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1、微生物在食品工业上的利用,酵母菌广泛利用于制作馒头、酒、醋等利用乳酸菌制造乳酪、乳酸食品利用霉菌制造酱油、米酒乳杆菌用于制作泡菜、豆腐乳红曲霉制作可食用的红色色素微生物本身常被当作食品，如香菇,微生物在工业上的应用,发酵工业：利用微生物生产甲醇，乙醇，有机酸等。皮革脱毛、棉布脱浆：利用微生物产生的蛋白酶、淀粉酶。化工原料：微生物的代谢产物，如乳酸，醋酸，甘油，1，3丙二醇，2，3丁二醇等。生物能源：燃料乙醇，生物柴油，沼气，生物电池,微生物在农业上的应用,固氮作用：固氮细菌将大气中的氮气转变为含氮化合物，供植物吸收有机堆肥帮助植物生长：真菌和植物根部共生形成菌根。病虫害防治作物改良,微生物在医
2、药学中的应用,抗生素青霉素疫苗利用病原体制造疫苗天然药物和营养品冬虫夏草、灵芝基因工程利用微生物制造大量药剂基因治疗,微生物在食品工业上的利用,一.从纤维素到奶、肉,反刍动物的胃由几部分组成，第一部分也是最大部分为瘤胃瘤胃微生物是共生在反刍动物瘤胃中的细菌和原生动物等微生物的总称，数量极多，主要包括细菌、原虫、真菌和噬菌体。细菌的品种多、数量大，已从瘤胃中分离出细菌达200多种。,消化与吸收,1.瘤胃微生物生存条件：,瘤胃内高度厌氧、营养丰富，有利于厌氧微生物生存。,（5）内容物高度乏氧（CO2，NH3，少量氮、氢、氧）,（4）pH在5.5-7.5之间（唾液缓冲，VFA吸收）,（3）温度高达3
3、9-41C,（2）渗透压接近血液,（1）保证营养物质和水分供应,2.瘤胃微生物及其作用：,（1）纤毛虫（全毛虫、贫毛虫）,贫毛虫除分解淀粉外，发酵果胶、半纤维素和纤维素,全毛虫分解淀粉产生乳酸,含糖、蛋白质和纤维素分解酶类,与细菌共生“微型反刍动物”,水解脂类、氧化不饱和脂肪酸、降解蛋白质，吞噬细菌,消化与吸收,微生物与微生物之间、微生物与宿主之间信息交流，相互制约，协同作用共 生,（2）细菌：,种类繁多。发酵糖类、分解乳酸的细菌；分解纤维素的细菌（占活菌1/4）；分解蛋白质的细菌；蛋白质合成、维生素合成的细菌。,（3）真菌：,分解纤维素、糖等（占瘤胃微生物总量8%）含纤维素酶、木聚糖酶、糖苷
4、酶、蛋白酶等,2.瘤胃微生物及其作用：,二.从牛奶到奶制品,牛奶中含有丰富的营养成分：脂肪酸、蛋白质，乳糖、维生素等，是微生物理想的培养基。从乳牛身上获得牛奶时，其中已含有多种细菌。将新鲜牛奶置于室温下，由于其中乳酸菌的作用，牛奶发生自然发酵的产酸过程，由乳糖发酵产生乳酸，乳酸使蛋白质凝固。,可溶性酪蛋白 乳酸 钙离子 不溶性蛋白凝乳,不同奶制品的风味和特征，主要是由于在发酵和加工过程中采用不同的微生物的缘故。生产高质量的奶制品，必须将杂菌去除，然后根据不同的目的加入纯培养的菌种。酸奶产业中常用的细菌：保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌，乳链菌。,嗜热链球菌,黄油、乳酪的制作,黄油（butter)也叫
5、牛油或白脱,牛奶,巴氏消毒,曲引,发酵,黄油层,去除多余液体,冲洗，加盐,曲引：乳脂链球菌、乳链球菌二丁酮新亚种、乳链球菌,乳酪（Cheese),皮萨饼中常用。,凝乳的形成：其中需要加入凝乳酶（牛胃中细菌中得到）处理：去除水分催熟：依赖微生物的活性,三.从蔬菜到泡菜、腌菜,蔬菜制泡菜、腌菜的作用机理和奶制品相同，也是乳酸菌的作用。不同之处在于牛奶中的糖类可以被直接利用，蔬菜中的糖需要从组织中释放并水解后利用。泡菜中的不同风味是由于发酵过程中产生的酸、酯和二丁酮的种类及含量不同造成的。泡菜中加盐的目的是抑制杂菌生长（渗透压灭菌）和吸取蔬菜汁。发酵利用的菌群都是蔬菜的正常菌群，最重要的是肠膜明串珠
