南京工業(yè)大學(xué)生命工程與技術(shù)概論限選課-發(fā)酵工程

第七講生物技術(shù)★生物技術(shù)總論生物技術(shù)(Biotechnology)，它和微電子、新材料被稱為二十一世紀(jì)三大前沿學(xué)科。生物技術(shù)是微生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。生物技術(shù)一般分為：發(fā)酵工程，酶工程，細(xì)胞工程，基因工程，蛋白質(zhì)工程和生物化學(xué)工程。

1982年，國際合作與發(fā)展組織對生物技術(shù)的定義為：生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品為社會服務(wù)的技術(shù)。生物技術(shù)的特點：

◆高技術(shù)

◆高投入◆高利潤生物技術(shù)應(yīng)用診斷、防治疾病提高農(nóng)副產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量氨基酸、酶制劑、食品添加劑

開發(fā)新藥物治理環(huán)境

現(xiàn)代生物技術(shù)為人類提供了巨大的利益

發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。定義：現(xiàn)在發(fā)酵工程是將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)結(jié)合起來，利用微生物生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。發(fā)酵工程一、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程◆

發(fā)酵工程的萌芽石器時代的后期古人類已能進(jìn)行酒精發(fā)酵。古埃及人用酵母發(fā)酵制作面包和啤酒。中國周代后期,制作醬油和釀醋?！?/p>

發(fā)酵工程的產(chǎn)生19世紀(jì)后期法國科學(xué)家巴斯德確定發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生物純種培養(yǎng)。科赫建立了劃線法和平板培養(yǎng)法等分離純化微生物的方法促進(jìn)了微生物的生理生化研究?！?/p>

發(fā)酵工程的建立二十世紀(jì)20年代大規(guī)模純種培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇，40-50年代青霉素的大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)標(biāo)志著，現(xiàn)代發(fā)酵工程的建立。隨著遺傳育種學(xué)與代謝調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，60年代發(fā)酵工程飛速發(fā)展，稱為第一次綠色革命?！?/p>

發(fā)酵工程的發(fā)展1972年體外基因重組獲得成功，標(biāo)志著基因工程技術(shù)開始，80年代開始大量將基因工程改造的微生物與細(xì)胞應(yīng)用于發(fā)酵工程。

作為一個最古老的生物技術(shù)，發(fā)酵工業(yè)在我國的國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用。

主要產(chǎn)品的產(chǎn)量產(chǎn)值1998166.3萬噸135億20011500萬噸1300億發(fā)達(dá)國家發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的5%。而抗生素發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占醫(yī)藥工業(yè)的20%。一.工業(yè)微生物介紹：

（一）.細(xì)菌屬于原核生物，單細(xì)胞生物⒈形態(tài)：球菌、桿菌、螺旋菌三大類，大小0.2-1.5um其中發(fā)酵工業(yè)中常見與常用的為球菌與桿菌，尤其是桿菌。電鏡下的桿菌、球菌、螺旋菌2.細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)：一般構(gòu)造包括：細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、間體、核糖體、核區(qū)、內(nèi)含物顆粒。部分細(xì)菌具有特殊結(jié)構(gòu)：夾膜、鞭毛、線毛、芽孢。根據(jù)細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的不同可分為革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌。革蘭氏陰性革蘭氏陽性4.細(xì)菌的繁殖

細(xì)菌一般采用無性繁殖5.重要的細(xì)菌

乳酸桿菌、大腸桿菌、芽孢桿菌、醋酸桿菌、丙酸菌、棒桿菌、假單胞菌、甲烷菌、氧化亞鐵硫桿菌。6.用途

廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、能源、環(huán)保、選礦。（二）放線菌1、放線菌是一種原核生物，以菌落呈放射狀而得名。2、分布：放線菌在自然界分布很廣，主要習(xí)居于土壤之中，中性、偏堿性的土壤和有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中較多。土壤特有的泥腥味主要由放線菌的代謝產(chǎn)物引起的。

