种的选育、保藏、复壮和扩大培养；④发酵过程的动力学；⑤发酵醪的特性；⑥氧的传递、 溶解和吸收；⑦发酵生产设备的设计、选型和计算；⑧发酵过程的工艺技术控制。下游工程 技术包括：①发酵醪与菌体的分离；②发酵产物的提取；③发酵产物的精制。辅助工程技术 包括：①空气净化除菌与调节系统；②水处理和供水系统；③加热和制冷系统。
通过《发酵工艺学》的学习，将技术基础课与发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物工程的有关科研和生产打下良好的基础。学好了该门课程为今后就业提供必备的专业知识、能力和素质，毕业后去生物工程相关的企业、科研院所、教育与行政机关等行业工作。
学习方法：预习、听课、记笔记、复习与独立完成作业、查阅参考资料。
思考题
1、 名词解释：发酵、发酵工程、发酵工业
2、 发酵工程技术经历的历史阶段与关键转折点是什么？ 3、 工业发酵过程包括哪些主要工艺环节？
2. 菌 种
教研室：生物工程 教师姓名： 余有贵
课程名称 授课内容 目的要求 发酵工艺学 菌种 要求，了解工业常用菌种。 授课专业及班次 09级食品科学与工程方向 授课方式及学时 讲授、4H 掌握菌种扩大培养工艺流程及技术控制，熟悉发酵工业对菌种的要求和种子质量 10
重点与难点 讲授内容及 时间分配 参考资料 教学过程
（1）教学重点：工业菌种的要求和种子扩大培养 （2）教学难点：种子扩大培养的技术控制 (1) 发酵工业用菌种 (2) 种子扩大培养 (1)曹军卫,马辉文.微生物工程(第二版).科学出版社,2006 (2)姚汝华.微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社,2005 菌种在发酵工业中起着重要作用，它是决定发酵产品是否具有产业化价值和商业化价值的关键因素，是发酵工业的灵魂。早期工业生产使用的优良菌种都是从自然界分离得到的，然后经过多年的选育，发酵性能稳步提高。如青霉素生产菌种(Penicillium notatum)，1929年弗莱明刚发现时，其浅表层培养只有1～2U／mL。经过四十多年的诱变育种，目前已达到60000U／mL以上，产量提高了几万倍。常规菌种选育包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合育种等技术。20世纪50年代以后，随着生物化学的发展，人们对微生物的代谢途径有了较为全面的认识，同时发现了代谢过程中的各种调节机制，在此基础上，实现定向育种。20世纪70年代以后，分子生物学的发展，使人们可以在DNA水平上对微生物进行有目的的改造，为微生物育种带来了一场技术革命，产生了一种全新的育种技术——基因工程育种。通过基因工程育种，可以实现对传统发酵产业的技术改造，大大提高发酵水平，而且还可以建立新型的发酵产业，即利用基因工程菌生产微生物原来所没有的代谢产物。
一、发酵工业用菌种
1、发酵工业对菌种的要求
微生物广泛分布于土壤、水和空气等自然界中，资源非常丰富。目前认为，人类研究创微生物不足总数的10％。从自然界中分离出来的菌株有的可直接利用，有的则需要进行人工诱变，得到的突变体才能被利用。特别是随着育种新技术的更新，不断满足新产品和原料转换对新菌种的需求。作为大规模生产的微生物工业用菌种，应尽可能满足下列要求：
(1)菌种能在廉价原料制成的培养基上迅速生长和大量合成目的产物。
(2)菌种能在要求不高、易控制的培养条件(糖浓度、温度、pH值、溶解氧、渗透压等)下迅速生长和发酵，以缩短发酵周期。在天气炎热地区应选择耐高温菌种。
(3)根据代谢调控要求选择高产菌株，如营养缺陷型菌株或调节突变型菌株。 (4)菌种抗噬菌体能力强，以防止感染噬菌体而造成“倒罐”现象的发生。
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(5)菌种纯粹，不易退化，可保证发酵生产和产品质量的稳定性。
(6)菌种不是病原菌，不产生任何有害的物质和毒素，以保证产品的安全。 2、常用的工业微生物
