《微生物与发酵过程》课件

《微生物与发酵过程》欢迎来到《微生物与发酵过程》课程！本课程将带您深入探索微生物世界及其在发酵工业中的关键应用从基础微生物学到现代发酵技术，我们将系统学习微生物如何转化原料，创造出丰富多样的产品微生物与发酵技术不仅是传统工业的基础，也是当代生物技术和生物经济的核心通过本课程的学习，您将掌握微生物学基础知识、发酵原理、工艺设计以及最新技术进展，为未来在生物技术、食品工业或环境科学领域的职业发展奠定坚实基础课程概述教学目标与学习成果课程安排与评分标准掌握微生物学基本原理，熟悉本课程为期周，包括理论16工业发酵工艺设计，培养实验课（）、实验课（）60%30%操作与数据分析能力，具备解和讨论课（）评分包10%决发酵工业实际问题的能力括平时作业（）、实验20%课程结束后，学生能独立设计报告（）、期中考试30%简单发酵工艺并进行微生物培（）和期末考试20%养（）30%教材与参考资料主教材《工业微生物学》和《发酵工程原理》，辅以国内外最新研究文献及在线资源每周更新推荐阅读清单，鼓励学生关注行业前沿动态第一部分微生物学基础遗传与变异基因组结构与遗传机制代谢与生理代谢途径与调控机制形态与结构细胞结构与分类特征微生物学基础是整个课程的核心部分，我们将从微生物的基本特性入手，深入讲解其形态结构、生理代谢和遗传特性这一部分知识将为后续发酵工艺的学习奠定扎实基础我们将特别关注那些在工业发酵中具有重要应用价值的微生物种类，如工业用酵母、乳酸菌、醋酸菌等，帮助学生建立起工业应用导向的微生物学知识体系微生物的分类与特性原核生物真核微生物细菌和古菌是典型的原核生物，它们没有真正的细胞核和复杂的真菌和酵母属于真核微生物，具有真正的细胞核和膜包被的细胞细胞器细菌的直接存在于细胞质中，形成核区细菌具器真菌通常形成菌丝体结构，而酵母则以单细胞形式存在真DNA有强大的环境适应性，可在极端环境中生存在工业发酵中，多菌在抗生素生产中具有重要地位，而酵母则广泛应用于酒精发酵种细菌用于氨基酸、抗生素、有机酸等产物的生产和食品工业微生物分类学正不断发展，近年来分子生物学技术的应用使微生物系统发生学研究取得重大进展目前，基于和全基因组16S rRNA分析的分类方法逐渐取代传统形态学分类准确的微生物分类对于工业菌种选育和优化具有重要指导意义细菌的结构与功能细胞壁与细胞膜细胞器与核区细胞壁提供结构支持和保护，根据革兰氏染核区含有环状，控制细胞代谢和分裂DNA色可分为革兰阳性和革兰阴性两类细胞膜细胞质中含有核糖体、质粒等结构，负责蛋控制物质进出，维持细胞内环境稳定白质合成和遗传信息储存芽孢形成细菌鞭毛某些细菌在不利环境下形成芽孢，具有极强鞭毛是细菌运动的主要结构，由基体、钩和的抵抗能力芽孢可在高温、干燥、辐射等长丝三部分组成不同细菌的鞭毛排列方式恶劣条件下存活多年差异明显，可作为分类依据细菌结构的深入了解有助于我们控制细菌生长，优化发酵条件，提高产物产量特别是芽孢的形成机制，对于发酵工业中的灭菌工艺设计至关重要真菌与酵母丝状真菌特征酵母细胞结构丝状真菌由菌丝体组成，菌丝可分为营养菌丝和生殖菌丝在固酵母是单细胞真菌，大多呈椭圆形或球形，比细菌大数倍酵母体培养基上形成菌落，外观呈绒毛状或粉末状许多真菌能产生具有完整的真核细胞结构，包括细胞核、线粒体、内质网等酵孢子进行繁殖，如分生孢子和孢子囊孢子母主要通过出芽方式进行无性繁殖，某些酵母也能进行有性生殖多细胞结构，形成复杂的菌丝网络•单细胞结构，适合液体深层发酵适合固态发酵，在固体基质表面生长良好••具有强大的发酵能力，广泛用于酒精发酵青霉素、柠檬酸等发酵产业的重要菌种••酿酒酵母、面包酵母是食品工业核心菌种•工业上重要的真菌菌种包括青霉属、曲霉属、毛霉属等，它们在抗生素生产、酶制剂和有机酸发酵中发挥关键作用而啤酒酵母、酿酒酵母和面包酵母则是食品发酵的基础菌种，具有悠久的应用历史微生物的生长动力学延滞期稳定期微生物适应新环境，细胞体积增大但数量变化不明显此阶段细胞合成内部酶系统，为快速生长做准备延滞期长短受接种量、培养微生物生长速率与死亡速率趋于平衡，总菌数基本保持不变营养条件和菌种活力影响物质逐渐耗尽，代谢产物累积某些次级代谢产物在此阶段形成对数期衰亡期微生物以最大速率生长繁殖，细胞数量呈指数增长此阶段是代谢微生物死亡速率超过生长速率，活菌数量下降细胞自溶现象出现，最活跃的时期，产物形成速率高大多数初级代谢产物在此阶段积释放内部物质到培养基环境恶化导致微生物代谢活动逐渐停止累方程是描述微生物生长动力学的基本方程，表示比生长速率与限制性底物浓度的关系其中为比生长速率，为最大比生长速率，为底物浓度，Monodμ=μmax·S/Ks+Sμμmax S为半饱和常数Ks微生物代谢概论糖类代谢包括糖酵解途径、戊糖磷酸途径和循环微生物通过这些途径分解葡萄糖等碳源，获取能量并合成细胞物质这些途径是大多数发酵过程的核心代谢网络TCA氨基酸代谢氨基酸生物合成与分解途径许多工业微生物通过调控这些途径实现氨基酸过量积累谷氨酸、赖氨酸等氨基酸的产业化生产都基于这些途径的优化次级代谢非生长必需的代谢活动，通常在生长后期启动抗生素、色素、毒素等次级代谢产物是发酵工业中的高附加值产品次级代谢与初级代谢密切关联微生物代谢调控是发酵工业的核心科学问题通过理解酶活性调控、基因表达控制和代谢流分配，科学家们可以引导微生物产生更多目标产物现代代谢工程技术正是基于对这些调控机制的深入理解发展起来的微生物遗传与变异基因组结构基因转移机制细菌基因组通常由环状分子组成，细菌可通过转化作用（直接吸收外源DNA大小通常在兆碱基对之间除染）、接合作用（细胞间直接接触1-10DNA色体外，细菌还可能含有质粒、转移）和转导作用（病毒介导DNA DNA插入序列和转座子等可移动遗传元件转移）进行基因交换这些自然DNA真菌基因组更加复杂，含有线性染色体，基因转移机制也是分子生物学工具发展真核调控元件和内含子结构的理论基础突变与筛选自然突变率一般很低，可通过物理诱变紫外线、射线和化学诱变、亚硝酸XEMS提高突变后需要设计有效的筛选方法，如抗性标记筛选、营养缺陷型筛选和代谢产物检测等，以分离目标突变株微生物育种是发酵工业提高产量的关键技术传统育种主要依靠诱变筛选，但随机性大；现代育种综合应用基因工程、基因组学和系统生物学，能够进行精准改造，显著提高育种效率和成功率工业菌种通常经过多轮育种，产量可比野生菌提高数十倍微生物培养技术培养基制备根据微生物营养需求设计配方，包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等培养基和pH渗透压需要精确调节根据需要选择合成培养基或复杂培养基灭菌处理采用高压蒸汽灭菌℃，分钟或过滤灭菌热敏物质设备和容器通常采12115-20用干热灭菌操作区域使用紫外灯和消毒液处理，确保无菌环境接种培养种子培养采用梯度扩大原则，从斜面到摇瓶再到种子罐控制适宜的接种量通常1-和接种时机在无菌操作台或接种环境中完成操作10%生长监测通过浊度测量、干重测定、细胞计数、含量等方法监测微生物生长自动化设备DNA可实现在线监测，及时调整培养条件，维持最佳生长状态连续培养技术通过不断加入新鲜培养基并导出等量培养物，使微生物保持在特定生长阶段稳态连续培养中，微生物以恒定的比生长速率生长，浓度保持不变该技术在研究微生物生理和工业生产中具有重要应用第二部分发酵原理发酵基础理论从微生物代谢到发酵定义，从传统发酵到现代生物转化，发酵理论体系不断发展完善理解发酵基本概念和类型是掌握发酵科学的第一步工艺过程控制深入研究发酵动力学、传质、传热等现象，掌握关键参数监测与控制技术发酵罐的设计与操作直接影响发酵效率和产品质量产业化实施从实验室到工业生产涉及放大、工艺优化、经济评估等多方面挑战发酵过程放大是工业化生产的关键环节，需要综合考虑多种因素发酵原理部分将重点阐述微生物代谢与发酵工艺之间的联系，解析发酵过程中的物理、化学和生物学现象通过学习这部分内容，学生将能够理解控制发酵过程的基本原则，为后续具体发酵工艺的学习奠定理论基础发酵的基本概念1传统定义最初指微生物在厌氧条件下降解有机物产生能量的过程，如酒精发酵将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳这一定义源于古代发酵食品和饮料的生产实践2现代广义概念现代发酵工程将发酵定义为利用微生物在可控条件下进行的生物转化过程，包括有氧和无氧过程产物不再局限于乙醇，扩展到各类生物活性物质3工业发酵体系当代工业发酵体系集成了微生物学、生物化学、化学工程等多学科知识，形成了完整的技术体系从上游培养到下游分离，构成了现代生物产业链根据氧气需求，发酵可分为好氧发酵（如抗生素、氨基酸生产）、厌氧发酵（如酒精、乳酸发酵）和微需氧发酵（如醋酸生产）根据菌体生长与产物形成的关系，可分为生长相关型发酵和非生长相关型发酵现代发酵工业已成为生物经济的支柱产业之一，全球市场规模超过千亿美元从传统的酿造食品到现代的生物制药，发酵技术在多个领域发挥着不可替代的作用发酵动力学基础发酵过程中的供氧氧气在发酵中的作用氧传递与溶解在好氧发酵中，氧气作为最终电子受体氧在水中溶解度低约远不能满8mg/L,参与微生物呼吸链，提供能量合成足高密度发酵需求氧传递过程包括气ATP:氧气直接影响微生物代谢途径选择，如泡内扩散气液界面液体膜扩散液→→→有氧条件下乙醇发酵被抑制某些产物体主体氧传递速率受气液接触OTR合成需要特定溶氧水平，如青霉素要求面积和传质推动力溶解氧浓度差影响较高溶氧，而红霉素则需要微需氧条件传质系数是衡量氧传递能力的重要KLa参数提高氧传递效率的方法增加曝气量和搅拌速度是最常用的提高氧传递的方法优化搅拌器设计如多级搅拌或特,殊叶片形状使用纯氧或富氧空气增加传质推动力添加表面活性剂降低气泡尺寸增加,气液接触面积高压发酵提高氧溶解度但设备成本高,临界溶解氧浓度是维持微生物正常代谢的最低溶氧浓度通常为饱和溶氧的Ccrit,5-25%当实际溶解氧低于临界值时微生物生长和产物合成速率将受到限制不同微生物的临界溶解,氧需求差异很大控制适宜的溶氧水平对于优化发酵工艺至关重要,发酵罐的设计与操作实验室发酵罐工业发酵罐容积通常为，常用玻璃或不锈钢材质配备基本监测控容积可达数十至数百立方米，材质多为不锈钢具备完善的监测1-30L制系统，如温度、、溶氧电极适合工艺开发和小规模研究，控制系统和自动化程度高的操作界面工业发酵罐需满足pH GMP操作灵活，便于观察要求，设计更注重安全性和可靠性搅拌系统机械搅拌，顶驱或底驱搅拌系统多级搅拌，大功率电机••曝气系统孔板式、通气管或微孔曝气器曝气系统环形曝气器，分布更均匀••控制系统可连接计算机监测数据冷却系统夹套冷却结合内部冷却盘管••发酵罐类型多样，根据不同工艺需求可选择气升式发酵罐（低剪切力，结构简单）、机械搅拌发酵罐（混合效果好，能耗高）或固态发酵罐（低水分，灭菌难度大）近年来，一次性发酵罐技术在生物制药领域应用增多，具有减少交叉污染、缩短周转时间等优势发酵工艺参数监测与控制温度监控控制pH通过温度探头实时监测，精度通常为电极连续监测培养基酸碱度，通过自pH±℃常用冷却水夹套或内部盘管

