[精选]发酵工程 2 发酵工业菌种10498.pptx
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1、2发酵工业菌种发酵工业菌种思考题思考题1 1、常见的工业微生物包括哪些类群?、常见的工业微生物包括哪些类群?2 2、作为工业生产菌株应具备哪些基本特性?、作为工业生产菌株应具备哪些基本特性?3 3、了了解解发发酵酵工工业业中中的的细细菌菌、酵酵母母菌菌、霉霉菌菌、放放线菌及其生产的产品。线菌及其生产的产品。4 4、掌握菌种分离筛选的基本过程。、掌握菌种分离筛选的基本过程。5 5 5 5、诱变育种及其原理。、诱变育种及其原理。、诱变育种及其原理。、诱变育种及其原理。6 6 6 6、常用的化学诱变剂。、常用的化学诱变剂。、常用的化学诱变剂。、常用的化学诱变剂。7 7 7 7、菌种退化、原因与防治。
2、、菌种退化、原因与防治。、菌种退化、原因与防治。、菌种退化、原因与防治。8 8 8 8、菌种保藏的方法。、菌种保藏的方法。、菌种保藏的方法。、菌种保藏的方法。常见的工业微生物:常见的工业微生物:包包括括病病毒毒、立立克克次次氏氏体体、细细菌菌、放放线线菌菌、酵酵母母菌菌、霉菌、单细胞藻类、原生动物和支原体等。霉菌、单细胞藻类、原生动物和支原体等。广义的微生物:广义的微生物:细细菌菌、放放线线菌菌、酵酵母母菌菌、霉霉菌菌及及危危害害细细菌菌、放放线菌生长的噬菌体等线菌生长的噬菌体等 。一、工业微生物常用菌种 1 1细菌(细菌(bacteriabacteria)发酵工业常用的细菌有枯草芽孢杆菌、醋
3、酸发酵工业常用的细菌有枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、乳酸菌、棒状杆菌、短杆菌等杆菌、乳酸菌、棒状杆菌、短杆菌等。用于生。用于生产酶制剂、醋酸、乳酸、氨基酸、肌苷酸等产酶制剂、醋酸、乳酸、氨基酸、肌苷酸等。2 2放线菌放线菌(actinomyces)(actinomyces)1 1)链霉菌属)链霉菌属(Streptomyces)(Streptomyces)产生的抗生素:包产生的抗生素:包括链霉素、新霉素、卡那霉素、妥布拉霉素、括链霉素、新霉素、卡那霉素、妥布拉霉素、越霉素、春雷霉素、土霉素、金霉素、螺旋霉越霉素、春雷霉素、土霉素、金霉素、螺旋霉素、红霉素、麦迪霉素等。素、红霉素、麦迪霉素等。2 2)其
4、它放线菌产生的抗生素:庆大霉素、利福)其它放线菌产生的抗生素:庆大霉素、利福霉素、指孢囊霉素、马杜拉霉素。霉素、指孢囊霉素、马杜拉霉素。3 3酵母酵母(yeast)(yeast)酵母是单细胞真核微生物酵母是单细胞真核微生物,具有典型的细胞具有典型的细胞结构结构,生长温度范围在生长温度范围在4-304-30,最适温度为最适温度为25-25-3030。酵母在自然界分布很广,主要生长在偏。酵母在自然界分布很广,主要生长在偏酸性的含糖环境中。酸性的含糖环境中。工业上常用的包括面包酵母、酒精酵母、工业上常用的包括面包酵母、酒精酵母、啤酒酵母、葡萄酒酵母、假丝酵母、丝赤酵母啤酒酵母、葡萄酒酵母、假丝酵母、
5、丝赤酵母等。用于酿酒、制造面包、生产脂肪酶、单细等。用于酿酒、制造面包、生产脂肪酶、单细胞蛋白等。胞蛋白等。4霉菌(mould)是一群在营养基质止形成绒毛状、网状或絮状菌丝真菌的通称。1)曲霉属(Aspergillus)黑曲霉(A.niger):有多种活性强大的酶系,是酶制剂工业广泛应用的菌种之一。用以生产酸性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、纤维素酶等,它的变异菌株可产生柠檬酸、葡萄糖酸、草酸及抗坏血酸。2 2)青霉属()青霉属(PenicilliumPenicillium)产产黄黄青青霉霉:是是青青霉霉素素的的最最重重要要生生产产菌菌,并并能能产产生生葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶及及葡葡萄
