发酵工程原理及其在食品工业中的应用.pptx

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1、第一节第一节 概述概述1 1、发酵、发酵(fermentation)(fermentation)：来源于拉丁文来源于拉丁文“ferverefervere”，是果汁或麦芽汁经过酵母发酵作用而出现的，是果汁或麦芽汁经过酵母发酵作用而出现的“沸腾沸腾”现现象。象。生物化学上讲，发酵是无氧条件下一个有机化合物同时作为电子的供体和最终受体并生物化学上讲，发酵是无氧条件下一个有机化合物同时作为电子的供体和最终受体并产生能量的过程。产生能量的过程。微生物上讲，发酵是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本微生物上讲，发酵是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其初级代

2、谢产物、次级代谢产物的过程。身，或其初级代谢产物、次级代谢产物的过程。一、发酵工程的定义一、发酵工程的定义第1页/共286页2 2、发酵工程：、发酵工程：也称微生物工程。利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特也称微生物工程。利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，最大限度地发挥微生物的殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，最大限度地发挥微生物的某种特定功能，以生产出人类所需的产品。某种特定功能，以生产出人类所需的产品。第2页/共286页营养简单营养简单-可以在相对经济的培养基上生长可以在相对经济的培养基上生长培养条件相

3、对粗放培养条件相对粗放-如温度如温度pHpH值易于控制值易于控制倍增时间短倍增时间短-高效率地生产高效率地生产(表达效率高表达效率高)结构简单结构简单-易于改良和基因操作易于改良和基因操作,获得新品种获得新品种种类多种类多-代谢产物繁多代谢产物繁多第3页/共286页例如：发酵法生产胰岛素例如：发酵法生产胰岛素 胰岛素是一个蛋白质激素，由胰岛素是一个蛋白质激素，由5151个氨基酸个氨基酸组成，胰岛素能够降低人体内的血糖含量，医组成，胰岛素能够降低人体内的血糖含量，医学上常用胰岛素作为治疗糖尿病的药物，但传学上常用胰岛素作为治疗糖尿病的药物，但传统的胰岛素生产方法是从牛或猪胰脏中提取，统的胰岛素生

4、产方法是从牛或猪胰脏中提取，每每454454公斤牛胰脏可得到公斤牛胰脏可得到1010克胰岛素，所以很克胰岛素，所以很难满足需要。难满足需要。发酵工程法：首先编码胰岛素基因，导入发酵工程法：首先编码胰岛素基因，导入大肠杆菌中，培养这一工程菌，从而得到大量大肠杆菌中，培养这一工程菌，从而得到大量的胰岛素，每的胰岛素，每200200升得到升得到1010克胰岛素。克胰岛素。第4页/共286页3 3、发酵工程的特点、发酵工程的特点（1 1）发酵过程一般都是在常温常压下进行的）发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件比较简单。生物化学反应，反应安全，要求条件比较简单。（2 2）发

5、酵所用的原料简单粗放。）发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。更新。第5页/共286页（3 3）发发酵酵过过程程反反应应的的专专一一性性强强，可可以以得得到到较较为单一的代谢产物。为单一的代谢产物。（4 4）发酵

6、过程中对杂菌污染的防治至关重要。）发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除除了了必必须须对对设设备备进进行行严严格格消消毒毒处处理理和和空空气气过过滤滤外外，反反应应必必须须在在无无菌菌条条件件下下进进行行。如如果果污污染染了了杂杂菌菌，生生产产上上就就要要遭遭到到巨巨大大的的经经济济损损失失，要要是是感感染染了了噬噬菌菌体体，对对发发酵酵就就会会造造成成更更大大的的危危害害。因因而而维维持持无无菌菌条条件件是是发发酵酵成成败败的关键。的关键。第6页/共286页（5 5）能能够够专专一一性性地地和和高高度度选选择择性性地地对对某某些些较较为为复复杂杂的的化化合合物物进进行行特特定定部部位位地地氧

7、氧化化、还还原原等等化化学学转转化化反反应应，也也可可以以产产生生比比较较复复杂杂的的高高分分子子化化合物。合物。（6 6）通通过过变变异异和和菌菌种种筛筛选选，可可以以获获得得高高产产的的优优良良微微生生物物菌菌种种，使使生生产产设设备备得得到到充充分分利利，可可以以获得按常规方法难以生产的产品。获得按常规方法难以生产的产品。（7 7）工工业业发发酵酵与与其其他他工工业业相相比比，投投资资少少，见见效效快，并可以取得显著的经济效益。快，并可以取得显著的经济效益。第7页/共286页二、发酵工程主要研究内容二、发酵工程主要研究内容 1.1.大规模微生物细胞培养过程；大规模微生物细胞培养过程；2.