0.1动添加酸碱溶液维持稳定电极需定pH控制温度，自动调节冷热水阀门维持设期校准，防止漂移影响测量准确性定温度数据系统溶氧测量计算机控制系统集成所有参数监测，实采用极谱型或光学溶氧电极测量，数据现数据可视化和自动记录先进系统可实时传输至控制系统通过调节搅拌速基于历史数据进行智能决策，优化控制度和通气量自动响应维持设定溶氧水平策略在线监测技术不断发展，现代发酵工艺可实现更多参数的实时监测在线生物量传感器如电容式、光学密度和热量测定法等可直接监测微生物生长在线气体分析通过质谱或红外吸收分析尾气组成，计算氧气吸收速率和二氧化碳释放速率，用于评估代谢活性和进行代谢通量分析发酵过程放大实验室规模优化培养基和基本工艺参数中试规模验证工艺可行性和经济性工业规模实施全面生产和质量控制发酵过程放大是将实验室水平的发酵工艺转化为工业生产规模的关键步骤放大过程遵循一定的相似性准则，如几何相似性（保持关键尺寸比例不变）、动力学相似性（维持关键反应速率）和传递现象相似性（保持传质、传热效率）常用放大准则包括恒定功率输入（一致）、恒定氧传递系数（一致）、恒定搅拌尖速度（防止剪切敏感微生物受损）、恒定混合时P/V KLa间（确保均匀性）等放大过程中通常会遇到传热变差、混合不均、气体滞留增加等问题，需要通过工艺调整和设备优化来解决放大比例一般采用逐级放大策略，每次放大不超过倍，以降低风险10发酵产物的分离与纯化固液分离分离微生物细胞与发酵液的首要步骤根据产物位置（胞内或胞外）选择不同策略常用设备包括离心机、过滤器、沉降罐等大规模生产中速度和成本是关键考量因素初步提取从复杂发酵液中富集目标产物常用方法有溶剂萃取、沉淀、吸附和膜分离等工艺选择取决于产物物理化学性质和稳定性此阶段通常可获得纯度产品30-60%精制纯化进一步提高产品纯度去除杂质层析技术是最常用的高效纯化方法包括离子交换、凝胶,,过滤、亲和层析等蛋白类产品还可能需要去除内毒素和病毒灭活步骤最终制剂将纯化产品转化为稳定的商业形式包括浓缩、干燥冷冻干燥或喷雾干燥和制剂化添加稳定剂、赋形剂等最终产品需经过严格质量控制检测确保符合标准下游处理成本在生物产品中占比很高通常为总生产成本的近年来整合下游工艺设计,50-80%,成为研究热点旨在减少分离步骤降低成本新兴技术如膜分离、Integrated DownstreamProcessing,,水溶性双相系统和连续层析等有望显著提高下游处理效率发酵过程的经济分析第三部分主要发酵产品与工艺酒精发酵生化原理工业生产酒精发酵是将含糖原料在酵母作用下转化为乙醇和二氧化碳的过工业酒精生产通常采用糖蜜、淀粉质或纤维素原料淀粉质原料程葡萄糖经过糖酵解途径分解为丙酮酸，然后在丙酮酸脱羧酶需先经过液化和糖化处理转化为可发酵糖传统分批发酵已逐渐作用下形成乙醛，最后被醇脱氢酶还原为乙醇理论上，克葡被连续发酵或补料分批发酵取代，提高了生产效率1萄糖可产生克乙醇和克二氧化碳

0.

