1.3发酵工程及其应用课件(共27张PPT)2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3
文档属性
| 名称 | 1.3发酵工程及其应用课件(共27张PPT)2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 9.7MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-01-26 09:59:38 | ||
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文档简介
(共27张PPT)
1.3发酵工程及其应用
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
1
目录
2
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
1
发酵工程的基本环节
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
大规模生产
发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
1
发酵工程的基本环节
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产青霉素
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
1
发酵罐示意图
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；
②加快O2的溶解以及散热。
1
思考·讨论
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；④及时添加必需的营养组分；⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
1
发酵工程的基本环节
3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。
4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
1
发酵工程的基本环节
发酵工程的优点
产物专一
原料来源丰富且价格低廉
生产条件温和
废弃物对环境的污染小和容易处理
发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
2
发酵工程的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域
大豆(主要原料)
酱油的产生
各种酒类的生产
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
（1）生产传统的发酵食品
2
发酵工程的应用
实例：
柠檬酸是一种食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
（2）生产各种各样的食品添加剂：许多食品添加剂都能通过发酵工程生产。
添加了柠檬酸的饮料
增加食品的营养;
改善食品的口味、色泽和品质;
延长食品的保存。
食品添加剂的作用
表1-2 常用的几种食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶
2
发酵工程的应用
（3）生产酶制剂
食品直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
提高产品产量
延长食品储存期
改善产品的品质和口味
酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
氨基酸肽酶
脂肪酶
… …
酶制剂
少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产。
2
发酵工程的应用--啤酒的工业化生产
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
发芽
碾磨
糖化
蒸煮
焙烤
主发酵
消毒
终止
后发酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成
在低温、密闭的环境下储存一段时间
加啤酒花
冷却
接种
过滤
发酵
2
发酵工程的应用
发芽
1
2
焙烤
大麦种子发芽，
释放 。
淀粉酶
加热 ， 但 。
3
碾磨
糖化罐
4
糖化
杀死种子胚
不使淀粉酶失活
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
2
发酵工程的应用
蒸煮
5
糖浆
啤酒花
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
冷却
6
发酵
过滤
7
消毒
装瓶
装罐
储存罐
8
终止
将糖转化为 和CO2
酵母菌
酒精
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
（无氧呼吸）
过滤、调节、
分装啤酒进行出售。
思考·讨论
2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
1. 与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
2
发酵工程的应用
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
2
发酵工程的应用--在医药工业上的应用
（1）发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素，青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。
（2）基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
例：生产生长激素释放抑制激素。
例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
例：生产乙肝疫苗的方法。
2
发酵工程的应用--在农牧业上的应用
1.生产微生物肥料
①微生物肥料的种类：
②微生物肥料的作用：
生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.
根瘤菌肥、固氮菌肥。
2
发酵工程的应用--在农牧业上的应用
2.生产微生物农药
①微生物农药的作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②实例：
苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。
白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
井冈霉素 防治水稻枯纹病。
③防治类型：
生物防治
2
3.生产微生物饲料
①原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；
应用：
生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
成分：
不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
③实例2——乳酸菌
单细胞蛋白
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力
发酵工程的应用--在农牧业上的应用
2
发酵工程的应用--在其他方面的应用
1.解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
2.将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
①极端微生物：
②举例：
嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂；
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
课堂小结
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
发酵工程应用
生产酶制剂
采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物
直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
随堂检测
1.下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是( )A.发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态
答案：A
解析：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术。发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧，故发酵过程中可能需要适时添加营养物质等，C错误；现在，发酵工程已经发展到可以利用计算机进行自动调节控制的阶段，D错误。
随堂检测
2.由于发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等特点，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，错误的是( )
A.酱油是以大豆为主要原料，利用霉菌制作而成的
B.啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成
C.味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵产生的谷氨酸经过一系列处理获得的
D.由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH
答案：B
解析：酱油是以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制而成的，A正确。啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成；主发酵结束后，在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵阶段，B错误。谷氨酸棒状杆菌在中性和弱碱性条件下发酵可以获得谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理能够制成味精，C正确。酶制剂是从生物体内提取出来的具有酶特性的一类化学物质，因此使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类、适宜的温度和pH等，D正确。
随堂检测
3.发酵工程广泛应用于农牧业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是( )
A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计
B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产
C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低
D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料
答案：B
解析：科学技术的应用离不开理论的支持和设备等工具的进步，因此发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计，A正确：筛选出能高产柠檬酸的黑曲霉菌种后还需要进一步扩大化培养才能接种到发酵罐中进行发酵生产，B错误；若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能被杂菌污染，造成青霉素被分解，产量降低，C正确：发酵工程生产的单细胞蛋白是微生物的细胞，含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料， D正确。
随堂检测
4.随着微生物分离纯化技术的建立，微生物纯培养物的获得，灭菌及无菌接种技术的发展，发酵技术从传统自然发酵发展为纯种发酵。发酵工程就是利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。下列关于发酵工程及其应用的叙述中，错误的是( )
A.通过发酵工程获得的单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料
B.啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成
C.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是生物防治的重要手段
D.只有发酵工程的中心环节结束时才需要检测培养液中的微生物数量、产品浓度等
答案：D
解析：单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量微生物菌体，可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料，A正确；啤酒发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，故啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成，B正确；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用，C正确；在发酵工程过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，D错误。
