微生物发酵相关知识

1微生物与发酵工程（一）［高考要求］1．了解细菌、病毒的结构与繁殖2．掌握微生物需要的营养物质及功能；掌握培养基的种类和培养基配制的原则3．理解微生物细胞内产生的代谢产物；理解微生物代谢调节的方式；了解在生产实践中如何人工控制生物的代谢。4．掌握微生物群体生长的规律及其生产实践中的应用；掌握温度、PH和氧等因素对微生物生长的影响5．了解应用发酵工程的生产实例；了解发酵工程的概念和内容；了解发酵工程的应用。［知识要点］一、微生物的类群微生物所包含的类群很大，约有10万种：微生物比较表：细菌病毒形态杆状、球状、螺旋状螺旋状、多面体、复合结构结构细胞壁：保护、维持形状细胞膜：控制物质交换核区：含有一个大型环状DNA,控制细菌的主要性状衣壳组成：由许多结构相同的衣壳粒排列而成核衣壳功能：保护病毒核酸，决定病毒抗原特异性等核酸:是DNA或RNA有些病毒外面有囊膜（由蛋白质、多糖、脂类构成，囊膜有刺繁殖二分裂方式，即细胞分裂，发生DNA分子复制只能在宿主活细胞中进行增殖（以噬菌体为例）：吸附→注入核酸→合成蛋白质、复制核酸→装配→释放其它特征特殊结构：荚膜、鞭毛、芽孢，可形成多种菌落，是鉴定菌种的依据一种病毒只有一种核酸微生物无细胞结构：病毒有细胞结构原核生物真核生物细菌放线菌蓝藻支原体真菌原生生物贮藏颗粒：淀粉、硫等细胞质核糖体：合成蛋白质质粒：DNA分子，含基因，控制抗药性、固氮、抗生素的形成2二、微生物的营养1．微生物需要的营养物质、来源及功能营养物质来源功能碳源自养型微生物：无机碳源（CO2、NaHCO3等含碳无机物）合成有机物的原料异养型微生物：有机碳源，即含碳有机物糖、脂、蛋白质、有机酸等和天然含碳物质（石油、花生粉饼）。构成细胞质、合成代谢产生，能源物质氮源常用：铵盐、硝酸盐，其他：氮气、氨、尿素、牛肉膏、蛋白胨合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物生长因子维生素、氨基酸、碱基，酵母膏、蛋白胨、组织提取液酶和核酸的组成成分2．微生物培养基的配制原则（1）目的明确：培养不同的微生物选用不同的材料（2）营养要协调：注意各种营养物质的浓度和比例（3）PH要适宜：不同的微生物适宜生长的PH范围不同3．培养基的种类1．按照物理性质划分培养基种类是否含凝固剂用途固体培养基是主要用于微生物的分离、鉴定等半固体培养基是主要用于观察微生物的运动、保藏菌种等液体培养基否主要用于工业生产2．按照化学成分划分培养基种类化学成分是否明确用途天然培养基否主要用于工业生产合成培养基是主要用于生物的分类、鉴定3．按照培养基的用途种类制备方法原理用途举例选择培养基培养基中加入某种化学物质依据某些微生物对某些物质的抗性而设计从众多维生素中分离所需要的微生物加入青霉素分离得到酵母菌和霉菌鉴别培养基培养基中加入某种试剂或化学药品依据微生物产生的某种代谢产物与培养基中特定试剂或化学药品反应，产生明显的特征变化而设计鉴别不同种类的微生物伊红和美蓝培养基可以鉴别大肠杆菌三、微生物的代谢特点：由于微生物的表面积与体积比很大，有利于与外界环境进行物质交换，所以其代谢异常旺盛。1．微生物的代谢产物产物种类产生时期作用示例初级产物生长全过程生长繁殖必需氨基酸、核苷酸不、多糖、脂类次级产物生长一定阶段以后对自身无明显作用抗生素、毒素、激素、色素2．微生物代谢的调节3主要有两种调节方式：酶合成的调节和酶活性的调节。两种方法同时存在，密切配合相互协调。（1）微生物细胞内的酶根据酶合成的方式，微生物细胞内的酶可以分为诱导酶和组成酶两类。诱导酶是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。诱导酶的合成除取决于诱导物以外，还取决于细胞内所含的基因。如果细胞内没有控制某种酶合成的基因，即便有诱导物存在也不能合成这种酶。因此，诱导酶的合成取决于内因和外因两个方面。诱导酶在微生物需要时合成，不需要时就停止合成。这样，即保证了代谢的需要，有避免了不必要的浪费，其合成是在相应的基因控制下进行的，它不因分解底物或其结构类似物存在而影响其合成。（2）酶合成的调节调节者：诱导酶调节方式：在环境中存在某种物质时合成。如大肠杆菌在环境中只有乳糖作碳源时，才能合成半乳糖苷酶。