8、2.大规模培养基灭菌和空气灭菌过程；大规模培养基灭菌和空气灭菌过程；3.3.微生物细胞生长和产物形成动力学；微生物细胞生长和产物形成动力学；4.4.发酵过程的优化；发酵过程的优化；5.5.生物反应器的放大和设计；生物反应器的放大和设计；6.6.发酵过程的参数监控和计算机应用；发酵过程的参数监控和计算机应用；7.7.发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。第8页/共286页三、发酵工程产品类型三、发酵工程产品类型 1.1.以菌体为产品。以菌体为产品。例如：药用真菌，食用菌，酵母菌、单细胞蛋白例如：药用真菌，食用菌，酵母菌、单细胞蛋白 2.2.以微生物的酶为产品。以

9、微生物的酶为产品。例例如如：糖糖化化酶酶、碱碱性性蛋蛋白白酶酶、淀淀粉粉酶酶，与与从从动动植植物物体体内内提提取取相相比比，可可以以大大规模生产，提高酶的产量。规模生产，提高酶的产量。第9页/共286页3.3.以微生物的代谢产物为产品以微生物的代谢产物为产品 初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类、碳水化合物。初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类、碳水化合物。次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、激素、维生素。次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、激素、维生素。4.4.利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改造，即产品的转化过程。利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改造

10、，即产品的转化过程。转化反应包括催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。转化反应包括催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。第10页/共286页（一）天然发酵阶段（一）天然发酵阶段（古代（古代-1900-1900年）年）主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数产品为厌氧发酵、非纯种主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数产品为厌氧发酵、非纯种培养、凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。培养、凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。四、发酵工程的发展简史四、发酵工程的发展简史第11页/共286页（二）纯培养技术的建立（二）纯培养技术的建立（1

11、9051905年年-）纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。主要的产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮主要的产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在一次大战时，在一次大战时，WeizmannWeizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵第12页/共286页（三）通气搅拌发酵技术的建立（三）通气搅拌发酵技术的建立（19401940年年-）通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业上的第二个

12、转折点。通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业上的第二个转折点。这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题 第13页/共286页（四）代谢控制发酵技术（四）代谢控制发酵技术（四）代谢控制发酵技术（四）代谢控制发酵技术 由由氨氨基基酸酸发发酵酵而而开开始始的的代代谢谢控控制制发发酵酵，使使发发酵酵工工业业进进入入一一个个新新的的阶阶段段。随随后后，核苷酸、酶制剂以及有机酸等方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。核苷酸、酶制剂以及

13、有机酸等方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。氨基酸发酵氨基酸发酵(谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸)核酸类物质发酵核酸类物质发酵(肌苷酸、鸟苷酸肌苷酸、鸟苷酸)柠檬酸发酵柠檬酸发酵 有机酸发酵有机酸发酵 切断支路代谢切断支路代谢:酶的活力调控酶的活力调控,酶的合成调控酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏反馈控制和反馈阻遏),),解除菌体自身的解除菌体自身的反馈调节反馈调节,突变株的应用突变株的应用,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等第14页/共286页（五）开拓发酵原料时期（五）开拓发酵原料时期（19601960年年-）石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷

14、等碳氢化合物被用来作为发酵原料。甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料。以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源的来源 出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐环的发酵罐 工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法第15页/共286页（六）基因工程阶段（六）基因工程阶段（1979-）使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如胰岛素、干扰素、白使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如胰岛素、干扰素、白介素和多细胞生长因子等，大大地拓宽了发酵工业的范围，使发酵

15、工业发生了革命性介素和多细胞生长因子等，大大地拓宽了发酵工业的范围，使发酵工业发生了革命性变化。变化。第16页/共286页五、发酵工程的发展趋势和现五、发酵工程的发展趋势和现状状（一）现状（一）现状1 1、提高产量：通过微生物菌种和工艺的改进，使整个世界的总产量提高了、提高产量：通过微生物菌种和工艺的改进，使整个世界的总产量提高了5 5倍，抗倍，抗生素达生素达1010倍以上，饲料酵母达十几倍。倍以上，饲料酵母达十几倍。2 2、改造工艺：对传统发酵行业形成了巨大的冲击，老的工艺得到了大的改进。、改造工艺：对传统发酵行业形成了巨大的冲击，老的工艺得到了大的改进。3 3、开发产品：现代发酵技术给人类

16、带来了许多新产品，例如：、开发产品：现代发酵技术给人类带来了许多新产品，例如：SCPSCP第17页/共286页(二二)发展趋势发展趋势1 1、利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的需要、利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的需要合成某些产品；合成某些产品；2 2、采用发酵技术进行高等动植物细胞培养；、采用发酵技术进行高等动植物细胞培养；3 3、按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控；、按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控；4 4、在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产

