微生物与健康.ppt

,课件下载邮箱：密码：111111,微生物与健康,姜 秀萍,生化楼213室，Tel:84707245,课堂测验,白酒发酵时使用何种微生物？列举出三种本次课涉及到的，利用微生物发酵生产的产品。,食品工业工业农业医学环境保护生物能源、资源利用等,微生物与人类生活,酵母菌广泛利用于制作馒头、面包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,第一章 微生物在食品工业上的利用,一.微生物在传统食品生产中的应用面食 面食中的面包、馒头都是以面粉为原料,加水和一定量的酵母菌（主要是啤酒酵母Saccharomyces cerevisiae),混合成面团,经发酵、造型、烘烤或蒸煮而成。发酵、造型后的面团经烘烤或蒸煮,其中的CO2受热膨胀,造成多孔的海绵状结构。2.酱腌菜-泡菜 它的制作主要是通过在厌氧条件下利用乳酸菌进行乳酸发酵和少量酵母菌进行乙醇发酵制得。泡菜中的乳酸菌种类较多,主要有肠膜状明串珠菌、粪链球菌、短乳杆菌、植物乳杆菌等,它们以蔬菜中的糖类、蛋白质等物质为底物,发酵制得鲜香、脆嫩、微酸的泡菜。泡莱制作中,通常是多种生物混合进行发酵,不同原料以及发酵的不同阶段,优势菌各不相同,植物乳杆菌在发酵过程中占主导地位。,中国泡菜和韩国泡菜（kiMuChi),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。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。,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。,3.酒类,在我国,酿酒具有悠久的历史,产品种类繁多,其中主要有果酒、白酒、啤酒等。（1）果酒中最常见的是葡萄酒,它是以成熟葡萄为原料,经葡萄酒酵母发酵而制成的一种乙醇含量为10%-13%的饮料。（2）白酒是我国传统的蒸馏酒,它是以淀粉含量较高的谷物或植物块根作原料用黑曲霉和米曲霉作糖化剂使淀粉糖化,然后经酿酒酵母发酵后蒸馏制得的一类含乙醇40-65%的饮料。微生物来源：大曲、空气、发酵窖中窖泥；香味来源：微生物成生的酯；原料：大米、玉米、高粱、大麦（3）啤酒,它是以大麦、酒花、水为主要原料,辅以大米或玉米等,经啤酒酵母发酵酿造而成的一类含乙醇3%-6%的饮料。,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。,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，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,发泡酒顶替啤酒（日本）,日本的酒税法规定，只有麦芽比率在66.7以上，且不使用大米、玉米等材料以外的原料制成的才算啤酒，其他都是发泡酒。发泡酒税约比啤酒税低30左右。一般说来，每千升啤酒的零售价格为55万日元（100日元约合6.8元人民币），其中税金就占了22.2万日元，再加上5的消费税，每千升啤酒负担的税额高达25万日元，约为啤酒零售价的45.5。这一比例大大超过了德国的7、美国的9.8和英国的14.9。税率高自然造成价格高居不下，据比较，日本的啤酒价格是美国市场的4倍。1994年三得利公司率先发明麦芽率低于67，口味却与啤酒相差无几的发泡酒，售价调低14，成功开发出低价啤酒市场，仿佛给消费疲软不振的啤酒市场注入了一针强心剂。此后发泡酒销量一路看涨，札幌啤酒和麒麟啤酒也相继加入战团，发泡酒成为仅次于啤酒的第二大酒精饮料。日本政府不愿坐视啤酒税收减少，于1996年修改酒税法，规定麦芽率超过50的发泡酒也同啤酒一样征税。没想到三得利公司很快又发明出麦芽使用率在25以下的新型发泡酒。其他厂家纷纷跟进，一时间在啤酒和发泡酒市场上出现了下述的滑稽景象：啤酒为了增加清爽度拼命地减低麦芽的口味，标榜自己是“干啤酒”；而发泡酒为了躲过高税率拼命降低麦芽使用量，却又下功夫造出麦芽的味道，而且每家啤酒生产商都把发泡酒作为拳头产品。,4.调味品,酱油：酱油是以大豆、小麦、麸皮、食盐和水为原料,经米曲霉发酵制成的一种液态调味剂。在酱油生产过程,酵母菌、乳酸菌也参与发酵。原料中的淀粉经发酵转化为乙醇、有机酸、醛等物质,蛋白质分解形成多种氨基酸,乙醇和有机酸结合形成具有香味的酯,糖的分解产物与氨基酸结合产生褐色,从而使酱油色、香、味俱全。（用盐酸分解大豆里的蛋白质，变成单个的氨基酸，再用碱中和，加些红糖做为着色剂，就制成了化学酱油。