1．发酵工程中诱变育种产生高产突变菌株的基本环节
TOP
TOP
2．发酵生产中微生物培养装置 （1）固体培养
①好氧菌的曲法培养：其中通风曲是机械化程度和生产效率较高的现代化制曲设备。我国的酱油厂一般都用此法制曲。
②厌氧菌的堆积培养法：在白酒的生产中，用大型深层地窖进行堆积式的固体发酵。 （2）液体发酵
①好氧菌的培养——发酵罐
利用发酵罐作深层液体培养，这种培养方法是近代发酵工业中最典型的培养方法。它的发明在微生物培养技术的发展过程中具有革命性意义。发酵罐的主要应用是要为微生物提供丰富而均匀的养料、良好的通气和搅拌，适宜的温度和酸碱度，并能确保防止杂菌的污染。为此，除了罐体有合理的结构外，还要有一套必要的附属装置，例：培养基配制系统、蒸汽灭菌系统、空气压缩和过滤系统，以及发酵产物的后处理系统等。
②厌氧菌大规模的液体培养装置——发酵罐
发酵罐用于厌氧菌发酵，可省略通气、搅拌装置，简化工艺过程，还能大大节约能源的消耗。其体积可明显大于有通气、搅拌装置的发酵罐，从而提高了生产效率。
3．温度控制与发酵生产的产量
由于微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响极为明显。任何微生物的生长温度总有最低生产温度、最适生产温度和最高生产温度，也就是说，最适生长温度并不等于生长量最高时的培养温度，也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度，更不等于累积某一代谢产物量最高时的培养温度。对不同的生理过程、代谢过程各有其相应最适温度的研究，有着重要的实践意义。例如：国外在产黄青霉165小时的青霉素发酵过程中，运用了有关规律，即根据不同生理代谢过程的温度特点分四段控制其培养温度，即0小时
5
小时40小时125小时165小时。结果，青霉素的产量比自始至终进行30℃恒温培养的对照提高了14.7%。
4．发酵过程中pH的变化及调整
微生物在其生命活动过程中，会改变外界环境的pH，即培养基的原始pH在培养微生物过程中时时发生改变。
培养基中成分与pH变化有关，C：N高的培养基，经培养后pH常会下降，C：N低的培养基经培养后，pH会明显上升。培养基内的pH在培养微生物的过程中会发生变化，对生产来说，往往不利，因此要及时调整培养基中pH。
5．通过控制细胞膜的渗透性解除反馈调节
微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。细胞内的代谢产物常常以很高的浓度积累着，并自然地通过反馈限制了它们的进一步合成。采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜透性使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。
（1）通过生理学手段控制细胞膜的渗透性
在谷氨酸发酵生产中，生物素的浓度对谷氨酸的积累有着明显的影响。只有把生物素的浓度控制在亚适量的情况下，才能分泌大量的谷氨酸，控制生物素的含量就可以改变细胞膜的成分，进而改变膜的透性和影响谷氨酸的分泌。
当培养液内生物素含量很高时，只要添加适量的青霉素也有提高谷氨酸产量的效果。其原因是青霉素可抑制细菌细胞壁的形成，造成细胞壁的缺损。这种细胞的细胞膜在细胞膨压的作用下，有利于代谢产物的外渗，并因此降低了谷氨酸的反馈抑制和提高了产量。
（2）通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性
通过诱变育种选育的不能合成油酸的谷氨酸产生菌的菌株，在限量添加油酸的培养基中，也能因为细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸的产量。这种菌株因其不能合成油酸而使细胞膜缺损。
【学法指导】
本部分可安排2～3课时完成
1．利用对比方法比较生物工程的关系 生物工程 基因工程
工程酶 限制性内切酶DNA连接
酶 纤维素酶、果胶酶、蛋白酶
等
主要操作对象 基因及动物细胞、植物细胞、微生物细胞 动物细胞、植物细胞、微生
物细胞
改造物种 改造物种 工程目的
与其他工程的关系
通过细胞工程、发酵工程使目的基因得
以表达
细胞工程
可以为发酵工程提供菌种，使基因工程
得以实现
发酵工程 酶工程
微生物
获得菌体及代谢产物 获得酶制剂或固定化酶
为工程提供酶的来源
微生物 为其他生物工程提供酶制剂
