下载文档原格式
发酵工程智慧树知到课后章节答案2023年下温州医科大学温州医科大学第一章测试1.发酵工业的发展过程可分为4个阶段。
下列产品中属于发酵第三个阶段代表性的主要产品是（）A:酒精 B:青霉素 C:甘油 D:枸橼酸 E:胰岛素答案:青霉素2.下列不属于发酵过程常利用的微生物的选项是（）A:霉菌 B:酵母细胞 C:放线菌 D:大肠杆菌 E:CHO细胞答案:CHO细胞3.发酵工程主要涉及内容包括（）A:菌的代谢与调控 B:产品的分离纯化和精制 C:发酵反应器的设计与自动控制 D:培养基灭菌 E:菌种构建与筛选答案:菌的代谢与调控;产品的分离纯化和精制;发酵反应器的设计与自动控制;培养基灭菌;菌种构建与筛选4.根据微生物的发酵产物不同分为（）A:微生物代谢产物发酵 B:微生物酶发酵 C:基因工程细胞发酵 D:微生物菌体发酵 E:微生物的转化发酵答案:微生物代谢产物发酵;微生物酶发酵;基因工程细胞发酵;微生物菌体发酵;微生物的转化发酵5.维诺格拉斯基（Winograsky）和贝杰林克（Beijerink）建立丙酮-丁醇单菌发酵，实现真正的无杂菌发。
（）A:错 B:对答案:错6.通气搅拌发酵技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期，是现代发酵工业的开端。
（）A:错 B:对答案:错第二章测试1.下列不属于初级代谢产物的是（）A:核酸 B:核苷酸 C:色素 D:脂肪酸 E:酒精答案:核酸2.下列表述正确的是（）A:一种抗生素只有一种组分 B:一种菌只能产生一种抗生素 C:次级代谢产物在菌体生长阶段大量产生 D:L-氨基乙二酸是青霉素合成底物答案:一种菌只能产生一种抗生素3.下列表述正确的是（）A:同一种底物只能被一种酶催化 B:次级代谢产物不需要酶催化 C:次级代谢而产物的合成酶对底物要求的特异性不强 D:初级代谢和次级代谢不能共用前体答案:次级代谢产物不需要酶催化4.下列属于青霉素构建单位的是（）A:L-缬氨酸 B:L-半胱氨酸 C:L-α-氨基乙二酸 D:L-谷氨酸 E:L -组氨酸答案:L-缬氨酸;L-α-氨基乙二酸;L-谷氨酸5.次级代谢产物生物合成后的修饰包括（）A:氨基化 B:羟基化 C:酰基化 D:甲基化 E:糖基化答案:氨基化;羟基化;酰基化;甲基化;糖基化6.磷酸化修饰是生物体内常见的调节蛋白活性的方式，即在蛋白质的丝氨酸和蛋氨酸残基的羟基进行磷酸化。
溶氧浓度对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一一、溶氧浓度对微生物生长的影响氧既是微生物细胞的重要组成成分，又是能量代谢的必需元素。
对于需氧微生物来说，供氧不足会抑制细胞的生长代谢。
因此，在需氧发酵过程中，必须不断通气，使发酵液中有足够的溶解氧以满足微生物生长代谢的需要。
由于各种微生物所含氧化酶系种类和数量不同，在不同的环境下其需氧量是不同的。
微生物的需氧量常用呼吸强度和耗氧速率来表示呼吸强度指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，表示，单位为mmol/(g.h)。
以QO2呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但其测定有困难，因此可用耗氧速率来表示。
耗氧速率指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，用r表示，单位为mmol/(L.h)。
耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。
式中：u r为微生物耗氧速率，mmol/(L.h)；u Q O2为呼吸强度，单位为mmol/(g.h)；u X 为菌体的质量浓度，g/L。
由于氧在发酵液的溶解度很低，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足发酵过程对氧的需求。
但在培养的过程中并不需要使溶氧浓度达到饱和值。