6、菌。发酵过程中，随着酸度的提高肠膜明串珠菌逐渐被乳酸菌取代。,中国泡菜、韩国泡菜和日本泡菜,中国泡菜，历史最长，主要以萝卜和白菜（酸菜）为主，中国是泡菜的故乡。韩国泡菜的独特之处在于引入了辣椒，发酵出来的有乳酸味道的泡菜是世界其他地方没有的，其中这要归功于辣椒的主成分“Capsaicin（辣椒素）”，它能预防泡菜的酸败，起保持美味的作用，目前世界知名度最高。日本泡菜（新香）基本没有自然发酵的过程。,Capsaicin(辣椒素）,四.微生物食品单细胞蛋白,细菌和其它微生物含有和牛排一样多的蛋白质。酿酒酵母的副产品酵母菌菌体作为饲料添加剂，已经有100多年的历史。1966年，在麻省理工学院的会议上
7、，第一次提出了单细胞蛋白的概念，单细胞蛋白理论上包括了所有微生物的食品。用酵母来解决人类的饥饿问题的尝试，在东非、印度和印尼都遭到了失败，主要原因是心理作用作用和传统思想的影响。,单细胞蛋白的优点：,生长快，酵母菌繁殖速度为3小时一代，一天内一个细胞可以增殖到28个。达到相同的细胞量，豆类需要3周，禽类需要3个月，牛需要3年。蛋白含量高，微生物蛋白含量占细胞干重的3070%，豆类占25，小麦占12%,大米8%。维生素含量高，酵母菌含有丰富的维生素。营养需求简单，可以为工业废物或副产品。不受地域限制，可以在世界各地培养，不受气候、土壤影响。易改良，通过基因工程，可以达到人类期望的特征。,单细胞蛋
8、白应用的前景,一些单细胞蛋白食品已经应用广泛，酵母发酵的馒头、面包、黄酱等。日本单细胞蛋白已经加入许多食品中，如冰淇淋、面包和糕点。心理因素、安全性原因制约发展。核酸含量高，酵母菌611，细菌1018，消化后形成尿酸，易引起痛风症或风湿性关节炎。某些单细胞蛋白对动物体有害，如一些细菌蛋白。氨基酸供应不平衡。,五.微生物食品和药品大型真菌,食用蘑菇,是理想的天然食品或多功能食品，学名双孢蘑菇中国曾在世界上首次驯化并人工栽培成功了香菇，木耳、金耳、银耳、金针菇、猴头菇、竹荪等。野生的如牛肝菌、羊肝菌、正红菇等也可以大量采集。,食药两用真菌,中国药用包括试验有效的大型真菌约500余种。主要有茯苓、灵
9、芝、冬虫夏草、云芝、蜜环菌等。药用部分主要是子实体，但有一些是通过现代发酵工业大量繁殖的菌丝体加工制药的。国内外研究表明天然的药用真菌药效要好的多。,冬虫夏草,冬虫夏草是一种学名为麦角菌科冬虫夏草菌寄生于一种学名为鳞翅目蝙蝠科昆虫草蝙蝠幼虫上的子座或蝙蝠科其它种别昆虫幼虫上的子座及幼虫尸体的复合体 冬虫夏草出产地为青海省、西藏自治区、四川省、甘肃省、云南省等地。,蝙蝠科许多种别的蝙蝠蛾为繁衍后代，产卵于土壤中，卵之后转变成幼虫，在此时的前后，不同种别的冬虫夏草菌中的一种在特殊条件下，侵入蛰居于土壤中的一部分蝙蝠科幼虫体内，之后，冬虫夏草菌吸收幼虫体内的物质作为生存的营养条件，并在幼虫体内不断繁
10、殖,致使幼虫体内充满菌丝而死。目前,在自然界,蝙蝠蛾自产卵到幼虫期感染冬虫夏草菌至转变成真正的冬虫夏草,前后大概需要时间6年以上。通过人工发酵培养得到的冬虫夏草菌丝体实际上是一种新的物品，而不是真正的冬虫夏草。目前，真正意义上的冬虫夏草只有天然野生的。,冬虫夏草的生长,保护呼吸系统平喘 改善老年人和体质虚弱者 改善睡眠质量 调节荷尔蒙及新陈代谢 提升体内超氧化物歧化酶（super-oxide dismutase）的活性，减少体内氧化反应，降低自由基的产生抗氧化作用。,冬虫夏草的功能,红曲,红曲（又名丹曲）是传统的药、食两用品，在中国已有上千年使用历史。药学巨著本草纲目谷部第二十五卷记载：红曲甘
11、、温、无毒，主治消食活血，健脾燥胃，治赤白痢下水谷。酿酒、破血生药势。红曲红色素和红曲粉是目前国际上唯一利用微生物大规模生产的食用天然色素。红曲米采用优质早稻米，通过独具红曲霉发酵制得。,接入红曲霉,优质成熟的稻米 Premium Grown Rice,第一次灭菌 1st Sterilization,接菌 Inoculation,固体发酵 Solid State Fermentation,第二次灭菌 2nd Sterilization,干燥 Drying,研磨 Grinding,红曲米的制作流程,红曲和心血管疾病防治,上世纪七十年代末，日本学者远藤章教授等人从红曲中分离出一种能降低人体血液中胆