17、控、在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向发展；制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向发展；5 5、固定化技术广泛应用；、固定化技术广泛应用；6 6、将生物技术理论广泛地用于发酵工程。、将生物技术理论广泛地用于发酵工程。第18页/共286页六、我国发酵工业与先进国家相比，六、我国发酵工业与先进国家相比，存在的主要差距存在的主要差距 1.1.传统发酵产品及产量发展过大过快传统发酵产品及产量发展过大过快 酒类、谷氨酸、柠檬酸、普通酶制剂和抗生素等。酒类、谷氨酸、柠檬酸、普通酶制剂和抗生素等

18、。2.2.发酵产品工业产值在国民生产总值中的比例较低（发酵产品工业产值在国民生产总值中的比例较低（1%1%）以下）以下 3.3.发酵产品档次低，品种少，不配套。发酵产品档次低，品种少，不配套。4.4.技术创新力度不够，低水平重复现象严重。技术创新力度不够，低水平重复现象严重。第19页/共286页典型的发酵过程示意图七七、发酵工艺及方法简介、发酵工艺及方法简介第20页/共286页1.生物催化剂的制备:具工业价值菌种的分离及育种技术、满足大罐生产的种子扩大培养技术2.原材料预处理及培养基的制备:生产培养基设计、培养基大规模灭菌技术3.生物反应过程控制技术:生物反应动力学、代谢调控技术、溶解氧控制、

19、温度控制、pH控制、染菌的防治技术4.产品的分离与纯化第21页/共286页第22页/共286页（一）固体发酵法（一）固体发酵法 利利用用固固体体基基质质，如如麸麸皮皮、米米糠糠、秸秸秆秆等等为为主主要要原原料料，再再根根据据需需要要添添加加其其他他谷谷糠糠、豆豆饼饼、无无机机盐盐等等，加加水水拌拌成成含含水水量量适适度度的的半半固固态态物物料料作作为为培培养养基基，供供微微生生物物的的生生长长繁繁殖殖和和产产生生代代谢谢产产物物。目目前前利利用用固固体体发发酵酵法法生生产产的的产产品品有有酒酒曲曲、白白酒酒、酱酱油油、食食醋醋、腐腐乳乳、酶制剂、食用菌、发酵饲料、生物农药等。酶制剂、食用菌、发

20、酵饲料、生物农药等。第23页/共286页固体发酵与液体（深层）发酵相比，具有以下优点：固体发酵与液体（深层）发酵相比，具有以下优点：固体发酵单位体积的酶产量往往高于液体发酵几倍，固体发酵单位体积的酶产量往往高于液体发酵几倍，甚至几十倍，特别适合真菌酶类和一些次级代谢甚至几十倍，特别适合真菌酶类和一些次级代谢产物及大型真菌的生产。产物及大型真菌的生产。操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以利用多种其他发酵工艺无法利用的粮食加工下以利用多种其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料或废料进行生产。脚料或废料进行生产。固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即

21、可，能耗固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即可，能耗低。低。固体发酵的产物提取一般步骤少，降低生产成本。固体发酵的产物提取一般步骤少，降低生产成本。有些产物，如饲料或饲料添加剂，不需要分离步有些产物，如饲料或饲料添加剂，不需要分离步骤，全部发酵物质可以作为产品。骤，全部发酵物质可以作为产品。发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。第24页/共286页（二）液体发酵法（二）液体发酵法 利利用用液液态态培培养养基基，进进行行微微生生物物的的生生长长繁繁殖殖和和形形成成人人们们所所需需要要的的代代谢谢产产物物。根根据据通通气气（供供氧氧）或或不不通

22、通气气及及通通气气方方法法的的不不同同，又又分分为为液液体体表表面面发发酵酵法法、液液体体深深层层通通气气发发酵酵法法、液体厌氧发酵法三种。液体厌氧发酵法三种。第25页/共286页液体表面发酵法液体表面发酵法 又又称称液液体体浅浅盘盘发发酵酵法法或或静静置置培培养养法法，是是将将已已灭灭菌菌的的液液体体培培养养基基，接接入入微微生生物物菌菌种种后后，装装入入可可密密闭闭的的发发酵酵箱箱内内盘盘架架上上的的浅浅盘盘中中，薄薄薄薄一一层层，液液层层厚厚约约1 12cm2cm，然然后后向向盘盘架架间间通通入入无无菌菌空空气气，通通过过浅浅盘盘内内培培养养基基的的表表面面供供给给氧氧气气，并并维维持持

23、一一定定的的温温度进行发酵。度进行发酵。优点：无须搅拌，动力消耗省。优点：无须搅拌，动力消耗省。缺点：控制杂菌污染较难，所需场地较大，劳动强度大，生产效率低。缺点：控制杂菌污染较难，所需场地较大，劳动强度大，生产效率低。第26页/共286页液体深层通气发酵法液体深层通气发酵法 将微生物接入装有无菌液体培养基的封闭发酵罐中进行培养或发酵的技术。将微生物接入装有无菌液体培养基的封闭发酵罐中进行培养或发酵的技术。优点：优点：容易按照生产菌种对代谢营养物以及不同生理时期的通风、搅拌、温度和培容易按照生产菌种对代谢营养物以及不同生理时期的通风、搅拌、温度和培养基养基pHpH值等的要求，选择最佳培养条件。