这样的酱油，味道同样鲜美。不过它的营养价值远不如酿造酱油）食醋：是一种酸性调味品,它能增进食欲、帮助消化,发酵菌种为米曲霉、啤酒酵母、葡萄酒酵母、醋酸菌等。食醋的生产可采用淀粉类物质作原料,经制曲、糖化和酒精发酵后,再接种醋酸菌进行醋酸发酵而制得。目前用得最多的醋酸菌是恶臭醋杆菌、混浊变种、巴氏醋酸菌、巴氏亚种。,乳酪，奶酪（Cheese),皮萨饼中常用。是一种易消化、营养价值极高的乳制品。常用的发酵菌种有干酪乳杆菌、嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌。它是以优质鲜奶为原料,在上述微生物作用下乳糖转化为乳酸,并分解蛋白质,从而制成的。,5.乳制品,酸奶：保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌，乳链菌。,有一种食品比起牛奶来说其营养价值远远有过之而无不及，那就是乳酪。营养价值：每公斤乳酪制品都由10公斤牛奶浓缩而成。正所谓浓缩的就是精华，乳酪浓缩了牛奶中所有的天然营养成分，如丰富的蛋白质、脂肪以及钙、磷、镁等矿物质和维生素，是奶制品中的“高钙王”。,乳酪（Cheese）,国际营养学界普遍认可的定义是：益生菌又称活菌剂,生菌剂,益生素,是指通过改善肠道菌群微生态平衡而对宿主动物的健康产生有益作用的活体微生物。目前普遍认为作为益生菌的细菌应该具备以下条件:(1)对宿主有益;(2)无毒性作用和无致病作用;(3)能在消化道存活;(4)能适应胃酸和胆盐;(5)能在消化道表面定殖;(6)能够产生有用的酶类和代谢物;(7)在加工和贮存过程中能保持活性;(8)具有良好的感官特性。在国外已开发出数以百计的益生菌保健产品，其中包括：含益生菌的酸牛奶、酸乳酪、酸豆奶以及含多种益生菌的口服液、片剂、胶囊、粉末剂等等。,益生菌的定义,乳杆菌类（如嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、詹氏乳杆菌、拉曼乳杆菌等）；双歧杆菌类（如长双歧杆菌、短双歧杆菌、卵形双歧杆菌、嗜热双歧杆菌等）；革兰氏阳性球菌（如粪链球菌、乳球菌、中介链球菌等）；此外，还有一些酵母菌与酶亦可归入益生菌的范畴。,迄今为止，科学家已发现的益生菌大体上可分成三大类：,益生菌的种类,防治腹泻；缓解不耐乳糖症状；预防阴道感染；增强人体免疫力；缓解过敏作用；降低血清胆固醇；预防癌症和抑制肿瘤生长。,益生菌到底有哪些保健作用？,益生菌到底有哪些保健作用？,“站位性保护”提高免疫力肠道里面存在有益菌和有害菌，如果有益菌占据了肠道的表面，有害菌就没有了生存的位置，这叫“站位性保护”，位置就那么多，有益菌占得多了，有害菌在营养竞争上就处于失败状态，生长发育受到抑制。因此，当双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌在肠道内生长、繁殖，将阻止外面的病原体入侵肠道，构筑成一个生物屏障。而且肠道是人体最大的一个免疫器官，有益菌可以分泌一些抗原物质，激活并强化肠道的免疫系统。,预防与治疗腹泻症：正常人体肠道内栖息着500多种、数十万亿个不同的细菌，它们在绝大多数情况下是互相制约、共存共荣的。一旦肠道菌丛平衡被打破，就会引起腹泻。其次，滥用抗生素也会引起腹泻。欧洲一些医疗中心试用以乳杆菌、双歧杆菌与菊糖为主要成分的口服液治疗旅行者腹泻，取得良好效果。,益生菌到底有哪些保健作用？,益生菌在肠道内的大量繁衍可促进并提高人体的全身免疫能力。在欧洲一些著名长寿之乡（如高加索山区、地中海沿岸国家），当地人常饮自制的酸牛奶，极少患糖尿病、心血管病、肥胖症，研究认为这与酸牛奶中含大量益生菌有关。从70年代到90年代，国外所做的大量试验证实：喝益生菌饮料确实可降低血清胆固醇。最近国外又有学者发表论文指出：每天喝200毫升加入嗜酸乳杆菌以及菊糖后发酵的酸牛奶，可使高脂血症患者的血脂平均下降4.4左右。因为嗜酸乳杆菌与菊糖两者均有降脂作用。,益生菌到底有哪些保健作用？,益生菌到底有哪些保健作用？,长期饮用含大量益生菌的饮料，有预防癌症和肿瘤疾病以及防止骨质丢失与骨质疏松症的作用。,由于人体在生病的时候，通常使用一些抗生素药品进行治疗感染症，其不仅杀死了致病菌，同时也将一些原本对人体非常有益的益生菌一起给杀灭了，从而导致人体的抵抗力减弱，病越治越多。人体因逐步走向衰老，益生菌的数量也会不断减少。补充益生菌可以进一步提高“机体防御能力”而对预防疾病有益处。,人体为什么要补充益生菌？,什么是LABS？