第八章發酵工程第八章發酵工程---第一講第一節發酵工程的內容第二節工業上常用的微生物第三節菌種的選育和保藏1、發酵工程的產生及發展2、發酵的定義3、發酵的基本過程4、發酵工程產品的類型第一節發酵工程的內容1、發酵工程的產生及發展現代科學概念的發酵工程開始于20世紀40年代初，是隨著抗生素大規模深層發酵工藝的建立和興起而得到迅速發展的。人們開始改變固體表面培養，采用液體深層培養。1、發酵工程的產生及發展生物工程的發展使發酵工程進入了新的時期。通過基因工程菌的大規模培養，可以大量生產只有動物或植物才能生產的物質。1、發酵工程的產生及發展發酵工程在環境保護領域應用也十分廣泛，廢水生物處理裝置實際上可以看做一個大型發酵罐，有機污染物在微生物作用下，轉化成水和CO2。2、發酵的定義發酵工程（微生物工程），是在人工控制的條件下，通過微生物的生命活動來獲得人們所需要物質的過程的一種技術系統。發酵工業由兩個核心部分組成：一是獲得最精良的生物細胞（酶）;二是創造生物細胞（酶）作用的最佳環境（優選發酵工藝和設備）。發酵工程的主要內容包括:①生產菌種的選育;②發酵條件的優化與控制;③反應器的設計及產物的分離；④提取與精制等過程。2、發酵的定義3、發酵的基本過程發酵工程由三部分組成：上游工程、發酵和下游工程。3、發酵的基本過程上游工程包括優良種株的選育、最適宜發酵條件（Ph、溫度、溶氧和營養組成）的確定、營養物質的準備等。發酵主要指在最適宜的發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。這里要有嚴格的無菌生長環境，在發酵過程中不斷向發酵罐中通入干燥無菌空氣及加料速度的控制技術。3、發酵的基本過程根據不同的需要，發酵工藝可分為3類：1.批量發酵，即一次投料發酵；2.流加批量發酵，即在批量發酵的基礎上，流加一定量的營養，使細胞進一步生長，或得到更多的代謝產物；3.連續發酵，不斷地流加營養，并不斷地取出發酵液。3、發酵的基本過程下游工程指從發酵液中分離和純化產品的技術。包括:①固液分離技術（離心，過濾，沉淀分離等工藝）②細胞破壁技術（超聲，高壓剪切，滲透壓，表面活性劑和溶壁酶等）③蛋白質純化技術（沉淀法、色譜分離法和超濾法等）最后還有產品的包裝處理技術（真空干燥和冰凍干燥等）。4、發酵工程產品的類型發酵工程涉及的生產部門有食品工業、農產品加工、酒精和飲料酒工業、氨基酸工業、有機酸工業、化學工業、醫藥工業、工農業下腳料的處理和增值、工業廢水的處理和增值等。4、發酵工程產品的類型目前已知具有生產價值的發酵產物類型有：①微生物菌體本身；②菌體生長所必須的基本代謝產物；③菌體生長不必須的次級代謝產物；④由菌體合成的大分子化合物；⑤由菌體或酶系實現生物轉化所得的產物等。4、發酵工程產品的類型有用于面包業的酵母及用于人類或動物食品的微生物菌體蛋白發酵兩種類型。