12、固醇的有效物质，并且命名为Monacolin-k,从此给功能性红曲有调节血脂作用提供了科学的依据。根据一项研究发现，让1000多位高血脂病患，胆固醇下降约11.2至32.3%，而且无副作用；医师表示，有25%的高血压患者不适合用药物、营养补充及运动治疗，这些患者只要搭配使用红曲清醇胶囊使用，就可有效控制胆固醇。,六 微生物与酒类酿造,人类利用酵母菌酿菌已有几千年历史。4000多年前，中国利用酵母菌酿酒。1856年巴斯德证明酒精是微生物产生的 当时普遍认为是糖的化学裂解。1897年布希纳发现酒精发酵是“酒化酶”的作用。,酿酒的原理,以淀粉为原料酿酒，需经过两个主要过程，一是淀粉糖化过程，另外还要
13、经过酒精发酵过程淀粉吸水膨胀，加热糊化，形成结构疏松的淀粉在淀粉酶的作用下分解为低分子的单糖二是酿酒酵母发酵过程，单糖在脱羧酶、脱氢酶的催化下分解，逐渐分解形成二氧化碳和酒精。,(C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6（葡萄糖）,(C6H12O6）CH3CH2OH+2CO2+能量,（乙醇）,主要酒类酿造中涉及到的微生物,白酒（烧酒）,参与的微生物：酵母菌、霉菌和细菌微生物来源：大曲、空气、发酵窖中窖泥香味来源：微生物生成的酯原料：大米、玉米、高粱、大麦,啤酒,参与的微生物：酵母菌、细菌原料：大麦，酒花苦味来源：酒花发酵,又称忽布（hop），本草纲目上称为蛇麻花，是一种多年生草本蔓性植物
14、，古人取为药材。1079年，德国人首先在酿制啤酒时添加了酒花，从而使啤酒具有了清爽的苦味和芬芳的香味。从此后，酒花被誉为“啤酒的灵魂”，成为啤酒酿造不可缺少的原料之一。在啤酒酿造中，酒花具有不可替代的作用：1、使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。2、形成啤酒优良的泡沫。啤酒泡沫是酒花中的异律草酮和来自麦芽的起泡蛋白的复合体。3、有利于麦汁的澄清。近年来，我国新疆产的酒花异军突起，成为世界优良酒花之一。,酒花,葡萄酒,参与的微生物：酵母菌、细菌 细菌主要有好氧性醋酸菌和厌氧性乳酸菌原料：葡萄汁酒精浓度可以达到14。,为什么要适量饮用红葡萄酒,肿瘤疾病的化学预防剂，对降低血小板聚集，预防。治疗动
15、脉粥样硬化，心脑血管疾病的化学预防剂。,含有有效成分白藜芦醇，在葡萄仔中存在。虎仗等中药中含量更高。,七.微生物与调味品酿造,酱油：参与微生物：米曲霉，酵母和细菌米曲霉：分泌蛋白酶和淀粉酶，分解蛋白为氨基酸，同时将淀粉水解为糖。酵母：能产生特殊的香气。细菌：酱香的来源。食醋：参与微生物：黑曲霉，米曲霉，酵母，醋酸菌黑曲霉和米曲霉：分解蛋白，产色素酵母：一般使用酿酒酵母醋酸菌：主要产醋酸微生物，直接影响质量。,微生物在其它工业上的利用,微生物与氨基酸,1957年日本人木下祝郎发现谷氨酸棒杆菌可以生产出氨基酸，后由协和发酵投产，奠定了微生物发酵法生产氨基酸的新型发酵工业的基础。谷氨酸钠即味精，世界
16、年产量约80万吨，产值9亿美元。微生物发酵法，公斤玉米淀粉可生产公斤味精。,微生物发酵法生产赖氨酸,我们日常的主要食物谷物作物，L-赖氨酸不足，只有添加L-赖氨酸才能将谷物作物转变为平衡食物，从而提高其利用价值。L-赖氨酸是非常重要的营养强化剂。工业上用于生产L-赖氨酸的微生物，主要是一种经过遗传改造的谷氨酸棒杆菌。目前世界L-赖氨酸的年产量在30万吨以上，年产值亿美元。,其它微生物发酵法生产的重要氨基酸,L-苯丙氨酸L-天冬氨酸L-异亮氨酸L-色氨酸L-苏氨酸L-亮氨酸,年产量在数千吨到数万吨，年产值在数千万美元到上亿美元,微生物与有机酸,柠檬酸,柠檬酸用于香料或作为饮料的酸化剂，在食品和医
