微生物在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

1、第十章第二節(jié)第二節(jié)微生物在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用微生物在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用一、微生物發(fā)酵與發(fā)酵工程一、微生物發(fā)酵與發(fā)酵工程 發(fā)酵：發(fā)酵：（原始概念）指從液體中向外冒氣泡的現(xiàn)象。 （廣義概念）指發(fā)酵工業(yè)上應(yīng)用微生物生產(chǎn)某種產(chǎn)品的過程，包括好氧過程和厭氧過程。 （在生物化學(xué)中）指有機物脫下的氫直接交給另一內(nèi)源有機物的過程。發(fā)酵工程技術(shù)：是大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)，最終目標是獲得產(chǎn)物或產(chǎn)品，是發(fā)酵工藝學(xué)和工程學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。 發(fā)酵工程菌種的選育最佳發(fā)酵條件的選定和控制生化反應(yīng)器的設(shè)計發(fā)酵產(chǎn)品的分離和精制天然發(fā)酵天然發(fā)酵：利用自然環(huán)境中存在的多種微生物進行發(fā)酵，一般為混合發(fā)酵。純培養(yǎng)發(fā)酵純培養(yǎng)發(fā)酵：指利用已知菌

2、種進行的發(fā)酵，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵大多數(shù)采用純培養(yǎng)發(fā)酵。純培養(yǎng)發(fā)酵提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，被認為是發(fā)酵工業(yè)的第一個轉(zhuǎn)折點第一個轉(zhuǎn)折點。發(fā)酵工程的運用醫(yī)藥工業(yè)：抗生素、維生素、胰島素、疫苗、干擾素等食品工業(yè)：氨基酸、新糖原、飲料、酒類、食品添加劑等能源工業(yè)：生產(chǎn)乙醇、沼氣等化學(xué)工業(yè)：生產(chǎn)化工原料如乙醇、丙酮、生物表面活性劑等冶金工業(yè)：黃金開采和銅、鈾等金屬的浸提農(nóng)、牧業(yè)：生物固氮、生物殺蟲劑和微生物飼料的生產(chǎn)等環(huán)境保護：對污染物進行降解和轉(zhuǎn)化等發(fā)酵固體發(fā)酵：指發(fā)酵原料、菌體吸附在固體支持物（載體）上，通過微生物的代謝活動將原料轉(zhuǎn)化為發(fā)酵產(chǎn)品。液體發(fā)酵：微生物的菌體或菌絲均勻分散在液體培養(yǎng)基中，通過向培養(yǎng)液強

3、制通氣進行發(fā)酵。發(fā)酵基本過程示意圖：發(fā)酵基本過程示意圖：二、發(fā)酵罐二、發(fā)酵罐 廣義發(fā)酵罐指為一個特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意環(huán)境的容器，工業(yè)發(fā)酵中指進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備。 發(fā)酵（按微生物生長）厭氧發(fā)酵罐好氧發(fā)酵罐（按發(fā)酵罐設(shè) 備特點）機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐一般所具有嚴密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合性能高的傳質(zhì)和傳熱速率靈敏 的檢測控制儀表發(fā)酵的基本過程菌種培養(yǎng)與擴大菌種培養(yǎng)與擴大（一般需要經(jīng)過斜面培養(yǎng)、三角搖瓶和小型發(fā)酵罐的活化與放大）培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌（主要采用蒸汽滅菌，因為蒸汽具有強大的穿透力，破壞菌體蛋白和核酸的化學(xué)鍵，使酶失活，微生物

4、因代謝障礙而死亡。）發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制（受很多環(huán)境條件的影響，如培養(yǎng)基組成、pH、溫度、氧氣、泡沫、雜菌污染和噬菌體感染等因素）下游加工過程下游加工過程（是從發(fā)酵液中分離、精制有關(guān)產(chǎn)品的過程。一般包括發(fā)酵液預(yù)處理和固體分離）培養(yǎng)基的滅菌培養(yǎng)基的滅菌分批滅菌：培養(yǎng)基和發(fā)酵罐一起滅菌連續(xù)滅菌：培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外滅菌后經(jīng)過冷卻后送人發(fā)酵罐優(yōu)點：高溫快速滅菌，發(fā)酵罐利用率高，熱能利用合理，自動化控制缺點：不適合黏度大或固型物含量高的培養(yǎng)基，增加操作環(huán)節(jié)，增加染菌機會空氣除菌主要通過加入滅菌、靜電除菌和介質(zhì)過濾除菌等方式 pH影響微生物生長繁殖和代謝積累，還影響酶活性，影響膜的通透性，影響微生物營養(yǎng)