菌體包括酵母，細菌，霉菌和真菌（包括食用菌）。包括微生物殺蟲劑的發酵，如蘇云金桿菌、蠟樣芽胞桿菌和側孢芽胞桿菌，其細菌中的伴孢晶體可毒殺鱗翅目和雙翅目的害蟲。①微生物菌體本身；4、發酵工程產品的類型②以微生物的酶為產品：酶類包括各個酶種、酶制劑和各種曲類（小曲、大曲、麩曲、麥曲）。微生物酶制劑有廣泛的用途，多用于食品和輕工業中。醫藥用的酶制劑也得到大力發展，如用于抗癌的天冬酰胺酶和用于醫藥工業的青霉素酰化酶等，都得到了開發和生產。③以微生物代謝產物為產品：4、發酵工程產品的類型初級代謝產物：即菌體在生長期的產物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質、核酸、類脂、糖類等，是菌體生長繁殖所必須的。產生這些產物的菌體生長時期叫做對數生長期。次級代謝產物：指微生物產生的與本身的生長和生命活動并不是密切相關的產物，它們一般產生于微生物生長的穩定期，也即靜止期；如抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子和拮抗性物質等。而者并非獨立的代謝途徑，兩者有密切的關系，初級代謝的中間體或者產物往往是次級代謝的前提物或起始物。④利用微生物發酵轉換或改造化合物結構：4、發酵工程產品的類型一是合成有用物，即將一種或幾種化合物轉變成結構相關的更有經濟價值的產物；二是分解有害物，即分解有害化合物使其無害化。生物轉化也化學反應相比具有許多優點，如特異性強，反應條件溫和、轉化效率高、對環境無污染等。在維生素C的生產中，由我國科學家首創的“二步發酵法”，先將山梨醇轉化成L—山梨糖，再用兩種菌株組合將L—山梨糖轉化成2-酮基-L-古龍酸。第二節工業上常用的微生物1、細菌2、放線菌3、酵母菌4、霉菌5、病毒微生物資源豐富，廣布于土壤、水和空氣等自然界中，其中土壤中最多。現在微生物工業用菌有的是野生型，有的是通過誘變得到的突變體。第二節工業上常用的微生物1、細菌①枯草芽孢桿菌產生大量的淀粉酶和蛋白酶飼料添加

1、細菌②大腸桿菌

大腸桿菌用于制取天冬氨酸、蘇氨酸、頡氨酸等，在醫藥方面和基因工程方面是很好的研究材料.

1、細菌③乳酸桿菌發酵糖產生大量乳酸而命名。應用：乳酸、干酪、奶子酒、發面、泡菜、酸奶等的制作。1、細菌④雙歧桿菌

雙歧桿菌是寄生在人類腸道中的有益菌。它可與乳酸桿菌等有益菌混種，在加入某些低聚糖類作為雙歧桿菌促生長因子，制成復合微生態制劑，是一種具有良好保健作用的功能性食品。2、放線菌從微生物中發現的抗生素有60%以上是放線菌產生的。

其中鏈霉菌屬產生的抗生素約占各種微生物所產生抗生素的50%以上，如鏈霉素，土霉素，金霉素，四環素，紅霉素，氯霉素，卡那霉素，螺旋霉素、潔霉素等。3、酵母菌酵母菌是單細胞真核微生物，在自然界中普遍存在，主要分布于含糖質較多的偏酸性環境中，如水果，蔬菜、花蜜和植物葉子上，以及果園土壤中。石油酵母較多分布在油田周圍的土壤中。種類：酒精酵母、啤酒酵母、假絲酵母、紅酵母、面包酵母應用：生產酒精、啤酒、石油發酵脫蠟和制取蛋白質、生產脂肪.3、酵母菌3、酵母菌紅酵母本屬中有產脂肪較好的菌種。可由菌體提取大量脂肪。

4、霉菌①根霉能將淀粉轉化為糖。根霉常用作糖化菌種。是釀造工業中常用糖化菌。我國最早利用根霉糖化淀粉（即阿明諾法）生產酒精。②毛霉4、霉菌有幾種毛霉能產生較多的蛋白酶，具有分解大豆蛋白的能力，多用于制造酸性蛋白酶、豆腐乳和豆豉。4、霉菌③犁頭霉犁頭霉對甾族化合物有較強的轉化能力。