,酸奶包装上常见的LABS是四种益生菌的首字母缩写：L保加利亚乳杆菌A嗜酸乳杆菌B双歧杆菌S嗜热链球菌,益生菌、益生元和合生元,益生菌：是一种对人体有益的细菌，它们可直接作为食品添加剂服用，以维持肠道菌丛的平衡。益生元：一般是指不被消化的食物成分，也就是说，益生元进入人体，不会被消化道所吸收或被酶所分解，而是被益生菌作为能源，促进其生长和作用，进而产生健康效果。合生元：把益生菌和益生元合在一起的产品，叫做“合生元”。,二.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。,食用蘑菇有丰富的营养成分-1,100g干重中所含有的质量（g）,100g干重中所含有的质量（mg）,食用蘑菇有丰富的营养成分-2,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。,灵芝,1881年芬兰植物学者Karsten根据菇体具有发亮的表皮建立的，并以灵芝G.lucidum为此属的代表种。灵芝属普遍分布世界各地，天然的灵芝生长在橡树、栎树、相思树等阔叶树与松树的残株上，同时也生长在枯木、埋没地下的朽木上、或是生长在生木的树干与根部。主要的种：赤芝，紫芝（以上常做食用用），黄芝，白芝，青芝等。,灵芝的有效成分,根据我国最著名的药学典籍神农本草经之记载，灵芝是排列在上药中最高位的上上之药。灵芝多糖在免疫系统上的功效灵芝三萜类抗过敏、降血糖、调整血液循环灵芝腺嘌呤核苷调整血液循环、抗衰老灵芝有机锗抗衰老,灵芝的药用价值,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、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。,红曲霉,属于真菌界，子囊菌亚门（Ascomycotina）不整囊菌纲（Plectomyces）散囊菌目（Eurotiale）红曲菌（Monascaceae），可食用的种为Monascus purpureus,Monascus purpureus,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,红糟素豆包卷红曲凉面红糟炒饭,红曲菜,糟香小管 红糟腐乳肉紅糟蚬,红曲和心血管疾病防治,本世纪七十年代末，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。,三.微生物防腐剂,种类 举例 作用,细菌素 乳酸菌细菌素,能有效抑制革兰氏阳性菌,如肉毒梭状杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特氏菌,尤其对产孢子的枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌等有很强的抑制作用。据报道,Nisin 与EDTA 或表面活性剂结合后,其抗菌谱可以扩展到革兰氏阴性菌。,片球菌素,乳酸片球菌、啤酒片球菌和戊糖片球菌素,对李斯特氏菌具有强烈的抑制作用。主要通过抑制ATP 的合成,破坏营养物质运输系统,从而引起细胞死亡。,嗜杀酵母 酿酒酵母的K1 毒素 能够造成细胞质膜的离子泄漏,从而 杀死菌体。,链霉菌素 纳他霉素 能够破坏真菌细胞壁导致细胞内容物 外溢,造成菌丝不能生长。,食用菌 浓香乳菇,除具有增强免疫力,调解人体机能,抗肿瘤等功效外,也具有抑菌作用。,四.微生物增稠剂,种类 菌种来源 特性 生产关键,黄原胶 黄单胞杆菌 具有很好的兼容性,进行优良菌种的选育及 良好的分散作用 提取工艺的研究 和高粘性等各种优良特性,结冷胶 多沼单胞菌,用量低,应用pH值范围广,热稳定性高,透明度高,香气释放能力强等优点,寻找更加廉价的发酵原料,利用现代生物技术筛选高活性的菌株,茁霉多糖 出芽短梗霉,易溶于水、安全、无毒、粘度低,胶粘性强、成膜性好,粘性强、成膜性好发酵生产茁霉多糖时会同时产蓝色色素,工艺技术中避免多色素生成的研究,五.微生物食品单细胞蛋白,单细胞蛋白也叫微生物蛋白，它是用许多工农业废料及石油废料人工培养的微生物菌体。因而，单细胞蛋白不是一种纯蛋白质，而是由蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸及不是蛋白质的含氮化合物、维生素和无机化合物等混合物组成的细胞质团。按生产原料不同，可以分为石油蛋白、甲醇蛋白、甲烷蛋白等；按产生菌的种类不同，又可以分为细菌蛋白、真菌蛋白等。