2018版高中生物 第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 3.1 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用課件 新人教版選修2.ppt
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第1節(jié)微生物發(fā)酵及其應(yīng)用,[課程目標(biāo)]導(dǎo)航,1.說出微生物發(fā)酵生產(chǎn)的基本過程。2.舉例說出微生物發(fā)酵與食品生產(chǎn)的關(guān)系。3.參與有關(guān)微生物發(fā)酵的調(diào)查活動(dòng)。4.通過發(fā)酵工程發(fā)展的歷史,體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)三者間的緊密聯(lián)系和互動(dòng)。,知識(shí)點(diǎn)1發(fā)酵工程史話,[知識(shí)梳理],1.四千年以前,我們的祖先就會(huì)利用將谷物發(fā)酵成酒類。2.1857年,法國微生物學(xué)家巴斯德用實(shí)驗(yàn)證明,酒精發(fā)酵是由活的引起的。3.1897年德國畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了在酵母發(fā)酵中的作用。4.20世紀(jì)40年代初,弗洛里和錢恩與許多科學(xué)家合作,研究出大規(guī)模生產(chǎn)的方法。,微生物,酵母,酶,青霉素,5.20世紀(jì)50年代起,發(fā)酵工業(yè)、酶制劑工業(yè)、多糖和維生素發(fā)酵工業(yè)相繼誕生。6.20世紀(jì)70年代以后,獲得具有特殊生產(chǎn)能力的基因工程菌發(fā)酵產(chǎn)生、等。,氨基酸,胰島素,生長激素,[活學(xué)活用],1.在將鮮牛奶制成酸奶的過程中,盛鮮奶的容器必須密封的主要原因是防止(),A.空氣進(jìn)入容器B.產(chǎn)生的乳酸分解C.水分過度蒸發(fā)D.灰塵掉入容器思維導(dǎo)圖:,解析酸奶中含有乳酸,而乳酸是無氧呼吸產(chǎn)物,有氧存在時(shí)會(huì)抑制乳酸的生成。故制酸奶時(shí)容器應(yīng)密封。答案A歸納總結(jié)發(fā)酵對(duì)周圍環(huán)境的物理和化學(xué)條件十分敏感,任何一種微生物發(fā)酵均需要適宜的溫度、pH、溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)等,保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功獲得高產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵。,2.下列不需要利用發(fā)酵工程的是(),A.生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料B.通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚C.利用工程菌生產(chǎn)胰島素D.工廠化生產(chǎn)青霉素思維導(dǎo)圖:,解析生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)微生物菌體本身的過程。利用工程菌生產(chǎn)胰島素和工廠化生產(chǎn)青霉素是利用發(fā)酵工程。通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚是利用細(xì)胞工程的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)。答案B反思領(lǐng)悟發(fā)酵工程應(yīng)用已非常廣泛,現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸等,還生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物。,[歸納總結(jié)],(1)原始發(fā)展時(shí)期人類有意無意地利用微生物已經(jīng)有幾千年的歷史,在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中,積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。最初可能是人類發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存水果會(huì)自然發(fā)酵變酒,而逐漸形成釀酒技術(shù)。相傳,在埃及和中亞兩河流域,在公元前40世紀(jì)至公元前30世紀(jì)已開始釀酒。我國利用微生物進(jìn)行谷物酒類發(fā)酵,至少是在四千年前的龍山文化時(shí)期。在夏禹時(shí)期已有了關(guān)于儀俠釀旨酒,夏少康(即杜康)造秫酒的記載。隨著社會(huì)的發(fā)展,又出現(xiàn)制醬和醬油、醋、泡菜、奶酒、干酪技術(shù)和面團(tuán)發(fā)酵。,這個(gè)時(shí)期,發(fā)酵技術(shù)原始,頂多是家庭小制作,技術(shù)進(jìn)步緩慢,完全是經(jīng)驗(yàn)式的。在幾千年的文明史中,人們只知道這樣做可以得到所需的東西,并不知道其中的原理。(2)傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)時(shí)期1857年法國微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明了酒精發(fā)酵是由活的酵母引起的。1897年德國的畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),即使將酵母磨碎,仍然能使糖發(fā)酵形成酒精,他將這種具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為酶。