南京工业大学生命工程与技术概论限选课发酵工程

第七讲生物技术★生物技术总论生物技术(Biotechnology)，它和微电子、新材料被称为二十一世纪三大前沿学科。生物技术是微生物学、分子生物学、生物化学、化学工程等多学科交叉的综合性学科。生物技术一般分为：发酵工程，酶工程，细胞工程，基因工程，蛋白质工程和生物化学工程。

1982年，国际合作与发展组织对生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。生物技术的特点：

◆高技术

◆高投入◆高利润生物技术应用诊断、防治疾病提高农副产物的质量和产量氨基酸、酶制剂、食品添加剂

开发新药物治理环境

现代生物技术为人类提供了巨大的利益

发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。定义：现在发酵工程是将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机结合起来，利用微生物生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。发酵工程一、发酵工程的发展历程◆

发酵工程的萌芽石器时代的后期古人类已能进行酒精发酵。古埃及人用酵母发酵制作面包和啤酒。中国周代后期,制作酱油和酿醋。◆

发酵工程的产生19世纪后期法国科学家巴斯德确定发酵是由微生物引起的，并建立了微生物纯种培养。科赫建立了划线法和平板培养法等分离纯化微生物的方法促进了微生物的生理生化研究。◆

发酵工程的建立二十世纪20年代大规模纯种培养发酵生产丙酮和丁醇，40-50年代青霉素的大规模发酵生产标志着，现代发酵工程的建立。随着遗传育种学与代谢调控技术的发展，60年代发酵工程飞速发展，称为第一次绿色革命。◆

发酵工程的发展1972年体外基因重组获得成功，标志着基因工程技术开始，80年代开始大量将基因工程改造的微生物与细胞应用于发酵工程。

作为一个最古老的生物技术，发酵工业在我国的国民经济中起着举足轻重的作用。

主要产品的产量产值1998166.3万吨135亿20011500万吨1300亿发达国家发酵工业的产值占国民生产总值的5%。而抗生素发酵工业的产值占医药工业的20%。一.工业微生物介绍：