3、結(jié)構(gòu)：

基內(nèi)菌絲—長在培養(yǎng)基內(nèi)，吸收營養(yǎng)氣生菌絲—向培養(yǎng)基上空伸展孢子絲—氣生菌絲分枝部分具有形成孢子作用的繁殖菌絲

菌絲體世田北里孢菌的產(chǎn)氣孢子多毛的鏈霉菌孢子鏈放線菌菌落形態(tài)◆放線菌的孢子常具有色素，呈白、灰等顏色，是分類的重要特征之一。◆菌落由菌絲體組成，放線菌的氣生菌絲，較細(xì)，生長緩慢，菌絲分枝交錯纏繞，故菌落質(zhì)地致密菌絲長在培養(yǎng)基內(nèi)，不易挑起。4、繁殖方式：以無性方式繁殖，主要是孢子絲通過橫隔分裂形成孢子，也可通過菌絲斷片繁殖，有些放線菌的菌絲上可形成孢子囊，孢囊成熟后釋放出孢囊孢子。5、應(yīng)用◆在醫(yī)藥工業(yè)中放線菌非常重要，目前大部分抗生素都是利用放線菌發(fā)酵生產(chǎn)（4000種以上）；◆此外還可用于生產(chǎn)酶類（如：蛋白酶、葡萄糖異構(gòu)酶）和維生素。（三）霉菌霉菌是一類形成菌絲體的絲狀真菌的統(tǒng)稱，屬于真核生物，分布廣泛。1.形態(tài)：（見右圖）曲霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài)根霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài)青霉在顯微鏡下的菌絲形態(tài)2.繁殖方式：具有有性繁殖和無性繁殖，但大部分為無性繁殖有性繁殖方式：卵孢子、結(jié)合孢子、子囊孢子無性繁殖方式：游動孢子、孢子囊孢子、分生孢子、菌絲孢子。根霉的孢子囊孢子3.用途：根霉——釀酒、乳酸、發(fā)酵食品、脂肪酶毛霉——豆類發(fā)酵食品青霉——青霉素、有機(jī)酸黑曲霉——檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、甾體轉(zhuǎn)化等米曲霉——發(fā)酵食品、有機(jī)酸、殺蟲劑、降血脂、淀粉酶、蛋白酶、果膠酶紅曲霉——降血脂、紅曲色素、發(fā)酵食品但需要注意黃曲霉能產(chǎn)生致癌毒素。

貴腐葡萄（四）酵母菌：酵母菌是一類單細(xì)胞的真核微生物1.形態(tài)：多為球形、卵形、圓筒形，一般酵母大小2-3um,部分達(dá)20-50um。2.分布：喜歡生長在含糖環(huán)境，成熟水果表皮上含有，果園、糖廠、酒廠土壤中。3.繁殖方式：分為有性繁殖和無性繁殖。無性繁殖中包括：芽殖和裂殖，發(fā)酵工業(yè)中以芽殖為主。有性繁殖是通過形成子囊孢子進(jìn)行。

4.用途：食品工業(yè)——釀酒、食用酵母、某些發(fā)酵食品、食用色素化工——生產(chǎn)甘油、乙醇、石油脫蠟、有機(jī)酸、酶制劑制藥——核酸、輔酶（五）食用菌靈芝冬蟲夏草松茸羊肚菌二、發(fā)酵工程及其應(yīng)用（一）發(fā)酵

⒈定義：發(fā)酵（fermentation）最初是由拉丁語ferver即“發(fā)泡”、“沸涌”派生而來的。指酵母作用于果汁或谷物，進(jìn)行酒精發(fā)酵時產(chǎn)生二氧化碳（CO2）的現(xiàn)象。隨后，法國微生物學(xué)家巴斯德探討了酵母酒精發(fā)酵的生理意義，認(rèn)為發(fā)酵是在無氧狀態(tài)下的呼吸過程?，F(xiàn)在發(fā)酵定義為：發(fā)酵是指利用特定的微生物（活細(xì)胞）來獲得產(chǎn)物的有氧或無氧的任何過程，泛指所有通過培養(yǎng)生物細(xì)胞（含動物、植物、微生物細(xì)胞）制得產(chǎn)物的過程。（二）發(fā)酵工程和微生物新陳代謝的特點