17、学上用作多价螯合剂，也是化学中间体工业上利用黑曲霉将玉米粉或其它淀粉质转化的产物。世界柠檬酸年产量达90万吨，销售额在30亿美元左右。我国已经称为柠檬酸的主要生产国之一。,乳酸,乳酸主要应用于食品、医药、化工等领域。世界消费量10万吨左右，部分发酵法生产，部分由化学法生产。酸奶中的乳酸是由细菌产生的，主要是右旋乳酸。近年来米根霉等霉菌产生的左旋乳酸（可降解高分子聚合物），正处于快速发展的时期，估计20年内，年产量会超过100万吨，取代柠檬酸成为产量最大的有机酸。,1，3-丙二醇的生产方法比较,化学法：1）以丙烯为原料2）以乙烯为原料特点：高温、高压、催化剂、选择性低、副产物多,生物法：1）以甘
18、油为底物2）以葡萄糖为底物特点：常温、常压、选择性高、副产物易于分离,生物法生产1，3-丙二醇是一种利用可再生资源、清洁环保、符合循环经济发展要求的新方法。,自然分离菌种：克雷伯氏肺炎杆菌弗氏柠檬酸菌布氏乳杆菌丁酸梭菌巴氏梭状芽孢杆菌絮凝肠细杆菌基因工程菌,甘油代谢生产1,3PD的研究,甘油代谢的菌种,维生素B12,维生素B12又叫钴胺素。自然界中的维生素B12都是微生物合成的，高等动植物不能制造维生素B12。维生素B12是需要一种肠道分泌物(内源因子)帮助才能被吸收的惟一的一种维生素。有的人由于肠胃异常，缺乏这种内源因子，即使膳食中来源充足也会患 恶性贫血。植物性食物中基本上没有维生素B12
19、。它在肠道内停留时间长，大约需要三小时（大多数水溶性维生素只需要几秒钟）才能被吸收。,微生物与维生素,(1)、促进红细胞的发育和成熟，使肌体造血机能处于正常状态，预防恶性贫血；(2)、以辅酶的形式存在，可以增加叶酸的利用率，促进碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢；(3)、具有活化氨基酸的作用和促进核酸的生物合成，可促进蛋白质的合成，它对婴幼儿的生长发育有重要作用。(4)、是神经系统功能健全不可缺少的维生素，参与神经组织中一种脂蛋白的形成，,维生素B12的主要生理功能,维生素B12的生产,维生素B12主要来源于动物性食品和微生物，一般不存在于植物性食物中，牛肝、牛肾、猪肝、猪肾、猪心、牛肉、青鱼、虾
20、、鸡蛋含量较多。维生素B12虽然可以用化学合成的方法，但难度很大。工业上主要利用谢氏丙酸杆菌、脱氮假单孢菌等微生物通过发酵生产。维生素B12价格昂贵，虽然国际市场年销售量只有3吨，但销售额超过7千万美元。中国是维生素B12的最大生产国，主要生产厂家有华北制药等。,维生素B2又名核黄素。它是构成核黄酶的辅基成分，参与体内生物氧化酶体系。若体内核黄素不足，则导致物质代谢紊乱。人类缺乏核黄素可以出现多种临床症状，常见的有：口角炎、唇炎、舌炎、阴囊炎、脂溢性皮炎以及脸缘炎、角膜血管增生等症状。,维生素B2,利尿消肿：由于它对细胞的粘膜具有营养作用，故对肾脏及心脏病引起的水肿均有一定的利尿消肿功效。防治
21、肿瘤：动物试验结果显示核黄素有明显的抑制癌细胞作用。近年进一步研究证明，核黄素有抑制化学物质偶氮苯类（简称DAB）物质的致癌作用。降低心脑血管病的发生：在动物试验中，发现它对急性心肌梗塞动物模型有显著抗血小板聚集和保护缺血心肌的作用。临床观察到核黄素与常用的抗血小板聚集药阿司匹林相比，防治心脑血管病效果相似，但核黄素无明显副作用，而优于小剂量阿司匹林。维生素B2能改善心肌缺血和缩小梗塞范围，改善心脏功能。,生产目前主要采用阿氏假囊酵母发酵，全球产量2000吨。,维生素C又称为抗坏血酸，是最早发现人体缺乏的维生素之一。几乎所有动物都可以在体内合成维生素C，而人、猴子和豚鼠却不行，必须从食物中摄取