（一）.细菌属于原核生物，单细胞生物⒈形态：球菌、杆菌、螺旋菌三大类，大小0.2-1.5um其中发酵工业中常见与常用的为球菌与杆菌，尤其是杆菌。电镜下的杆菌、球菌、螺旋菌2.细菌细胞的结构：一般构造包括：细胞壁、细胞膜、细胞质、间体、核糖体、核区、内含物颗粒。部分细菌具有特殊结构：夹膜、鞭毛、线毛、芽孢。根据细菌细胞壁结构的不同可分为革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌。革兰氏阴性革兰氏阳性4.细细菌菌的的繁繁殖殖细菌菌一一般般采采用用无无性性繁繁殖殖5.重重要要的的细细菌菌乳酸酸杆杆菌菌、、大大肠肠杆杆菌菌、、芽芽孢孢杆杆菌菌、、醋醋酸酸杆杆菌菌、、丙丙酸酸菌菌、、棒棒杆杆菌菌、、假假单单胞胞菌菌、、甲甲烷烷菌菌、、氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌。。6.用用途途广泛泛应应用用于于食食品品、、医医药药、、轻轻工工业业、、农农业业、、化化工工、、能能源源、、环环保保、、选选矿矿。。（二）放放线菌菌1、放线菌菌是一一种原原核生生物，，以菌菌落呈呈放射射状而而得名名。2、分布：：放线线菌在在自然然界分分布很很广，，主要要习居居于土土壤之之中，，中性性、偏偏碱性性的土土壤和和有机机质丰丰富的的土壤壤中较较多。。土壤壤特有有的泥泥腥味味主要要由放放线菌菌的代代谢产产物引引起的的。3、结构：：基内菌菌丝—长在培培养基基内，，吸收收营养养气生菌菌丝—向培养养基上上空伸伸展孢子丝丝—气生菌菌丝分分枝部部分具具有形形成孢子作作用的的繁殖殖菌丝丝菌丝体体世田北北里孢孢菌的的产气气孢子子多毛的的链霉霉菌孢孢子链链放线菌菌菌落落形态态◆放线菌菌的孢孢子常常具有有色素素，呈呈白、、灰等等颜色色，是是分类类的重重要特特征之之一。。◆菌落由由菌丝丝体组组成，，放线线菌的的气生生菌丝丝，较较细，，生长长缓慢慢，菌菌丝分分枝交交错缠缠绕，，故菌菌落质质地致致密菌菌丝长长在培培养基基内，，不易易挑起起。4、繁殖方方式：：以无性性方式式繁殖殖，主主要是是孢子丝丝通过过横隔隔分裂裂形成成孢子，，也可可通过过菌丝丝断片片繁殖，，有些些放线线菌的的菌丝丝上可形形成孢孢子囊囊，孢孢囊成成熟后释释放出出孢囊囊孢子子。5、应应用◆在医药药工业业中放放线菌菌非常常重要要，目目前大大部分分抗生生素都都是利利用放放线菌菌发酵酵生产产（4000种以上上）；；◆此外还还可用用于生生产酶酶类（（如：：蛋白白酶、、葡萄萄糖异异构酶酶）和和维生生素。。（三三））霉霉菌菌霉菌菌是是一一类类形形成成菌菌丝丝体体的的丝丝状状真真菌菌的的统统称称，，属属于于真真核核生生物物，，分分布布广广泛泛。。1.形形态态：：（（见见右右图图））曲霉霉在在显显微微镜镜下下的的菌菌丝丝形形态态根霉霉在在显显微微镜镜下下的的菌菌丝丝形形态态青霉霉在在显显微微镜镜下下的的菌菌丝丝形形态态2.繁繁殖殖方方式式：具有有有有性性繁繁殖殖和和无无性性繁繁殖殖，，但但大大部部分分为为无无性性繁繁殖殖有性性繁繁殖殖方方式式：：卵卵孢孢子子、、结结合合孢孢子子、、子子囊囊孢孢子子无性繁殖殖方式：：游动孢孢子、孢孢子囊孢孢子、分分生孢子子、菌丝丝孢子。。根霉的孢子囊孢孢子3.用用途：根霉——酿酒酒、乳酸酸、发酵酵食品、、脂肪酶毛霉——豆类类发酵食食品青霉——青霉霉素、有有机酸黑曲霉——柠檬檬酸、淀淀粉酶、、蛋白酶酶、果胶酶、、甾体转化化等米曲霉——发酵酵食品、、有机酸酸、杀虫剂、降降血脂、、淀粉酶酶、蛋白酶、、果胶酶酶红曲霉——降血血脂、红红曲色素素、发酵酵食品但需要注注意黄曲曲霉能产产生致癌癌毒素。。贵腐葡萄萄（四）酵母母菌：酵母菌是是一类单单细胞的的真核微微生物1.形态态：多为为球形、、卵形、、圆筒形形，一般般酵母大大小2-3um,部分达20-50um。