庭式或作坊式的。②主要食品有腐乳、醬、醬油、醋、泡菜和豆豉。二、嘗試制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品1．傳統(tǒng)發(fā)酵食品制作所利用的微生物(1)乳酸菌①代謝特點：厭氧細(xì)菌，在無氧的情況下能將葡萄糖分解成乳酸，反應(yīng)簡式：C6H12O6eq\o(→,\s\up15(酶))2C3H6O3(乳酸)＋能量。②生產(chǎn)應(yīng)用：用于乳制品的發(fā)酵、泡菜的腌制等。(2)酵母菌①代謝特點：單細(xì)胞真菌，兼性厭氧微生物，在無氧條件下能進行酒精發(fā)酵，反應(yīng)簡式為C6H12O6eq\o(→,\s\up15(酶))2C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量。最適生長溫度約為28_℃。②生產(chǎn)應(yīng)用：用于釀酒、制作饅頭和面包等。(3)醋酸菌①代謝特點：好氧細(xì)菌，當(dāng)O2、糖源都充足時能將糖分解成醋酸，反應(yīng)簡式為C6H12O6＋2O2eq\o(→,\s\up15(酶))2CH3COOH(醋酸)＋2H2O＋2CO2＋能量；當(dāng)缺少糖源時則將乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛，再將乙醛變?yōu)榇姿幔磻?yīng)簡式為C2H5OH＋O2eq\o(→,\s\up15(酶))CH3COOH(醋酸)＋H2O＋能量。最適生長溫度為30～35_℃。②生產(chǎn)應(yīng)用：用于制作各種風(fēng)味的醋。2．制作泡菜(1)菌種的來源利用植物體表面天然的乳酸菌。(2)方法步驟3．制作果酒和果醋(1)菌種來源新鮮水果的果皮表面附著有大量的不同種類的野生酵母菌。(2)方法步驟第2節(jié)微生物的培養(yǎng)技術(shù)及應(yīng)用第1課時微生物的基本培養(yǎng)技術(shù)一、培養(yǎng)基的配制1．培養(yǎng)基人們按照微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的不同需求，配制出供其生長繁殖的營養(yǎng)基質(zhì)。2．培養(yǎng)基的種類3．培養(yǎng)基的營養(yǎng)組成各種培養(yǎng)基一般都含有水、碳源、氮源和無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)，此外還需要滿足微生物生長對pH、特殊營養(yǎng)物質(zhì)以及O2的需求。二、無菌技術(shù)1．獲得純凈的微生物培養(yǎng)物的關(guān)鍵：防止雜菌污染。2．消毒和滅菌消毒滅菌概念使用較為溫和的物理、化學(xué)或生物等方法殺死物體表面或內(nèi)部一部分微生物使用強烈的理化方法殺死物體內(nèi)外所有的微生物，包括芽孢和孢子常用方法煮沸消毒法、巴氏消毒法、酒精消毒法、紫外線消毒法濕熱滅菌、干熱滅菌、灼燒滅菌適用對象操作空間、雙手等接種環(huán)、接種針、玻璃器皿、培養(yǎng)基等3.具體操作(1)對實驗操作的空間、操作者的衣著和手進行清潔和消毒。(2)將用于微生物培養(yǎng)的器皿、接種用具和培養(yǎng)基等進行滅菌。(3)為避免周圍環(huán)境中微生物的污染，實驗操作應(yīng)在酒精燈火焰附近進行。(4)實驗操作時應(yīng)避免已經(jīng)滅菌處理的材料用具與周圍的物品接觸。三、微生物的純培養(yǎng)1．純培養(yǎng)：在微生物學(xué)中，將接種于培養(yǎng)基內(nèi)，在合適條件下形成的含特定種類微生物的群體稱為培養(yǎng)物。由單一個體繁殖所獲得的微生物群體稱為純培養(yǎng)物，獲得純培養(yǎng)物的過程就是純培養(yǎng)。2．微生物純培養(yǎng)的步驟：微生物的純培養(yǎng)包括配制培養(yǎng)基、滅菌、接種、分離和培養(yǎng)等步驟。3．酵母菌的純培養(yǎng)(1)菌落：分散的微生物在適宜的固體培養(yǎng)基表面或內(nèi)部可以繁殖形成肉眼可見的、有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的子細(xì)胞群體。(2)獲得單菌落的方法：平板劃線法和稀釋涂布平板法。第2課時微生物的選擇培養(yǎng)和計數(shù)一、選擇培養(yǎng)基1．水生棲熱菌的篩選：水生棲熱菌能在70～80℃的高溫條件下生存，而絕大多數(shù)微生物在此條件下不能生存。2．選擇培養(yǎng)基：在微生物學(xué)中，允許特定種類的微生物生長，同時抑制或阻止其他種類微生物生長的培養(yǎng)基。二、微生物的選擇培養(yǎng)1．分解尿素的細(xì)菌的分離分解尿素的細(xì)菌能合成脲酶，該酶能催化尿素分解產(chǎn)生NH3，以此作為細(xì)菌生長的氮源。