第1章 第3节 发酵工程及其应用(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中生物选择性必修3（人教版2019 多选）

第3节　发酵工程及其应用 学习目标 1.概述发酵工程及其基本环节 科学思维 2.说明发酵工程在生产上有重要的应用价值 社会责任 一、发酵工程的基本环节 1．发酵工程的基本环节 2．发酵罐 二、发酵工程的应用 1．发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点。 2．发酵工程的应用 啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装等制成。高酒精度啤酒(酒精浓度≥7.5%vol)，由于其高酒精度、高发酵度、低残糖等特点，受到越来越多消费者的青睐。结合所学知识判断： (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(×) (2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行(×) (3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N­乙酰谷氨酰胺(√) (4)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的(×) (5)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇(×) (6)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体(√) 　　　　　　　　　　探究点一　发酵工程的基本操作环节 发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产产品。常用谷氨酸棒状杆菌(好氧细菌)在发酵罐中发酵来大量生产味精。探究下列问题： (1)微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 提示　需要考虑培养基成本；能否迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量；发酵条件；菌种的变异、退化等因素。 (2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 提示　要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。 (3)在产物分离和提纯方面，发酵工程和传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 提示　传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，很多时候不会对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。而在发酵工程中产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。 (4)在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示　不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 1．影响发酵过程的因素 (1)温度：①温度影响酶的活性。②温度影响生物合成的途径。③温度影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等。 (2)pH：①pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。②pH影响培养基中营养物质的分解等。 (3)溶解氧：氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。 (4)营养物质的浓度：发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。 2．发酵罐内发酵(发酵工程的中心环节) 1．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法错误的是(　　) A．①为诱变育种，②分离、提纯产物 B．赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式 C．由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量 D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件 解析　由题意分析可知，图中①为诱变育种，②为分离、提纯产物，A正确；延长稳定期可以提高代谢物的产量，要达到这一目的可采用连续培养的发酵方式，B正确；由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，因此在生产过程中常需增加通氧量，C正确；人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。 答案　D 2．(2024·潍坊期中)发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的认识错误的是(　　) A．发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小的特点 B．发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身 C．通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等 D．发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵 解析　传统发酵技术和发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，D错误。 答案　D 探究点二　发酵工程的应用 1．发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。探究下列问题： (1)分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些？ ①生产单细胞蛋白饲料　②通过生物技术快速繁育兰花等花卉　③利用工程菌生产胰岛素　④工厂化生产青霉素 提示　①③④。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术手段；通过生物技术快速繁育兰花等花卉属于植物组织培养技术，而非发酵工程技术手段。 (2)酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的生产分别利用了哪种微生物的发酵？ 提示　酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌(如黑曲霉)、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。 (3)与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 提示　接种单一高质量菌种、严格的消毒灭菌措施、培养基营养物质协调、严格的发酵条件控制等，都使啤酒的产量和质量明显提高。 2．苹果可用于制作苹果酒、苹果醋饮料和提取具有抗过敏、抗癌细胞增生、调节脂质代谢等多种生理功能的苹果多酚。如图所示为工业化制作苹果酒和苹果醋的装置。 (1)甲罐中预留近1/3的空间，目的是什么？ 提示　有利于酵母菌的早期繁殖。 (2)甲罐连接的双U型管中一侧注满水的作用是什么？ 提示　密闭装置，利用自动化排气；防止发酵液从排气管溢出。 (3)若图中A代表无菌空气，则乙罐排出的气体中氧气的含量有什么变化？ 提示　氧气含量降低。 (4)回忆我们生活中常见的食物，看看哪些食品是直接由微生物发酵生产的，哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？ 提示　直接由微生物发酵生产的有：酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等。食品中添加了经发酵生产的食品添加剂的有：方便面、火腿肠、饼干、果冻、薯片等。 1．啤酒的工业化生产流程 工业化生产啤酒时的发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。 