1.3发酵工程及其应用
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
1
目录
2
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
1
发酵工程的基本环节
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
大规模生产
发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
1
发酵工程的基本环节
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产青霉素
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
1
发酵罐示意图
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；
②加快O2的溶解以及散热。
1
思考·讨论
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；④及时添加必需的营养组分；⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
1
发酵工程的基本环节
3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。
4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
1
发酵工程的基本环节
发酵工程的优点
产物专一
原料来源丰富且价格低廉
生产条件温和
废弃物对环境的污染小和容易处理
发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
2
发酵工程的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域
大豆(主要原料)
酱油的产生
各种酒类的生产
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
（1）生产传统的发酵食品
2
发酵工程的应用
实例：
柠檬酸是一种食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
（2）生产各种各样的食品添加剂：许多食品添加剂都能通过发酵工程生产。
添加了柠檬酸的饮料
增加食品的营养;
改善食品的口味、色泽和品质;
延长食品的保存。
食品添加剂的作用
表1-2 常用的几种食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶
2
发酵工程的应用
（3）生产酶制剂
食品直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
提高产品产量
延长食品储存期
改善产品的品质和口味
酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
氨基酸肽酶
脂肪酶
… …
酶制剂
少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产。
2
发酵工程的应用--啤酒的工业化生产
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
发芽
碾磨
糖化
蒸煮
焙烤
主发酵
消毒
终止
后发酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成
在低温、密闭的环境下储存一段时间
加啤酒花
冷却
接种
过滤
发酵
2
发酵工程的应用
发芽
1
2
焙烤
大麦种子发芽，
释放 。
淀粉酶
加热 ， 但 。
3
碾磨
糖化罐
4
糖化
杀死种子胚
不使淀粉酶失活
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
2
发酵工程的应用
蒸煮
5
糖浆
啤酒花
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
冷却
6
发酵
过滤
7
消毒
装瓶
装罐
储存罐
8
终止
将糖转化为 和CO2
酵母菌
酒精
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
（无氧呼吸）
过滤、调节、
分装啤酒进行出售。
思考·讨论
2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
1. 与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
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发酵工程的应用
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
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发酵工程的应用--在医药工业上的应用
（1）发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素，青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。
（2）基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
例：生产生长激素释放抑制激素。
例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
例：生产乙肝疫苗的方法。
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发酵工程的应用--在农牧业上的应用
1.生产微生物肥料
①微生物肥料的种类：
②微生物肥料的作用：
生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.
根瘤菌肥、固氮菌肥。
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发酵工程的应用--在农牧业上的应用
2.生产微生物农药
①微生物农药的作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②实例：
苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。
白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
井冈霉素 防治水稻枯纹病。
③防治类型：
生物防治
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3.生产微生物饲料
①原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；
应用：
生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
成分：
不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
③实例2——乳酸菌
单细胞蛋白
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力
发酵工程的应用--在农牧业上的应用
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发酵工程的应用--在其他方面的应用
1.解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
2.将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
①极端微生物：
②举例：
嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂；
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
课堂小结
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
发酵工程应用
生产酶制剂
采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物
直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
随堂检测
1.下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是( )A.发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态
答案：A
解析：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术。发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧，故发酵过程中可能需要适时添加营养物质等，C错误；现在，发酵工程已经发展到可以利用计算机进行自动调节控制的阶段，D错误。
随堂检测
2.由于发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等特点，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，错误的是( )
A.酱油是以大豆为主要原料，利用霉菌制作而成的
B.啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成
C.味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵产生的谷氨酸经过一系列处理获得的
D.由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH
答案：B
解析：酱油是以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制而成的，A正确。啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成；主发酵结束后，在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵阶段，B错误。谷氨酸棒状杆菌在中性和弱碱性条件下发酵可以获得谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理能够制成味精，C正确。酶制剂是从生物体内提取出来的具有酶特性的一类化学物质，因此使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类、适宜的温度和pH等，D正确。
随堂检测
3.发酵工程广泛应用于农牧业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是( )
A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计
B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产
C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低
D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料
答案：B
解析：科学技术的应用离不开理论的支持和设备等工具的进步，因此发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计，A正确：筛选出能高产柠檬酸的黑曲霉菌种后还需要进一步扩大化培养才能接种到发酵罐中进行发酵生产，B错误；若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能被杂菌污染，造成青霉素被分解，产量降低，C正确：发酵工程生产的单细胞蛋白是微生物的细胞，含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料， D正确。
随堂检测
4.随着微生物分离纯化技术的建立，微生物纯培养物的获得，灭菌及无菌接种技术的发展，发酵技术从传统自然发酵发展为纯种发酵。发酵工程就是利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。下列关于发酵工程及其应用的叙述中，错误的是( )
A.通过发酵工程获得的单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料
B.啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成
C.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是生物防治的重要手段
D.只有发酵工程的中心环节结束时才需要检测培养液中的微生物数量、产品浓度等
答案：D
解析：单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量微生物菌体，可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料，A正确；啤酒发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，故啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成，B正确；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用，C正确；在发酵工程过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，D错误。