微生物生长对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度称为“生长临界氧浓度”。
当发酵液中的溶氧浓度低于临界氧浓度时，微生物的耗氧速率将随溶氧浓度降低很快下降，这时溶氧就是微生物生长的限制因素。
改善供氧，对微生物生长有利；但当溶解氧浓度高于临界氧浓度时，微生物的耗氧速率并不随溶氧浓度的升高而上升，而是保持基本的恒定。
对于有些微生物，超过溶氧上限，氧对微生物反而产生毒害作用。
一般说来，微生物的生长临界氧浓度一般为饱和氧浓度的1％一25％二、溶氧浓度对产物合成的影响微生物产物的合成也有一最低的溶氧浓度，称为产物合成临界氧浓度。
同时，产物的合成也有一个合适的溶解氧浓度。
溶氧浓度太高也有可能抑制产物的形成。
最佳的产物合成氧浓度既可能低于也可能高于最适生长溶氧浓度或生长临界氧浓度。
溶氧对发酵的影响及控制好氧微生物细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，但是氧是一种难溶气体，并且培养基中一般含有大量的有机物和无机盐，由于盐析等作用造成氧在培养基中的溶解度更低，因此在好氧微生物的发酵过程中，氧的供应往往是成功与否的重要限制因素之一。
一般来说，在大规模发酵生产中，通常采用深层培养方式，氧的提供是给培养中的微生物通入无菌空气来进行。
此时需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求，而且为了提高供氧效率，还必须控制搅拌速率。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。
在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。
补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。
如继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。
发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升。
好氧微生物的酶的活性对氧有着很强的依赖性。
以谷氨酸发酵为例，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。
[1 ]下图1 和图2 所示的分别是在不同溶氧条件下的谷氨酸发酵的谷氨酸浓度和乳酸浓度的变化曲线图。
从图1 中可以看出,溶氧水平对谷氨酸发酵中谷氨酸的生成量有很大的影响。
低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,谷氨酸生成速度明显比高溶氧(DO = 50 %) 条件下要高,并且最终谷氨酸浓度也比高溶氧条件下的高;从图2 可以看出,低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,主要代谢副产物乳酸的生成速度比高溶氧条件下要高出许多,乳酸积累量也很大,而高溶氧条件下则积累很少。
氨基酸题库一、填空题（共12小题，每小题2分，共24分）1、味精是α-氨基戊二酸钠（或L-谷氨酸单钠）的商品名称，含有一分子的结晶水，其分子式为NaC5H8O4N?H2O，在120℃℃以上逐渐失去结晶水。
2、双酶法淀粉的水解通常使用α-淀粉酶和糖化酶两种酶，其作用特点分别是内酶、只能水解α-1，4糖苷键和外酶、水解非还原末端，专一性差3、谷氨酸等电点提取工艺是根据等电点时，正负电荷相等，总静电荷等于零，谷氨酸溶解度最小的原理确定的。
4、赖氨酸的生物合成途径与其他氨基酸不同，存在两条不同的途径，即二氨基庚二酸途径和α-氨基己二酸途径途径，前者存在于细菌、绿藻、原生虫和高等植物中，后者存在于酵母、霉菌中。
5、发酵过程中泡沫的多少，既与搅拌和通气强度有关，又与培养基性质有关。
6、DE值，即葡萄糖值，表示淀粉水解程度及糖化程度，是指糖化液中还原糖含量占干物质的百分率。
7、氨基酸生物合成调节机制的两种基本模式是反馈抑制和反馈阻遏。