24、值等的要求，选择最佳培养条件。产品纯度高，质量也较稳定，还具有机械化程度高、劳动强度小、设备利用率高等产品纯度高，质量也较稳定，还具有机械化程度高、劳动强度小、设备利用率高等优点。优点。缺点：易染菌、无菌操作要求高、设备投资大。缺点：易染菌、无菌操作要求高、设备投资大。第27页/共286页液体厌氧发酵法液体厌氧发酵法 能作大规模液体培养的厌氧菌仅丙酮丁醇梭菌，用于丙酮的发酵生产。酒精、能作大规模液体培养的厌氧菌仅丙酮丁醇梭菌，用于丙酮的发酵生产。酒精、啤酒、葡萄酒、酸乳的发酵属于兼性厌氧发酵，菌种培养时需要适量通气，发酵啤酒、葡萄酒、酸乳的发酵属于兼性厌氧发酵，菌种培养时需要适量通气，发酵时则

25、不通气。时则不通气。优点：可省略通气和搅拌设备，简化工艺过程，还能大大节约能源的消耗，提优点：可省略通气和搅拌设备，简化工艺过程，还能大大节约能源的消耗，提高生产效率。高生产效率。第28页/共286页 1.1.纯纯度度高高、稳稳定定：生生产产菌菌种种纯纯度度高高，不不易易变变异异退退化化，以以保保证证发发酵酵生生产产和和产产品品质质量的稳定性。量的稳定性。2.2.易易培培养养：菌菌种种可可以以在在要要求求不不高高，易易于于控控制制的的培培养养条条件件下下（糖糖浓浓度度、温温度度、pHpH值、溶解氧和渗透压等）迅速生长和发酵。值、溶解氧和渗透压等）迅速生长和发酵。3.3.周期短：菌株生长速度和产

26、物生成速度应较快，发酵周期较短。周期短：菌株生长速度和产物生成速度应较快，发酵周期较短。第二节第二节 食品发酵菌种筛选、食品发酵菌种筛选、保藏和培养保藏和培养一、一、食品发酵工业对微生物菌种的一般要求食品发酵工业对微生物菌种的一般要求 第29页/共286页 4.4.来来源源广广泛泛：菌菌种种能能在在廉廉价价原原料料制制成成的的培培养养基基上上迅迅速速生生长长和和繁繁殖殖，并并且且生生成成所需的代谢产物产量要高。所需的代谢产物产量要高。5 5、产物单一。、产物单一。6.6.不易被感染：选择一些不易被噬菌体感染的菌株。不易被感染：选择一些不易被噬菌体感染的菌株。7.7.非病源菌：不产生任何有害的生

27、物活性物质（包括激素和毒素等），以保非病源菌：不产生任何有害的生物活性物质（包括激素和毒素等），以保证安全。证安全。第30页/共286页二、食品发酵工业常用微生二、食品发酵工业常用微生物物 微生物代谢产物已超过微生物代谢产物已超过13001300多种，但大规模生产的代谢产物只有多种，但大规模生产的代谢产物只有100100多种。微生物多种。微生物的酶有近千种，已工业化利用的不过的酶有近千种，已工业化利用的不过40-5040-50种。因此，可以说微生物的利用潜力很大。种。因此，可以说微生物的利用潜力很大。（一）细菌（一）细菌 发酵工业中常用的细菌：枯草芽孢杆菌（蛋白酶、淀粉酶）、乳酸杆菌（乳酸）、

28、发酵工业中常用的细菌：枯草芽孢杆菌（蛋白酶、淀粉酶）、乳酸杆菌（乳酸）、醋酸杆菌（醋酸）、梭状芽孢杆菌（丙酮、丁醇）、巨大芽孢杆菌（葡萄糖异构酶）、醋酸杆菌（醋酸）、梭状芽孢杆菌（丙酮、丁醇）、巨大芽孢杆菌（葡萄糖异构酶）、大肠杆菌（谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶等）、产氨短杆菌（氨基酸、核苷酸）等。大肠杆菌（谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶等）、产氨短杆菌（氨基酸、核苷酸）等。第31页/共286页名称名称产物产物用途用途短杆菌短杆菌味精、谷氨酸味精、谷氨酸食用、医药食用、医药枯草杆菌枯草杆菌淀粉酶淀粉酶酒精、啤酒、葡萄糖纺织香料酒精、啤酒、葡萄糖纺织香料枯草杆菌枯草杆菌蛋白酶蛋白酶酱油、水解蛋白、饲料、明