1967年在第一次全世界单细胞蛋白会议上，将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白。,单细胞蛋白的营养价值：,单细胞蛋白所含的营养物质极为丰富。其中，蛋白质含量高达40%80%，比大豆高10%20%，比肉、鱼、奶酪高20%以上；氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。一般成年人每天食用1015 g干酵母，就能满足对氨基酸的需要量。单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质，如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等。,单细胞蛋白具有以下优点：第一，生产效率高，比动植物高成千上万倍，这主要是因为微生物的生长繁殖速率快。第二，生产原料来源广，一般有以下几类：农业废物、废水，如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含纤维素的废料及农林产品的加工废水；工业废物、废水，如食品、发酵工业中排出的含糖有机废水、亚硫酸纸浆废液等；石油、天然气及相关产品，如原油、柴油、甲烷、乙醇等；H2、CO2等废气。第三，可以工业化生产，它不仅需要的劳动力少，不受地区、季节和气候的限制，而且产量高，质量好,单细胞蛋白应用的前景,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。,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。,20世纪80年代中期，全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0106t，广泛用于食品加工和饲料中。,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。发酵工艺：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。,第二章 微生物在工业上的利用,1.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,2.化工原料,柠檬酸,柠檬酸用于香料或作为饮料的酸化剂，在食品和医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,结构式,英文名：1,3propanediol简称：1,3PD分子式:CH2OHCH2CH2OH,1,基础化工原料（溶剂、防冻剂）,在医药合成领域中的应用,合成聚酯（PTT、聚氨酯）,在化妆品领域中的应用,PTT-新型聚酯材料,独特的分子结构使PTT性能良好,纤维之冠,预测到2010年达到40万吨/年,我国涤纶年产量为800万吨，如果10%用PTT取代，则需1，3-丙二醇近30万吨/年。,1,3丙二醇市场需求状况,1,3PD世界总产量单位：Kt/a,1,Dupont-Genercor公司,丙烯醛水合法,生物转化法,环氧乙烷法,化学法,1,3丙二醇的生产方法及生产现状,Shell公司,国外：德 国 Degussa：5万吨/年丙烯醛水合加氢工艺。壳 牌 Shell：7.5万吨/年环氧乙烷羰基化法。杜 邦 Dupont：采用基因工程菌以葡萄糖为底物的一步发酵法。与英国Tate Lyle公司合资的4.54万吨/年的 生产装置已于2007年1季度投产。国内：化学法小规模生产，仅1000吨/年左右，价格约为4 万元/吨。,国内、外生产现状,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1,3丙二醇的研究,甘油代谢的菌种,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,人参成分中最有效的药用成分是人参皂甙，我国科技人员现已从国产人参根中分离出10种人参皂甙：Ro、Rbl、Rb2、Rc、Rd、Re、Rf、Rgl、Rg2、Rg3。从人参茎叶中分离鉴定出14种单体，从人参果实中分离出8种人参皂甙。在有关于治疗心血管疾病方面，已知发挥作用的主要为以下两种:(1)人参皂甙Rg1，它能促生物合成，抗疲劳，降血压，舒张血管抗肿瘤抗氧化;(2)人参皂甙Rb1，它可促进血管再生或重建，从而可用来防治由于神经或脊柱组织损伤引起的疾病。它可抑制少突神经胶质细胞的调亡或死亡，所以也可以防治脱(神经)髓鞘(作用)。