南京工业大学生命工程与技术概论限选课-发酵工程

第七讲生物技术★生物技术总论生物技术(Biotechnology)，它和微电子、新材料被称为二十一世纪三大前沿学科。生物技术是微生物学、分子生物学、生物化学、化学工程等多学科交叉的综合性学科。生物技术一般分为：发酵工程，酶工程，细胞工程，基因工程，蛋白质工程和生物化学工程。1982年，国际合作与发展组织对生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。生物技术的特点：◆高技术◆高投入◆高利润生物技术应用诊断、防治疾病提高农副产物的质量和产量氨基酸、酶制剂、食品添加剂开发新药物治理环境现代生物技术为人类提供了巨大的利益发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。定义：现在发酵工程是将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合起来，利用微生物生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。发酵工程一、发酵工程的发展历程◆发酵工程的萌芽石器时代的后期古人类已能进行酒精发酵。古埃及人用酵母发酵制作面包和啤酒。中国周代后期,制作酱油和酿醋。◆发酵工程的产生19世纪后期法国科学家巴斯德确定发酵是由微生物引起的，并建立了微生物纯种培养。科赫建立了划线法和平板培养法等分离纯化微生物的方法促进了微生物的生理生化研究。◆发酵工程的建立二十世纪20年代大规模纯种培养发酵生产丙酮和丁醇，40-50年代青霉素的大规模发酵生产标志着，现代发酵工程的建立。随着遗传育种学与代谢调控技术的发展，60年代发酵工程飞速发展，称为第一次绿色革命。◆发酵工程的发展1972年体外基因重组获得成功，标志着基因工程技术开始，80年代开始大量将基因工程改造的微生物与细胞应用于发酵工程。作为一个最古老的生物技术，发酵工业在我国的国民经济中起着举足轻重的作用。主要产品的产量产值1998166.3万吨135亿20011500万吨1300亿发达国家发酵工业的产值占国民生产总值的5%。而抗生素发酵工业的产值占医药工业的20%。一.工业微生物介绍：（一）.细菌属于原核生物，单细胞生物⒈形态：球菌、杆菌、螺旋菌三大类，大小0.2-1.5um其中发酵工业中常见与常用的为球菌与杆菌，尤其是杆菌。电镜下的杆菌、球菌、螺旋菌2.细菌细胞的结构：一般构造包括：细胞壁、细胞膜、细胞质、间体、核糖体、核区、内含物颗粒。部分细菌具有特殊结构：夹膜、鞭毛、线毛、芽孢。根据细菌细胞壁结构的不同可分为革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌。革兰氏阴性革兰氏阳性4.细菌的繁殖细菌一般采用无性繁殖5.重要的细菌乳酸杆菌、大肠杆菌、芽孢杆菌、醋酸杆菌、丙酸菌、棒杆菌、假单胞菌、甲烷菌、氧化亚铁硫杆菌。6.用途广泛应用于食品、医药、轻工业、农业、化工、能源、环保、选矿。（二）放线菌1、放线菌是一种原核生物，以菌落呈放射状而得名。2、分布：放线菌在自然界分布很广，主要习居于土壤之中，中性、偏碱性的土壤和有机质丰富的土壤中较多。土壤特有的泥腥味主要由放线菌的代谢产物引起的。3、结构：基内菌丝—长在培养基内，吸收营养气生菌丝—向培养基上空伸展孢子丝—气生菌丝分枝部分具有形成孢子作用的繁殖菌丝菌丝体世田北里孢菌的产气孢子多毛的链霉菌孢子链放线菌菌落形态◆放线菌的孢子常具有色素，呈白、灰等颜色，是分类的重要特征之一。◆菌落由菌丝体组成，放线菌的气生菌丝，较细，生长缓慢，菌丝分枝交错缠绕，故菌落质地致密菌丝长在培养基内，不易挑起。4、繁殖方式：以无性方式繁殖，主要是孢子丝通过横隔分裂形成孢子，也可通过菌丝断片繁殖，有些放线菌的菌丝上可形成孢子囊，孢囊成熟后释放出孢囊孢子。5、应用◆在医药工业中放线菌非常重要，目前大部分抗生素都是利用放线菌发酵生产（4000种以上）；◆此外还可用于生产酶类（如：蛋白酶、葡萄糖异构酶）和维生素。（三）霉菌霉菌是一类形成菌丝体的丝状真菌的统称，属于真核生物，分布广泛。1.形态：（见右图）曲霉在显微镜下的菌丝形态根霉在显微镜下的菌丝形态青霉在显微镜下的菌丝形态2.