5110.489发酵通常在℃、条件下进行，发酵周期为30-35pH

4.0-

5.0能量小时产物浓度通常可达，高浓度乙醇会C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+24-728-12%v/v抑制酵母活性乙醇回收主要通过蒸馏和精馏完成，可获得以上纯度的产品95%近年来，燃料乙醇生产技术取得重大进展，特别是纤维素乙醇技术前处理技术（蒸汽爆破、酸碱处理等）和纤维素酶制剂效率显著提高，使纤维素转化为可发酵糖的成本大幅降低耐高温、耐酸、耐乙醇抑制的工程菌株开发也取得突破，实现了一步法纤维素乙醇发酵乳酸发酵乳酸菌特性发酵机制工业生产乳酸菌是一类能将糖类发酵产生乳酸的细菌，同型乳酸发酵通过糖酵解途径将分子工业乳酸生产通常使用嗜热乳杆菌EMP1L.主要包括乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属葡萄糖转化为分子乳酸，其中丙酮酸被乳酸或德氏乳杆菌2thermophilus L.等根据代谢产物可分为同型发酵（以脱氢酶直接还原为乳酸异型乳酸发酵则部等菌种，发酵温度为℃，90%delbrueckii45-55上产物为乳酸）和异型发酵（除乳酸外还产分走磷酸戊糖途径，产生多种代谢产物乳需通过不断加入中和剂（如碳酸钙）维持pH生乙酸、乙醇、等）两类大多数乳酸酸发酵产生的乳酸包括型、型或混合型，在底物通常为葡萄糖、蔗糖或淀CO2L DDL

5.5-

6.5菌为兼性厌氧菌，对酸有较强的耐受性，适取决于菌种所含乳酸脱氢酶的立体特异性粉水解液，补充适量的氮源和生长因子发宜在环境中生长酵液中乳酸浓度可达pH

4.0-

6.010-20%乳酸在食品工业中应用广泛，作为酸味剂、防腐剂和风味增强剂乳制品发酵是乳酸菌最传统的应用，不同的乳酸菌组合可产生各具特色的发酵乳制品近年来，高纯度光学活性乳酸需求增长，可用于可降解塑料聚乳酸的生产基因工程乳酸菌已开发出来，可专一性生产乳酸或乳酸，满足特定应用需求PLA L-D-氨基酸发酵菌种选育工业氨基酸生产主要使用棒状杆菌属和短杆菌属Corynebacterium Brevibacterium通过诱变筛选和基因工程改造，获得代谢调控机制改变的高产菌株典型策略包括

①终产物反馈抑制解除；

②关键酶活性提高；

③副产物途径阻断；

④前体物质合成增强代谢调控氨基酸代谢调控机制主要包括

①终产物反馈抑制关键酶活性；

②异补效应同系物抑制酶活性；

③阻遏作用终产物抑制酶合成通过理解这些机制，可有针对性地改造菌株代谢途径，如引入反馈抑制缺陷型酶基因、提高基因表达水平或改造转运系统工艺技术氨基酸发酵通常为好氧过程，需维持充足溶氧培养基碳源多用葡萄糖、蔗糖或淀粉水解液，氮源使用氨盐、尿素或蛋白质水解物发酵过程中需严格控制、温度和溶氧，并采pH用适当补料策略提高产量氨基酸提取工艺包括离子交换、结晶和膜分离等技术谷氨酸是产量最大的氨基酸，年产量超过万吨其生产使用谷氨酸棒杆菌，特点是细胞膜脂肪酸组成300改变，导致谷氨酸大量外排发酵过程中添加生物素限制因子和表面活性剂可增强谷氨酸分泌赖氨酸生产则利用双高型菌株（高产量加高转化率），辅以精确控制的补料策略，产量可达以上180g/L有机酸发酵柠檬酸发酵醋酸发酵主要使用黑曲霉在液态或醋酸菌将乙醇氧化为醋酸的过程产业上采用Aspergillus niger固态发酵条件下生产培养基需严格控制铁等表面发酵传统工艺或深层发酵现代工艺微量元素含量，铁离子限制是诱导柠檬酸积累深层发酵使用高氧转移设备，如通气搅拌罐或的关键因素初期维持在，产酸塔式发酵器基质为含乙醇溶液，如酒类、水pH

2.0-

3.0后可降至以下广泛应用于食品、饮料和解糖液等产品用于食品调味、防腐和工业用

1.5药物行业途富马酸生产苹果酸发酵使用产黄青霉或主要通过固定化酶系统或完整细胞转化延胡索Penicillium chrysogenum木霉在有限通气条件下发酵生4酸制备新型工艺使用基因工程大肠杆菌直接Trichoderma产过程需精确控制分压和值基质从葡萄糖发酵生产苹果酸产品主要用作CO2pH L-通常为葡萄糖、糖蜜或其他碳水化合物产品食品酸味剂和医药中间体发酵方法可获得光广泛用于食品、医药和化工领域学纯的苹果酸L-有机酸发酵技术近年来取得显著进展，代谢工程和分子改造方法成功应用于有机酸生产菌种例如，通过改造琥珀酸脱氢酶和延胡索酸还原酶活性，显著提高了琥珀酸产量；通过阻断竞争途径并强化固定，提高了丙酮酸转化为草酰乙酸的效率新型分离纯化技术如膜分离也降低了有机酸分离成本CO2抗生素发酵菌种培养从冻干或冷冻保存株恢复活力种子扩大2梯度扩培确保接种物活力发酵生产3严格控制发酵条件提高产量下游处理提取纯化及制剂成型抗生素发酵是典型的次级代谢产物生产过程，产物形成通常在微生物生长后期以青霉素生产为例，使用青霉菌在好氧条件下发酵培Penicillium chrysogenum养基含有碳源乳糖、葡萄糖、氮源玉米浆、氨盐和前体物质苯乙酸发酵分为生长阶段和产物形成阶段，后者需添加前体以提高产量四环素则主要由链霉菌属产生，发酵特点是分阶段控制初期维持高溶氧和高氮条件促进生物量积累，后期降低氮源水平诱导抗生素合成关键工Streptomyces艺参数包括溶氧控制、调节和补料策略抗生素产量提高策略包括菌种改良基因工程或诱变、前体添加、转化率优化和发酵参数精确控制等pH酶制剂生产工业重要酶类发酵方式比较提取与制剂工业酶按应用领域可分为