8、在味精生产中，成品往往会出现各种质量问题，出现色黄的原因是脱色不彻底、离心分离时未用水淋洗、干燥时间长，出现色灰青的原因是混有活性炭细粉、含有硫化钠。
9、在采用锌盐法提取谷氨酸的工艺中，_酮酸_物质对谷氨酸锌盐析出有显著的影响。
在pH ＝6.3 下，生成谷氨酸锌沉淀，然后在酸性条件下溶解沉淀，调pH到2.4，谷氨酸析出。
10、氨基酸主要用作食品补充剂、饲料添加剂、临床营养制剂以及氨基酸药物，此外，还应用于医药中间体、肽类、多聚氨基酸、氨基酸系表面活性剂等新领域。
11、谷氨酸制味精过程中，中和操作时一般应先加谷氨酸后加碱，否则会发生消旋化，生成DL-谷氨酸钠。
12、在谷氨酸发酵中，溶解氧的大小对发酵过程有明显的影响。
若通气不足，会生成乳酸或琥珀酸，若通气过量，会生成ɑ－酮戊二酸二、单项选择题（共10小题，每小题2分，共20分）1、好气性发酵需要大量无菌空气，在工程设计上，一般要求过滤后空气的无菌程度为（B）。
溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响3郜 培1 陆静波1 段作营1 毛忠贵1 史仲平1,21(江南大学生物工程学院,无锡,214036) 2(江南大学工业生物技术教育部重点实验室,无锡,214036)摘 要 谷氨酸发酵中,不同溶氧条件对产物谷氨酸和主要副产物乳酸的生成积累影响很大。
文中研究了不同溶氧条件下和几种非正常条件下的谷氨酸发酵中主要关键酶(谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶)的变化规律,为谷氨酸发酵的进一步优化和控制提供了基础数据。
关键词 谷氨酸脱氢酶(G DH ),乳酸脱氢酶(LDH ),溶氧水平,谷氨酸发酵 第一作者:硕士研究生。
3江苏自然科学基金资助项目(No.B K2003021) 收稿日期:2005-06-13,改回日期:2005-08-05 谷氨酸发酵是氮素同化的过程,氮的同化是关键步骤。
实验证明,在谷氨酸生产菌中,谷氨酸脱氢酶(G DH )的活力很强,氮的同化主要是以谷氨酸脱氢酶催化的,它是谷氨酸合成中的关键酶。
谷氨酸脱氢酶以NADPH 作为辅酶催化α2酮戊二酸转变成谷氨酸,这个反应是可逆的[1,2]。
α2酮戊二酸+N H 3+NADPH Ζ谷氨酸+NADP谷氨酸脱氢酶(G lutamate dehydrogenase ,G DH )是1种依赖辅酶的脱氢酶,它分为NADH 依赖型(EC 11141112)、NAD (P )H 依赖型(EC 11141113)和NADPH 依赖型(EC 11141114),广泛存在于动物、植物和微生物中,在氮代谢中具有重要作用。
近年来,对于谷氨酸发酵过程中谷氨酸脱氢酶酶活的影响因素已经做过一定的研究。
宋香等做了CeCl 3对谷氨酸棒杆菌S9114生长和谷氨酸脱氢酶的影响的研究[3];张克旭等做了不同温度、p H 对谷氨酸脱氢酶的影响的研究[4];Zhuang 等做了镧系金属离子对谷氨酸脱氢酶活性的影响机理的研究[5]。
乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogeanase ,LDH )广泛存在于动物组织和各种微生物细胞内,它催化糖酵解的最后一步反应,即丙酮酸向乳酸的转化。
无论是在高等动物还是低等动物中,LDH 均是借助辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD +/NADH )的作用可逆地催化丙酮酸与乳酸的转化反应,其反应方程式如下[6]:丙酮酸+NADH ]乳酸+NAD +在该反应中,LDH 必须先与辅酶结合才能与底物结合催化反应进行,反应完成后,底物先从酶的活性位点释放下来后,辅酶才被释放,故称之为NADH/NAD +依赖型脱氢酶。
LDH 的催化速率取决于辅酶从复合物上的解脱速率,其催化动力学反应机制为严格的顺序催化机制[6,7]。
文中研究了在不同溶氧条件下进行谷氨酸发酵过程中谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶的酶活变化,以确定溶氧水平对谷氨酸发酵中关键酶的影响。