從而人們才開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)。,從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代,隨著人們對(duì)微生物世界認(rèn)識(shí)的不斷深入和發(fā)展,利用微生物生產(chǎn)的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn),例如,酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、檸檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。這些產(chǎn)品的生產(chǎn),采用開放式的發(fā)酵方式,生產(chǎn)過程較為簡單,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求不高,規(guī)模一般不大,因此被稱為傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)。,(3)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)時(shí)期1928年,弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素能殺菌。青霉素的發(fā)現(xiàn)和工業(yè)化生產(chǎn),給人們帶來巨大啟迪。不久,鏈霉素、金霉素、土霉素等相繼問世,從而興起了一個(gè)新的工業(yè)——抗生素工業(yè)。生產(chǎn)抗生素的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備很快被引用到其他發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)上,極大地促進(jìn)了這些產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,從而形成了一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)——現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)。,20世紀(jì)50年代的氨基酸發(fā)酵工業(yè),60年代的酶制劑工業(yè),70年代的多糖、維生素發(fā)酵工業(yè),70年代以后生物大分子發(fā)酵技術(shù)相繼誕生。這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)技術(shù)要求高(由于多為好氧純種發(fā)酵,需要通入無菌空氣和保持無菌條件);生產(chǎn)規(guī)模大(用于青霉素生產(chǎn)的攪拌通氣發(fā)酵罐的體積達(dá)到500m3,單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)用的氣升式發(fā)酵罐已達(dá)到2000m3);技術(shù)發(fā)展速度快。因此,菌種的生產(chǎn)能力大幅度提高,新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用達(dá)到前所未有的程度。,(4)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)時(shí)代現(xiàn)在人們可以將源于動(dòng)物或植物,甚至源于人的基因轉(zhuǎn)移到諸如大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌等微生物中,獲得具有特殊生產(chǎn)能力的基因工程菌。由于基因表達(dá)的產(chǎn)物均為蛋白質(zhì),因此在工業(yè)上利用基因工程菌大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品,主要是用于治療各種疾病的藥物,又稱為基因工程藥物(如人胰島素、人干擾素、人生長激素等,大約有40多種),同樣也可以用于不同目的的酶(比如用于將葡萄糖轉(zhuǎn)化為高果糖糖漿的葡萄糖異構(gòu)酶,用于生產(chǎn)青霉素母核的青霉素?;?,用在洗衣粉中的堿性蛋白酶等等)。除了利用基因工程開發(fā)新的產(chǎn)品外,利用基因工程對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)上使用的菌種進(jìn)行改造,也獲得了巨大成功。,知識(shí)點(diǎn)2發(fā)酵生產(chǎn)過程探秘與食品生產(chǎn),[知識(shí)梳理],1.發(fā)酵,是利用在適宜的條件下,將原料經(jīng)過特定的轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。,2.原理,不同的微生物具有產(chǎn)生不同的能力。例如:谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn);黃色短桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn)。,微生物,代謝途徑,代謝產(chǎn)物,味精,賴氨酸,3.發(fā)酵過程,(1)選育菌種:可采用自然界選種、______育種、___________育種等。(2)配制培養(yǎng)基:根據(jù)微生物的營養(yǎng)需要提供、氮源、、無機(jī)鹽和水。(3)滅菌:培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備均需嚴(yán)格滅菌。(4)擴(kuò)大培養(yǎng)和接種:大規(guī)模生產(chǎn)中需要使達(dá)到一定數(shù)量;將菌種接種到培養(yǎng)基上,接種時(shí)防止雜菌污染。