①食品工业用酶淀粉酶、液态发酵在搅拌罐中进行易于控制温度、、溶液态发酵的酶提取相对简单通常经过过滤、离心:,pH,蛋白酶、葡萄糖异构酶等

②洗涤用酶蛋白酶、脂氧等参数适合大规模生产工艺成熟自动化程度除菌后通过超滤浓缩再经喷雾干燥或冷冻干燥制;,,,,肪酶、淀粉酶等

③纺织用酶纤维素酶、果胶酶高但能耗大投资高固态发酵模拟微生物自然生成粉末固态发酵的酶需水提取后续步骤类似;,,,等

④造纸用酶木聚糖酶等

⑤饲料用酶植酸酶、长环境利用麸皮、米糠等固体物料作为基质和载酶制剂常添加稳定剂如糖类、盐类、防腐剂和;;,pH葡聚糖酶等根据来源可分为细菌酶、真菌酶体水分含量通常为固态发酵具有能耗缓冲剂等辅料以提高稳定性和货架期特殊应用β-,40-70%,和酵母酶不同来源的酶具有各自特点如热稳定性、低、酶活高、产物浓缩等优点但放大困难温度控可能需要包埋或交联处理制成固定化酶提高重复,,,,,适应范围等制复杂使用性能pH现代酶制剂生产技术进展迅速特别是分子改造技术通过定向进化、理性设计和计算机辅助设计等方法开发出具有高活性、高稳定性、特殊底物特异性的工程酶蛋白质,,工程已成功用于改善多种工业酶的性能如提高耐热性、耐酸碱性、抗氧化性和催化效率此外基因组挖掘也促进了新型酶的发现特别是来自极端环境微生物的特种酶,,,微生物多糖发酵黄原胶生产葡聚糖发酵工艺优化黄原胶是由黄单胞菌葡聚糖是由明串珠菌多糖发酵过程中，产物增加会导致培养基黏度Xanthomonas DextranLeuconostoc产生的异多糖，结构由葡萄糖、甘或乳杆菌合成的葡聚糖，含有不同比例急剧上升，影响搅拌和氧传递效率针对这一campestrisα-1,6-露糖和葡萄糖醛酸组成，分子量约为的，或支链工业生产采问题，可采用多级搅拌器设计、提高搅拌功率2-α-1,2α-1,3α-1,4×道尔顿生产工艺采用好氧条件下的用蔗糖作为底物，在弱酸性条件或采用特殊搅拌器形状优化碳氮比例对多糖50106pH

5.0-

5.5分批或补料分批发酵，培养基含有葡萄糖或蔗下发酵与其他多糖不同，葡聚糖合成主要依产量和性能也有显著影响某些多糖通过添加糖作为碳源，维持在，温度为靠胞外酶葡聚糖蔗糖酶的催化作用，而非前体物质可调控其结构，如向黄原胶发酵中添pH

6.8-

7.228-——℃发酵结束后，通过加热杀菌，再经过离细胞内合成后分泌的方式根据分子量大小可加丙酮酸可增加丙酰化程度，改变产物流变性30心分离菌体，醇沉淀多糖，最后干燥制成商品分为临床级和工业级能40-70kDa500kDa产品微生物多糖在食品工业中具有增稠、稳定、乳化和凝胶等重要功能如黄原胶用于调味品、冰淇淋和饮料；结冷胶用于果冻和低糖甜点；魏兰胶用于混凝gellan welan土添加剂此外，多糖还在药物控释系统、组织工程支架材料和生物活性材料等生物医药领域有广泛应用近年来，多糖结构与功能关系研究取得进展，为设计特定结构多糖提供了理论基础微生物蛋白发酵单细胞蛋白概念工业化生产单细胞蛋白是指以微生物细胞细菌、酵母、真菌或藻类作酵母蛋白是最常见的单细胞蛋白产品，主要使用面包酵母或饲料酵SCP为蛋白质来源的产品微生物生长快、产量高，可利用多种碳源，母生产通常采用好氧深层发酵，碳源为糖蜜、木糖或其他农业副如烃类、醇类、有机酸、等相比传统动植物蛋白，单细胞产品发酵过程热量释放大，需强化冷却系统醪液浓度可达CO2蛋白生产不受季节和气候限制，单位面积产量高干重20-30g/L蛋白质含量高干重连续培养提高效率•40-80%•富含必需氨基酸高密度培养降低成本••生产周期短数小时至数天分离采用离心或过滤••微生物蛋白提取通常包括预处理热休克或碱处理降低核酸含量、细胞破碎高压均质或酶解、蛋白分离沉淀或膜分离和干燥喷雾pH或流化床干燥最终产品可制成粉末、片剂或颗粒状，通常添加风味物质改善口感微生物蛋白的营养评价主要考察氨基酸评分、消化率和生物利用度酵母蛋白赖氨基酸含量相对较低，而细菌蛋白则通常缺乏含硫氨基酸现代产品通过菌种选育和加工工艺改进，已显著提高了营养价值和感官品质安全性评估重点关注过敏原、有害代谢物和核酸含量，后者需控制在以下，以避免嘌呤代谢紊乱2%第四部分食品发酵工艺发酵食品的多样性现代化生产营养与健康发酵食品种类丰富，包括酒类、乳制品、面包、传统发酵食品正逐步实现规模化、标准化生产发酵食品具有多种健康功效，如改善消化、增肉制品、酱油酱类和泡菜等这些食品融合了现代食品发酵工艺融合了传统经验和现代科技，强免疫力和防治疾病益生菌、益生元和生物不同地域的文化特色和工艺传统，构成了世界利用优良菌种和先进设备，提高产品质量稳定活性物质是现代发酵食品研究的热点，为功能饮食文化的重要组成部分性和生产效率性食品开发提供了新思路食品发酵工艺部分将系统介绍各类食品发酵的原理、工艺流程和质量控制我们将探讨传统工艺和现代技术的结合点，了解不同发酵食品的共性和特点通过学习这部分内容，学生将掌握食品发酵的科学基础和应用技能，为食品工业领域的工作和研究做好准备酿酒技术原料处理啤酒以大麦为主要原料，经过浸泡、发芽和干燥制成麦芽，再粉碎成适当粒度葡萄酒则使用新鲜或干燥葡萄，需去梗、破碎和榨汁处理白酒主要使用高粱、玉米等谷物，需粉碎、蒸煮糊化；黄酒使用糯米或粳米，经蒸煮成熟饭糖化过程啤酒采用糖化工艺，将麦芽中淀粉水解为麦芽糖分步或一步糖化工艺在不同温度下激活各种酶，控制糖化产物组成白酒和黄酒使用曲霉制成的大曲或小曲作为糖化剂，将淀粉转化为糖类葡萄酒则直接利用葡萄中的葡萄糖，无需糖化步骤发酵阶段啤酒发酵包括主发酵天和陈酿数周至数月两个阶段葡萄酒发酵通常持续周，部分种类还需进行苹果酸乳酸发酵白酒采用固态发酵工艺，周期较长约天；黄酒则采用半固态发酵，经过7-101-2-30多轮续糟工艺酒类发酵的关键是温度控制和微生物管理后处理啤酒需过滤、巴氏杀菌和灌装葡萄酒经澄清、过滤后装瓶陈酿白酒通过蒸馏提取酒精，并进行老熟处理；黄酒则直接压榨、过滤和灭菌现代酿酒工艺注重品质稳定性和批次一致性，借助自动化设备和标准化工艺实现规模化生产现代酿酒技术的创新主要体现在

①菌种选育，如低温发酵啤酒酵母、高产酒精酵母等；

②工艺优化，如连续发酵系统、膜过滤技术；

③风味控制，如发酵温度程序控制、香气化合物精确调节；

④节能减排，如沼气回收利用、废水处理循环系统等这些技术既保留了传统酿造的风味特点，又提高了生产效率和品质稳定性乳制品发酵酸奶生产原料乳标准化调整脂肪含量均质化热处理℃分钟冷却至发酵温度→→90-95,5-10→42-℃接种嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌发酵至左右小时冷却停止发酵灌装45→→pH