22、。1740年，英国海军上将G.A.Anson带领6艘船和近2000名海员作环球航行中，近1000名船员广泛出血，死亡。当时以为是瘟疫，命名为坏血病。症状为出现皮肤瘀斑，牙龈肿胀出血，机体抵抗力下降，伤口愈合迟缓，关节疼痛并伴有轻度贫血等，严重者可致死亡。,维生素C,维生素C的生产,最早采用“莱氏法”,醋杆菌,D-山梨醇,L-山梨糖,2-酮基-L-古龙酸,三步化学合成,维生素C,转化,两步发酵法：（北京微生物研究所的研究员尹光琳发明）,醋杆菌,D-山梨醇,L-山梨糖,2-酮基-L-古龙酸,假单孢菌,1985年该技术转让瑞士Roche公司，为当时最大一宗技术出口。目前我国维生素C的产量已经达到世界
23、产量的近70%。主要生产厂家：河北维生药业，华北制药，东北制药等,微生物转化获得稀有人参皂苷,人参皂苷的化学结构,稀有皂苷,高含量皂苷,药理活性强,药理活性弱,主要利用微生物产生的糖苷酶进行专一性水解反应获得。发现的微生物主要是真菌主要的微生物有：Trichoderma viride（木霉）Fusarium proliferatum ECU2042（镰孢霉属）Caulobacter leidyia（柄杆菌属）Microbacterium sp.GS514（细杆菌）目前也尝试使用从提取土壤DNA，在E.coli中表达糖苷酶，专一水解人参皂苷,1,GAMG的甜度约为蔗糖甜度的941倍，是甘草酸甜度
24、的5倍多。且其具有较强的持续性甜味，甜感的出现滞后于蔗糖。,3,2,单葡萄糖醛酸甘草次酸（GAMG）的应用,GAMG 和甘草酸具有相类似的药理作用，其生物利用度优于甘草酸类药物及甘草次酸类药物，具有显著的新药开发价值。,GAMG 可使油性香水或荷尔蒙增溶，用于透明化妆品中，不会产生泡沫。亦可用于面霜或乳液中，配制成稳定的水包油乳液。,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,关键问题：筛选微生物（酶），高效专一地进行水解反应,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,要获得产生某种酶的菌种可以从富含该酶作用底物的场所去采集含菌样品：甘草根际的土壤样品中，因为甘草根际的土壤中含有少量甘草酸，有一部分微生
25、物可能会利用这些甘草酸中的葡萄糖醛酸基作为碳源，这些微生物就有可能产葡萄糖醛酸苷酶；哺乳动物的肠道微生物菌群中可能分离出产葡萄糖醛酸苷酶的菌，由于在哺乳动物的代谢途径中含有一些带葡萄糖醛酸基团的有毒物质，因此需要葡萄糖醛酸苷酶将这些有毒物质水解为葡萄糖醛酸排出体外而进行解毒，该酶主要存在于动物细胞的细胞器和肠道微生物中。,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,甘草酸,甘草次酸,单葡萄糖醛酸甘草次酸,利用试验菌最佳产酶条件所产的酶水解甘草酸,获得产物的产率为23.7%。在液体发酵法中,产物的产率约为10%。,1-甘草酸2-甘草次酸 3-黑曲霉UV-48酶解液 4-米曲霉39酶解液,甘草皂苷酶解液
26、的薄层色谱图,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,甘草皂苷及甘草提取物的HPLC图谱a，甘草酸对照品；b，甘草次酸对照品；c，发酵后甘草酸转化产物；d，未加甘草酸底物的发酵液（阴性对照）,从土壤中分离得到一株绿色木霉，能高效转化甘草酸生成GAMG，转化率约为90%。,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,以定向生物合成-D-单葡萄糖醛酸基甘草次酸为目的，从新疆主要甘草种植区分离到可以利用甘草酸为唯一碳源进行生长的微生物65 株，从中筛选到一株青霉属真菌Penicillium sp.Li-3，经甘草酸诱导后，所表达的-D-葡萄糖醛酸苷酶具有较高的反应特异性，并属于胞内酶，能定向水解甘草酸生成G