6、萄糖糖酸酸、柠柠檬檬酸酸、抗抗坏坏血血酸等。酸等。展展开开青青霉霉:主主要要用用于于生生产产抗抗真真菌菌的的抗抗生生素素灰黄霉素。灰黄霉素。3 3)根霉属)根霉属(Rhizopus)(Rhizopus)米米根根霉霉(RRoryzaeoryzae):米米根根霉霉在在我我国国酒酒药药和和酒酒曲曲中中常常见见。其其淀淀粉粉酶酶活活力力相相当当强强,有有淀淀粉粉糖糖化化能能力力和和转转化化蔗蔗糖糖的的性性能能,还还能能产产生生脂脂肪肪酶酶。能能发发酵产生乳酸、反丁烯二酸。酵产生乳酸、反丁烯二酸。华华根根霉霉:华华根根霉霉多多出出现现在在我我国国酒酒药药和和酒酒曲曲中中,具具较较强强的的耐耐高高温温性性
7、能能(4545能能生生长长),淀淀粉粉酶酶液液化化力力强强,有有溶溶胶胶性性,能能产产生生酒酒精精、芳芳香香脂脂类类、乳乳酸及反丁烯二酸,能转化甾族化合物。酸及反丁烯二酸,能转化甾族化合物。4 4)红曲霉属)红曲霉属(Monascus)(Monascus)菌丝呈红色以至紫色,菌丝呈红色以至紫色,可由我国南方红曲中分离得到。可由我国南方红曲中分离得到。5 5其它其它担子菌:香菇、灵芝等。担子菌:香菇、灵芝等。藻类:螺旋藻、单胞藻等。藻类:螺旋藻、单胞藻等。基因工程菌:基因工程菌在发酵工程已得到广泛基因工程菌:基因工程菌在发酵工程已得到广泛应用,如酶制剂、胰岛素、干扰素、生长激素、应用,如酶制剂、
8、胰岛素、干扰素、生长激素、乙型肝炎病苗等的生产。乙型肝炎病苗等的生产。(1 1)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生生长长,且且生成的目的产物产量高、易于回收;生成的目的产物产量高、易于回收;(2 2)生长较快,发酵周期短;)生长较快,发酵周期短;(3 3)培养条件易于控制;)培养条件易于控制;(4 4)抗噬菌体及杂菌污染的能力强;)抗噬菌体及杂菌污染的能力强;二、工业生产对菌种的要求二、工业生产对菌种的要求 (5 5)菌菌种种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;量的稳定;(6 6)对放大设备的适应性强;)对放大设备的适应性强;(7
9、 7)菌菌种种为为非非病病原原菌菌,不不产产生生任任何何有有害害的的生生物物物物质质和毒素。和毒素。三、发酵工业菌种的分离与筛选 菌株分离(菌株分离(StrainSeparation)StrainSeparation)就是将混杂着各种就是将混杂着各种微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取迅速、准确、有效的方法对它们进行分离、筛迅速、准确、有效的方法对它们进行分离、筛选,进而得到所需微生物的过程。选,进而得到所需微生物的过程。分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定。增殖、纯化和性能测定。采样原
10、则:采样原则:材材料料来来源源越越广广泛泛,越越有有可可能能获获得得新新的的菌菌种种。在在一一些些极极端端环环境境(高高温温、高高压压、高高盐盐等等),可可找找到到能能适应苛刻条件的微生物类群。适应苛刻条件的微生物类群。了解目标产物的性质和可能产目标产物的微生物了解目标产物的性质和可能产目标产物的微生物种类及其生理特征,可提高效率,事半功倍。种类及其生理特征,可提高效率,事半功倍。1 1、样品的采集、样品的采集2 2、样品的预处理、样品的预处理目的:目的:提高菌种分离效率。提高菌种分离效率。物物理理方方法法:热热处处理理(用用于于减减少少样样品品中中的的细细菌菌数数);膜过滤法和离心法(用于浓