29、胶酱油、水解蛋白、饲料、明胶梭装杆菌梭装杆菌丙酮丁醇丙酮丁醇有机溶剂有机溶剂巨大芽孢杆菌巨大芽孢杆菌 葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶果糖果糖大肠杆菌大肠杆菌酰胺酶酰胺酶新型青霉素新型青霉素短杆菌短杆菌肌苷酸肌苷酸医药、食品医药、食品节杆菌节杆菌强地松强地松医药医药蜡状芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌 青霉素酶青霉素酶青霉素鉴定青霉素鉴定第32页/共286页乳酸杆菌第33页/共286页（二）酵母菌（二）酵母菌 发酵工业中常用的酵母：酿酒酵母、汉逊酵母和各种假丝酵母等。除了用发酵工业中常用的酵母：酿酒酵母、汉逊酵母和各种假丝酵母等。除了用来酿造饮料酒、酒精和烤制面包外，还可用于生产甘油、酶制剂、有机酸等。来酿造饮料

30、酒、酒精和烤制面包外，还可用于生产甘油、酶制剂、有机酸等。此外，由于酵母菌体本事富含蛋白质、核糖核酸、细胞色素此外，由于酵母菌体本事富含蛋白质、核糖核酸、细胞色素C C、酶类及多种维生、酶类及多种维生素，又是医药、食品、饲料行业中的重要原料。素，又是医药、食品、饲料行业中的重要原料。第34页/共286页名称名称产物产物用途用途酒精酵母酒精酵母酒精酒精工业、医药工业、医药酵母酵母甘油甘油医药、军工医药、军工假丝酵母假丝酵母石油、蛋白石油、蛋白低凝固点石油、酵母菌体蛋白低凝固点石油、酵母菌体蛋白假丝酵母假丝酵母环烷酸环烷酸工业工业啤酒酵母啤酒酵母细胞色素细胞色素医药医药啤酒酵母啤酒酵母辅酶辅酶A医

31、药医药啤酒酵母啤酒酵母酵母片酵母片医药医药啤酒酵母啤酒酵母凝血质凝血质医药医药类酵母类酵母脂肪酶脂肪酶医药医药阿氏假囊酵母阿氏假囊酵母核黄素核黄素医药医药胞壁酵母胞壁酵母乳糖酶乳糖酶食品工业食品工业第35页/共286页第36页/共286页（三）霉菌（三）霉菌 发酵工业中常用的霉菌：根霉属，主要产淀粉酶、脂肪酶、乳酸、甾体激素等；发酵工业中常用的霉菌：根霉属，主要产淀粉酶、脂肪酶、乳酸、甾体激素等；毛霉属，主要产蛋白酶、凝乳酶、草酸、甾体激素等；木霉属，主要产纤维素酶等；毛霉属，主要产蛋白酶、凝乳酶、草酸、甾体激素等；木霉属，主要产纤维素酶等；青霉属，主要产脂肪酶、葡萄糖氧化酶、维生素等；曲霉属

32、，主要产维生素青霉属，主要产脂肪酶、葡萄糖氧化酶、维生素等；曲霉属，主要产维生素C C、柠檬酸、柠檬酸、各种水解酶类等。各种水解酶类等。第37页/共286页名称名称产物产物用途用途黑曲霉黑曲霉柠檬酸柠檬酸工业、食用、医药工业、食用、医药黑曲霉黑曲霉柚柑酶柚柑酶柑橘罐头除苦柑橘罐头除苦黑曲霉黑曲霉酸性蛋白酶酸性蛋白酶啤酒防浊、消化剂饲料啤酒防浊、消化剂饲料黑曲霉黑曲霉单宁酸单宁酸食品食品黑曲霉黑曲霉糖化酶糖化酶食品食品牺土曲霉牺土曲霉蛋白酶蛋白酶食品食品根霉根霉根霉糖化酶根霉糖化酶食品食品根霉根霉甾替激素甾替激素医药医药第38页/共286页名称名称产物产物用途用途土曲霉土曲霉丁二酸丁二酸工业工业

33、赤霉菌赤霉菌赤霉素赤霉素农业、植物生长激素农业、植物生长激素黎头霉黎头霉甾体激素甾体激素医药医药青梅菌青梅菌青霉素青霉素医药医药青霉菌青霉菌葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶食品食品灰黄霉菌灰黄霉菌灰黄霉素灰黄霉素医药医药木霉菌木霉菌纤维素酶纤维素酶淀粉、食品工业淀粉、食品工业黄曲霉菌黄曲霉菌淀粉酶淀粉酶医药、工业医药、工业红曲霉红曲霉红曲霉糖化酶红曲霉糖化酶食品食品第39页/共286页第40页/共286页（四）担子菌（四）担子菌 担子菌的多糖物质具有很强的生理活性，尤其是提高机体免疫力、抗肿瘤作用担子菌的多糖物质具有很强的生理活性，尤其是提高机体免疫力、抗肿瘤作用等方面越来越引起人们重视。此外，担子菌