(5)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵:要隨時(shí)檢測(cè)發(fā)酵進(jìn)程,要及時(shí)滿足需求,還要嚴(yán)格控制、pH、等發(fā)酵條件。,誘變,基因工程,碳源,生長因子,菌種,營養(yǎng),溫度,溶解氧,4.生產(chǎn)日常食品5.生產(chǎn)食品添加劑,(6)分離、提純產(chǎn)物:如果產(chǎn)品是菌體,可采用、沉淀等方法;如果產(chǎn)品是,可采用提取、和純化措施來獲得產(chǎn)品。如饅頭、面包、、泡菜、等。如味精、醋、醬油等調(diào)味劑,各種食品營養(yǎng)增強(qiáng)劑,食品防腐劑,。,過濾,代謝產(chǎn)物,分離,腐乳,葡萄酒,食品色素,[活學(xué)活用],1.19世紀(jì)初,德國一位科學(xué)家發(fā)明了微生物分離與純化技術(shù),開創(chuàng)了人為控制微生物的時(shí)代。這位科學(xué)家是(),A.科赫B.施萊登C.施旺D.達(dá)爾文解析1905年德國微生物學(xué)家科赫建立了微生物的培養(yǎng)技術(shù),故選A。答案A,2.1857年,微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理后才逐步形成了發(fā)酵工程,這位微生物學(xué)家是(),A.巴斯德B.拉馬克C.列文虎克D.科赫解析1857年,微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明酒精是由活的酵母引起的,發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的原理。答案A,[歸納總結(jié)],1.好氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)的流程圖及其分析說明,(1)選育菌種根據(jù)微生物遺傳變異的特點(diǎn),人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)試驗(yàn)出一套行之有效的微生物育種方法。主要包括自然選育、誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等。,(2)擴(kuò)大培養(yǎng),(3)配制培養(yǎng)基在菌種確定之后,要根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則,選擇原料制備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基中應(yīng)包含微生物需要的營養(yǎng)物質(zhì)如碳源、氮源、生長因子、無機(jī)鹽和水等。配制培養(yǎng)基的原則:目的明確、營養(yǎng)物質(zhì)協(xié)調(diào)、pH適宜。如培養(yǎng)基中C/N比影響代謝:C/N=4時(shí),細(xì)菌繁殖較快;真菌在C/N=10時(shí),生長較快。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)時(shí),C/N=4時(shí),菌體繁殖快、產(chǎn)物少;C/N=3時(shí),菌體繁殖慢、產(chǎn)物多。細(xì)菌適宜pH約為4.5~6.0。,(4)滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用單一菌種發(fā)酵,培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌,并進(jìn)行無菌操作,一般采用高壓蒸汽滅菌法。(5)接種將多次擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種接入工業(yè)發(fā)酵罐中,菌種的體積與發(fā)酵罐的體積比約為1∶10。,(6)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵發(fā)酵過程中,要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等,以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營養(yǎng)組分,以滿足微生物的營養(yǎng)需求。同時(shí),要嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件。這是因?yàn)榄h(huán)境條件的變化,不僅會(huì)影響微生物的生長繁殖,而且會(huì)影響微生物代謝產(chǎn)物的形成。(7)分離、提純產(chǎn)物將發(fā)酵液中的發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行分離純化,是制取發(fā)酵產(chǎn)品不可缺少的階段。產(chǎn)品不同,分離提純的方法也不同。如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身,可在發(fā)酵之后,采用過濾、沉淀等方法將菌體分離,干燥即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物,可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產(chǎn)品。,2.影響發(fā)酵的因素,(1)菌種發(fā)酵是利用微生物來生產(chǎn)產(chǎn)品,因此菌種至關(guān)重要?,F(xiàn)在工業(yè)上用于生產(chǎn)青霉素的微生物主要是青霉菌,生產(chǎn)味精的微生物是谷氨酸棒狀桿菌,生產(chǎn)檸檬酸的微生物主要是黑曲霉。這是因?yàn)槊恳环N微生物的代謝特征不同,它們產(chǎn)生特定產(chǎn)物的能力也不同。