4.54-6→→包装冷藏发酵过程中乳糖转化为乳酸蛋白质部分凝固形成凝胶结构→,奶酪制作巴氏杀菌乳接种乳酸菌和凝乳酶凝乳形成凝块切割凝块排出乳清成型模压盐渍熟化→→→→→→→不同类型奶酪的发酵和熟化条件差异显著软质奶酪熟化期短周以表面熟化为主硬质奶酪熟化:2-4,;期长个月内部和表面同时熟化形成复杂风味3-24,,益生菌应用现代发酵乳制品广泛添加益生菌如双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌等这些菌株需具备耐酸,性、胆盐耐受性和肠道黏附能力才能在人体内存活并发挥作用益生菌可改善肠道菌群平衡增强免,,疫力减少乳糖不耐受症状甚至可能预防某些慢性疾病,,发酵乳制品品质控制的关键在于原料乳质量、菌种活力和发酵过程控制理化指标包括酸度、黏度、水分活度等微;生物指标包括活菌数、杂菌污染等感官指标包括组织状态、风味和外观等现代品控采用体系并借助自动;HACCP,化监测系统实时监控关键参数乳制品发酵研究新趋势包括

①功能性发酵乳开发如富含共轭亚油酸、低聚糖等生物活性物质的产品

②发酵乳固态:,;饮料技术解决储运问题

③特定人群如婴幼儿、老年人专用益生菌筛选

④乳酸菌基因组和代谢组学研究揭示风味,;;,形成机制

⑤益生菌载体技术提高菌株在产品中的存活率和功能表达;,面包与烘焙食品发酵面包发酵机理微生物协同作用面包发酵主要依靠酵母将面团中的可发酵糖转化为二氧化碳和乙醇，传统酸面团中，酵母和乳酸菌形成稳定的微生物群落，相互促进生长产生的气体被面筋网络捕获，使面团膨胀与此同时，乳酸菌产生的乳酸菌将复杂碳水化合物分解为简单糖，供酵母利用；酵母则产生氨有机酸和风味物质赋予面包特有的风味和质地面团发酵过程还包括基酸和维生素，促进乳酸菌生长乳酸菌产生的乳酸和醋酸抑制杂菌面筋网络的形成与成熟，影响最终产品的组织结构生长，保护面团免受污染糖代谢产生和风味化合物乳酸菌主要产酸和风味形成•CO2•蛋白质变化形成弹性面筋网络酵母主要负责气体产生••酸化作用延缓淀粉老化，延长保质期次要微生物贡献特殊风味••传统面包工艺与现代工艺的主要区别在于发酵时间和微生物组成传统工艺采用自然酸面团，发酵时间长小时，微生物多样性高，产12-24品风味复杂；现代工艺多使用纯种商业酵母，加入改良剂，发酵时间短小时，产品标准化程度高但风味相对单一1-3烘焙食品发酵控制技术包括

①温度控制，调节发酵速率；

②湿度调节，防止面团表面干燥；

③时间管理，确保最佳发酵状态；

④监测，控pH制酸化程度；

⑤添加剂应用，如氧化剂、还原剂调节面筋强度现代工艺还采用冷藏发酵和延迟发酵技术，提高生产灵活性和产品风味肉制品发酵原料准备选择新鲜优质的肉原料，去除结缔组织和过多脂肪根据产品类型进行粗切或精细绞碎，混合适量的脂肪组织加入盐、糖、硝酸盐亚硝酸盐、香辛料和发酵剂乳酸菌、微球菌、葡萄球/菌等发酵香肠还需要添加碳水化合物作为乳酸菌的底物发酵过程填充至肠衣或模具中，放入发酵室进行控温控湿发酵乳酸菌迅速生长，利用碳水化合物产生乳酸，导致下降至以下，抑制腐败菌生长微球菌和葡萄球菌分解蛋白质和脂肪，pH

5.3产生特征性风味物质硝酸盐被还原为亚硝酸盐，再转化为一氧化氮，与肌红蛋白形成亮红色的亚硝基肌红蛋白干燥与熟化发酵后的肉制品进入干燥阶段，温度降低，相对湿度逐渐减小水分缓慢蒸发，产品质地变硬，风味物质浓缩干燥时间根据产品类型从数天到数月不等熟化过程中，蛋白质和脂肪进一步分解，形成复杂的风味化合物最终产品达到特定的水分含量和感官品质后包装销售微生物在肉制品发酵中发挥着关键作用乳酸菌如明串珠菌、植物乳杆菌主要负责产酸，降低值，pH抑制有害菌生长，延长保质期凝固酶阴性葡萄球菌和微球菌具有硝酸盐还原酶活性，参与形成肉制品的色泽，并通过脂肪和蛋白质分解酶产生特征性风味现代工艺多采用选定的菌种作为发酵剂，确保产品安全性和品质稳定性酱油与酱类发酵传统酱油工艺以大豆和小麦为原料，经蒸煮、混合、制曲接种曲霉、发酵数月、压榨、火入和陈酿等工序制成发酵过程分为两个阶段先是曲霉等霉菌通过分泌蛋白酶和淀粉酶水解大豆蛋白和小麦淀粉；后期乳酸菌和酵母发酵产生有机酸和香气物质2现代酱油工艺采用温控发酵技术缩短发酵周期至个月引入液态发酵工艺，蛋白质原料可部分使用脱脂豆粕或1-3酸水解植物蛋白使用优良菌种如特定曲霉菌株、乳酸菌和酵母混合发酵剂采用膜过滤、无菌灌装等现代技术提高产品稳定性3豆瓣酱发酵以蚕豆或黄豆为主要原料，经过蒸煮、制曲、发酵和后熟等工序制成川式豆瓣酱接种毛霉，发酵个月形成独特风味；甜面酱则使用曲霉发酵，加入焦糖调味发酵过程中产生多种氨基酸、有机3-6酸和风味物质，形成复杂风味味噌生产日本传统发酵酱，原料为大豆、米或大麦，经蒸煮、制曲接种米曲霉、盐渍和发酵而成发酵期从数周到数年不等，不同地区有独特配方和工艺味噌中含有丰富的植物蛋白、氨基酸、维生素和矿物质，具有浓郁的鲜味和特殊香气酱类发酵的微生物学基础包括三类主要微生物的协同作用

①霉菌主要是曲霉属提供水解酶系，分解大分子成分；

②乳酸菌产生乳酸、醋酸等有机酸，降低值，形成适宜的风味；

③酵母产生醇类和酯类，贡献芳香气味此外，pH嗜盐微生物在高盐条件下也发挥重要作用，参与风味形成泡菜与蔬果发酵泡菜发酵微生物学工艺与发酵控制泡菜发酵主要依靠乳酸菌的自然发酵过程发酵传统泡菜制作包括原料处理清洗、切割、腌制初期以明串珠菌属和双歧杆菌属为主，逐渐加盐脱水、配料添加辣椒、姜、蒜等香辛料pH下降；中期植物乳杆菌和片球菌大量繁殖，产生和发酵室温或冷藏条件关键控制参数包括乳酸为主要代谢产物；后期主要为嗜酸乳杆菌和