27、AMG，其摩尔转化率可达到88.45%。对Penicillium sp.Li-3 菌株的产酶特性研究表明，该菌株细胞生长与产酶过程为非偶联型；菌株在表达-D-葡萄糖醛酸苷酶时存在着碳代谢阻遏现象，甘草酸是最佳碳源及诱导剂；最佳氮源为硝酸铵；在接种量10%、培养基初始pH5.0、培养温度32、添加0.12%的Tween80 及培养36小时后补加0.04%的甘草酸能显著提高酶活，培养72 小时为最佳产酶时间。在上述条件下，最高酶活可达176.64UmL-1。,微生物及酶法生产单葡萄糖醛酸甘草次酸,。,微生物转化法生产薯蓣皂素,薯蓣皂素的药用价值：合成甾体激素和甾体避孕 药较理想的前体；治疗风湿性关
28、节炎、心脑 血管疾病等；具有抗肿瘤作用；去脂、延缓衰老和治疗某 些皮肤炎症的功效,薯蓣皂素（薯蓣皂甙元）,薯蓣皂素世界年产量约为3000t 我国年产量约为1500t 世界年需求量约6000t供需差额：6000-3000=3000t!,薯蓣皂素的药用价值及其发展前景,盾叶薯蓣，别名黄姜、火头根，是薯蓣科植物盾叶薯蓣Dioscorea zingiberensis C.H.Wright的根茎。是目前世界上甾体皂苷含量最高的薯蓣属植物之一*。,*甾体药物源植物薯蓣属植物中薯蓣皂甙元的研究及生产状况。宋发军。天然产物研究与开发，2001，14（3）：89-93,薯蓣皂苷元的生产原料主要为盾叶薯蓣和穿山龙
29、等，其中以盾叶薯蓣最多,直接酸水解法：,环境污染严重伴有副反应的发生；水解不彻底，提取收率低；不利于药材中其它成分综合利用；腐蚀设备；,薯蓣根茎,硫酸/盐酸水解,水解物,薯蓣皂苷元,薯蓣皂苷元的传统生产方法：,传统生产方法的主要污染特点：废水产量大，每生产1吨薯蓣皂苷元产生318吨一次废水和200吨二次废水。一次废水的COD值为130,000mg/mL,两次废水混合后，COD值超过50,000mg/mL。生物降解性能低,BOD/COD为0.27,生物处理后COD依然在500mg/mL以上。废水pH值低，中和后产生大量的离子沉积严重，一次废水中和后Cl-的值为20,000mg/mL。固体废弃物也
30、产生一定的污染。,Y.Wang et al.Journal of Cleaner Production(2007)1-5,微生物转化的方法和优点,盾叶薯蓣粉末,微生物发酵,有机溶剂提取,薯蓣皂素,优点：淀粉等成分得到综合利用不使用酸水解，环境危害低薯蓣皂苷提取收率高,盾叶薯蓣主要皂苷成分的确定和标准品制备,薯蓣皂苷元-葡萄糖三糖苷,盾叶新苷,三角叶皂苷,薯蓣皂苷元葡萄糖二糖苷,新化合物,延龄草次苷,转化体系分析条件的确立,HPLC-UV-ELSD法（准确定量）TLC分析方法（分析速度快、处理样品量大）,HPLC-UV-ELSD法,UV detector,ELSD detector,微生物DL3
31、012(Trichoderma.sp)的对盾叶薯蓣皂苷成分的转化作用,DL3012的显微照片,盾叶新苷三角叶皂苷三糖苷二糖苷延龄草次苷薯蓣皂苷元,A:转化前；B:转化后,微生物转化大豆皂苷,不连糖的母核：大豆甾醇 B连糖部分：大豆皂苷 I II V,大豆甾醇B,豆腥味越弱,生理活性越高大豆皂苷，豆腥味重，生理活性低。,Neocosmospora vasinfecta var.vasinfecta（侵脉新赤壳菌）,分离特异水解的糖苷酶,糖苷酶序列测定，确定是新酶,糖苷酶序列测定，确定是新酶,糖苷酶序列测定，确定是新酶,Trichoderma viride（绿色木霉）高效表达,分离得到的酶液进行大
32、豆皂苷的转化,具有很高的转化专一性,微生物与生物能源,2008年我国GDP已经达到30万亿元，但伴随着对能源需求的增加。全世界面临着严重的能源危机。石油的价格最高已经达到了147美元/桶。人类需要寻找可再生能源，以减少对化石能源的依赖。国家发改委于2007年9月公布可再生能源中长期发展规划。,燃料乙醇的优点及其开发意义,燃料乙醇是一种良好的增氧剂,它可以增加汽油的含氧量,使其充分燃烧。目前用的甲基叔丁基醚（MTNBE)会对地下水造成严重的污染,而且其生产难度比较大燃料乙醇的辛烷值高,调和辛烷值一般可以达到120左右,可以有效提高汽油的抗爆指数。有利于环境的改善。使用车用乙醇汽油,可以使汽车尾气