1 材料和方法111 菌 种谷氨酸棒杆菌(Corynebacteri um gl utam icum )S9114,本实验室保存菌株。
112 培养基种子培养基组成(g/L ):C 6H 12O 6・H 2O 25,K 2HPO 4115,MgSO 4016,MnSO 401005,FeSO 401005,玉米浆25,尿素215(单独灭菌加入)。
p H 710～712。
发酵培养基组成(g/L ):C 6H 12O 6・H 2O 140,K 2HPO 4110,MgSO 4016,MnSO 401002,FeSO 401002,硫胺素510×10-5,玉米浆15,尿素310(单独灭菌加入)。
p H 710～712。
113 发酵和培养条件种子培养条件:从活化斜面接2环于种子培养基中,在32℃、200r/min 条件下培养8～10h ,镜检细胞正常无杂菌。
发酵及其发酵罐控制条件:发酵在5L 发酵罐(B IO TECH 25B G ,上海保兴生物设备公司产),32℃下进行,实际发酵液量控制在312～314L 左右。
根据需要通过自动调节搅拌转速将溶解氧浓度DO 控制在10%～50%的水平,罐压保持在0107MPa 。
自动添加质量分数为25%的氨水将p H 控制在711±011的水平,同时为谷氨酸合成提供氮源,保证整个发酵过程氮源过量和充足。
根据需要间歇式地添加质量分数为50%的葡萄糖,控制发酵液中的葡萄糖浓度在15g/L 以上。
72 2005V ol.31No.10(Tot a l 214)114 离线参数测定葡萄糖、谷氨酸和乳酸的浓度由SBA240B生物传感仪(山东省科学院生物研究所产)测定,菌体浓度(OD620)用分光光度计(UV22100,尤尼柯上海仪器有限公司)以灭菌后的初始发酵液为参比液,在620nm 波长下测定。
115 粗酶液的制备菌悬液的制备:发酵过程中按一定时间间隔采集发酵液,1800r/min离心10min去除沉淀,再经8000r/min离心10min收集菌体。
用p H715、50 mmol/L Tris2HCl缓冲液(内含D TT、ED TA等)于4℃洗涤菌体2次后振荡得菌悬液。
菌悬液(约50 mg菌体蛋白/mL)置冰浴,超声波破碎10min。
处理液在4℃经10000r/min离心20min,上清液即为粗酶液。
116 酶活测定方法G DH酶活测定:3mL测定液内含α2酮戊二酸1313mmol/L,N H4Cl15mmol/L,NADPH1167 mmol/L,以及适量酶液混合后37℃下进行反应,在UV22100上用石英杯在340nm测定反应开始后1 min内的光吸收变化值。
酶活单位定义:在37℃、p H715的反应条件下,每分钟生成1μmol NADP所需的酶量,以NADPHμmol/min表示。
LDH酶活测定:3mL测定液内含丙酮酸钠01757mol/L,NADH1167mmol/L,以及适量酶液混合后37℃下进行反应,在UV22100上用石英杯在340nm测定反应开始后1min内的光吸收变化值。
酶活单位定义:在37℃、p H715的反应条件下,每分钟生成1μmol NAD变化所需的酶量,以NADH μmol/min表示。
2 结果与讨论211 不同溶氧条件对谷氨酸发酵的影响图1和图2所示的分别是在不同溶氧条件下的谷氨酸发酵的谷氨酸浓度和乳酸浓度的变化曲线图。
从图1中可以看出,溶氧水平对谷氨酸发酵中谷氨酸的生成量有很大的影响。
低溶氧(DO=10%)控制条件下,谷氨酸生成速度明显比高溶氧(DO=50%)条件下要高,并且最终谷氨酸浓度也比高溶氧条件下的高;从图2可以看出,低溶氧(DO=10%)控制条件下,主要代谢副产物乳酸的生成速度比高溶氧条件下要高出许多,乳酸积累量也很大,而高溶氧条件下则积累很少。
图1 不同溶氧条件下的谷氨酸浓度变化曲线图2 不同溶氧条件下的乳酸浓度变化曲线我们推测这可能与不同溶氧条件下谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶的酶活大小有关,为此我们测量了不同溶氧条件下的谷氨酸脱氢酶的酶活以验证上述试验现象。