2．将知识归纳总结形成一些知识体系，结合菌种的选育，可总结归纳生物的育种和繁殖方法（诱变育种、杂交育种、单倍体育种、多倍体育种、基因工程育种、组织培养等）；结合发酵工程的目的，研究微生物的代谢调控过程；结合化学的蒸馏、萃取等方法复习微生物发酵产品的分离提纯。
3．结合生活生产实际加深理解、巩固知识。
例：乙肝疫苗的制备、味精的生产过程、啤酒的生产过程、酱油、食醋的生产过程等。
【典型例题精讲】 ［例1］（2001年广东综合卷）利用酵母菌发酵生产时，投放的适宜原料和在产生酒精阶段要控制的条件分别是
A．玉米粉和有氧 B．大豆粉和有氧 C．玉米粉和无氧 D．大豆粉和无氧
【解析】 大豆粉的主要成分是蛋白质；而玉米粉的主要成分是糖类、淀粉；酵母菌属兼性厌氧型微生物在无氧条件下分解糖类产生酒精。
【答案】C
［例2］用大肠杆菌生产胰岛素应用的生物工程的组合是 ①基因工程 ②细胞工程 ③发酵工程 ④酶工程
A．①②③ B．①②④ C．①③④ D．②③④
【解析】 一个产品的开发中，通常是由几个工程彼此合作来完成的。用大肠杆菌生产胰岛素直接是发酵工程；而把人的胰岛素基因转入大肠杆菌，是由基因工程完成的；而基因工程所用的工具酶，来自酶工程。
【答案】C
［例3］黄色短杆菌合成赖氨酸的途径见下图（ ），要增加赖氨酸的产量，本质上必须
A．增加天冬氨酸 B．增加天冬氨酸激酶
C．降低（消除）高丝氨酸脱氢酶 D．减少苏氨酸
【解析】 从黄色短杆菌合成赖氨酸的途径可以看出：苏氨酸和赖氨酸都积累时，就抑制天冬氨酸激酶的活性，使细胞内难以积累赖氨酸；而赖氨酸单独过量就不会出现这种现象。由此可见，要想利用黄色短杆菌生产赖氨酸，就必须抑制苏氨酸的合成。而消除或降低高丝氨酸脱氢酶可以实现这一目的。
【答案】C
［例4］谷氨酸除用于制造味精外还可用于治疗神经衰弱及配制营养注射液，应用前景广阔。光明制醋厂转产用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物没有谷氨酸而产生乳酸及琥珀酸，其原因是
A．温度控制不适 B．通气量过多 C．pH呈酸性 D．溶氧不足
【解析】 谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸，受温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件的限制。当溶氧不足时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。
【答案】D
［例5］下图是O2浓度（或分压）对不同微生物生长的影响。哪条曲线代表好氧菌
A．① B．② C．③ D．都是
【解析】 好氧菌必须有O2的条件下才能生长，兼性厌氧菌在有氧或无氧条件下均能生长，但有氧条件下生长的更好。O2对厌氧菌有强烈抑制作用，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至致死。
【答案】C
【训练】 一、选择题
1．赖氨酸是一种人和动物必需的氨基酸，在利用黄色短杆菌生产赖氨酸的过程中，科学家培育出一种能大量积累赖氨酸的菌种，这种新菌种的选育方法是通过
A．基因工程 B．细胞工程 C．诱变育种 D．杂交育种
【解析】 基因工程和细胞工程，都可用来构建工程细胞或工程菌，再用它们进行发酵，能产生一般微生物所不能生产的产品。但是科学家培育的这种能大量积累赖氨酸的菌种是由于它不能合成高丝氨酸脱氢酶，从而不能合成高丝氨酸，也不能产生苏氨酸和甲硫氨酸，就可在适当条件下大量积累赖氨酸。这种缺乏高丝氨酸脱氢酶的菌株是通过人工诱变产生的，叫诱变育种。杂交育种是由两个亲本杂交产生，可排除此项。
【答案】C
2．微生物连续培养的优点是
①培养基利用更充分 ②微生物可长期高速生长 ③缩短了培养周期 ④提高了设备利用率 ⑤便于自动化管理
A．①②③ B．②③④ C．③④⑤ D．②③⑤
【解析】 连续培养是通过认识稳定期到来的原因，并采取相应的有效措施而实施的。一方面以一定速度连续流进新鲜培养基，并立即搅拌均匀；另一方面，以同样的流速不断流出培养基，这样，培养基就达到动态平衡，其中的微生物可长期保持在指数期的平衡生长状态和稳定的生长速率上。连续培养应用于生产实践上，就是连续发酵。有许多优点①高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作，减少了非生产时间和提高了设备利用率。②缩短调整期，使培养周期缩短。
【答案】C
3．以下不属于发酵的是
A．利用需氧型青霉菌生产青霉素 B．缺氧时人的组织细胞产生乳酸 C．利用酵母菌的无氧呼吸获得酒精 D．利用乳酸菌制作泡菜