34、通过液体发酵得到的菌丝体富含蛋白质、等方面越来越引起人们重视。此外，担子菌通过液体发酵得到的菌丝体富含蛋白质、多糖、维生素等，可用于食品、医药和保健行业。多糖、维生素等，可用于食品、医药和保健行业。第41页/共286页（五）藻类 自然界分布极广的一大群自养微生物资源，许多国家已把它用作人类保健食品和饲料。第42页/共286页三、三、生产菌种选育生产菌种选育 工业微生物的来源：工业微生物的来源：1 1、从微生物保藏机构购买菌种；、从微生物保藏机构购买菌种；2 2、从自然界或现有菌种中分离筛选菌种、从自然界或现有菌种中分离筛选菌种3 3、对筛选菌种进行改良获得新的菌种、对筛选菌种进行改良获得新的菌

35、种第43页/共286页（一）（一）自然选育自然选育 在生产过程中，不经过人工诱变处理，利用菌种的自发突变而进行菌种筛选的过在生产过程中，不经过人工诱变处理，利用菌种的自发突变而进行菌种筛选的过程。程。自然选育的步骤如下：自然选育的步骤如下：第44页/共286页第45页/共286页1 1、采样、采样 尽管微生物在自然界分布十分广泛尽管微生物在自然界分布十分广泛 ,但要但要想分离到特定的微生物必须考虑想分离到特定的微生物必须考虑:筛选的目的筛选的目的确定目的菌确定目的菌 目的菌的生态特点目的菌的生态特点 目的菌的生理特征目的菌的生理特征第46页/共286页一些例子一些例子:酿酒酵母酿酒酵母喜糖及酸

36、性环境喜糖及酸性环境果园果园 蛋白酶产生菌蛋白酶产生菌环境中蛋白质丰富环境中蛋白质丰富屠宰厂屠宰厂 纤维素酶产生菌纤维素酶产生菌以纤维素为碳源以纤维素为碳源朽木场朽木场所所 .注意注意:采样一般是混合菌采样一般是混合菌,不是纯种不是纯种第47页/共286页2 2、增殖培养、增殖培养 由于目标菌种不多，要人为增加得到目由于目标菌种不多，要人为增加得到目标菌种的几率，就要进行培养，以求增加该标菌种的几率，就要进行培养，以求增加该菌种的数量，这种方法叫增殖培养。菌种的数量，这种方法叫增殖培养。为了所需菌种增殖后在数量上占优势，一为了所需菌种增殖后在数量上占优势，一般人为加入一定限制因素，该限制因素视

37、具般人为加入一定限制因素，该限制因素视具体情况而定。常用方法：体情况而定。常用方法：（1 1）控制养分；）控制养分；（2 2）控制培养条件。）控制培养条件。（3 3）加入抑制物质）加入抑制物质第48页/共286页 3、纯种分离、纯种分离 增殖培养中得到的微生物处于混杂状态。为了得到目标菌种的纯种，增殖增殖培养中得到的微生物处于混杂状态。为了得到目标菌种的纯种，增殖培养后必须进行分离。培养后必须进行分离。第49页/共286页纯种分离有三种方法：纯种分离有三种方法：（1 1）划线分离法；划线法简单，快速；）划线分离法；划线法简单，快速；（2 2）稀释分离法；稀释法在培养基上的菌落单）稀释分离法；稀

38、释法在培养基上的菌落单一均匀，纯种获得几率大，特别适合分离具有一均匀，纯种获得几率大，特别适合分离具有蔓延性的菌种如霉菌；蔓延性的菌种如霉菌；（3 3）组织分离法。组织法适合分离高等真菌。）组织分离法。组织法适合分离高等真菌。第50页/共286页使微生物在固体培养基平板上形成单个菌落的基本方法：稀释！第51页/共286页二、用固体培养基分离纯培养1、稀释倒平板法2、涂布平板法操作较麻烦，对好氧菌、热敏感菌效果不好！使用较多的常规方法，但有时涂布不均匀！第52页/共286页第53页/共286页4 4、辅助控制、辅助控制：（1 1）营养成分控制：）营养成分控制：不同微生物对营养物质的需求不同，异养

39、型微不同微生物对营养物质的需求不同，异养型微生物只能利用葡糖糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤生物只能利用葡糖糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤维素、碳氢化合物等现有有机化合物；维素、碳氢化合物等现有有机化合物；自养型微自养型微生物则可以生物则可以CO2CO2为碳源；为碳源；大部分微生物可以利用蛋白质、多肽、氨基酸、大部分微生物可以利用蛋白质、多肽、氨基酸、豆饼、麸皮等；豆饼、麸皮等；固氮微生物才能直接利用空气固氮微生物才能直接利用空气中氮气；中氮气；对于维生素和矿物质，各微生物的要求则各对于维生素和矿物质，各微生物的要求则各不相同。不相同。第54页/共286页 因此，利用微生物对营养的需求不同，设计因此，利