①盐浓度一般为，过高抑制乳酸菌生长，2-5%魏斯氏菌，产生更多乳酸和少量醋酸，进一过低可能导致杂菌污染；

②发酵温度，低温pH5-步降低至发酵过程中乳酸菌菌群演替℃发酵缓慢但风味更佳，高温℃发

3.8-

4.01020-25受温度、盐浓度和氧气含量的显著影响酵快速但易过酸；

③厌氧条件，减少氧化变色和杂菌生长营养与健康价值发酵蔬果具有多种健康益处，主要包括

①提高营养生物利用度，如增加维生素族合成，减少植酸对矿B物质吸收的影响；

②提供活性乳酸菌，改善肠道菌群平衡；

③产生生物活性物质，如植物化学物与微生物代谢产物的复合物；

④降低有害物质，如部分致敏原和天然毒素现代研究表明，泡菜中的某些乳酸菌株具有免疫调节、抗氧化和抗炎作用除传统泡菜外，世界各地有丰富多样的发酵蔬果制品欧洲的酸菜采用自然发酵切碎的卷心菜；sauerkraut中东的腌橄榄利用乳酸菌和酵母混合发酵；印度的酸辣酱结合发酵和香辛料保存；东南亚的天贝pickle利用根霉发酵大豆；非洲的棕榈酒通过棕榈树液发酵制成这些传统发酵食品正逐步实现工业化和tempeh标准化生产，同时保留传统风味特点第五部分现代发酵技术与创新系统生物学基因工程整体研究微生物代谢网络，利用计算机模型预测2和优化微生物代谢，实现精准调控改造微生物基因组或代谢途径，创造具有新功能1的生产菌株，大幅提高产量和产品纯度高密度发酵通过工艺优化实现超高菌体和产物浓度，提高空间产率，降低单位能耗和成本智能控制固态与连续发酵应用先进传感器、人工智能和自动控制技术，实现发酵过程的智能化监测和精确控制发展新型发酵模式，适应不同原料和产品需求，提高资源利用效率和生产灵活性现代发酵技术正在经历从经验型向知识型、从粗放式向精准化的深刻转变基因组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术的应用，使我们能够更深入地理解微生物代谢网络和调控机制合成生物学的兴起则为设计全新的代谢途径和功能基因网络提供了可能这一部分将介绍现代发酵技术的最新进展和创新应用，探讨如何将传统发酵工艺与尖端生物技术相结合，创造更高效、更可持续的生物制造系统通过学习这些内容，学生将了解发酵科学的前沿动态和未来发展方向基因工程在发酵中的应用重组菌株构建基因工程技术可用于改造微生物，构建高表达目标产物的工程菌株基本原理是将目标基因克隆到适当的表达载体中，然后转化到宿主菌中构建过程包括

①目标基因的分离或合成；

②载体的选择与构建；

③转化或转导；

④筛选与鉴定；

⑤表达验证表达系统优化高效表达系统是产物高产的关键构建强启动子控制的表达盒，添加适当的终止子和调控元件根据需要选择组成型或诱导型表达系统，调控表达时间和强度优化密码子使用，使其与宿主倾向性一致，提高翻译效率对分泌表达系统，需优化信号肽以提高分泌效率代谢途径改造复杂产物的生产通常需要改造多个代谢步骤增强目标产物合成途径基因表达，增加碳流向目标产物敲除或抑制竞争途径和副产物形成途径，减少碳源和能量的分流引入异源代谢途径，使宿主能够合成原本不能产生的化合物增强前体物质供应和辅因子再生系统安全评价基因工程菌的安全评价至关重要，必须进行严格评估评价内容包括

①载体安全性，尤其是抗性标记基因的使用；

②外源基因的安全性；

③对环境的潜在影响；

④产物中外源和蛋白的残留；

⑤与野生型DNA相比的生物学特性变化工业应用必须符合相关法规要求，如生物安全等级的操作规范P1/P2基因工程在发酵工业中的应用已取得显著成就例如，通过改造大肠杆菌胰岛素表达系统，实现了人胰岛素的大规模生产；通过代谢工程改造醋酸杆菌，提高了维生素生产的转化率；通过高效分泌表达系统构建，使枯草芽孢杆菌成为工业C酶制剂生产的理想宿主代谢工程与系统生物学代谢工程基本原理系统生物学工具代谢工程是通过定向改造微生物代谢网络，提高目标产物产量、降低副产系统生物学将微生物视为一个整体系统，利用组学技术和计算模型研究其物生成或合成新产物的技术与传统育种不同，代谢工程基于对代谢网络功能和调控这一领域为代谢工程提供了强大工具，使微生物改造更加精的理性分析，进行精准改造其核心思想是将微生物视为一个完整的催化准高效关键技术包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的整系统，通过全局优化实现生产性能的最大化合分析代谢流分析确定关键限速步骤通量平衡分析预测最优代谢状态••FBA途径工程优化目标产物合成代谢控制分析确定关键调控点••MCA调控工程改造基因表达调控基因组尺度代谢模型整合系统功能••GEM转运工程优化物质跨膜运输多组学数据整合揭示细胞全局响应••代谢工程应用案例之一是赖氨酸生产菌株的改造传统育种的产量提高通常受限于复杂的调控机制通过系统分析，研究者确定了限制赖氨酸合成的关键因素

①终产物反馈抑制；

②分支点调控；

③前体物质供应；

④赖氨酸外排针对性改造包括引入反馈抑制缺陷型天冬酰酸激酶，敲除竞争途径基因，增强葡萄糖摄取系统，过表达赖氨酸外排蛋白改造后菌株产量提高倍3-5另一典型案例是丙二醇生产菌的设计该化合物传统上由化学合成获得，通过系统生物学指导的代谢工程，成功构建了以甘油或葡萄糖为底物的高1,3-效生物合成途径研究者整合了环境微生物中的甘油脱水酶和丙二醇氧化还原酶基因，优化了辅因子的再生系统，并增强了产物耐受性和转1,3-NADH运系统，最终实现了工业化生产水平高密度发酵技术固态发酵技术固态发酵特点装置设计固态发酵是指微生物在低水分含量通常固态发酵装置多样化，主要包括

①托盘式发酵40-的固体基质上生长繁殖的发酵方式与液态器，简单传统但劳动强度大；

②转筒式发酵器，80%发酵相比，固态发酵具有多方面优势

①模拟微通过旋转实现物料混合；

③流化床发酵器，利用生物自然生长环境，特别适合丝状真菌；

②可利气流使固体颗粒悬浮；

④搅拌式发酵器，通过机用未经预处理的农副产品或固体废弃物；

③酶活械搅拌维持均匀性；

⑤层叠式发酵器，物料以薄性和代谢产物浓度高；

④能耗低，废水排放少；层方式摊铺装置设计必须解决传热、通气、含

⑤产物提取简单，下游成本低但也面临放大困水量控制和混合等技术挑战现代装置多采用自难、过程控制复杂等挑战动控制系统，实现关键参数在线监测与调节关键参数控制温度控制是固态发酵的核心问题，微生物代谢产热导致温度快速上升，而固体导热性差使散热困难降温方法包括强制通风、蒸发冷却和夹套冷却等水分控制也十分关键，过高导致孔隙率下降、气体交换受阻，过低则限制微生物生长水分蒸发和代谢产水共同影响发酵过程水平衡此外，通气、变化和物料混pH合度也需精确控制，以维持最佳发酵环境固态发酵在工业上有广泛应用传统应用包括曲霉制曲酱油、酒类生产、欧蓝菌发酵奶酪和黑曲霉固态发酵柠檬酸现代应用则更加多元

①酶制剂生产纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶等，产酶浓度比液态发酵高3-10倍；

②生物农药苏云金芽孢杆菌、白僵菌等，成本低且稳定性好；

③食品添加剂香料、色素、有机酸，风味更浓郁；

④生物燃料纤维素乙醇、沼气，可直接利用农林废弃物；

⑤生物修复剂，用于污染土壤处理连续发酵与细胞循环利用连续发酵系统连续发酵系统以恒定速率连续添加新鲜培养基并移出等量发酵液，使微生物维持在稳态生长阶段化学计量器是最基本的连续发酵系统，稀释率进料速率发酵罐工作体积决定了微Chemostat D/生物的比生长速率当＜时，系统可稳定运行；当＞时，微生物将被洗出连续发酵可长期稳定运行，生产效率高，但易受污染，产品浓度较低μDμmax Dμmax细胞固定化技术细胞固定化是将微生物细胞物理或化学方法固定在载体上，使其保持高活性并可重复使用的技术主要方法包括