还可防治：脑卒中、脑出血、短暂性脑缺血、阿尔茨海默氏症、老年退化性疾病、脑炎、多发性硬化症、糖尿病神经病、视网膜色素沉着变性、一氧化碳中毒、周围末梢神经病、脊柱索血管疾病等。在抗疲劳方面，主要发挥作用的主要有以下两种：人参皂甙Rd和人参皂甙RC在动物实验中，它可以明显增加小鼠被迫行自发活动。而另一个让人高兴的消息是：人参皂甙Rh2能有效抑制肿瘤细胞的侵袭和转移，诱导肿瘤细胞凋亡、分化，可用于肝癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、骨癌、恶性黑色素瘤、食道癌等的治疗。人参皂甙Rh2是红参中的珍贵成分，近年来随着生物工程技术水平的提高，实现了Rh2的大规模提取，并研究成了许多Rh2复方制剂。,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,甘草酸的生物转化,肠道微生物 研究甘草酸在人体肠道细菌作用下的转化过程，进而研究其在人体中的有效形式及代谢途径,甘草酸,生产GAMG 利用微生物或其产生的水解酶，改性甘草酸定向合成GAMG,单葡萄糖醛酸甘草次酸（GAMG）,甘草酸（glyCyrrhizic acid，GA）是甘草中最重要的有效成分之一，具有抗炎、抗病毒，和保肝解毒及增强免疫功能等作用。由于甘草酸有糠皮质激素样药理作用而无严重不良反应，临床被广泛用于治疗各种急慢性肝炎。支气管炎和艾滋病，还具有抗癌防癌、干扰素诱生剂及细胞免疫调节剂等功能。,main product,minor product,Eubacterium L-8,Streptococcus LJ-22,甘草酸GL,单葡萄糖醛酸甘草次酸GAMG,甘草次酸GA,肠道微生物对甘草酸的转化,推测甘草酸转化的两条途径,肠道微生物对甘草酸的转化,1,GAMG的甜度约为蔗糖甜度的941倍，是甘草酸甜度的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GAMG，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,以Penicillium sp.Li-3 菌株的-D-葡萄糖醛酸苷酶作为催化剂，研究了其催化反应动力学，结果表明：催化甘草酸的活化能Ea 为116.072kJmol-1，反应动力学常数Km 为0.328molL-1，最大反应速度Vmax 为3.5310-3mmolL-1min-1，催化体系的最适反应温度为50，最适反应pH 范围为3.84.6。该酶在45以下较稳定，pH 稳定性维持在4.26.6之间，Mg2+对催化活力有一定促进作用，而Cu2+、Fe2+、Fe3+、Ag+有较大抑制作用。将Penicillium sp.Li-3 菌体经超声破碎、4080%饱和硫酸铵分级沉淀、Seperdex G-200 分子筛层析纯化后得到的-D-葡萄糖醛酸苷酶进行SDS-PAGE 凝胶电泳，测得该酶的单亚基表观分子量约为70KDa。,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（山药）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-2,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等，其中以盾叶薯蓣最多,薯蓣皂苷元的传统生产方法：,甾体皂苷（在植物中含量较高）,R：糖链,薯蓣皂苷元,酸水解,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。固体废弃物也产生一定的污染。,Y.Wang et al.Journal of Cleaner Production(2007)1-5,薯蓣皂苷元的其它生产方法：,预发酵法 可控性差 超临界二氧化碳流体萃取法 设备昂贵 淀粉、纤维素分离法,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,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。,皂苷又名皂甙或皂素，是固醇类或三萜类化合物的低聚配糖体总称，因其水溶液能形成持久泡沫，象肥皂一样而得名，它广泛存在于植物和海洋动物体内。大豆皂苷是一种常见的皂苷，它主要存在于豆科植物中。豆类植物种子中大豆皂苷的含量一般在0.62%-6.16%之间,大豆皂苷的功能：增强免疫调节功能；抗肿瘤作用；抗氧化、抗自由基的作用；抗凝血，抗血栓及抗糖尿病。