意义：避免物质和能量不必要的浪费，又保证了代谢的需要，增强了对环境的适应能力。（3）酶活性的调节调节者：该酶催化反应的直接产物或间接产物调节过程：代谢产物积累过量时就会抑制酶的活性特点：快速、精细。3．微生物代谢的人工控制4．发酵的概念与分类概念：发酵是指通过微生物的培养大量产生各种代谢产物的过程发酵分类：四、微生物的生长1．微生物群体生长的规律（1）微生物群体生长的测定方法：A．测定细菌的细胞数目：样品与等量的已知含量的红细胞混合，用显微镜计数，得出细菌与红细胞的比例，推算出单体体积内的细菌数。B．测重量：计算细胞总的重量（2）生长规律：细菌的生长的曲线：据培养基的物理状态据所生成产物据对氧的需求种类固体发酵液体发酵抗生素发酵维生素发酵氨基酸发酵需氧发酵厌氧发酵措施改变微生物的遗传特性：例如诱变处理控制发酵条件：例如改变细胞膜的透性4通过对生长曲线的研究，可知微生物生长分四个期生长时期特点成因特征应用与其它调整期不立即繁殖适应新环境代谢活跃、体积增大与菌种各培养条件有关对数期繁殖速度最快条件适宜个体形态和生理特性稳定生产用菌种，科研材料稳定期活菌数量最大代谢产物大量积累生存条件恶化有些种类出现芽孢改善和控制条件延长稳定期衰亡期死亡生存条件极度恶化出现畸变裂解，释放产物2．影响微生物生长的环境因素微生物的生长受密度因素制约外，其变动往往也与一些非常密度因素有关，例如温度、O2、pH等。①温度：由于微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响极为明显，因此，温度是香烟微生物生长的最重要的因素之一。最适生长温度有时也简称为“最适温度”，其意义是某菌分裂代谢的最短或生长速率最高时的培养温度。但是，对同一微生物来说，其不同的生理生化过程有着不同的最适温度，也就是说，最适生长温度，不等于生长量最高时的培养温度，也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度，更不等于累积某一代谢产物量最高时的培养温度。超过最适生长温度，由于细胞内的蛋白质和核酸等发生了不可逆的破坏，微生物的生长速率会急剧下降。②pH：每种微生物的最适pH不同、超过最适pH范围，会影响酶的活性、细胞膜的稳定性等，从而影响生物对营养物质的吸收等。③氧气；环境中氧含量的状况，对不同代谢类型的微生物群体的生长，具有不同的影响。因此细菌种群培养时应选择恰当的溶氧度。按照微生物与氧的关系。可分为：好氧菌耐氧菌厌氧菌专性厌氧菌兼性厌氧菌五．实验：学习细菌培养的基本技术①实验原理：根据某种细菌的营养需要而选择多种原料配制而成的培养基，不仅含有这种细菌生长繁殖所需要的各种营养物质，还要有适宜的pH。本实验所用的牛肉膏蛋白胨培养基，应用较广泛，适于芽孢杆菌、金黄色葡萄球等多种细菌的培养。整个实验操作过程中无菌是实验成败的关键。②操作流程及注意事项培养基配制：①培养基除满足微生物所需的各种营养外，还要有适宜的pH值。②配制好的培养基必须经过灭菌。方法一般采用高压蒸汽灭菌。高压蒸汽灭菌：①压力上升之前，必须先排除锅内冷空气，否则锅内温度达不到应有的高度（1210C），造成灭菌不彻底。②灭菌结束后，切勿过早打开排气阀，否则会因锅内压力突然下降，使试管内的培养基由于内外压力不平衡而冲出管口，使棉塞沾染培养基而发生污染。接种：①接种环要先灼烧至红热，后冷却，再接种。②接种应靠近接种灯，因其周围形成一个无菌区。③接种划线时要注意：a。划线的方向应该从里向外；b。线条要细且密；c。不要重复划线。④接种后必须对接种环和带菌培养基灭菌处理，以防污染环境。六．发酵工程简介5(一)、应用发酵工程的生产实例―－谷氨酸发酵常用菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌。(二)、流程：培养基液体培养基：原料：豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素发酵过程罐连续培养控制条件：温度、PH值、溶氧、搅拌速度菌种选育(自然界选种、诱变育种、基因工程、细胞工程)培养基配制(根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方)灭菌(培养基和发酵设备均需严格灭菌，杀死所有杂菌)扩大培养(大规模生产中需使菌种达到一定量)接种(将菌种接种到培养基上)发酵过程(中心阶段)(随时检测了解发酵进程，满足营养需要；严格控制温度、PH、溶氧、转速等)分离纯化菌体：过滤、沉淀代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换6(三)、应用1．