①包埋法海藻酸钙凝胶、卡拉胶等；

②吸附法活性炭、陶瓷等多孔材料；

③κ-交联法戊二醛等交联剂；

④膜包被法中空纤维、平板膜等固定化细胞可耐受高底物浓度和产物抑制，操作灵活，但传质受限，细胞更新受阻膜生物反应器膜生物反应器结合发酵与膜分离技术，在保持高细胞密度的同时连续分离产物根据膜位置可分为外置式和内置式两类膜材料包括微滤膜、超滤膜和离子交换膜等，根据分离对象选择MBR优点是可实现高细胞浓度，产物浓度高，但膜污染和能耗是主要挑战现代采用防污染材料、流体动力学优化和间歇反冲洗等技术延长膜使用寿命MBR50-150g/L MBR连续发酵与细胞循环利用的经济效益显著与传统分批发酵相比，连续系统设备利用率提高，劳动生产率提高，能耗降低质粒稳定性是基因工程菌连续培养的关键问题，可通过染色体整合外源基因或添加选择压力解决工业应用30-50%40-60%20-30%案例包括连续酒精发酵、乳酸生产和固定化细胞氨基酸合成产量提高倍等30-60g/L·h MBR100-120g/L·h2-3合成生物学在发酵中的应用系统设计与集成整合设计多组分系统，实现复杂生物功能代谢途径合成2构建人工代谢网络，生产高值化合物生物元件标准化开发模块化、可重组的生物部件合成生物学是基于工程学原理重新设计和构建生物系统的新兴学科与传统遗传工程不同，合成生物学强调标准化、模块化和系统设计在发酵应用中，合成生物学提供了从零开始设计微生物工厂的可能性，而不仅仅是修饰现有代谢途径基本生物元件标准化是合成生物学的基础这些元件包括启动子、核糖体结合位点、编码序列、终止子等基因表达模块，以及逻辑门、振荡器、开关等调控元件通过标准化这些元件，可像电子工程一样组装复杂系统在发酵工程中，这意味着可以快速组装和优化新的代谢通路，并精确调控其表达合成生物学在发酵中的前沿应用包括

①全合成代谢途径构建，如青蒿酸前体物异戊二烯合成途径重构，将多步反应整合到大肠杆菌中；

②动态调控系统设30计，通过传感器调控器元件实现代谢流自动分配；

③合成微生物联合体，设计多菌协同系统实现复杂转化；

④最小基因组设计，构建仅含必需基因的底盘细胞，-降低代谢负担；

⑤生物安全控制，设计基因锁防止工程菌在自然环境中扩散发酵过程自动化与智能控制现代发酵工业正经历数字化转型，从传统的人工操作和经验控制向智能化、自动化方向发展在线监测新技术是这一变革的基础，包括

①高级光学传感器拉曼光谱、近红外光谱，可实时监测多种代谢物；

②生物传感器，利用生物识别元件检测特定物质；

③质谱联用技术，提供详细代谢物组成信息；

④图像分析系统，监测细胞形态和生长状态这些技术大幅提高了监测精度和全面性软传感器技术结合实测参数和数学模型，推算难以直接测量的关键变量例如，通过测量尾气浓度、变化和底物消耗，建立神经网络模型估算生物量和代谢状态智能控制O2/CO2pH算法如模糊控制、神经网络控制和模型预测控制等，能根据复杂非线性关系进行精确控制，优于传统控制器PID工业理念正融入发酵工程领域，体现为

①数字孪生技术，建立发酵过程的虚拟镜像，用于模拟优化；

②大数据分析，从历史数据中挖掘规律，指导工艺改进；

③云计算与边缘计算，

4.0实现数据的高效处理和远程监控；

④人工智能辅助决策，提供最优操作建议；

⑤全流程自动化，从上游发酵到下游分离形成一体化智能系统这些技术显著提高了生产效率、产品质量和工艺稳定性第六部分环境与特种发酵应用环境微生物技术微生物在污水处理、土壤修复和环境监测中发挥着不可替代的作用通过优化微生物群落结构和功能，可有效降解各类污染物，恢复受损生态系统微生物能源利用微生物发酵生产生物燃料和生物能源，是实现能源可持续发展的重要途径生物乙醇、生物柴油和生物氢气等产品正逐步实现商业化应用特种微生物应用极端环境微生物和特种功能菌株在医药、化工和材料等领域有着广阔应用前景这些微生物能够在特殊条件下生长，产生具有独特性能的代谢产物环境与特种发酵应用部分将探讨微生物技术在环保、能源和特殊领域的创新应用这些应用不仅扩展了传统发酵工业的边界，也为解决人类面临的环境和资源挑战提供了新思路通过这部分学习，学生将了解微生物技术的多样化应用，认识到发酵科学在可持续发展中的重要角色环境微生物技术污水处理微生物学生物修复技术活性污泥法是最常用的生物处理技术，核心是生物修复利用微生物将环境污染物转化为无害复杂微生物群落的协同作用好氧菌降解有机物质原位修复在污染地点直接处理，如生物物，产生和；硝化细菌将氧通风、生物刺激；异位修复将污染物移出后处CO2H2O NH4+化为；反硝化细菌在缺氧条件下将理，如生物堆、生物反应器微生物降解石油、NO3-还原为；聚磷菌超量摄取磷酸盐，农药和重金属等污染物的能力源于其代谢多样NO3-N2降低水体磷含量性和适应性环境监测微生物降解微生物指标是评价环境质量的重要工具总菌某些微生物能降解难降解物质，如白腐菌分泌数、大肠菌群和特定病原菌检测用于水质评价；4木质素过氧化物酶降解木质素；芽孢杆菌产生微生物多样性指数反映土壤健康状况；微生物纤维素酶分解纤维素；假单胞菌氧化多环芳烃；群落结构变化可指示污染程度分子生物学技脱卤菌降解含氯有机物筛选、改造和混合培术如宏基因组学显著提高了环境微生物监测的养这些特殊功能菌是环境生物技术的重点精度和广度环境微生物技术的新趋势包括合成微生物群落构建和功能强化研究者通过设计特定功能的混合菌群，提高降解效率和稳定性基因工程改造使微生物获得新的降解能力，如引入降解塑料的酶基因，解决白色污染问题宏基因组挖掘从未培养微生物中发现新的环境功能基因，扩展了生物修复的应用范围微生物燃料与生物能源生物乙醇生产生物柴油和生物氢生物乙醇是最成熟的生物燃料，主要通过微生物发酵碳水化合物生物柴油通常由微生物油脂转化而来油脂微生物如罗氏酵母生产第一代生物乙醇使用食用作物玉米、甘蔗为原料，生产在氮限制条件下积累高达的细胞油脂，这些油脂可通过化70%工艺成熟但与粮食竞争；第二代利用非食用生物质秸秆、木质学催化或生物催化转酯化制成生物柴油生物氢气主要通过暗发纤维素，需先进行预处理和酶解；第三代采用微藻生物质，可酵如梭菌发酵葡萄糖产或光发酵如紫色非硫细菌利用有机H2直接利用阳光和，具有更高的理论产率酸产获得，是清洁能源载体CO2H2预处理物理、化学或生物方法打破纤维结构油脂微生物高比培养条件促进油脂积累••C/N糖化纤维素酶水解生成可发酵糖转酯化酯交换反应生成脂肪酸甲酯••发酵专用酵母或细菌转化糖为乙醇暗发酵厌氧条件下产氢，同时产有机酸••精馏浓缩分离乙醇，达到燃料标准光发酵光合细菌利用光能进一步产氢••微生物燃料电池是一种将微生物分解有机物释放的化学能直接转化为电能的装置电化学活性菌如地杆菌属将电子传递到阳MFC极，通过外电路流向阴极，实现发电可同时实现废水处理和能源回收，是一种前景广阔的可持续能源技术目前研究重点是提MFC高功率密度和降低成本，包括优化电极材料、加速电子传递和改善系统构型等方向极端环境微生物发酵嗜热与嗜冷微生物嗜热微生物在℃高温环境中生长，如嗜热古菌和热泉细菌它们产生的耐热酶如聚合酶、淀粉50-120DNA酶和蛋白酶广泛应用于分子生物学和工业加工嗜冷微生物则适应℃低温环境，如南极细菌和深海微生0-15物其低温活性酶在食品加工、纺织和洗涤剂中有独特应用嗜盐微生物嗜盐微生物在高盐环境中生长，包括中度嗜盐和极端嗜盐微生物盐湖和盐田是其主要栖息地