2.分布布：喜欢欢生长在在含糖环环境，成成熟水果果表皮上上含有，，果园、、糖厂、、酒厂土土壤中。。3.繁殖殖方式：：分为有性性繁殖和和无性繁繁殖。无性繁殖殖中包括括：芽殖殖和裂殖殖，发酵酵工业中中以芽殖殖为主。。有性繁殖殖是通过过形成子子囊孢子子进行。。4.用途途：食品工业业——酿酿酒、食食用酵母母、某些些发酵食食品、食食用色素素化工———生产甘甘油、乙乙醇、石石油脱蜡蜡、有机机酸、酶酶制剂制药——核核酸、辅酶酶（五）食用用菌灵芝冬虫夏草松茸羊肚菌二、发酵工工程及其应应用（一）发酵酵⒈定义：发酵（fermentation））最初是由拉拉丁语ferver即“发泡””、“沸涌涌”派生而而来的。指指酵母作用用于果汁或或谷物，进进行酒精发发酵时产生生二氧化碳碳（CO2）的现象。随随后，法国国微生物学学家巴斯德探讨了酵母母酒精发酵酵的生理意意义，认为为发酵是在在无氧状态态下的呼吸吸过程。现在发酵定定义为：发酵是指利利用特定的的微生物（（活细胞））来获得产产物的有氧氧或无氧的的任何过程程，泛指所所有通过培培养生物细细胞（含动动物、植物物、微生物物细胞）制制得产物的的过程。（二）发酵工工程和微生生物新陈代代谢的特点点1.微生物物发酵具有有以下特点点：a.利用微生物物b.原料多数为为粮食性原原料c.发酵条件温温和d.无菌环境2.微生物物的新陈代代谢微生物发酵酵实质是微微生物的新新陈代谢过过程。⑴微生物物不是孤立立地存在，，而是与外外界环境发发生密切联联系的。它它们在生命命活动中，，一方面不不断从外界界环境中吸吸收营养物物质，另一一方面又不不断地排出出废物。这这种生物体体与外界环环境的物质质交换，就就是生物的的新陈代谢谢。⑶发酵是是微生物的的新陈代谢谢过程。在在发酵过程程中，微生生物通过本本身的新陈陈代谢活动动，使原料料发生了一一系列的生生物化学变变化，最后后变成人们们所需要的的产品。如如：糖酒酒精糖L-谷氨酸⑷代谢类型型a.合成代谢：：如生物活活性物质、多糖、脂肪肪等合成，，一般消耗能能量。b.分解代谢：：大小小，如多多糖单单糖糖，是释放放能量的过程。这两种过程程不是单独独分别进行行，而是相相互联结的的。3、微生物物新陈代谢谢的特点①新陈代代谢过程中中所发生的的化学反应应往往是通通过一连串串的中间反应应过程来完完成；②由酶所催化，所所以代谢过过程是在温和条件下进行行的；③具有灵灵敏而巧妙妙的自动调调节作用，，使彼此相相互作用、、有条不紊地地进行。此外微生物物新陈代谢谢还具有代代谢速度快快，代谢方方式受环境境影响的特特点。（三）微生物发酵酵的一般过过程：微生物发酵酵的一般过过程包括：：菌种制备备、种子培培养、发酵酵和提取精精制等几个个过程。①发酵培养养基是人工工配制的适适合于微生生物生长繁繁殖或积累累代谢产物物的营养基基质。培养养基中的营营养成分应应包含碳源源、氮源、、无机盐微微量元素、、生长因子子。②发酵是在在无菌状态态下对微生生物进行纯纯种培养，，因此所用用的培养基基和培养设设备需经过过灭菌，通通入的空气气也必须为为无菌，转转移菌种也也必须采用用无菌接种种技术。③发酵过程程中微生物物出现典型型的生长周周期：延滞滞期、对数数生长期、、静止期、、衰亡期。。④发酵工艺艺的控制包包括：温度度、pH、溶解氧浓度度的控制及及染菌的防防治（四）微生物物发酵工程程的应用1、发酵工工程在食品品工业中的的应用食品加工——蛋白酶、、淀粉酶、、糖化酶、、酿酒与含含酒精饮料料发酵乳制品品—酸奶、、乳酪、奶奶酒调味品与发发酵食品——味精、肌肌苷酸、鸟鸟苷酸、酱酱油、醋、、酱、豆腐腐乳、泡菜菜、酱菜、、发酵肉类类食品添加剂剂—面包酵酵母、有机机酸、色素素、维生素素、多糖、、乳酸菌肽肽、甜味剂剂2、发酵工工程在医药药工业中的的应用抗生素—最最大一类治治疗药物。。到目前为为止，抗生生素总数不不少于9000种，，产品100多种，，年产值数数百亿美元元。