5、吸收及代謝產(chǎn)物分泌，影響營養(yǎng)物質(zhì)的分解或中間代謝產(chǎn)物解離，影響微生物對這些物質(zhì)的利用。 溫度控制要考慮菌體生長和產(chǎn)物形成兩個方面。前期控制溫度，使其適合微生物菌體的生長繁殖，后期控制溫度，使其適合產(chǎn)物的形成。 泡沫中的空氣有隔熱作用，造成培養(yǎng)基滅菌不徹底，有時從排氣口溢出，容易污染。 雜菌污染可導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物復(fù)雜，有毒物質(zhì)產(chǎn)生，產(chǎn)物分離、提純困難，嚴重時導(dǎo)致發(fā)酵失敗。要經(jīng)常檢查菌種、設(shè)備等。 噬菌體是細菌的病毒，噬菌體可侵染發(fā)酵菌種，造成發(fā)酵菌種的裂解，導(dǎo)致發(fā)酵失敗。四、微生物發(fā)酵的應(yīng)用乙醇發(fā)酵 1，白酒釀造 原料：糖質(zhì)原料甘蔗、廢糖蜜 淀粉原料高粱、玉米、馬鈴薯 纖維素原料木屑、作物秸稈、甘蔗

6、渣 基本原理：利用霉菌、細菌等微生物產(chǎn)生的淀粉酶、纖維素酶將原料中的淀粉、纖維素等轉(zhuǎn)化為葡萄糖，在酵母菌作用下通過EMP途徑將1分子的葡萄糖轉(zhuǎn)化為2分子的乙醇。2、啤酒發(fā)酵 原料：以大麥為主 原理:利用大麥發(fā)芽時產(chǎn)生的淀粉酶將原料中的淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖，然后利用酵母菌進行乙醇發(fā)酵。 酒花：增加啤酒的香味和爽口苦味，同時具有澄清和防腐的作用。 發(fā)酵完成后，還要經(jīng)過過濾，以去除酵母菌體。 分類：熟啤酒：經(jīng)過巴斯德消毒后的啤酒； 生啤酒：不經(jīng)過巴斯德消毒后的啤酒； 純生啤酒：采用無菌釀造、特殊的過濾技術(shù)除菌、無菌灌裝技術(shù)生產(chǎn)的 啤酒生產(chǎn)的工藝過程如下：3、葡萄酒 葡萄酒是葡萄發(fā)酵而成的一種飲料酒，酒度

7、較低，一般介于8 22度。 分類：以顏色分：紅葡萄酒利用紅色或紫色葡萄，果皮、果肉與果汁混在一起進行主發(fā)酵，發(fā)酵中含有果皮或果肉中的色素； 白葡萄酒用葡萄汁單獨發(fā)酵制成黃色的葡萄酒，深金黃至淡灰黃不等。 以含糖量分：干葡萄酒含糖量不超過1%；半干葡萄酒含糖量為1%4%；甜葡萄酒含糖量至少為4%。有機酸發(fā)酵 有機酸發(fā)酵的應(yīng)用：由微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的有機酸有多種多接近自然產(chǎn)物，對人體有益。 應(yīng)用于多種領(lǐng)域：在食品和飲料中作為酸味劑，如汽水；在水果罐頭、果凍、果醬中具有保護色作用、抑制腐敗微生物生長；在醫(yī)藥工業(yè)上，檸檬酸是很好的抗凝血劑葡糖酸鈣補鈣；在化學(xué)工業(yè)中，用于洗滌劑、電鍍；用于化妝品、香皂沐浴

8、液，可預(yù)防氧化與除臭；其他領(lǐng)域：卷煙中、纖維處理、乳酸鈣等等。 檸檬酸發(fā)酵：檸檬酸（citric acid）在化工、醫(yī)藥、食品等方面用途廣泛。1893年以前主要從柑橘、菠蘿和檸檬中提取，之后才開始以微生物進行有機酸發(fā)酵而獲取主要由青霉、毛霉、木霉、曲霉及葡孢霉等發(fā)酵產(chǎn)生。原理是：己糖、淀粉等原料轉(zhuǎn)變?yōu)闄幟仕?，先?jīng)過EMP糖酵解途徑，然后通過TCA形成檸檬酸。 乳酸發(fā)酵：是重要的一元酸因存在于牛奶而得名，從牛奶中分離得到乳酸菌，開始應(yīng)用于工業(yè)不同微生物異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物不同。乙酸發(fā)酵（食醋發(fā)酵）：食醋發(fā)酵機制是淀粉質(zhì)原料在細菌、霉菌產(chǎn)生的淀粉酶作用下水解為葡萄糖等單糖，然后經(jīng)EMP途徑發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)