【解析】 解答该题首先要理解发酵的概念。发酵是指在生产实际中，人们通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。这里有3个要点，一是用于生产，二是培养微生物，三是生产代谢产物。根据概念可知，生产代谢产物青霉素有一个培养青霉素的过程；生产酒精有一个培养酵母菌的过程；制作泡菜实质是培养乳酸菌，使其利用菜中的营养物质生产代谢产物乳酸的过程。因此，A、C、D都符合发酵的概念。而B项中虽有代谢产物乳酸，但不是微生物所为，也不存在培养微生物的过程，更不是用于生产，因此不属于发酵。
【答案】B
4．用发酵工程生产的产品，如果是菌体，则进行分离提纯时可采用的方法是 A．蒸馏、过滤 B．过滤、沉淀 C．萃取、离子交换 D．沉淀、萃取
【解析】 发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身。产品不同，分离提纯的方法一般不同。如果产品是菌体，可采用过滤，沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果产品是代谢产物，可用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行提取。
【答案】B
5．科学家用青霉素酰化酶研究出了氨苄青霉素，利用固定化青霉素酰化酶反应器进行生产，除严格控制温度和pH外，还必须严格要求的条件是
A．高压 B．无菌 C．搅拌 D．光照
【解析】 发酵生产要求一些发酵条件，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量等，但是发酵生产，首先要有优良的菌种，并且要经过严格的灭菌，一旦污染杂菌，将导致产量大大下降，甚至得不到产品。青霉素生产过程中如果污染了杂菌，这些杂菌就会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此培养基、发酵设备都必须经过严格的灭菌。
【答案】B
6．以下发酵产品中不属于微生物代谢产物的是
A．味精 B．啤酒
C．“人造肉” D．人生长激素
【解析】 味精的主要成分是谷氨酸，谷氨酸是谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等，在发酵罐中发酵后生成的，将谷氨酸从培养液中提取出来，用适量碳酸钠溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心、分离等，便制成味精。啤酒的主要成分酒精，通过酒精发酵，然后配制而成。
人生长激素可通过基因工程构建的带有人生长激素基因的工程菌进行发酵，就能制得大量的人生长激素。通过发酵获得的微生物体，叫单细胞蛋白。单细胞蛋白可以制成“人造肉”，供人们直接利用，所以“人造肉”是微生物体，而不是微生物代谢产物。
【答案】C
7．若不进行扩大培养，直接接种将导致
A．对数期提前出现 B．调整期延长 C．代谢产物减少 D．稳定期缩短 【答案】B 8．生物学家将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素基因以后，重新置入大肠杆菌的细胞内，然后用这种带有生长激素基因的大肠杆菌进行发酵。该处理过程在发酵中属
A．菌种选育 B．扩大培养 C．接种 D．诱变育种
【解析】 发酵工程的首要内容是菌种的选育。菌种的获得途径很多，其中利用细胞工程等方法构建的工程细胞或工程菌，再用它们发酵，就能生产出一般微生物不能生产的产品；诱变育种是通过人工诱发基因突变而产生菌种的方法，也是菌种选育的方法之一，但不合题意。扩大培育和接种是在选好菌种后发酵工程的一些内容。
【答案】A
9．能为发酵工程提供菌种的是 A．植物体细胞杂交 B．动物细胞杂交 C．目的基因转移
D．聚乙二醇处理大肠杆菌
【解析】 发酵工程是采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的东西。适用范围是微生物，不适用于动植物细胞。排除A、B。聚乙二醇作为细胞融合技术的诱导剂诱导融合。经过诱导融合得到杂种细胞。排除D。而目的基因转移是将目的基因引入受体细胞，形成工程细胞或工程菌，这是基因工程构建新菌种的方法。
【答案】C
10．培养基在计量、溶化后，首先要做的是
A．调整pH B．分装 C．灭菌 D．搁置斜面
【解析】 培养基的配制步骤：称量——溶化——调pH——分装。 【答案】A
11．下列叙述正确的是
A．环境条件中只有温度、pH的变化影响微生物的代谢途径 B．发酵罐中代谢产物的形成与搅拌速度有关