1.微生物發(fā)酵具有以下特點：

a.利用微生物b.原料多數(shù)為糧食性原料c.發(fā)酵條件溫和d.無菌環(huán)境2.微生物的新陳代謝

微生物發(fā)酵實質(zhì)是微生物的新陳代謝過程。⑴微生物不是孤立地存在，而是與外界環(huán)境發(fā)生密切聯(lián)系的。它們在生命活動中，一方面不斷從外界環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面又不斷地排出廢物。這種生物體與外界環(huán)境的物質(zhì)交換，就是生物的新陳代謝。⑶發(fā)酵是微生物的新陳代謝過程。在發(fā)酵過程中，微生物通過本身的新陳代謝活動，使原料發(fā)生了一系列的生物化學(xué)變化，最后變成人們所需要的產(chǎn)品。如：

糖酒精糖L-谷氨酸⑷代謝類型

a.合成代謝：如生物活性物質(zhì)、多糖、脂肪等合成，一般消耗能量。

b.分解代謝：大小，如多糖單糖，是釋放能量的過程。這兩種過程不是單獨分別進(jìn)行，而是相互聯(lián)結(jié)的。3、微生物新陳代謝的特點①新陳代謝過程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)往往是通過一連串的中間反應(yīng)過程來完成；②由酶所催化，所以代謝過程是在溫和條件下進(jìn)行的；③具有靈敏而巧妙的自動調(diào)節(jié)作用，使彼此相互作用、有條不紊地進(jìn)行。此外微生物新陳代謝還具有代謝速度快，代謝方式受環(huán)境影響的特點。（三）微生物發(fā)酵的一般過程：微生物發(fā)酵的一般過程包括：菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵和提取精制等幾個過程。①發(fā)酵培養(yǎng)基是人工配制的適合于微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分應(yīng)包含碳源、氮源、無機(jī)鹽微量元素、生長因子。②發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下對微生物進(jìn)行純種培養(yǎng)，因此所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備需經(jīng)過滅菌，通入的空氣也必須為無菌，轉(zhuǎn)移菌種也必須采用無菌接種技術(shù)。③發(fā)酵過程中微生物出現(xiàn)典型的生長周期：延滯期、對數(shù)生長期、靜止期、衰亡期。④發(fā)酵工藝的控制包括：溫度、pH、溶解氧濃度的控制及染菌的防治（四）微生物發(fā)酵工程的應(yīng)用1、發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用食品加工—蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、釀酒與含酒精飲料發(fā)酵乳制品—酸奶、乳酪、奶酒調(diào)味品與發(fā)酵食品—味精、肌苷酸、鳥苷酸、醬油、醋、醬、豆腐乳、泡菜、醬菜、發(fā)酵肉類食品添加劑—面包酵母、有機(jī)酸、色素、維生素、多糖、乳酸菌肽、甜味劑2、發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用抗生素—最大一類治療藥物。到目前為止，抗生素總數(shù)不少于9000種，產(chǎn)品100多種，年產(chǎn)值數(shù)百億美元。氨基酸—20多種，是重要的醫(yī)藥原料維生素—重要的醫(yī)藥原料甾體激素—重要的醫(yī)藥原料，大部分為化學(xué)合成-微生物轉(zhuǎn)化疫苗、核酸類藥物、藥用酶、蛋白質(zhì)類藥物天然藥物—通過細(xì)胞培養(yǎng)或微生物轉(zhuǎn)化3、發(fā)酵工程在輕工業(yè)中的應(yīng)用生產(chǎn)工業(yè)酶、糖酶、脂肪酶、果膠酶蛋白酶——主要是洗滌劑。4、發(fā)酵工程在化工產(chǎn)