2018版高中生物 第3章 生物科學與工業(yè) 3.1 微生物發(fā)酵及其應用課件 新人教版選修2.ppt

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第1節(jié)微生物發(fā)酵及其應用,課程目標導航,1.說出微生物發(fā)酵生產的基本過程。2.舉例說出微生物發(fā)酵與食品生產的關系。3.參與有關微生物發(fā)酵的調查活動。4.通過發(fā)酵工程發(fā)展的歷史，體驗科學、技術、社會三者間的緊密聯(lián)系和互動。,知識點1發(fā)酵工程史話,知識梳理,1.四千年以前，我們的祖先就會利用將谷物發(fā)酵成酒類。2.1857年，法國微生物學家巴斯德用實驗證明，酒精發(fā)酵是由活的引起的。3.1897年德國畢希納進一步發(fā)現(xiàn)了在酵母發(fā)酵中的作用。4.20世紀40年代初，弗洛里和錢恩與許多科學家合作，研究出大規(guī)模生產的方法。,微生物,酵母,酶,青霉素,5.20世紀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70年代以后，獲得具有特殊生產能力的基因工程菌發(fā)酵產生、等。,氨基酸,胰島素,生長激素,活學活用,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.空氣進入容器B.產生的乳酸分解C.水分過度蒸發(fā)D.灰塵掉入容器思維導圖：,解析酸奶中含有乳酸，而乳酸是無氧呼吸產物，有氧存在時會抑制乳酸的生成。故制酸奶時容器應密封。答案A歸納總結發(fā)酵對周圍環(huán)境的物理和化學條件十分敏感，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)物質等，保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功獲得高產產品的關鍵。,2.下列不需要利用發(fā)酵工程的是(),A.生產單細胞蛋白飼料B.通過生物技術培育可移植的皮膚C.利用工程菌生產胰島素D.工廠化生產青霉素思維導圖：,解析生產單細胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產微生物菌體本身的過程。利用工程菌生產胰島素和工廠化生產青霉素是利用發(fā)酵工程。通過生物技術培育可移植的皮膚是利用細胞工程的動物細胞培養(yǎng)。答案B反思領悟發(fā)酵工程應用已非常廣泛，現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產酒精類飲料、醋酸等，還生產胰島素、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,(1)原始發(fā)展時期人類有意無意地利用微生物已經有幾千年的歷史，在長期的生產實踐中，積累了豐富經驗。最初可能是人類發(fā)現(xiàn)儲存水果會自然發(fā)酵變酒，而逐漸形成釀酒技術。相傳，在埃及和中亞兩河流域，在公元前40世紀至公元前30世紀已開始釀酒。我國利用微生物進行谷物酒類發(fā)酵，至少是在四千年前的龍山文化時期。在夏禹時期已有了關于儀俠釀旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的記載。隨著社會的發(fā)展，又出現(xiàn)制醬和醬油、醋、泡菜、奶酒、干酪技術和面團發(fā)酵。,這個時期，發(fā)酵技術原始，頂多是家庭小制作，技術進步緩慢，完全是經驗式的。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)時期1857年法國微生物學家巴斯德通過實驗證明了酒精發(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)酵能力的物質稱為酶。從而人們才開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質。,從19世紀末到20世紀30年代，隨著人們對微生物世界認識的不斷深入和發(fā)展，利用微生物生產的新產品不斷出現(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。這些產品的生產，采用開放式的發(fā)酵方式，生產過程較為簡單，對生產設備要求不高，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，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，從而興起了一個新的工業(yè)抗生素工業(yè)。生產抗生素的經驗和設備很快被引用到其他發(fā)酵產品的生產上，極大地促進了這些產業(yè)的迅速發(fā)展，從而形成了一個全新的產業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)。,20世紀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)酵技術相繼誕生。這個時期生產技術要求高(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)；生產規(guī)模大(用于青霉素生產的攪拌通氣發(fā)酵罐的體積達到500m3，單細胞蛋白生產用的氣升式發(fā)酵罐已達到2000m3)；技術發(fā)展速度快。因此，菌種的生產能力大幅度提高，新產品、新技術、新設備的應用達到前所未有的程度。,(4)生物技術產業(yè)時代現(xiàn)在人們可以將源于動物或植物，甚至源于人的基因轉移到諸如大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌等微生物中，獲得具有特殊生產能力的基因工程菌。由于基因表達的產物均為蛋白質，因此在工業(yè)上利用基因工程菌大規(guī)模生產的產品，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化為高果糖糖漿的葡萄糖異構酶，用于生產青霉素母核的青霉素?；福迷谙匆路壑械膲A性蛋白酶等等)。除了利用基因工程開發(fā)新的產品外，利用基因工程對傳統(tǒng)發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)上使用的菌種進行改造，也獲得了巨大成功。,知識點2發(fā)酵生產過程探秘與食品生產,知識梳理,1.發(fā)酵,是利用在適宜的條件下，將原料經過特定的轉化為人類所需要的產物的過程。,2.原理,不同的微生物具有產生不同的能力。例如：谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以生產；黃色短桿菌發(fā)酵可以生產。,微生物,代謝途徑,代謝產物,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、無機鹽和水。(3)滅菌：培養(yǎng)基和發(fā)酵設備均需嚴格滅菌。(4)擴大培養(yǎng)和接種：大規(guī)模生產中需要使達到一定數(shù)量；將菌種接種到培養(yǎng)基上，接種時防止雜菌污染。(5)發(fā)酵罐內發(fā)酵：要隨時檢測發(fā)酵進程，要及時滿足需求，還要嚴格控制、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.生產日常食品5.生產食品添加劑,(6)分離、提純產物：如果產品是菌體，可采用、沉淀等方法；如果產品是，可采用提取、和純化措施來獲得產品。如饅頭、面包、泡菜、等。