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问题的提出


选择性必修3《生物技术与工程》中的第一章是发酵工程，发酵工程就是利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术和设备来生产有用物质或将微生物直接用于工业化生产获得目的产物的技术体系。包括发酵和提纯两个工序。

发酵就是将微生物接种到合适的培养基中，通过控制其生长和代谢环境，来使微生物发挥起独特功能的过程。其主要内容包括菌种的选育，种子的扩大培养，培养基的配制与灭菌，接种及发酵控制等。

提纯就是将所需要的产物从发酵液中分离出来的过程，也称后处理。主要包括细胞破碎，分离，沉淀分离，溶媒萃取，蒸发，结晶，蒸馏，干燥包装等过程。



 典型试题解析 
  

试题：对发酵产品的分离、提纯和加工，错误的方法是（   ）
A．分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白，可采用过滤、沉淀等方法
B．发酵过程中的环境条件只影响微生物的生长繁殖，不会影响微生物代谢物的形成
C．酿制白酒时，常用蒸馏的方法提取发酵产品
D．通常在微生物生长的稳定期，从放出的老培养基中分离发酵产品

解析：该试题考查微生物产品的分离
分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白，指的就是单细胞菌体，可采用过滤、沉淀等方法从培养液中分离，A正确；发酵过程中的环境条件只影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成，B错误；酿制白酒时，常用蒸馏的方法提取发酵产品，C正确；通常在微生物生长的稳定期，产品含量最多，从放出的老培养基中分离发酵产品，D正确。答案为B。



 发酵产品的获取 
  

发酵产物可能是胞外代谢产物或胞内物质，也可能是菌体本身。如果发酵的产品是菌体本身，也称为单细胞蛋白，如酵母菌，可采用过滤、离心和沉淀等方法从培养液中分离出来。

过滤是通过滤膜去除固体颗粒的过程。离心是在离心力的作用下，将悬浮液中的固相与液相加以分离的技术，多用于颗粒较细的悬浮液和乳浊液的分离。沉淀常被用于初步分离和浓缩固体。

如果发酵产品是代谢产物，则可采用真空发酵、吸附、沉淀和萃取等方法。真空发酵是对发酵罐减压，使易挥发的发酵产物从发酵液中分离出来的技术，如酵母菌发酵产生的酒精获取就可以用该方法。
要提取细胞内的酶、多糖和核酸等，必须首先破碎细胞。目前的基因工程产物，大都积累在细胞内，要获得这些产物，也必须先把细胞破碎。

细胞破碎的方法很多，按是否存在外加作用力分为机械法和非机械法。机械法中的高压匀浆法在生产上应用较多，非机械方法如酶解法、化学渗透压法目前尚处在工业应用开发阶段。常见的方法有：

1.沉淀

沉淀是工业发酵中最常用和最简单的一种提取方法。利用某些发酵制品能和一些酸、碱或盐类形成不溶性物质从发酵滤液或浓缩液中沉淀下来或结晶析出的一类提炼方法。同类分子或离子以有规律形式析出的过程称为结晶，而无规则紊乱的形式析出的过程称为沉淀。目前该法广泛应用于氨基酸、酶制剂及抗生素的提取。

2.离子交换及吸附
许多生物物质是两性物质，如四环类抗生素、氨基酸、蛋白质、多糖、核苷酸等。随着溶液pH值的不同，可以以阳离子、阴离子和偶极离子三种形式存在。这些分子能依靠静电力可逆地结合在离子交换树脂上。

离子交换树脂是具有酸性或碱性功能的高分子化合物，因而能交换阴、阳离子。而大多数有活性的发酵产物都具有酸性或碱性功能团，在溶液中能与离子状态存在，并能与树脂的活性功能团交换。

离子交换法广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、磷脂、长链脂肪酸以及核苷酸等极性带电小分子的分离提取，尤其在抗生素和氨基酸的生产中应用最广泛。

近年来，离子交换也逐渐应用于蛋白质、核酸等大分子的分离提取，但所用分离介质大多是多糖类，主要应用的是层析原理，与离子交换有所不同。

吸附可有两个目的，其一是将发酵产品吸附并浓缩于吸附剂上，其二是用吸附剂去除发酵液中的杂质或有害物质。

3.蒸馏
是分离液体混合物的一种有效方法，是基于发酵产物的沸点不同，将所需物质从液体混合物中分离出来的过程。

它与蒸发不同，蒸发是去除低沸点物质和部分水蒸汽，使代谢产物保留浓缩的过程；而蒸馏要得到的恰恰是低沸点物质如酒精、白酒、丙酮、丁醇等。

4.萃取－回收和分离生物产物
将某种特定溶剂，加到发酵液混合物中，根据发酵液组分在水相和有机相中的溶解度不同，将所需物质分离出来的过程。

此法常用于抗生素的分离工作中。如将抗生素发酵液与某一有机溶剂混合，并调节至适当的pH，大部分抗生素即溶于有机相中。有机相分离出来后，再调节pH，可使抗生素转至水相中，如此反复可得到较纯的抗生素。

萃取法具有传质速度快、生产周期短、便于连续操作、可自动控制、分离效率高、生产能力大等优点，所以应用相当普遍。

近年来，由于技术的发展，萃取不一定在水相与有机相之间进行，发展出了双水相萃取法等新技术（如图所示）。例如，用双水相萃取发酵产物α－淀粉酶时，淀粉酶被萃取到上相中，而发酵同时产生的蛋白酶萃取到下相中，避免蛋白酶对淀粉的分解。
一种黄精多糖的双水相萃取法

（参考《微生物学》）
主
办
方
国家食品行业生产力促进中心
中国化工企业管理协会
北京凯晟中食管理咨询中心
（会议名称查看文件）
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