医药工业：(1)直接生产多种药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸(2)与基因工程和细胞工程结合来生产药品，如：人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等。2.食品工业：(1)使传统的发酵产品质量和产量得到提高(2)生产各种食品添加剂，如：酸味剂(L-苹果酸、柠檬酸、乳酸)、鲜味剂(肌苷酸、谷氨酸)、色素(红曲素、β-胡萝卜素)、甜味剂(高果糖浆、甜菜糖)。(3)解决粮食问题的重要途径，如生产单细胞蛋白。［例题解析］1．细菌的遗传物质位于()(A)核区和线粒体中(B)核区中(C)核区、质粒和线粒体中（D）核区和质粒中分析：于原核生物，细胞内不存在生物膜包被的细胞器（如线立体等），它以DNA作为遗传物质，核区内是大型环状的双链DNA分子，细胞质中的质粒是小型环状的双链DNA分子，其上都有控制生物状的基因的存在。答案：D2．培养硝化细菌的碳源、氮源和能源的依次是（）A．葡萄糖、氨、葡萄糖B．葡萄糖、铵盐、太阳能C．二氧化碳、硝酸盐、氧化氨D．二氧化碳、氨、太阳能分析：本题主要考查微生物营养的有关知识。第一，硝化细菌的同化作用类型是自养型，因而所需碳源不是现成的有机物，而应是无机物即二氧化碳；第二，硝化细菌虽然属于自养型生物，但不能利用光能进行光合作用，而是利用氧化环境中的氨所释放的化学能将二氧化碳最终还原为储存能量的有机物进行化能合成作用。答案：C。3：以下关于微生物对氧的需求的叙述中正确的是（）。（A）产甲烷杆菌属厌氧呼吸，但氧的存在不影响其生存（B）链球菌进行厌氧呼吸，不能接触空气（C）黄色短杆菌在氧气充足时才能产生谷氨酸（D）谷氨酸棒状杆菌是厌氧呼吸分析：产甲烷杆属于严格厌氧菌，氧气的存在对其有渡害作用，使之难以生存；链球菌属耐氧菌，有氧气时并不影响其厌氧呼吸；黄色短杆菌和谷氨酸棒状杆菌都是专栏好氧菌，生产谷氨酸的发酵过程中必须给予充足的氧气。答案：C。4：要从多种细菌中分离某种细菌，培养基要用（）。A、加入青霉素的培养基B、加入高浓度食盐的培养基C、固体培养基D、液体培养基分析：微生物的分离需使用固体培养基，由于某种细菌的种类不明，所以难以使用选择培养基，如加入青霉素的培养基可以分离到酵母菌和霉菌，加入高浓度食盐的培养基可以分离到金黄色葡萄球菌。答案：C。5．根据下图回答问题：（1）当终产物合成过量时，往往会导致合成途径中断，原因是谷氨酸抑制了________的活性，这属于______的调节。（2）假设B酶只有在细胞内出现某种中间产物后才合成，则B酶是一种_______酶。（3）假设人们想利用葡萄糖、谷氨酸棒壮杆菌生a—酮戌二酸，请你利用现有知识，设计一个大积累a—酮戌二酸的方案。答案：（1）谷氨酸脱氢酶酶活性（2）诱导（3）方案一：对谷氨酸棒壮杆菌进行诱变处7理，利用选择培养基，从中选育出不能合成谷氨酸脱氢酶的菌种。方案二：利用基因工程手段，对控制合成谷氨酸脱氢酶的基因进行改造，使其不能合成谷氨酸脱氢酶。6．在啤酒生产过程中，发酵是重要环节，生产过程大致如下：将经过灭菌的麦芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌种后输入发酵罐。初期，酵母菌迅速繁殖，糖度下降，产生白色泡沫，溶解氧渐渐耗尽，随后，酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降低，酒精浓度渐渐上升，泡沫不断增多。当糖度下降到一定程度后，结束发酵。最后分别输出有形物质和鲜啤酒。根据上述过程，回答以下问题：(1)该过程表明啤酒酵母菌异化作用的特点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。