11、缩水中的微生物);膜过滤法和离心法(用于浓缩水中的微生物);化化学学方方法法:通通过过在在培培养养基基中中添添加加某某些些化化学学成成分分来来增加特定微生物的数量。增加特定微生物的数量。诱诱饵饵法法:将将一一些些物物质质(如如石石蜡蜡、花花粉粉、毛毛发发等等)加到待分离的样品中作诱饵富集目的菌。加到待分离的样品中作诱饵富集目的菌。3 3、富集培养富集培养通过富集培养增加待分离的目标微生物的数量。通过富集培养增加待分离的目标微生物的数量。控制培养基的营养成分:碳源或氮源;控制培养基的营养成分:碳源或氮源;控制培养条件:温度、控制培养条件:温度、pHpH、渗透压、溶解氧浓、渗透压、溶解氧浓度等。度
12、等。4 4、菌种分离、菌种分离、菌种分离、菌种分离平板划线分离法平板划线分离法平板划线分离法平板划线分离法稀释分离法稀释分离法稀释分离法稀释分离法涂布分离法涂布分离法涂布分离法涂布分离法对菌株的筛选必须要有一个好的方法(最对菌株的筛选必须要有一个好的方法(最简单的方法)来加以鉴定,如颜色的变化、抑简单的方法)来加以鉴定,如颜色的变化、抑菌圈、透明圈等。菌圈、透明圈等。5 5 5 5、菌种的筛选、菌种的筛选、菌种的筛选、菌种的筛选 四、发酵工业菌种鉴定1 1、经典的分类鉴定方法、经典的分类鉴定方法形态学特征:形态学特征:生理生化特性:生理生化特性:血清学试验与噬菌体分型:血清学试验与噬菌体分型:
13、氨基酸顺序和蛋白质分析:氨基酸顺序和蛋白质分析:2 2、现代分类鉴定方法、现代分类鉴定方法 l lDNADNA的碱基组成:的碱基组成:l l核酸的分子杂交:核酸的分子杂交:l l遗传重组特性分析:遗传重组特性分析:l lrRNArRNA序列分析:序列分析:l l细胞化学成分特征分类法:细胞化学成分特征分类法:五、发酵工业菌种改良五、发酵工业菌种改良菌种选育改良的目标:菌种选育改良的目标:l l提高目标产物的产量;提高目标产物的产量;l l提高目标产物的纯度,减少副产物;提高目标产物的纯度,减少副产物;l l改良菌种性状,改善发酵过程;改良菌种性状,改善发酵过程;l l改变生物合成途径,以获得高
14、产的新产品。改变生物合成途径,以获得高产的新产品。自然选育、诱变育种、抗噬菌体菌种的选育、自然选育、诱变育种、抗噬菌体菌种的选育、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程、蛋杂交育种、原生质体融合技术、基因工程、蛋白质工程、代谢工程技术等都被用优良生产菌白质工程、代谢工程技术等都被用优良生产菌种的选育。种的选育。菌株选育典型流程菌株选育典型流程出发菌株(砂土管或冷冻管)出发菌株(砂土管或冷冻管)小试小试原种特性考擦原种特性考擦斜面斜面或摇瓶培养或摇瓶培养24h24h培养基优化培养基优化单孢子悬液单孢子悬液菌悬液菌悬液挑出高产菌株挑出高产菌株诱变处理诱变处理摇瓶复筛摇瓶复筛处理前后计数处理前后计数
15、稀释涂平板稀释涂平板传种斜面传种斜面观察单菌落形态观察单菌落形态挑选单菌落转种斜面挑选单菌落转种斜面保藏菌株保藏菌株对照组比较对照组比较摇瓶初筛摇瓶初筛挑出高产斜面挑出高产斜面1 1、自然选育、自然选育 不经人工处理,利用微生物的自然突变进行不经人工处理,利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为自然选育(菌种选育的过程称为自然选育(spontaneousspontaneousmutationmutation)。)。自然选育最为成功的例子是目前被广泛使自然选育最为成功的例子是目前被广泛使用的卡介苗用的卡介苗(BCG vaccine)(BCG vaccine)。法国的卡尔密脱。法国的卡尔密脱(C