9、生乙醇和二氧化碳。在酵母菌作用下產(chǎn)生乙醇，最后在醋酸細菌作用下產(chǎn)生乙酸。氨基酸發(fā)酵 現(xiàn)在已經(jīng)可以通過發(fā)酵法產(chǎn)生賴氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸等12種氨基酸 氨基酸廣泛用于食品、藥品等多個領(lǐng)域氨基酸發(fā)酵食品工業(yè)可用于甜味劑、酸味劑、鮮味劑氨基酸發(fā)酵 醫(yī)藥工業(yè)可作為高營養(yǎng)液、可用于降血氨、正血漿氨基酸失衡、治療脂肪肝、治療消化管潰瘍、調(diào)節(jié)胃酸堿度、改善出血后遺癥的記憶障礙、治療心律失常等谷氨酸發(fā)酵 目前工業(yè)上應(yīng)用的谷氨酸產(chǎn)生菌有谷氨酸棒狀桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、散枝短桿菌、黃色短桿菌、噬氨短桿菌等。我國常用的菌種有北京棒狀桿菌、純齒棒狀桿菌等。谷氨酸的生物合成包括糖酵解作用（EMP途徑）、磷酸戊

10、糖途徑（HMP途徑）、三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）、乙醛酸循環(huán)和丙酮酸羧化支路等。谷氨酸發(fā)酵 生物合成谷氨酸的主要方式是-酮戊二酸的還原性氨基化作用。谷氨酸的生物合成受機體內(nèi)復(fù)雜機制的調(diào)控。影響谷氨酸發(fā)酵過程的參數(shù)有很多，谷氨酸發(fā)酵過程主要受種子質(zhì)量，培養(yǎng)基組成，溫度，pH以及供氧速率等因素控制。提取谷氨酸常用的工藝為等電點法和離子交換法 合成途徑 谷氨酸的生物合成途徑大致是：葡萄糖經(jīng)糖酵解(EMP途徑)和己糖磷酸支路(HMP途徑)生成丙酮酸，再氧化成乙酰輔酶A(乙酰COA)，然后進入三羧酸循環(huán)，生成-酮戊二酸。-酮戊二酸在谷氨 酸脫氫酶的催化及有NH4+存在的條件下，生成谷氨酸。當生物素缺乏時，

11、菌種生長十分緩慢；當生物素過量時，則轉(zhuǎn)為乳酸發(fā)酵。因此，一般將生物素控制在亞適量條件下，才能得到高產(chǎn)量的谷氨酸。 菌株特點：1.革蘭式陽性2.不形成芽孢3.沒有鞭毛，不能運動4.需要生物素作為生產(chǎn)因子，通氣條件下才能產(chǎn)生谷氨酸用途谷氨酸除用于制造味精外，還可以用來治療神經(jīng)衰弱以及配制營養(yǎng)注射液等。我國的谷氨酸發(fā)酵雖然在產(chǎn)量、質(zhì)量等方面有了較大的提高，但與國外先進水平相比還存在一定差距。主要表現(xiàn)在：設(shè)備陳舊，規(guī)模小，自控水平、轉(zhuǎn)化率和提取率低，易受噬菌體污染，廢水污染問題尚未完全解決等 賴氨酸發(fā)酵 賴氨酸： 堿性氨基酸，有D型和L型構(gòu)型 人體必需氨基酸之一 谷類食物中最缺乏的氨基酸作用： 提高智

12、力、促進生長、增強體質(zhì)。 增進食欲、改善營養(yǎng)不良狀況。 增強免疫功能，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用。 改善失眠，提高記憶力。 幫助產(chǎn)生抗體、激素和酶，提高免疫力、增加血色素。 幫助鈣的吸收，治療防止骨質(zhì)疏松癥 降低血中甘油三酯的水平，預(yù)防心腦血管疾病的產(chǎn)生。 用于飼料工業(yè)可提高禽獸的增重，改善肉質(zhì) 乏賴氨酸的癥狀包括疲勞，虛弱，惡心，嘔吐，頭暈，沒有食欲，發(fā)育遲緩，貧血等 生產(chǎn)菌株 生產(chǎn)菌種 細菌：棒桿菌、短桿菌假單胞菌、埃希氏菌、芽孢桿菌 真菌：酵母、假絲酵母、隱球酵母 谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌和乳糖、發(fā)酵短桿菌的各種突變菌發(fā)酵法 二步發(fā)酵法（前體添加法） ：50年代初開發(fā)的二步發(fā)酵法以賴