0.5-5M NaCl这类微生物通过两种机制适应高盐盐进入型策略累积高浓度离子；相容溶质型策略合成甜菜碱、甘油等相K+容溶质嗜盐微生物应用包括产胞外多糖如黄原胶、类胡萝卜素和特殊酶制剂等嗜酸与嗜碱微生物嗜酸微生物在的酸性环境中生长，如硫杆菌和铁杆菌它们在生物浸矿、酸性废水处理中发挥重pH

0.5-

4.0要作用特殊的细胞膜结构和质子泵系统是其酸耐受性的关键嗜碱微生物适应的碱性环境，pH

9.0-

12.0如碱杆菌和碱球菌它们产生的蛋白酶和纤维素酶在洗涤剂、造纸和纺织工业中有重要应用工业应用极端环境微生物的工业发酵面临特殊挑战，需要设计适应极端条件的生物反应器和发酵工艺例如，嗜热菌发酵需要耐高温设备和高效散热系统；嗜盐菌发酵则需抗腐蚀材料和特殊盐度控制发酵优化策略包括响应面法筛选极端条件下最佳参数组合；进化工程提高菌株适应性；发酵工程改进解决特殊传质问题极端酶制剂生产是极端微生物最重要的工业应用这些酶在极端条件下保持活性，拓展了酶应用的边界例如，超嗜热古菌产生的聚合酶酶是技术的基础；嗜冷菌产生的蛋白酶和脂肪酶可在低温洗涤条件下有效工作，节能减排；嗜碱菌DNA TaqPCR产生的纤维素酶用于生物脱墨和纸浆处理随着极端生物组学研究深入，更多具有独特催化活性的极端酶将被发现和应用生物医药发酵技术抗体与疫苗生产生物活性肽微生物源药物单克隆抗体主要通过哺乳动物细胞培养产生，生物活性肽是具有特定生理功能的短链氨基酸微生物是重要的药物来源，从传统抗生素到现如中国仓鼠卵巢细胞培养条件精确控序列，如胰岛素、生长激素和抗菌肽等微生代抗肿瘤化合物新药筛选策略已从传统平板CHO制，包括温度℃、、溶氧物发酵生产活性肽主要采用大肠杆菌、酵母或培养发展为多元化方法宏基因组学挖掘未培37pH

7.0-

7.2和培养基设计复杂，需乳酸菌表达系统常用策略包括融合蛋白表养微生物的生物合成基因簇；共培养激活沉默30-40%CO25%添加生长因子、激素和血清替代物抗体表达达提高产量和稳定性、分泌表达简化纯化和基因；生物信息学预测新型活性结构；靶向筛水平可达，通过蛋白亲和层析纯化包涵体表达高产量但需复性肽类药物纯化通选特定作用机制的化合物海洋微生物和极端5-10g/L A疫苗生产则涉及病毒培养如流感疫苗或重组蛋常结合色谱技术和膜分离，最终产品纯度需达环境微生物成为新药发现的热点，已产生多个白表达如乙肝疫苗，安全性和一致性是核心要以上肽类药物市场快速增长，生产工艺临床候选药物生物合成途径改造和前体导向99%求不断创新生物合成实现结构多样化，拓展药物库微生物多糖在医药领域有广泛应用细菌来源的透明质酸是重要的医用填充物和关节润滑剂，通过链球菌或基因工程菌发酵生产，产量可达壳聚糖衍生物用10-15g/L于药物载体和伤口敷料，具有良好的生物相容性和降解性硫酸软骨素和肝素类多糖是重要的抗凝血和抗炎药物，传统从动物组织提取，现已开发微生物合成路线多糖药物的优势在于低毒性、多靶点作用和可控的理化性质，未来将在药物递送系统和组织工程材料中扮演更重要角色前沿发酵技术与未来趋势合成发酵工艺混合菌群发酵人工智能应用合成生物学与发酵技术深度融从单一菌种发酵向定义合成微机器学习和深度学习算法革新合，创建全新代谢途径和人工生物群落发展，利用不同微生发酵工艺开发和控制流程自细胞工厂从头设计微生物染物的代谢互补性，实现复杂转动化高通量筛选平台结合预AI色体，构建最小基因组生产菌化过程设计稳定共生关系，测，加速菌株优化和培养基配株，大幅提高转化效率可编使群落结构维持稳定人工生方设计数字孪生技术模拟发程生物传感器和调控元件实现态位划分确保各菌株和平共处，酵全过程，辅助工艺优化和故发酵过程的精准动态控制，使共同完成多步级联反应混合障预测自主学习控制系统实碳流和能量完全导向目标产物菌群发酵特别适合复杂底物转时调整发酵参数，保持最佳生化和仿生工艺产状态未来发展方向发酵技术将向更广阔领域拓展生物基材料制造替代传统化工工艺；精准营养学定制化发酵食品；太空生物制造支持深空探索；仿生发酵模拟复杂生物系统微生物工厂将成为生物经济核心，实现从石油基经济到生物基经济的转型发酵技术正走向整合与系统化，从单一工艺向全链条优化发展上游整合生物设计、合成生物学和进化工程，创造超高效生产菌株；中游融合智能传感、过程控制和系统模型，实现最优化生产条件；下游结合绿色分离技术和资源循环利用，形成闭环生产系统这种整体优化思路将大幅提高发酵工业的经济性和可持续性课程总结与展望1微生物学基础了解微生物的分类、结构、生理和代谢特性，为发酵工艺设计奠定理论基础微生物是工业发酵的核心执行者，深入理解其特性才能有效控制发酵过程微生物学知识是学科基石，贯穿所有后续专业课程2发酵原理掌握发酵动力学、传质现象和工艺设计基本原则，具备分析和优化发酵过程的能力发酵工程将生物学与工程学相结合，是将实验室成果转化为工业生产的桥梁工程计算和设计能力是进入工业领域的必备技能3工业应用学习各类发酵产品的生产工艺，了解不同领域的技术特点和发展趋势从传统食品发酵到现代生物制药，发酵技术应用广泛且各具特色实例学习帮助建立实践思维，培养解决实际问题的能力创新前沿探索现代生物技术与发酵工业的融合创新，把握学科发展前沿和未来趋势合成生物学、系统生物学和智能控制等新技术正在重塑发酵工业跨学科思维是推动技术创新的关键，也是适应未来职业发展的必备素质发酵科学与工业的未来发展将呈现几个明显趋势

①绿色化，利用可再生资源，减少能耗和排放；

②智能化，应用数字技术和人工智能提高生产效率；

③精准化，实现分子水平的代谢调控和产物设计；

④多元化，拓展到材料、能源等更广阔领域这些趋势将推动发酵工业不断创新，在生物经济和可持续发展中发挥更重要作用微生物发酵领域的职业规划多元且充满机遇研发方向包括研究型大学、科研院所和企业研发中心，重点培养科研创新能力；工程技术方向包括工艺开发、设备设计和质量控制，需要扎实的工程实践能力；管理方向则要求同时具备技术背景和管理能力建议同学们根据个人兴趣选择发展方向，同时保持跨学科学习和技能更新，适应这一快速发展的领域。