氨基酸—20多种，，是重要的的医药原料料维生素—重重要的医药药原料甾体激素——重要的医医药原料，，大部分为为化学合成成-微生物物转化疫苗、核酸酸类药物、、药用酶、、蛋白质类类药物天然药物——通过细胞胞培养或微微生物转化化3、发酵工工程在轻工工业中的应应用生产工业酶酶、糖酶、、脂肪酶、、果胶酶蛋白酶———主要是洗洗涤剂。4、发酵工工程在化工工产品中的的应用生产各种醇醇及有机溶溶剂，如乙乙醇、甘油油、丙酮生产有机酸酸：醋酸、、苹果酸、、乳酸、柠柠檬酸利用藻类生生产油脂，，如DHA、EPA5、发酵工工程在新能能源中的应应用生产甲烷、、乙醇、氢氢气6、发酵工工程在农业业中的应用用生物农药——微生物物杀虫剂：：细菌、真真菌、原生生动物杀虫虫剂防治动植物物病害：农农用抗生素素生物除草剂剂——杂草病原微微生物生产食用及及药用真菌菌——蘑菇、、草菇、木木耳、香菇菇、灵芝等等上百种7、发酵工工程在环境境保护中的的应用厌氧发酵、、好气发酵酵处理废水水废渣8、发酵工工程在冶金金选矿中的的应用利用氧化亚亚铁硫杆菌菌等自养微微生物将含含硫金属矿矿石中的金金属形成金金属盐释放放出来，如如金、银、、铜、铀、、铅、锌三.发酵工工程举例（一）啤酒酒生产一.概述述啤酒：以大麦经经发芽制成成的大麦芽芽为主要原原料，经糖糖化和发酵酵制成。特点：（1）含CO2、低酒精浓度度、起泡的的酿造酒。。（2）啤酒酒是酒类中中酒精含量量最低的饮饮料酒，且且营养丰富富。（3））啤啤酒酒历历史史悠悠久久。。啤酒酒是是世世界界产产量量最最大大的的饮饮料料酒酒，，已已达达11300万万吨吨，，人人均均年年占占有有量量23L。。制麦麦(发芽芽)糖化化车车间间生产产原原料料:1、主要要原料——大麦①可产生生大量的的水解酶酶类②大麦种种植遍及及全球③大麦的的化学成成份适合合酿造啤啤酒④大麦是是非人类类主食2、辅助助原料小小麦麦、玉米米、大米米、高梁梁等谷类类，玉米米淀粉、木薯薯等淀粉粉，蔗糖糖、淀粉粉糖浆等等.目的:①①降低成成本；②降低麦麦汁总氮氮，提高高啤酒稳稳定性3、啤酒酒花和酒酒花制品品酒花是啤啤酒的通通用香料料，能赋赋于啤酒酒柔和优优美的芳芳香和爽爽口的微微苦味，，能加速速麦汁中中高分子子蛋白质质的絮凝凝，能提提高啤酒酒泡沫起起泡性和和泡持性性，也能能增加麦麦汁和啤啤酒的生生物稳定定性。主要成成分：：a苦味物物质，，如α-酸、β-酸及一一系列列氧化化聚合合产物物，b酒花精精油，，是啤啤酒中中幽雅雅香气气的主主要成成份。。c多酚物物质，，含量量很少少（4%-8%）在在啤酒酒中可可形成成色泽泽。4、水水啤酒酿酿造水水的性性质，，主要要取决决于水水中溶溶解盐盐类的的科类类和含含量、、水的的生物物学纯纯净度度及气气味。。①对啤啤酒酿酿造全全过程程产生生很大大的影影响。。如：：糖化化时水水解酶酶的活活性和和稳定定性，，酶促促反应应的速速度、、麦花花和酒酒花在在不同同含盐盐水中中溶解解度的的差别别、盐盐和蛋蛋白质质的聚聚凝沉沉淀、、酵母母的痕痕量生生长营营养和和毒物物、发发酵风风味物物质的的形成成等。。②啤啤酒某某些风风味和和典型型性形形成和和酿造造水的的特性性有密密切联联系。。制麦工工艺流流程：原料大大麦清清洗分分级称称量量浸浸麦槽槽2.2mm以下小小麦粒粒作饲饲料湿大麦麦（含含水43～～48%)发发芽箱箱(12～18℃℃,5～～7天天)干燥除根机机贮贮藏成品麦麦芽麦芽质质量：：§叶芽芽长度度：浅浅色麦麦芽叶叶芽长长度为为麦粒粒长的的3/4者者占75%，平平均长长度为为麦粒粒长的的0.75左右右，不不发芽芽粒少少于5%，，可认认为优优良。。§糖化力力：指麦麦芽中α-淀粉酶和和β-淀粉酶联联合使淀淀粉水解解成还原原糖（以以麦芽糖糖表示））的能力力麦芽汁制制备工艺艺：⒈将将固态的的麦芽、、非发芽芽谷物、、酒花用用水调制制加工成成麦芽汁汁的过程程：粉碎糊糊化糖糖化过过滤加加酒花煮煮沸麦汁处理理啤酒瓶包包装上的的度数指指的是麦麦芽汁的的浓度而而不是酒酒精含量量。