如味精、醋、醬油等調味劑，各種食品營養(yǎng)增強劑，食品防腐劑，。,過濾,代謝產物,分離,腐乳,葡萄酒,食品色素,活學活用,1.19世紀初，德國一位科學家發(fā)明了微生物分離與純化技術，開創(chuàng)了人為控制微生物的時代。這位科學家是(),A.科赫B.施萊登C.施旺D.達爾文解析1905年德國微生物學家科赫建立了微生物的培養(yǎng)技術，故選A。答案A,2.1857年，微生物學家發(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，微生物學家巴斯德通過實驗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,1.好氧微生物發(fā)酵生產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，人們在生產實踐中已經試驗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、原生質體融合、基因工程等。,(2)擴大培養(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)基中應包含微生物需要的營養(yǎng)物質如碳源、氮源、生長因子、無機鹽和水等。配制培養(yǎng)基的原則：目的明確、營養(yǎng)物質協(xié)調、pH適宜。如培養(yǎng)基中C/N比影響代謝：C/N4時，細菌繁殖較快；真菌在C/N10時，生長較快。谷氨酸發(fā)酵生產時，C/N4時，菌體繁殖快、產物少；C/N3時，菌體繁殖慢、產物多。細菌適宜pH約為4.56.0。,(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)酵設備都必須經過嚴格的滅菌，并進行無菌操作，一般采用高壓蒸汽滅菌法。(5)接種將多次擴大培養(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110。,(6)發(fā)酵罐內發(fā)酵發(fā)酵過程中，要隨時檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等，以了解發(fā)酵進程。還要及時添加必需的營養(yǎng)組分，以滿足微生物的營養(yǎng)需求。同時，要嚴格控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件。這是因為環(huán)境條件的變化，不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝產物的形成。(7)分離、提純產物將發(fā)酵液中的發(fā)酵產物進行分離純化，是制取發(fā)酵產品不可缺少的階段。產品不同，分離提純的方法也不同。如果發(fā)酵產品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離，干燥即可得到產品。如果產品是代謝產物，可根據(jù)產物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產品。,2.影響發(fā)酵的因素,(1)菌種發(fā)酵是利用微生物來生產產品，因此菌種至關重要?，F(xiàn)在工業(yè)上用于生產青霉素的微生物主要是青霉菌，生產味精的微生物是谷氨酸棒狀桿菌，生產檸檬酸的微生物主要是黑曲霉。這是因為每一種微生物的代謝特征不同，它們產生特定產物的能力也不同。為了利用發(fā)酵生產所需的產物，不是隨便拿來一個菌種就行。直接從自然界分離到的微生物不一定具有生產特定產物的能力，須在實驗室里對幾百株、數(shù)千株微生物進行篩選。,(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，可以保證高產及生產過程和產品質量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵，它會使發(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)酵產品的生產，多采用液體培養(yǎng)基進行深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細胞生長、繁殖的需要，因為沒有大量的細胞就不可能產生大量的產物；但是細胞的過分生長會消耗大量的營養(yǎng)物，有時又會影響細胞的生產能力，會使產物的產量和產率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產物。因此，培養(yǎng)基的組成十分關鍵。,(4)溫度對微生物生長的影響溫度主要是通過影響微生物細胞內生物大分子的活性來影響微生物的生命活動。一方面，隨著溫度的升高，細胞內的酶反應速度加快；另一方面，隨著溫度的進一步升高，生物活性物質(蛋白質、核酸等)發(fā)生變性，細胞功能下降，甚至死亡。所以，每種微生物都有最適生長溫度。,(5)pH對微生物生長的影響培養(yǎng)基的pH對微生物生長的影響主要是引起細胞膜電荷變化，以及影響營養(yǎng)物離子化程度，從而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收；pH也會影響生物活性物質，如酶的活性。與溫度對微生物的影響類似，微生物存在最低生長pH、最適生長pH和最高生長pH。不同微生物對環(huán)境pH適應的范圍不同。一般微生物生長的最適pH在4.09.0范圍內。真菌生長的范圍寬，細菌較窄(pH在3.04.0范圍內)，細菌、放線菌一般適應于中性偏堿性環(huán)境，而酵母菌、霉菌適應于偏酸性環(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、有機酸(細胞發(fā)酵生產乳酸例外)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氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細菌發(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)上的應用十分廣泛，主要包括以下三方面。生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品：如啤酒、果酒、白酒和食醋等，使產品的產量和品質得到明顯的提高，特別是酒精飲料，是食品發(fā)酵工業(yè)中產量最大的一類產品。乳制品是僅次于酒精飲料的第二大食品發(fā)酵產品，其中酸奶是主要產品之一。,生產各種各樣的食品添加劑(如下表)，改善了食品的品質及色、香、味。,隨著人口的增長，糧食短缺已成為困擾人類的社會問題之一，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，如細菌的蛋白質含量占細胞干重的60%80%，酵母菌的蛋白質含量占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胞蛋白。單細胞蛋白用作飼料，能使家畜、家禽增重快，使產奶或產蛋量顯著提高。用酵母菌等生產的單細胞蛋白可作為食品添加劑。最近國外市場上出現(xiàn)的一種真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特點受到了消費者的歡迎。,除以上所述，發(fā)酵工程在生產生物殺蟲劑、生物肥料和微生物除草劑等農用生產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)酵工程也應用于生物冶金(如銅、鈾、鈷、錳等)。,