40、用微生物对营养的需求不同，设计不同的培养基就可以更快更准地把目标微生物分不同的培养基就可以更快更准地把目标微生物分离出来。例如分离产淀粉酶的微生物，就可以用离出来。例如分离产淀粉酶的微生物，就可以用淀粉作为唯一碳源，只有产淀粉酶的微生物在这淀粉作为唯一碳源，只有产淀粉酶的微生物在这种培养基上生长的好，因此就可以把这类微生物种培养基上生长的好，因此就可以把这类微生物分离出来。分离出来。一般情况下，可以按照各大类微生物常用的一般情况下，可以按照各大类微生物常用的培养基进行分离：培养基进行分离：细菌：牛肉膏蛋白胨琼脂培养基；细菌：牛肉膏蛋白胨琼脂培养基；放线菌：淀粉琼脂培养基；放线菌：淀粉琼脂培养基

41、；酵母、霉菌：麦芽汁或米曲汁培养基。酵母、霉菌：麦芽汁或米曲汁培养基。第55页/共286页（2 2）控制培养基酸碱度）控制培养基酸碱度不同微生物生长繁殖时的适合酸碱度是不同的，例不同微生物生长繁殖时的适合酸碱度是不同的，例如：如：细菌、放线菌生长的培养基要求中性（细菌、放线菌生长的培养基要求中性（pH7.0pH7.0）；）；酵母和霉菌生长培养基要求酸性（酵母和霉菌生长培养基要求酸性（pH4.0-6.0pH4.0-6.0）；）；对于产有机酸的菌种对于产有机酸的菌种,控制控制pHpH更有利排除不需要的更有利排除不需要的微生物类型微生物类型.例如例如,筛选柠檬酸菌筛选柠檬酸菌,用用90%90%甘薯粉

42、醪甘薯粉醪和和10%10%柠檬酸的培养基柠檬酸的培养基,使使pHpH在在2.0-2.5,2.0-2.5,将此培养将此培养基与土壤稀释液相混合基与土壤稀释液相混合,用无菌毛细管吸取少量用无菌毛细管吸取少量,点布在铺于培养皿中的灭菌滤纸点布在铺于培养皿中的灭菌滤纸(2-3(2-3层层)上上,30,30度度培养培养,这样培养出来的菌种几乎全部是产柠檬酸的这样培养出来的菌种几乎全部是产柠檬酸的黑曲霉黑曲霉.分离耐高渗透压酵母分离耐高渗透压酵母,采用采用40%40%葡萄糖培养基葡萄糖培养基,pH,pH控制在控制在2.0-4.0,2.0-4.0,分离出来的几乎全部是耐高渗透分离出来的几乎全部是耐高渗透压的

43、酵母压的酵母.分离放线菌以可溶性淀粉分离放线菌以可溶性淀粉,pH,pH为为7.0-7.27.0-7.2。第56页/共286页控制控制pHpH分离微生物的局限性分离微生物的局限性:能产酸的微生物能在酸性培养基上生长能产酸的微生物能在酸性培养基上生长,也能在也能在中性培养基上生长中性培养基上生长,如许多酵母、霉菌；如许多酵母、霉菌；固体培养基固体培养基pHpH低于低于4.04.0时琼脂就溶解造成分离的时琼脂就溶解造成分离的困难；困难；随着微生物的生长随着微生物的生长pHpH会随之变化，例如葡萄糖培会随之变化，例如葡萄糖培养基产生有机酸；蛋白质、氨基酸的分解使培养基产生有机酸；蛋白质、氨基酸的分解使

44、培养基变碱。因此为了防止培养基的酸碱变化，养基变碱。因此为了防止培养基的酸碱变化，通常在培养基中加入缓冲溶剂如磷酸盐，或者通常在培养基中加入缓冲溶剂如磷酸盐，或者连续或定期加入酸或碱。连续或定期加入酸或碱。第57页/共286页（3 3）添加抑制剂，分离培养基除了控制营养和）添加抑制剂，分离培养基除了控制营养和pHpH外，还可添加一些专一性的抑制剂，可以提外，还可添加一些专一性的抑制剂，可以提高筛选效果。例如：高筛选效果。例如：分离防线菌时在样品中加几滴分离防线菌时在样品中加几滴10%10%的酚，以控制的酚，以控制霉菌酵母的生长。霉菌酵母的生长。分离酵母和霉菌时，在培养基中加一定量的青霉分离酵母