為了利用發(fā)酵生產(chǎn)所需的產(chǎn)物,不是隨便拿來一個(gè)菌種就行。直接從自然界分離到的微生物不一定具有生產(chǎn)特定產(chǎn)物的能力,須在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)幾百株、數(shù)千株微生物進(jìn)行篩選。,(2)純種發(fā)酵與滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用純種發(fā)酵,可以保證高產(chǎn)及生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵,它會(huì)使發(fā)酵失敗,造成巨大損失。因此,滅菌和無菌操作成為發(fā)酵工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。(3)發(fā)酵培養(yǎng)基現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn),多采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細(xì)胞生長、繁殖的需要,因?yàn)闆]有大量的細(xì)胞就不可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)物;但是細(xì)胞的過分生長會(huì)消耗大量的營養(yǎng)物,有時(shí)又會(huì)影響細(xì)胞的生產(chǎn)能力,會(huì)使產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產(chǎn)物。因此,培養(yǎng)基的組成十分關(guān)鍵。,(4)溫度對(duì)微生物生長的影響溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性來影響微生物的生命活動(dòng)。一方面,隨著溫度的升高,細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)速度加快;另一方面,隨著溫度的進(jìn)一步升高,生物活性物質(zhì)(蛋白質(zhì)、核酸等)發(fā)生變性,細(xì)胞功能下降,甚至死亡。所以,每種微生物都有最適生長溫度。,(5)pH對(duì)微生物生長的影響培養(yǎng)基的pH對(duì)微生物生長的影響主要是引起細(xì)胞膜電荷變化,以及影響營養(yǎng)物離子化程度,從而影響微生物對(duì)營養(yǎng)物的吸收;pH也會(huì)影響生物活性物質(zhì),如酶的活性。與溫度對(duì)微生物的影響類似,微生物存在最低生長pH、最適生長pH和最高生長pH。不同微生物對(duì)環(huán)境pH適應(yīng)的范圍不同。一般微生物生長的最適pH在4.0~9.0范圍內(nèi)。真菌生長的范圍寬,細(xì)菌較窄(pH在3.0~4.0范圍內(nèi)),細(xì)菌、放線菌一般適應(yīng)于中性偏堿性環(huán)境,而酵母菌、霉菌適應(yīng)于偏酸性環(huán)境。,(6)溶氧的影響工業(yè)上大部分為好氧發(fā)酵,如抗生素、氨基酸、維生素、多糖、有機(jī)酸(細(xì)胞發(fā)酵生產(chǎn)乳酸例外)等發(fā)酵均需要往發(fā)酵液中通入無菌空氣,以滿足微生物生長代謝過程對(duì)氧的需求;而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細(xì)菌發(fā)酵為厭氧發(fā)酵,發(fā)酵過程不需要氧。發(fā)酵工程在食品工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛,主要包括以下三方面。①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品:如啤酒、果酒、白酒和食醋等,使產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)得到明顯的提高,特別是酒精飲料,是食品發(fā)酵工業(yè)中產(chǎn)量最大的一類產(chǎn)品。乳制品是僅次于酒精飲料的第二大食品發(fā)酵產(chǎn)品,其中酸奶是主要產(chǎn)品之一。,②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑(如下表),改善了食品的品質(zhì)及色、香、味。,③隨著人口的增長,糧食短缺已成為困擾人類的社會(huì)問題之一,而發(fā)酵工程的發(fā)展將為解決這一問題開辟新的途徑。研究表明,微生物中含有豐富的蛋白質(zhì),如細(xì)菌的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的60%~80%,酵母菌的蛋白質(zhì)含量占45%~65%,而且它們生長繁殖的速度很快。許多國家通過發(fā)酵獲得大量的微生物菌體,這種微生物菌體就叫單細(xì)胞蛋白。單細(xì)胞蛋白用作飼料,能使家畜、家禽增重快,使產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。用酵母菌等生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白可作為食品添加劑。最近國外市場(chǎng)上出現(xiàn)的一種真菌蛋白食品,就以其高蛋白、低脂肪的特點(diǎn)受到了消費(fèi)者的歡迎。,除以上所述,發(fā)酵工程在生產(chǎn)生物殺蟲劑、生物肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)物資以及在生物能源開發(fā)方面也發(fā)揮了重要作用。此外,發(fā)酵工程也應(yīng)用于生物冶金(如銅、鈾、鈷、錳等)。,- 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