212 不同溶氧条件对G D H和LD H的影响图3 不同溶氧条件下谷氨酸脱氢酶酶活变化曲线图3所示的是不同溶氧(DO=10%和DO= 50%)条件下谷氨酸脱氢酶的酶活曲线图。
从图3可以看出,高溶氧条件下,产酸中后期G DH的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。
图4所示的是不同溶氧(DO=10%和DO= 50%)条件下乳酸脱氢酶的酶活曲线图。
从图4可以看出,高溶氧条件下,LDH酶活明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低,有报道认为,一定的厌氧环境对于乳酸脱氢酶的酶活有利[8]。
213 非正常发酵条件对G D H和LD H的影响为了验证溶氧对于G DH和LDH的影响是否可2005年第31卷第10期(总第214期)73图4 不同溶氧条件下乳酸脱氢酶酶活变化曲线逆,设计了2批非正常发酵进行验证。
第1个非正常发酵的控制策略:首先将DO 控制在30%,当发酵进入产酸期后的第12h ,人工调低搅拌转速使DO 脱离自动控制状态。
DO 迅速降低到0%的极端缺氧水平。
由于氧气的极度匮乏,谷氨酸生产根本无法进行。
当发酵进行到18h 后,重新启动DO 的自动控制并将其控制水平恢复到30%。
图5所示的是此次发酵的过程参数。
从图中可以看出,在极端缺氧的6h 里谷氨酸浓度几乎没有增加,而乳酸大量积累;当溶氧水平恢复到30%之后,谷氨酸不能再恢复增长,说明菌体已经没有产谷氨酸的活力了。
A -人工调低搅拌转速使DO 降低至0%B -启动DO 自动控制恢复DO 水平至30%图5 发酵中期极端缺氧条件下谷氨酸和乳酸浓度变化曲线图图6所示的是此次发酵的G DH 和LDH 酶活曲线图。
从图中可以看出,G DH 酶活在缺氧之后迅速下降,而且溶氧恢复到30%水平的时候其酶活也不能得到恢复,而LDH 酶活在极端低溶氧情况下则表现出较高的活力。
第2个非正常发酵的控制策略是,将DO 控制在30%,当发酵进入产酸期后的第10h ,将流加氨水改为流加10mol/L 的NaOH ,氨水在发酵过程中既作为氮源又作为调节p H 的碱性物质,当换成NaOH 后相当于中断了氮源供给。
当发酵进行到第13h ,发酵液中氮源已消耗殆尽,维持这种情况6h 后,重新使用氨水代替NaOH 调p H。
A -人工调低搅拌转速使DO 降低至0%B -启动DO 自动控制恢复DO 水平至30%图6 发酵中期极端缺氧条件下G DH 和LDH酶活变化曲线图7所示的是在氮饥饿条件下进行发酵的过程参数。
从图中可以看出,在氮源消耗殆尽的时候谷氨酸的浓度不再增加,这是因为谷氨酸的合成需要铵根离子的参与,当重新用氨水流加以后,谷氨酸的浓度开始有所恢复,但最终停留在50g/L 的较低水平。
A -切断氮源供给,用NaOH 替代氨水调节p HB-恢复氮源供给,用氨水调节p H图7 氮饥饿条件下谷氨酸发酵过程参数曲线图A -切断氮源供给,用NaOH 替代氨水调节p HB -恢复氮源供给,用氨水调节p H图8 氮饥饿条件下G DH 和LDH 酶活变化曲线图8所示的是在氮饥饿条件下进行发酵的G DH 和LDH 酶活的曲线图。
从图中可以看出G DH 在切断氮源的这段时间内并没有失去活力,酶活虽然有所下降但是当恢复氮源供应以后酶活有一定的恢复,谷氨酸合成的终止是由于底物匮乏造成的,而LDH 的74 2005V ol.31No.10(Tot a l 214)酶活并没有太大的变化。
3 结 论通过上述对谷氨酸发酵过程中溶氧水平对谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶酶活的影响的研究,可以看出极端缺氧的条件对谷氨酸脱氢酶造成的影响是不可逆的;低溶氧对保持谷氨酸脱氢酶的酶活有利,但是这也造成乳酸脱氢酶活力的提高,使得代谢副产物乳酸大量积累,所以应该把溶氧控制在适当的水平,在保持谷氨酸脱氢酶较高活力的同时尽可能的降低乳酸脱氢酶的酶活。