啤酒发酵酵：啤酒酵母母菌株正在裂殖殖的啤酒酒酵母商业用啤啤酒酵母母粉（二）酸酸奶生产产一、酸奶奶有非常常好的保保健作用用：1、营养作用用牛奶中的的蛋白质质经发酵酵后，乳乳蛋白变变成微细细的凝乳乳粒，易易于被人人体吸收收；酸奶奶中的磷磷、钙和和铁易于于吸收；；发酵过过程中乳乳酸菌还还会产生生人体所所必需的的维生素素B1、B2、B6、B12、、烟酸和叶叶酸等营营养物质质。2、缓解乳糖糖不耐症症3、整肠作用用饮用酸奶奶可以维维持有益益菌群的的优势4、抑菌作用用5、改善便秘秘作用6、降低胆固固醇7、抗癌作用用二、酸奶奶的类型型：从形态上上分有凝固型、搅拌型和饮料型我国传统统的玻璃璃瓶装的的酸奶就就属于凝凝固型酸酸奶。搅搅拌型型酸奶比比凝固型型酸奶稍稍稀一点点，但由由于添加加了果汁汁、果酱酱等配料料，使得得搅拌型型酸奶风风味更好好。酸奶和乳乳酸饮料料的区别别是：酸酸奶是经经过乳酸酸菌发酵酵的，蛋蛋白质的的含量（（2.7%－2.9%）与鲜牛牛奶一样样而乳酸酸饮料是是以鲜乳乳或乳制制品为原原料，加加入水、、糖液及及酸味剂剂（柠檬檬酸、乳乳酸等））生产而而成的一一种饮品品，它的的蛋白质质含量在在1%以下。所所以，乳乳酸饮料料的营养养价值就就远远不不如酸奶奶了。1、传统统用菌习惯上采采用嗜热热链球菌菌（Streptococusthermothilus)和保加利利亚乳杆杆菌(Lactobacilllusbulgaricus)的混合菌菌。2、添加加其他乳乳酸菌在上述传传统采用用的两种种菌的基基础上，，添加嗜嗜酸乳杆杆菌(Lactobacilusacidophilus)或双歧杆杆菌（Bifidobacteriumbifidum)，使酸奶的的保健作作用进一一步增加加。三、酸奶奶生产菌菌株酸奶生产产工艺蔗糖脱脱脂脂奶粉原料鲜奶奶净净化化脂脂肪含量量标准化化配配料料过滤⑴⑴预热热⑵⑵均质⑶⑶杀菌菌⑷⑷冷却接接种分分装装发发酵酵冷冷却却后后熟熟*均质：：充分分分散乳脂脂肪，使使酸奶不不会发生生脂肪上上浮现象象，酸奶奶的硬度度和粘度度都有所所提高；；而且酸酸奶的口口感细腻腻，更易易消化吸吸收。*灭菌方方法法1、将将乳加热热到90℃保温温5分钟钟，或85℃保保温30分钟方法2、、在135℃℃保温2～3秒秒（超高高温灭菌菌法UHT法）*分装将将接接种后的的牛乳先先分装到到销售用用的小容容器中,加盖后后送入恒恒温室培培养制成成酸奶。。分装应应在无菌菌室进行行。饮用酸奶奶时要注注意的问问题*要鉴别品品种目前市场场上，有有很多种种由牛奶奶或奶粉粉、糖、、乳酸或或柠檬酸酸、苹果果酸、香香料和防防腐剂等等加工配配制而成成的“乳酸奶”，其不具具备酸牛牛奶的保保健作用用，购买买时要仔仔细识别别。*酸奶不不能加热热喝酸奶一经经加热，，所含的的大量活活性乳酸酸菌便会会被杀死死，不仅仅丧失了了它的营营养价值值和保健健功能，，也使酸酸奶的物物理性状状发生改改变，形形成沉淀淀，特有有的口味味也消失失了。*酸奶不不要空腹腹喝空腹时胃胃内的酸酸度大（（pH=2），乳酸酸菌易被被胃酸杀杀死，保保健作用用减弱。。饭后2小时左右右，饭后后胃液被被稀释，，胃内的的酸度最最适合于于乳酸菌菌生长，，因此，，这个时时候是喝喝酸奶的的最佳时时间。*饮后要要及时漱漱口乳酸对牙牙齿有一一定的腐腐蚀作用用。喝完完酸奶后后要及时时漱口。。*酸奶需需要冷藏藏酸奶需在在4℃下冷藏，，在保存存中酸度度会不断断提高而而使酸奶奶变得更更酸，否否则会使使酸奶生生长菌、、酵母或或芽孢杆杆菌而使使其变质质，这样样的酸奶奶不能食食用。瑞典利乐超高温设备

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