13、氨酸的前體二氨基庚二酸為原料，借助微生物生產(chǎn)的酶（二氨基庚二酸脫羧酶），使其脫羧后轉(zhuǎn)變?yōu)橘嚢彼岚l(fā)酵法 直接發(fā)酵法 廣泛采用的賴氨酸生產(chǎn)法。常用的原料為甘蔗或甜菜制糖后的廢糖蜜、淀粉水解液等廉價糖質(zhì)原料。此外，醋酸、乙醇等也是可供選用的原料。直接發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸的主要微生物有谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌的突變菌等 3種。發(fā)酵法 酶法 主要用生產(chǎn)尼龍原料己內(nèi)酰胺時生成的大量副產(chǎn)物環(huán)己烯為起始原料，用化學(xué)方法合成 DL-氨基己內(nèi)酰胺，然后以此作為酶反應(yīng)的底物，經(jīng)羅倫氏隱球酵母生產(chǎn)的L-氨基己內(nèi)酰胺水解酶，和從奧巴無色桿菌菌體中分離到的-氨基己內(nèi)酰胺外消旋酶共同作用，轉(zhuǎn)變?yōu)長-賴氨酸。該

14、工藝由于反應(yīng)速度快，原料便宜，產(chǎn)酸率高，已投入工業(yè)生產(chǎn)酶制劑發(fā)酵 酶制劑酶制劑（英文：enzyme)是一類從動物、植物、微生物中提取具有生物催化能力的蛋白質(zhì)。具有高效性，專一性，在適宜條件（pH和溫度）下具有活性。 主要作用是催化食品加工過程中各種化學(xué)反應(yīng)，改進食品加工方法。 應(yīng)用范圍：植物由于生長地域、季節(jié)、氣候等的影響，生產(chǎn)酶制劑的產(chǎn)、質(zhì)量都不穩(wěn)定。動物產(chǎn)生的酶主要從屠宰牲畜的腺體中提取，來源有限；只有微生物生產(chǎn)的酶，可滿足任何規(guī)模的需求，產(chǎn)率高、質(zhì)量穩(wěn)定。目前，除食品、輕紡工業(yè)外，微生物酶制劑還用于日用化學(xué)、化工、制藥、飼料、造紙、建材、生物化學(xué)、臨床分析等方面，成為發(fā)酵工業(yè)的重要部門。

15、種類 國外：在飼料中使用的酶制劑主要有淀粉酶、葡聚糖酶、糖化酶、蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、脂肪酶、植酸酶、角蛋白酶、木聚糖酶等。 國內(nèi)：市場主要的酶制劑有淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、葡聚糖酶、植酸酶等。目前除植酸酶有單一產(chǎn)品外，其余飼用酶制劑大多是包含多種酶的復(fù)合制劑。 生產(chǎn)酶制劑的微生物有絲狀真菌、酵母、細菌3大類群，主要是用好氣菌淀粉酶 淀粉酶水解淀粉生成糊狀麥芽低聚糖和麥芽糖。以芽孢桿菌屬的枯草芽孢桿菌和地衣形芽孢桿菌深層發(fā)酵生產(chǎn)為主，后者產(chǎn)生耐高溫酶。另外也用曲霉屬和根霉屬的菌株深層和半固體發(fā)酵生產(chǎn)，適用于食品加工。-淀粉酶主要用于制糖、紡織品退漿、發(fā)酵原料處理和食品

16、加工等。葡糖淀粉酶能將淀粉水解成葡萄糖，現(xiàn)在幾乎全由黑曲霉深層發(fā)酵生產(chǎn)，用于制糖、酒精生產(chǎn)、發(fā)酵原料處理等。蛋白酶 使用菌種和生產(chǎn)品種最多。用地衣形芽孢桿菌、短小芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌以深層發(fā)酵生產(chǎn)細菌蛋白酶；用鏈霉菌、曲霉深層發(fā)酵生產(chǎn)中性蛋白酶和曲霉酸性蛋白酶，用于皮革脫毛、毛皮軟化、制藥、食品工業(yè)；用毛霉屬的一些菌進行半固體發(fā)酵生產(chǎn)凝乳酶，在制造干酪中取代原來從牛犢胃提取的凝乳酶。微生物多糖 微生物在代謝過程中可利用單糖和雙糖產(chǎn)生多糖對微生物具保護作用的生物高聚物。近二十年來，由于糖化學(xué)的迅速發(fā)展，微生物胞外多糖的研究逐漸引起人們的廣泛關(guān)注于重視。自二十世紀五十年代以來，采用發(fā)酵工程技術(shù)生