繁殖方式：具有有性繁殖和无性繁殖，但大部分为无性繁殖有性繁殖方式：卵孢子、结合孢子、子囊孢子无性繁殖方式：游动孢子、孢子囊孢子、分生孢子、菌丝孢子。根霉的孢子囊孢子3.用途：根霉——酿酒、乳酸、发酵食品、脂肪酶毛霉——豆类发酵食品青霉——青霉素、有机酸黑曲霉——柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、甾体转化等米曲霉——发酵食品、有机酸、杀虫剂、降血脂、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶红曲霉——降血脂、红曲色素、发酵食品但需要注意黄曲霉能产生致癌毒素。贵腐葡萄（四）酵母菌：酵母菌是一类单细胞的真核微生物1.形态：多为球形、卵形、圆筒形，一般酵母大小2-3um,部分达20-50um。2.分布：喜欢生长在含糖环境，成熟水果表皮上含有，果园、糖厂、酒厂土壤中。3.繁殖方式：分为有性繁殖和无性繁殖。无性繁殖中包括：芽殖和裂殖，发酵工业中以芽殖为主。有性繁殖是通过形成子囊孢子进行。4.用途：食品工业——酿酒、食用酵母、某些发酵食品、食用色素化工——生产甘油、乙醇、石油脱蜡、有机酸、酶制剂制药——核酸、辅酶（五）食用菌灵芝冬虫夏草松茸羊肚菌二、发酵工程及其应用（一）发酵⒈定义：发酵（fermentation）最初是由拉丁语ferver即“发泡”、“沸涌”派生而来的。指酵母作用于果汁或谷物，进行酒精发酵时产生二氧化碳（CO2）的现象。随后，法国微生物学家巴斯德探讨了酵母酒精发酵的生理意义，认为发酵是在无氧状态下的呼吸过程。现在发酵定义为：发酵是指利用特定的微生物（活细胞）来获得产物的有氧或无氧的任何过程，泛指所有通过培养生物细胞（含动物、植物、微生物细胞）制得产物的过程。（二）发酵工程和微生物新陈代谢的特点1.微生物发酵具有以下特点：a.利用微生物b.原料多数为粮食性原料c.发酵条件温和d.无菌环境2.微生物的新陈代谢微生物发酵实质是微生物的新陈代谢过程。⑴微生物不是孤立地存在，而是与外界环境发生密切联系的。它们在生命活动中，一方面不断从外界环境中吸收营养物质，另一方面又不断地排出废物。这种生物体与外界环境的物质交换，就是生物的新陈代谢。⑶发酵是微生物的新陈代谢过程。在发酵过程中，微生物通过本身的新陈代谢活动，使原料发生了一系列的生物化学变化，最后变成人们所需要的产品。如：糖酒精糖L-谷氨酸酵母谷氨酸棒杆菌⑷代谢类型a.合成代谢：如生物活性物质、多糖、脂肪等合成，一般消耗能量。b.分解代谢：大小，如多糖单糖，是释放能量的过程。这两种过程不是单独分别进行，而是相互联结的。3、微生物新陈代谢的特点①新陈代谢过程中所发生的化学反应往往是通过一连串的中间反应过程来完成；②由酶所催化，所以代谢过程是在温和条件下进行的；③具有灵敏而巧妙的自动调节作用，使彼此相互作用、有条不紊地进行。此外微生物新陈代谢还具有代谢速度快，代谢方式受环境影响的特点。（三）微生物发酵的一般过程：微生物发酵的一般过程包括：菌种制备、种子培养、发酵和提取精制等几个过程。①发酵培养基是人工配制的适合于微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。培养基中的营养成分应包含碳源、氮源、无机盐微量元素、生长因子。②发酵是在无菌状态下对微生物进行纯种培养，因此所用的培养基和培养设备需经过灭菌，通入的空气也必须为无菌，转移菌种也必须采用无菌接种技术。③发酵过程中微生物出现典型的生长周期：延滞期、对数生长期、静止期、衰亡期。④发酵工艺的控制包括：温度、pH、溶解氧浓度的控制及染菌的防治（四）微生物发酵工程的应用1、发酵工程在食品工业中的应用食品加工—蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、酿酒与含酒精饮料发酵乳制品—酸奶、乳酪、奶酒调味品与发酵食品—味精、肌苷酸、鸟苷酸、酱油、醋、酱、豆腐乳、泡菜、酱菜、发酵肉类食品添加剂—面包酵母、有机酸、色素、维生素、多糖、乳酸菌肽、甜味剂2、发酵工程在医药工业中的应用抗生素—最大一类治疗药物。到目前为止，抗生素总数不少于9000种，产品100多种，年产值数百亿美元。氨基酸—20多种，是重要的医药原料维生素—重要的医药原料甾体激素—重要的医药原料，大部分为化学合成-微生物转化疫苗、核酸类药物、药用酶、蛋白质类药物天然药物—通过细胞培养或微生物转化3、发酵工程在轻工业中的应用生产工业酶、糖酶、脂肪酶、果胶酶蛋白酶——主要是洗涤剂。4、发酵工程在化工产品中的应用生产各种醇及有机溶剂，如乙醇、甘油、丙酮生产有机酸：醋酸、苹果酸、乳酸、柠檬酸利用藻类生产油脂，如DHA、EPA5、发酵工程在新能源中的应用生产甲烷、乙醇、氢气6、发酵工程在农业中的应用生物农药——微生物杀虫剂：细菌、真菌、原生动物杀虫剂防治动植物病害：农用抗生素生物除草剂——杂草病原微生物生产食用及药用真菌——蘑菇、草菇、木耳、香菇、灵芝等上百种7、发酵工程在环境保护中的应用厌氧发酵、好气发酵处理废水废渣8、发酵工程在冶金选矿中的应用利用氧化亚铁硫杆菌等自养微生物将含硫金属矿石中的金属形成金属盐释放出来，如金、银、铜、铀、铅、锌三.发酵工程举例（一）啤酒生产一.概述啤酒：以大麦经发芽制成的大麦芽为主要原料，经糖化和发酵制成。特点：（1）含CO2、低酒精浓度、起泡的酿造酒。（2）啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料酒，且营养丰富。（3）啤酒历史悠久。啤酒是世界产量最大的饮料酒，已达11300万吨，人均年占有量23L。制麦(发芽)糖化车间生产原料:1、主要原料——大麦①可产生大量的水解酶类②大麦种植遍及全球③大麦的化学成份适合酿造啤酒④大麦是非人类主食2、辅助原料小麦、玉米、大米、高梁等谷类，玉米淀粉、木薯等淀粉，蔗糖、淀粉糖浆等.目的:①降低成本；②降低麦汁总氮，提高啤酒稳定性3、啤酒花和酒花制品酒花是啤酒的通用香料，能赋于啤酒柔和优美的芳香和爽口的微苦味，能加速麦汁中高分子蛋白质的絮凝，能提高啤酒泡沫起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的生物稳定性。主要成分：a苦味物质，如α-酸、β-酸及一系列氧化聚合产物，b酒花精油，是啤酒中幽雅香气的主要成份。c多酚物质，含量很少（4%-8%）在啤酒中可形成色泽。4、水啤酒酿造水的性质，主要取决于水中溶解盐类的科类和含量、水的生物学纯净度及气味。①对啤酒酿造全过程产生很大的影响。如：糖化时水解酶的活性和稳定性，酶促反应的速度、麦花和酒花在不同含盐水中溶解度的差别、盐和蛋白质的聚凝沉淀、酵母的痕量生长营养和毒物、发酵风味物质的形成等。②啤酒某些风味和典型性形成和酿造水的特性有密切联系。制麦工艺流程：原料大麦清洗分级称量浸麦槽2.2mm以下小麦粒作饲料湿大麦（含水43～48%)发芽箱(12～18℃,5～7天)干燥除根机贮藏成品麦芽mmmm8.25.2石灰水和空气%53成类黑素，干燥后水后期：高温小风量，形除去大量水分前期：低温大风量，以麦芽质量：§叶芽长度：浅色麦芽叶芽长度为麦粒长的3/4者占75%，平均长度为麦粒长的0.75左右，不发芽粒少于5%，可认为优良。§糖化力：指麦芽中α-淀粉酶和β-淀粉酶联合使淀粉水解成还原糖（以麦芽糖表示）的能力麦芽汁制备工艺：⒈将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制加工成麦芽汁的过程：粉碎糊化糖化过滤加酒花煮沸麦汁处理啤酒瓶包装上的度数指的是麦芽汁的浓度而不是酒精含量。啤酒发酵：啤酒酵母菌株正在裂殖的啤酒酵母商业用啤酒酵母粉（二）酸奶生产一、酸奶有非常好的保健作用：1、营养作用牛奶中的蛋白质经发酵后，乳蛋白变成微细的凝乳粒，易于被人体吸收；酸奶中的磷、钙和铁易于吸收；发酵过程中乳酸菌还会产生人体所必需的维生素B1、B2、B6、B12、烟酸和叶酸等营养物质。2、缓解乳糖不耐症3、整肠作用饮用酸奶可以维持有益菌群的优势4、抑菌作用5、改善便秘作用6、降低胆固醇7、抗癌作用二、酸奶的类型：从形态上分有凝固型、搅拌型和饮料型我国传统的玻璃瓶装的酸奶就属于凝固型酸奶。搅拌型酸奶比凝固型酸奶稍稀一点，但由于添加了果汁、果酱等配料，使得搅拌型酸奶风味更好。酸奶和乳酸饮料的区别是：酸奶是经过乳酸菌发酵的，蛋白质的含量（2.7%－2.9%）与鲜牛奶一样而乳酸饮料是以鲜乳或乳制品为原料，加入水、糖液及酸味