33、的污染水平均降低30%以上。其中一氧化碳排放下降30.8%,挥发性烃类化合物排放下降13.4%,二氧化碳的排放量降低27%纤维素和淀粉是地球上最丰富的有机资源之一,它是一种可以再生的资源,燃料乙醇生产技术,1.以淀粉类和糖蜜类物质为原料的生产技术,以玉米为例,其生产过程包括:玉米预处理(粉碎)、脱胚制浆、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水和变性等,燃料乙醇生产工艺,2.以纤维素类物质为原料的生产技术,以纤维素为原料发酵生产燃料乙醇,首先将纤维素进行酸解和碱解或酶解预处理,释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径,以纤维素类物质为原料的生产工艺,燃料乙醇发展过程中存在的问题,目前燃料乙醇生产中存在的最大问题是
34、降低成本。据报道,以玉米为原料生产燃料乙醇,其综合成本是3897 元/t,其中原料费用是3047 元/t,即原料的成本占综合成本的78.19%。美国乙醇的生产成本只有2770元/t,而国内乙醇的生产成本为3671元/t,相差901元/t。在以纤维素为原料生产燃料乙醇的过程中,最大的问题是原料的预处理。纤维素水解为单糖，需要纤维素酶，该酶的成本相当高，需要技术的突破。,微生物与生物柴油,生物柴油是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。,生物柴油的概念,生物柴油的意义,1
35、）能源安全的战略意义。到2020年前后，石油进口量有可能超过3亿吨 2）环境保护意义。低CO2，低毒性3）农业结构调整的经济意义。有效利用荒地，农民增收4）优良的使用特性。安全，低能耗，兼容性,现状：各国的生产状况（2003年）,我国生物柴油的发展,2001年9月海南正和能源公司使用食用费油生产生物柴油，年产1万吨。2007年底，我国投产和在建的装置总产能估计100万吨。2011年前还约有40家不同规模的生物柴油企业投产，产能约600万吨。生物柴油的原料目前是制约其发展的主要因素。我国生物柴油原料植物的主要品种：文冠果，蓖麻（东北耐寒植物），欧李，沙棘（西北耐旱灌木及草本），黄连木（华北）和麻
36、风树（西南亚热带植物），我国是世界第二大产棉国，利用不宜食用的棉籽油作为生物柴油的原料也是一个可行的方法。我国现有油料能源树种约300万公顷，大多分布在交通不便山区，适当养护后每公顷果实可超过0.6吨，可生产生物柴油60万吨。需要有意识利用荒地种植油料作物，中石化投资23.5亿元在攀枝花地区建立50万亩麻风树种植基地等。,藻类是低等放氧自养型微生物，在水中生长繁殖，不会引起与农业和牧业用地的竞争矛盾。地球上的生物每年通过光合作用生产的生物质，其中40应归功于藻类的光合作用。大多数藻类产于海洋或陆地水中，其中盐藻是一种营养丰富的单细胞藻类，含有丰富的油脂、-胡萝卜素、蛋白质、多糖等。盐藻主要分布
37、在近海水域，有很大的盐度适用范围，在038接近淡水（0.1mol/LNaCl）环境和饱和盐水（5Mol/LNaCl）环境中均能生存。我国有1.8万公里的海岸线，在西北还有很多大大小小的盐湖，这都为盐藻的养殖和开发提供了条件。中国科学院大连化学物理研究所、植物研究所、水生生物研究所，清华大学、青岛海洋大学等单位在培育产油菌种，获得高脂含量藻细胞，用基因工程开发高产的油藻品种等方面，已取得许多科研成果和海水及淡水藻类物质的产业化经验。发展富含油质的微藻或“工程微藻”是拓展生物柴油原料来源的一个发展趋势。,工程微藻是未来生物柴油的发展的趋势,微生物与沼气,沼气是微生物在缺氧时，通过发酵将作物秸杆、杂