要將土壤稀釋液中能分解尿素的細(xì)菌分離出來，培養(yǎng)基的配方設(shè)計思路是培養(yǎng)基中除含有細(xì)菌必需的碳源、水、無機鹽外，只含有尿素一種氮源。2．稀釋涂布平板法分離分解尿素的細(xì)菌土壤中細(xì)菌的數(shù)量龐大，要想得到能分解尿素的細(xì)菌的純培養(yǎng)物，必須要對土樣進行充分稀釋，然后再將菌液涂布到制備好的選擇培養(yǎng)基上，操作過程如下：采集土樣→將10g土樣加入盛有90mL無菌水的錐形瓶中，充分搖勻。取1mL上清液加入盛有9mL無菌水的試管中，依次等比稀釋→取0.1mL菌液，滴加到培養(yǎng)基表面→將涂布器浸在盛有酒精的燒杯中→將涂布器放在火焰上灼燒，待酒精燃盡、涂布器冷卻后，再進行涂布→用涂布器將菌液均勻地涂布在培養(yǎng)基表面。涂布時可轉(zhuǎn)動培養(yǎng)皿，使涂布均勻→涂布的菌液被培養(yǎng)基吸收后，將平板倒置，放入30～37℃的恒溫箱中培養(yǎng)1～2d。三、微生物的數(shù)量測定1．稀釋涂布平板法(1)原理：當(dāng)樣品的稀釋度足夠高時，培養(yǎng)基表面生長的一個單菌落，來源于樣品稀釋液中的一個活菌。通過統(tǒng)計平板上的菌落數(shù)，就能推測出樣品中大約含有多少活菌。為了保證結(jié)果準(zhǔn)確，一般選擇菌落數(shù)為30～300的平板進行計數(shù)。(2)注意問題：統(tǒng)計的菌落數(shù)往往比活菌的實際數(shù)目少。這是因為當(dāng)兩個或多個細(xì)胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落。2．顯微鏡直接計數(shù)法(1)方法：利用特定的細(xì)菌計數(shù)板或血細(xì)胞計數(shù)板，在顯微鏡下觀察、計數(shù)。(2)注意問題：統(tǒng)計的結(jié)果一般是活菌數(shù)和死菌數(shù)的總和。第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)發(fā)酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、滅菌，接種，發(fā)酵，產(chǎn)品分離、提純等方面。1．選育菌種：性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。2．?dāng)U大培養(yǎng)：工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，因此在發(fā)酵之前還需要對菌種進行擴大培養(yǎng)。3．配制培養(yǎng)基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過反復(fù)試驗才能確定。4．滅菌：發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。5．接種：擴大培養(yǎng)的菌種和滅菌后的培養(yǎng)基加入發(fā)酵罐中。大型發(fā)酵罐有計算機控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進行監(jiān)測和控制。6．發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：在發(fā)酵過程中，要隨時檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進程。還要及時添加必需的營養(yǎng)組分，要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。7．分離、提純產(chǎn)物：如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來獲得產(chǎn)品。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1．在食品工業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如通過黑曲霉發(fā)酵制得的檸檬酸，由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)味精。(3)生產(chǎn)酶制劑，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。2．在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用基因工程、蛋白質(zhì)工程等的廣泛應(yīng)用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強勁動力。3．在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為生物防治的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。