微生物在自然界中分布极为广泛，不断地开发和利用微生物资源是人类社会实现可持续发展的必由之路，也是解决现代社会经济高速发展所带来的人口、资源、能源、环境、健康等问题的重要途径。但到目前为止，人们所知道的微生物种类不到总数的10％，而真正被利用的还不到1％，进一步开发利用微生物资源的潜力很大。发酵工业广泛应用于医药化工、食品轻工、农业、环保等诸多领域，发酵工业应用的微生物种类很多，可分为两大类即可培养微生物和未培养微生物。 2.1 细菌
细菌(bacteria)是一类单细胞的原核微生物，在自然界分布最广，数量最多，与人类生产和生活关系十分密切，也是工业微生物学研究和应用的主要对象之一。细菌以较典型的二分分裂方式繁殖。细胞生长时，环状DNA染色体复制，细胞内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞中部产生一横段间隔，染色体分开，继而间隔分裂形成两个相同的子细胞。如间隔不完全分裂就形成链状细胞。
工业生产常用的细菌有枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等。用于生产各种酶制剂、有机酸、氨基酸、肌苷酸等。此外，细菌常用作基因工程载体的宿主细胞，用于构建基因工程菌来生产外源物质，如利用大肠杆菌生产核酸和蛋白质疫苗等。 2.2 放线菌
放线菌(actinomycetes)因菌落呈放射状而得名，是一类介于细菌和真菌之间的单细胞微生物，它的细胞构造和细胞壁的化学成分与细菌相同。但在菌丝的形成、外生孢子繁殖等方面则类似于丝状真菌。它是一个原核生物类群，在自然界中分布很广，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中分布较广，大多腐生，少数寄生。放线菌主要以无性孢子进行繁殖，也可借菌丝片段进行繁殖。它的最大经济价值在于能产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素有60％以上是由放线菌产生的，如链霉素、红霉素、金霉素、庆大霉素等。
常用的放线菌主要来自于链霉菌属、小单孢菌属和诺卡菌属等。 2.3 酵母菌
酵母菌(yeast)不是微生物分类学上的名词，通常指一类单细胞，且主要以出芽方式进行无性繁殖的真核微生物。酵母菌在自然界中普遍存在，主要分布于含糖较多的酸性环境中，如水果、蔬菜、花蜜和植物叶子上以及果园土壤中。酵母菌多为腐生，常以单个细胞存在，以出芽方式进行繁殖，母细胞体积长到一定程度时就开始出芽。芽长大的同时母细胞缩小。在母细胞与子细胞之间形成隔膜，最后形成同样大小的子细胞。如果子细胞不与母细胞脱离就形成链状细胞，称为假菌丝。在发酵生产旺期，常出现假菌丝。
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工业生产中常用的酵母有啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，分别用于酿酒、制造面包、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用酵母菌体蛋白等。 2.4 霉菌
霉菌(mould)，指“发霉的真菌”，是一群在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝真菌的通称，并非微生物分类学上的名词。
霉菌是人们早就熟知的一类微生物，与人类日常生活关系密切。它在自然界广为分布，大量存在于土壤、空气、水和生物体中。它喜欢偏酸性环境，大多数为好氧性，多腐生，少数寄生。霉菌的繁殖能力很强，能以无性孢子和有性孢子进行繁殖，多以无性孢子繁殖。其生长方式是菌丝末端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。菌丝的长度既受遗传性状的控制，又受环境的影响。菌丝或呈分散生长，或呈团状生长。
工业上常用的霉菌有藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌纲的曲霉、青霉等。它们可广泛用于生产酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。 2.5未培养微生物