38、草、人畜粪便等有机物分解而产生的一种可燃性气体。沼气是多种气体的混合气，有甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、硫化氢等。,一.多种细菌分泌的酶，将复杂的有机物质分解为一些低分子量的简单有机物及二氧化碳、氢气、硫化氢等无机物。称为酸发酵。参与的微生物有纤维素分解细菌、蛋白质分解细菌、果胶分解细菌、丁酸细菌、醋酸细菌等。二.有甲烷细菌分泌酶，将简单有机物分解为甲烷和二氧化碳；这一阶段称为气体发酵阶段。参与的细菌种类很多，有杆菌、球菌、螺旋菌等。分布广泛。,沼气的发酵过程：,沼气是一种优良的生物能源，是解决能源问题的有效途径之一。产生的甲烷还能用来合成多种工业产品，是化学工业的重要原料。发酵池内的残渣是含有
39、速效氮磷钾及微量元素的有机复合肥料。规模化和质量控制是限制发展的一个瓶颈。,微生物发电,燃料电池是电池家族的后起之秀。原理是在负极的一端发生化学反应，失去电子；让氧化剂在正极的一端发生反应，得到从负极经过导线跑过来的电子，从而产生电流。燃料电池可用氢、联氨、甲醇、氢、甲醛等为燃料，以氧气、空气、双氧水为氧化剂。一些化能异氧微生物可以发酵糖类、醇类等有机物，吸收其中的化学能满足自身生命活动，同时把另一部分能量以氢气的形式释放出来。这就是微生物电池的原理。,2001年麻萨诸塞大学的微生物学家在Science上报道，某些海底的微生物Geobacter菌可以将海底沉淀物中的有机物转化为电能。产生的电流
40、足以点亮灯泡或简单的计算机。利用工业或家庭垃圾为原料的微生物发电离我们也许不是很遥远了。,微生物在农业中的应用,微生物肥料,适量施用化肥，是提高农作物产量的好方法。我国化肥的使用量已经远远超过了正常的合理用量。单位面积的化肥用量是美国的1.6倍。近十年我国化肥的用量增加了九成，产量仅增加一成。化肥的流失率高达45%，湖泊的富氧化滇池。微生物化肥是利用特定微生物来增加土壤肥力的微生物制品，是新型的“绿色”化肥。,生物固氮,在一定条件下,N2可与其它物质进行化学反应,固定形成氮化物,这个过程称为固氮作用。,在自然固氮中,约有10%是通过闪电完成的,其余90%是通过微生物完成的生物固氮对农业生产和自
41、然界中的氮素平衡,具有十分重大的意义。生物固氮是由两类微生物来实现的。一类是自生固氮微生物包括细菌和蓝绿藻，另一类是与其它植物(宿主)共生的微生物,例如与豆科植物共生的根瘤菌,与非豆科植物共生的放线菌,以及与水生蕨类红萍(亦称满江红)共生的蓝藻(鱼腥藻)等,其中以根瘤菌最重要。,根瘤菌,固氮微生物体内含有固氮酶(nitrogenase),它具有还原分子氮为氨的功能。一般认为固氮酶是由钼铁蛋白和铁蛋白构成的复合物。两者都是可溶性蛋白质。氨是生物固氮的最终产物。,分子氮被固定为氨的总反应式如下:,微生物农药,苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)和伴孢晶体,苏云金杆菌
42、进入害虫消化道后，伴孢晶体被碱性的肠液消化、激活后，才产生毒性，人、动物的肠道是酸性的，不溶解蛋白，对人和动物无害。可防治玉米螟、稻孢虫、棉铃虫、菜青虫等。,白僵菌（Beauveria),真菌生物农药，对防治松毛虫和水稻害虫黑尾叶蝉有特效。能寄生在蚜虫、玉米螟等200多种害虫体内。对害虫致病性强、杀虫范围广、不伤害其它天敌昆虫和有益生物。,微生物与环境保护,1.微生物对污染物的抗性和降解,吸附重金属离子转化和降解杀虫剂、除草剂、杀菌剂等,2.废弃物的微生物处理,应用微生物处理城市垃圾应用微生物处理污水（悬浮细胞法、活性污泥法、生物膜法）,3.被污染环境的生物修饰,4.利用微生物生产可被降解的塑料-多聚羟基烷酸（PHA),