2．发酵工程生产的相关产品及所用的微生物 (1)微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 (2)单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，可以作为食品添加剂和微生物饲料。　 3．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　) A．黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种 B．啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品 C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D．用液体培养基可大规模生产某病毒减毒疫苗 解析　黑曲霉产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，进一步加工为酱油，柠檬酸可通过黑曲霉发酵获得，A正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等手段获得酵母细胞(单细胞蛋白)，将滤液加工后得到啤酒，B正确；纤维废料分解得到葡萄糖，其经过发酵得到酒精，既减少了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C正确；某病毒减毒疫苗是该病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。 答案　D 4．(2024·冀州调研)下列有关发酵工程应用的叙述，正确的是(　　) A．发酵完成后分离出的菌体均可作为动物饲料 B．发酵工程不能用于传统发酵食品的生产 C．利用基因工程选育的菌种可用于酶制剂、疫苗、激素等的生产 D．将发酵液中的微生物分离出来就是微生物肥料，可大大增进土壤肥力 解析　有些微生物的菌体含有激素、抗生素等，不适合作为动物饲料，A错误；利用发酵工程能生产传统发酵食品，B错误；微生物肥料是指微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等，D错误。 答案　C [课堂小结] [课堂巩固] 1．下列关于发酵工程的说法，错误的是　　(　　) A．发酵工程具有条件温和，产物单一、污染小的特点 B．可通过人工诱变选育新品种 C．培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌 D．通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等 解析　菌种不能进行灭菌，C错误。 答案　C 2．(2024·石家庄调研)发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述，错误的是(　　) A．密闭式发酵罐的设计成功使大规模生产发酵产品得以实现 B．要随时取样，检测培养液的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程 C．在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养成分 D．要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件 解析　在发酵过程中微生物代谢、繁殖会消耗营养组分，因此需要向装置中添加必需的营养组分，C错误。 答案　C 3．下列有关发酵工程应用的说法错误的是(　　) A．发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品 B．柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产 C．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D．发酵工程生产的单细胞蛋白可以制作成微生物饲料 解析　发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品，A正确；柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产，B正确；乙肝疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产乙肝疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，乙肝疫苗单位时间内的产量高，C错误；现代的发酵技术利用发酵工程生产的单细胞蛋白可以制作成微生物饲料，D正确。 答案　C 4．(不定项)在细菌的连续培养过程中，要以一定速度不断添加新的培养基，同时以同样速度放出老的培养基。下图表示培养基的稀释率(培养基的更新速率)与培养容器中营养物质浓度、细菌代时(细菌数目增加一倍所需的时间)、细菌密度的关系。下列相关叙述正确的是(　　) A．在稀释率很低的情况下，稀释率的增加会导致细菌密度增加 B．稀释率从a到b的变化过程中，细菌生长速度不断提高 C．稀释率超过b点后，营养物质浓度过高导致细菌死亡率增大，细菌密度降低 D．为持续高效地获得发酵产品，应将稀释率控制在b点附近 解析　在稀释率很低的情况下，稀释率的增加，也就是培养基的更新速率增加，会导致细菌密度增加，A正确；稀释率从a到b的变化过程中，细菌的代时越来越小，所以细菌生长速度不断提高，B正确；从图像上看，随稀释率的增加，营养物质的浓度提高，细菌代时缩短，数目减少，由于培养基更替太快，带走了大量的细菌，使细菌密度降低，并不是死亡率增大所致，C错误；b是一个临界点，b点后，细菌的密度减小，代谢产物也会减少，要持续高效获得发酵产品，应将稀释率控制在b点附近，D正确。 答案　ABD 5．谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。请回答下列问题： (1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有________(填字母)。 A．噬菌体 B．人类免疫缺陷病毒(HIV) C．禽流感病毒 D．肺炎链球菌 E．酵母菌 G．硝化细菌 H．乳酸菌 (2)谷氨酸发酵的培养基成分，主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的同化作用类型是________型。 (3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的________，而且起到调节培养液________的作用，所以应该分次加入。 (4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，这种新性状细菌的产生来自___________________________________。 (5)如图所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养基，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因是__________________ ______________________________________________________________________________。 解析　(1)北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌都是原核生物，没有成形的细胞核，而题中噬菌体、人类免疫缺陷病毒(HIV)和禽流感病毒都没有细胞结构，酵母菌则是真核生物，因此与这些菌种在结构上存在明显区别的有ABCE。(2)谷氨酸发酵的培养基成分中有葡萄糖，说明其代谢类型是异养型。(3)氨水是细菌生长所需的氮源，同时还有调节培养液pH的作用。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自基因突变(或突变)。(5)如图所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养基，此工艺流程可以大大提高生产效率，原因是①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长。 答案　(1)ABCE　(2)异养　(3)氮源　pH　(4)基因突变(或突变)　(5)①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长 学科网（北京）股份有限公司 $$