未培养微生物(uncultured microorganisms)是指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物。未培养微生物在自然环境微生物群落中占有非常高的比例(约为99％)，无论是其物种类群，还是新陈代谢途径、生理生化反应、产物等都存在着不同程度的新颖性和丰富的多样性，因而其中势必蕴涵着巨大的生物资源。
自从科赫于19世纪发明使用固体培养基及纯培养技术以来，人们采用各种纯培养方法从自然环境中分离得到众多微生物的纯培养。但人们同时也发现，在显微镜下可以观察到的绝大部分自然环境微生物，很难或不能通过传统纯培养分离方法得到其纯培养。于是，人们对这类微生物进行了广泛深入的研究，并于1982年提出了“不可培养微生物”的概念。Stackebrandt等将那些利用分子生物学技术能够检测到，但还不能获得纯培养的微生物定义为“(至今)未培养微生物”。
未培养微生物广泛存在于各种自然环境中，特别是各种极端环境中。在极端环境下能够生长的微生物，称做极端微生物，又称嗜极菌(extremophiles)。极端环境指普通微生物不能生存的环境，如高温、低温、高压、高盐度、高辐射以及较强的酸碱环境。研究极端微生物有利于人们了解生命的本质，同时这些微生物在发酵工业中具有极为重要的应用价值。
表2-1 工业上常用的微生物
微生物类别 微生物名称 短杆菌 枯草杆菌 细菌 枯草杆菌 梭状杆菌 蛋白酶 丙酮、 丁醇 产物 味精、谷氨酸 淀粉酶 食用、医药 酒精浓醪发酵、啤酒酿造、葡萄糖制造、糊精制造、糖浆制造、纺织品退浆、铜版纸加工、洗衣业、香料加工(除去淀粉) 皮革脱毛柔化、胶卷回收银、丝绸脱胶、酱油速酿、水解蛋白、饲料、明胶制造、洗衣业 工业有机溶剂 用 途 13
巨大芽孢杆菌 大肠杆菌 短杆菌 节杆菌 蜡状芽孢杆菌 酒精酵母 酵母 假丝酵母 假丝酵母 酵母菌 啤酒酵母 类酵母 阿氏假囊酵母 脆壁酵母 葡萄糖异构酶 酰胺酶 肌苷酸 强的松 青霉素酶 酒精 甘油 石油及蛋白 环烷酸 由葡萄糖制造果糖 制造新型青霉素 医药、食用 医药 青霉素的检定、抵抗青霉素敏感症 工业、医药 医药、军工 制造低凝固点石油及酵母菌体蛋白等 工业 细胞色素、辅酶甲、酵母片、凝血质 医药 脂肪酶 核黄素 乳糖酶 柠檬酸 医药、纺织脱蜡、洗衣业 医药 食品工业 工业、食用、医药 柑橘罐头脱除苦味 啤酒防浊剂、消化剂、饲料 分解单宁、制造没食子酸、酶的精制 酒精发酵工业 用途与枯草杆菌蛋白酶同 葡萄糖制造、酒精厂糖化用 医药 工业 农业(植物生长刺激素) 医药 医药 蛋白除去葡萄糖、脱氧、食品罐头储存、医药 医药 淀粉和食品加工、饲料 医药、工业 葡萄糖制造、酒精厂糖化用 医药 医药 用途与枯草杆菌蛋白酶同 医药 黑曲霉 柚甙酶 酸性蛋白酶 单宁酶 糖化酶 栖土曲霉 根霉 根霉 霉菌 土曲霉 赤霉菌 梨头霉 青霉菌 青霉菌 灰黄霉菌 木霉菌 黄曲霉菌 红曲霉 各类放线菌 小单孢菌 放线菌 灰色放线菌 球孢放线菌 蛋白酶 根霉糖化酶 甾体激素 甲叉丁二酸 赤霉素 甾体激素 青霉素 葡萄糖氧化酶 灰黄霉素 纤维素酶 淀粉酶 红曲霉糖化酶 链霉素、新生霉素、卡那霉素 庆大霉素 蛋白酶 甾体激素
目前，未培养微生物的研究方法主要包括两种：一是模拟自然培养法；二是宏基因组分析法。模拟自然培养法就是模拟微生物生长的自然环境对未培养微生物进行可培养研究，目前主要集中在原位培养、培养条件优化、单细胞微操作等方面，即利用传统纯培养法，结合分子生态学方法对自然环境微生物进行分析，了解未培养微生物多样性、系统发育和基本的生理特性，然后依据其系统发育关系相近的可纯培养微生物的生理代谢特征和其生存的自然环境条件，设计培养基和培养条件，最终获得纯培养。一旦获得微生物的纯培养，则采用可培养微生物相同或相似的途径进行开发利用。
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