45、和霉菌时，在培养基中加一定量的青霉素、链霉素或新霉素以抑制细菌的生长。素、链霉素或新霉素以抑制细菌的生长。分离菌丝蔓延的根霉、毛霉等时，为防止菌丝蔓分离菌丝蔓延的根霉、毛霉等时，为防止菌丝蔓延便于挑取，一般在培养基中加入去氧胆酸钠延便于挑取，一般在培养基中加入去氧胆酸钠0.1%0.1%。第58页/共286页（4 4）热处理）热处理 每一种微生物都有它的最高生长温度，超每一种微生物都有它的最高生长温度，超过此温度就不能生长和繁殖，甚至死亡，热处过此温度就不能生长和繁殖，甚至死亡，热处理就是根据芽孢对热的耐性而淘汰不产芽孢的理就是根据芽孢对热的耐性而淘汰不产芽孢的细菌和其他微生物。一般微生物在细菌

46、和其他微生物。一般微生物在60-7060-70度度1010分分钟就被杀死，而芽孢能抵抗钟就被杀死，而芽孢能抵抗100100度甚至更高的温度甚至更高的温度。度。（5 5）控制培养温度）控制培养温度不同微生物的最适生长温度有差异：一般嗜冷微不同微生物的最适生长温度有差异：一般嗜冷微生物最适温度在生物最适温度在1515度左右；嗜温微生物在度左右；嗜温微生物在24-3724-37度；嗜热微生物在度；嗜热微生物在5555度甚至更高。度甚至更高。一般情况下，我们筛选的是嗜温微生物，但在发一般情况下，我们筛选的是嗜温微生物，但在发酵工业中，由于发酵过程中产生大量热，所以酵工业中，由于发酵过程中产生大量热，所

47、以在实际操作上，希望菌种耐高温，在筛选时一在实际操作上，希望菌种耐高温，在筛选时一般可适当提高培养温度筛选菌种。若筛选到较般可适当提高培养温度筛选菌种。若筛选到较高温度下可以生长的菌种则对生产有所促进。高温度下可以生长的菌种则对生产有所促进。第59页/共286页（6 6）通气条件的控制）通气条件的控制要分离厌氧微生物如白酒增香用的丁酸菌、己酸要分离厌氧微生物如白酒增香用的丁酸菌、己酸菌就要采用厌氧培养法。可以在厌氧箱中完成，菌就要采用厌氧培养法。可以在厌氧箱中完成，也可以利用焦性没食子酸与也可以利用焦性没食子酸与NaOHNaOH反应将氧去除。反应将氧去除。第60页/共286页5、筛选、筛选筛选

48、是采用与生产相近的培养基和培养条件，通筛选是采用与生产相近的培养基和培养条件，通过三角瓶容量大小的小型发酵实验，以求得适过三角瓶容量大小的小型发酵实验，以求得适合于工业生产用菌种。合于工业生产用菌种。筛选的指标是生产能力的测定。产量优异的选出，筛选的指标是生产能力的测定。产量优异的选出，产量达不到工业要求的可保留为出发菌株。产量达不到工业要求的可保留为出发菌株。筛选的方式：有初选和复选，初选以量为主，即筛选的方式：有初选和复选，初选以量为主，即达到初步要求。复选以质为主。达到初步要求。复选以质为主。第61页/共286页（二）诱变育种（二）诱变育种以自然变异作为基础的生产选种的几率不高，一般以自

49、然变异作为基础的生产选种的几率不高，一般只有只有1/100-100001/100-10000万的几率，因此为了提高变异万的几率，因此为了提高变异几率，可采用物理和化学因素促进诱变频率。几率，可采用物理和化学因素促进诱变频率。基本原理：利用物理或化学因素处理微生物细胞群基本原理：利用物理或化学因素处理微生物细胞群体，促使其中少数细胞遗传物质的分子结构发生体，促使其中少数细胞遗传物质的分子结构发生改变，从而引起菌体发生遗传性变异，再用合理改变，从而引起菌体发生遗传性变异，再用合理的筛选方法从细胞群体中筛选出少数具有优良性的筛选方法从细胞群体中筛选出少数具有优良性状的菌株，这种方法就是诱变育种。状的

50、菌株，这种方法就是诱变育种。第62页/共286页第63页/共286页1 1、出发菌株的选择、出发菌株的选择出发菌株的好坏直接影响诱变的效果，通常选取出发菌株的好坏直接影响诱变的效果，通常选取的原则是：的原则是：对诱变处理较敏感、容易达到效果的野生菌株；对诱变处理较敏感、容易达到效果的野生菌株；每次诱变处理有一定提高的菌株；每次诱变处理有一定提高的菌株；尽量选择单倍体细胞、单核或少核多细胞作为诱尽量选择单倍体细胞、单核或少核多细胞作为诱变细胞；可以避免因基因隐性造成的误差；变细胞；可以避免因基因隐性造成的误差；根据诱变剂作用不同，作用于营养细胞的就要选根据诱变剂作用不同，作用于营养细胞的就要选用