17、產(chǎn)多種微生物多糖是國際上的熱門課題，并已有數(shù)種微生物多糖已具備相當?shù)墓I(yè)化規(guī)模。 按合稱位點和合成模式的不同可分為兩種類型：同型多糖同型多糖的合成與異型多糖的合成。的合成與異型多糖的合成。 黃原膠：腸膜狀明串珠菌和葡聚糖明串珠菌用于工業(yè)制造葡聚糖（是若干葡萄糖脫水形成的聚合物）。Glucan是世界上早發(fā)現(xiàn)并較早作為主要的血漿代用品的微生物多糖。右旋糖酐-70是目前公認的優(yōu)良血漿代用品之一。臨床主要用于治療由于失血、創(chuàng)傷、燒傷和中毒等引起的失血性休克。 葡聚糖：又稱右旋糖酐。為一種多糖。存在于某些微生物在生長過程中分泌的粘液中。葡聚糖具有較高的分子量，主要由D葡萄吡喃糖以，16鍵連接，支鏈點有1

18、2、13、14連接的。隨著微生物種類和生長條件的不同，其結(jié)構(gòu)也有差別。葡聚糖不是單糖而是低聚糖 它能夠活化巨噬細胞、嗜中性白血球等，因此能提高白細胞素、細胞分裂素和特殊抗體的含量，全面刺激機體的免疫系統(tǒng)。維生素 維生素是生命體生長發(fā)育、代謝、生命活動的具不可或缺及調(diào)節(jié)重要作用的微量有機物。許多維生素可由微生物合成，如維生素B12、麥角堿、核黃素、L-抗壞血酸等都可以通過微生物制備。利用烷烴作為碳源生產(chǎn)維生素A輔酶。 -胡蘿卜素、葉黃素及其他類胡蘿卜素： -胡蘿卜素在人體內(nèi)腸粘膜上轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素A，工業(yè)上三孢布拉霉、鏈霉菌、黃桿菌、分枝桿菌、短桿菌等都可以利用烷烴作為碳源生產(chǎn)維生素A輔酶。 維生素

19、B2（核黃素）：作為核黃素類的輔基，核黃素的缺乏引起核黃素癥，如某些皮炎、唇損害和視力受損。丙酮丁醇梭菌、假絲酵母屬類球形德巴利酵母、無擬球酵母許多絲狀真菌等都可以生產(chǎn)。 維生素B12：合成維生素B12的微生物很多，主要有黃桿菌屬、巨大芽孢桿菌、假單胞菌屬、普通變形菌等。 維生素C（L-抗壞血酸）：利用山梨醇通過細菌發(fā)酵生產(chǎn)維生素C。利用如霉菌、斜臥青霉、產(chǎn)黃青霉等發(fā)酵葡萄糖形成D-阿拉伯抗壞血酸。微生物發(fā)酵領(lǐng)域的其他方面應(yīng)用 制藥業(yè)：抗生素、氨基酸、維生素的生產(chǎn)； 食品業(yè)：醋、醬油、醬、酒等的生產(chǎn)； 輕工業(yè)：檸檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黃原膠、甘油等的生產(chǎn)； 化工業(yè)：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生產(chǎn)； 飼料業(yè)：飼料添加劑的生產(chǎn)； 農(nóng)藥業(yè)：農(nóng)用抗生素、微生物肥料、微生物農(nóng)藥等的生產(chǎn)。 微生物風(fēng)味劑：主要指酵母抽提物，是以食用酵母為原料，利用現(xiàn)代生物技術(shù)將酵母菌體蛋白質(zhì)、核酸類物質(zhì)進行降解，經(jīng)過精制加工得到的粉狀、膏狀或液體狀的產(chǎn)品。 具有營養(yǎng)、輔助醫(yī)療的作用，是天然的高級調(diào)味品。 微生物防腐劑： 納他霉素近白色或奶油黃色結(jié)晶粉末。是一種無臭、無味，低劑量且安全性高的食品防腐劑。納他霉素(Natamycin)，是由納他鏈霉菌受控發(fā)酵制得一種白色至乳白色的無臭無味的結(jié)晶粉末，通常以烯醇式結(jié)構(gòu)存在。它的作用機理是與真菌的麥角甾醇以及其