16、almette)(Calmette)和介林和介林(Guerin)(Guerin)把牛型的结核分枝把牛型的结核分枝杆菌接种在牛胆汁、甘油、马铃薯培养基上,杆菌接种在牛胆汁、甘油、马铃薯培养基上,连续传代培养连续传代培养230230代,前后经历代,前后经历1313年时间,终年时间,终于在于在19231923年获得显著减毒的结核杆菌年获得显著减毒的结核杆菌-卡介卡介苗。苗。2、诱变育种诱变育种是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群,促进其突变率大幅度提高,然后采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选少数符合育种目的的突变株,以供生产实践或科学研究用。物理诱变剂物理诱变剂 物理诱变主要是采用
17、辐射。如紫外线、物理诱变主要是采用辐射。如紫外线、X X射线、射线、射线、激光和快中子等都是常用的物射线、激光和快中子等都是常用的物理诱变剂。理诱变剂。化学诱变剂化学诱变剂常用的化学诱变剂根据其作用方式不同分为三种类型。(1)与核酸碱基化学反应的诱变剂此类型主要有烷化剂、亚硝酸和羟胺等。常见的烷化剂有硫酸二乙酯(EDS)、甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍(NTG)、亚硝基甲基脲(NMU)、氮芥、乙烯亚胺和环氧乙酸等。碱基中的鸟嘌呤最易受烷化剂作用,形成6-烷基鸟嘌呤,并与胸腺嘧啶错误配对,造成碱基转换。胸腺嘧啶被烷基化后,可与鸟嘌呤错误配对。(2)碱基类似物这些化合物有
18、5-溴尿嘧啶(5-BU),5-氟尿嘧啶(5-FU)、8氮鸟嘌呤(8-NG)和2-氨基嘌呤(2-AP)等。它们与碱基的结构类似,在DNA复制时,它们可以它们可以被错误地掺入被错误地掺入DNA,引起诱变效应,所以说它们引,引起诱变效应,所以说它们引起碱基置换的作用是间接的。起碱基置换的作用是间接的。(3)移码突变的诱变剂移码突变是指由一种诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的插入或缺失,从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变产生的突变体称为移码突变体。吖啶类染料(原黄素、吖啶黄、吖啶橙及-氨基吖啶等)和一系列称为ICR类的化合物(它们是一些由烷化剂与吖啶类化
19、合物相结合的化合物)都是移码突变的有效诱变剂。3诱变育种方法诱变育种方法1 1)出发菌株的选择)出发菌株的选择 自然界直接分离到的野生型菌株自然界直接分离到的野生型菌株经历过生产条件考验的菌株经历过生产条件考验的菌株 已经历多次育种处理的菌株已经历多次育种处理的菌株2)制备菌悬液3)诱变处理剂量确定预试验诱变育种中还常常采取诱变剂复合处理诱变剂复合处理,使它们产生协同效应。复合处理可以将两种或多种诱变剂分先后或同时使用,也可用同一诱变剂重复使用。因为每种诱变剂有各自的作用方式,引起的变异有局限性,复合处理则可扩大突变的位点范复合处理则可扩大突变的位点范围围,使获得正突变菌株的可能性增大,因此,
20、诱变剂复合处理的效果往往好于单独处理。诱变剂复合处理及其协同效应诱变剂复合处理及其协同效应菌种菌种单独处理单独处理复合处理复合处理 诱变剂诱变剂突变率突变率(%)(%)诱变剂诱变剂突变率突变率(%)(%)土曲霉土曲霉紫外线紫外线X X射线射线 21.321.319.719.7紫外线紫外线+X+X射线射线42.842.8土曲霉土曲霉氮芥氮芥(0.1%)(0.1%)紫外线紫外线不明显不明显4.74.7紫外线紫外线+氮芥氮芥11.011.0链霉菌链霉菌紫外线紫外线 射线射线31.031.035.035.0紫外线紫外线+射线射线43.643.6金色链霉菌金色链霉菌(2U-84)(2U-84)二乙烯三胺
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