大豆皂苷可以促进人体内胆固醇和脂肪代谢；改善心肌供氧；提高肌体的耐缺氧功能；可以降脂减肥；可以加强中枢交感神经的活动；还有抗衰老，防止动脉粥样硬化；抗石棉尘毒性等作用。,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豆皂苷的转化,具有很高的转化专一性,第三章 微生物在农业上的应用,1.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。,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,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:,2.微生物农药,微生物农药是21世纪农药工业的新产业，代表着植物保护的方向，其最大的优势在于能克服化学农药对生态环境的污染和减少在农副产品中农药残留量，同时在示范推广微生物农药应用的过程中，农副产品的品质和价格将大幅度上升，有利地促进农村经济增长和农民增收，社会效益不可估量。中国已加入WTO，农业将面临新的发展机遇和空间，农副产品出口市场更加广阔，提高中国农产品的国际市场竞争力的重要因素之一是降低农产品有毒物质的残留量，而微生物农药将为农产品优质安全生产和降低有毒物质残留量提供技术和物质保障。微生物农药研究与发展，将有效地实现农产品的优质安全生产，提升农产品的经济附加值，扩大我国农副产品外销市场，推进绿色产业的发展，这些均对发展农村经济、增加农民收入、促进农村繁荣具有重要的推进作用。微生物农药作为无公害农副产品生产的必要生产资料之一，在未来的农作物病虫害防治方面将有巨大的市场需求。,枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,Bs)微生物杀菌剂，能稳定地在土壤和植物表面定殖、产生抗生素、分泌刺激植物生长的激素、并能诱导寄主产生抗病性，是一种理想的微生物杀菌剂，有广阔的应用前景。如：美国Alabama州用Bs处理多种作物种子，平均产量增加9%，根病明显减轻；日本用Bs及其分泌物防治西红柿立枯病获得良好防效；国内北京大学和河南省农科院报告Bs对小麦赤霉病、西瓜枯萎病、烟草青枯病、棉花枯萎病等多种病害有良好的田间防治效果，并有明显的增产效应。,江苏省农科院植保所与国际水稻研究所长期合作研究，研制开发出生物杀菌剂Bs-916，经大面积示范推广试验证明，Bs-916对纹枯病防效达75-85%，对稻曲病防效达63.8-85.7%。国内外专家这一研究成果高度评价，认为用Bs杀菌剂防治水稻纹枯病是目前生物防治叶部病害研究中最先进的，且已具备了转向商品化生产条件。,昆虫病毒核多角体病毒(NPV)、颗粒体病毒(GV)微生物杀虫剂，是抑制害虫种群的病原性天敌。NPV和GV以鳞翅目害虫为特异性寄主，安全性高、可长期保存、易于生产、并与化学杀虫剂具有相似的施用方法，因而作为优良的生物防治因子，得到世界各国的广泛重视与研究。近年来，日本、美国、加拿大、英国等正着力研究NPV的提速、增效和扩大杀虫谱的途径和机制，已取得突破性进展。特别是日本研究者福原和三桥和佐藤分别发现粘虫痘病毒（Pseudaletia separata EPV）对PuNPV和AcNPV具有极强的增效作用;後藤则发现八字地老虎(Xestia c-nigrum)的颗粒体病毒（XcGV）不仅对XcNPV、HaNPV(棉铃虫NPV)、SeNPV(甜菜夜蛾NPV)等多种NPV具有100-10000倍的增效作用，而且同时使NPV的杀虫速度提高一倍以上、并拓宽NPV的杀虫谱。GV对NPV提速、增效、扩谱作用的发现，一举突破了NPV应用于农作物防治重大害虫的3大障碍，使NPV首次展示了真正替代化学杀虫剂防治害虫的产业化开发前景。,苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)和伴孢晶体,苏云金杆菌进入害虫消化道后，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。,第四章：微生物在医学上的应用,抗生素青霉素等疫苗利用病原体制造疫苗基因工程利用微生物制造大量药剂基因治疗,抗生素(Antibiotics)指由细菌、霉菌或其它微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类物质。自1940年以来，青霉素应用于临床，现抗生素的种