此屬菌廣泛分布于土壤、酒曲和各種糞便中，是制酒生產的污染菌，有些能在37攝氏度生長的種類是人、畜的病原菌，有些菌株為轉化甾族化合物的重要菌株。

4、霉菌④曲霉

黑曲霉具有多種活性強大的酶系，如淀粉酶，蛋白酶，果膠酶、纖維素酶和葡萄糖氧化酶等。還能產生多種有機酸，如抗壞血酸，檸檬酸，葡萄糖酸和沒食子酸等，所以在工業上被廣泛應用，是產生檸檬酸和葡萄糖酸的重要菌種。黃曲霉:⑤青霉4、霉菌有些青霉菌不僅是生產青霉素的重要菌種，還被用來生產有機酸、維生素和酶制劑等。5、病毒感染了病毒的細胞中，當病毒處于增殖高峰時會產生干擾素，其作用在于直接或通過酶反應來抑制病毒核酸的復制，因而可易用其生產干擾素。第三節菌種的選育和保藏1、菌種選育的目的2、菌種的分離和篩選3、自然選育4、誘變育種5、雜交育種與分子育種6、菌種保藏工業的生產水平取決于三個要素：生產菌種、發酵工藝和設備。優良菌種的選育不僅為發酵工業提供高產生產菌株，還可以提供各種類型的突變株，改善其生理生化特性，去除多余的代謝途徑和產物，有利于合成新的產物，改善發酵工藝的條件，提高產品質量，增加經濟效益。第三節菌種的選育和保藏1、菌種選育的目的菌種選育的目的：1.提高其生產能力：2.選育能適應工藝條件的菌種，如能利用廉價的發酵原料、能耐受某些化學消毒劑等。2、菌種的分離和篩選①營養特性，利用廉價、來源豐富培養基原料②生長溫度，高于40度③遺傳和生產能力穩定④菌的轉化能力和產物濃度要高⑤菌容易從發酵液中分離⑥菌種本身無毒，也不產生毒素菌種的分離和篩選要根據生產實際的要求進行，一般對菌種的要求：2、菌種的分離和篩選分離和篩選菌種的具體做法一般分為4個步驟：1.樣品采集；2.富集培養；3.純種分離；4.發酵性能測定。富集培養：一類使混合微生物群體中某特定微生物比例激增的培養方法。其一可用促進某特定微生物生長繁殖的選擇性培養基或培養條件，其二可用抑制其他微生物生長繁殖的選擇性培養基或培養條件。

3、自然選育在工業生產中，由于各方面因素的影響，生產水平的波動比較大，經常從高生產水平批號中取樣進行單菌落分離，從中選出比較穩定的菌株，用于生產。所以自然分離亦是誘變育種和雜交育種工作中一個不可缺少的環節。3、自然選育自然選育（自然分離）的一般程序是把菌種制備程單孢子懸浮液，經過適當的稀釋以后，在固體平板上進行分離，挑取部分單菌落進行生產能力的測定，經反復篩選，以確定生產能力更高的菌株，代替原來的菌株。自然選育是一種簡單易行的選育方法，它可以達到純化菌種、防止菌種衰退、穩定生產提高產量的目的。但是自然選育的最大缺點是效率低、進展慢，很難使生產水平大幅度提高。因此只有經常進行自然選育和誘變育種交替適用，才可以收到良好的效果。3、自然選育通過誘變處理就可以大大提高菌種的突變頻率，擴大變異幅度，至今誘變育種仍是菌種改良的重要手段。能誘發基因突變并使突變頻率提高到超過自然變水平的物理、化學因子都稱為誘變劑。誘變育種就是采用合適的誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，在引起多數細胞致死的同時，其遺傳物質DNA和RNA的化學結構發生改變，從而引起少數存活微生物的遺傳變異。4、誘變育種4、誘變育種微生物雜交育種一般指兩個不同基因型的菌株通過接合或原生質體融合，其遺傳物質重新組合，再從中分離和篩選出具有新性狀的菌株。雜交育種是選用已知性狀的供體菌株和受體菌株作為親本，把不同菌株的優良性狀幾種于組合體中。5、雜交育種與分子育種分子育種是應用基因工程手段，在分子水平上，用人工方法取出供體DNA上的基因，在體外重組于載體DNA上，在轉移到受體細胞，使受體下包的遺傳性狀發生改變。通過基因工程改造的微生物菌株被稱為“工程菌”。5、雜交育種與分子育種6、菌種保藏一般可通過保持培養基營養成分在最低水平，并在缺氧、干燥、低溫、避光下使菌種處于“休眠”狀態，抑制其繁殖能力。保藏方法很多，究竟采用何種方法，要根據具體菌種和具體情況來定。工業常用保藏方法有以下幾種。①斜面冰箱保藏法:這是采用的一種方法，適合用于產孢子或者芽胞的微生物。這是一種短期過渡的保藏方法。將已長好的斜面菌種，置于4度左右的冰箱保存，定期移植到新的斜面培養基上繼續保藏。一般保存期為3~6個月。6、菌種保藏②砂土管保藏法:這是常采用的一種方法，適合于產孢子或芽胞的微生物，將洗凈、烘干、過篩后的沙土分裝在小試管內，經徹底滅菌后備用。然后將菌種制成懸浮液，滴入沙土管中，或將斜面孢子刮下，直接于沙土混合，置于干燥器中真空抽干，放冰箱內保存，保存期可達數年。6、菌種保藏③石蠟油封保藏法: