1.3 发酵工程及其应用 教学设计 2023—2024学年高二上学期生物人教版选择性必修3

第3节 发酵工程及其应用 目标与素养 1．举例说明日常生活中的某些食品是运用传统发酵技术生产的。 2．阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。 3．简述发酵工程的一般流程。 4．举例说明发酵工程在农业、医药工业、食品工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 5．联系实际通过问题引领提升分析问题、解决问题和表达交流能力。 情境与问题 从《啤酒的工业酿造过程》的视频或青霉素生产工艺流程简图进入课堂，材料都是从生活中来的，激活学生对发酵工程的兴趣，引发学生对发酵工程的思考：发酵工程是通过哪些环节生产产品的？我们生活中哪些产品的生产与发酵工程有关？发酵工程的前景如何？ 过程与方法 1．通过阅读教材、图片分析、课件和视频展示等手段引导学生分析并掌握发酵工程的基本环节，与第1节和第2节内容紧密结合，引导学生尝试用相关原理分析发酵工程的相关问题和现象。 2．通过资料分析和信息的搜集、处理，提高学生获取信息的能力。 3．引导学生通过多种途径，如观察、阅读、思考、分析、讨论、探究等来开展学生之间的协作学习和自主学习，形成以学生为主体的教学模式。 重点难点 重点 1．简述发酵工程的一般流程。 2．举例说明发酵工程在农业、医药工业、食品工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 难点 1．简述发酵工程的一般流程。 2．举例说明发酵工程在农业、医药工业、食品工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 教学准备 教师准备 1．了解学生对相关知识点的理解情况，包括传统发酵技术及微生物的培养及其分离计数等。 2．制作PPT，包含课上学生需要完成的探讨问题和课堂反馈作业，内容上包括发酵工程的一般流程和发酵工程 学生准备 1．复习传统发酵技术及微生物的培养及其分离计数等相关知识。 2．预习。 3．通过可用资源，了解实际生产生活中与发酵工程有关的产品及我国发酵工程的现状。 教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 初步了解发 酵工程 多媒体展示《啤酒的工业酿造过程》的视频，结合所学知识回答下列问题： 1．人们进行啤酒的工业酿造的理论基础是什么？（酵母菌发酵产生酒精的原理、微生物纯培养技术和密闭式发酵罐的设计。） 讲述：随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。发酵工程与农业、食品工业、医药工业及其他工业生产有着密切的联系。 2．根据视频，归纳一下发酵工程的基本环节有哪些。 （发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。） 3．根据你的了解和相关资料的搜集，生活中哪些物品的生产与发酵工程有关？ （食品、药物、单细胞蛋白等等。） 1．观察《啤酒的工业酿造过程》的视频。 2．了解发酵工程的基本环节：菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。 3．了解发酵工程与我们生活的关系。 发酵工程的基本环节 组织学生阅读教材P22～23的内容，回答以下问题： 1．发酵工程所使用的菌种有哪些来源？ （性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。） 2．在发酵之前还需要对菌种进行什么操作？为什么？如果不进行这一操作可能产生的后果是什么？ （在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养；因为工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。如果不进行扩大培养，会延长培养期。） 3．发酵工程中，配制培养基的原则是什么？ （符合发酵菌的代谢特点；原料成本低。） 4．举例说明发酵过程一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。 （杂菌会与发酵菌共同竞争资源和空间；除此以外还可能会产生能分解发酵产品的物质。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。） 5．发酵工程中如何防止杂菌污染？ （培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。） 6．发酵工程的中心环节是什么？ （发酵工程的中心环节是发酵罐内的发酵。） 7．分析下面的发酵罐示意图，简述发酵罐分别通过哪些装置来控制发酵温度、溶解氧。 1．阅读教材P22～23的内容。 2．了解发酵工程的基本环节一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。 3．小组合作回答问题。 4．掌握各环节的技术要点。 发酵工程的基本环节 （温度：冷却水进口和冷却水出口；溶解氧：无菌空气的通入口，搅拌器。） 8．影响发酵罐中温度变化的因素有哪些？ （微生物分解有机物释放的能量、机械搅拌、发酵罐散热及水分散失。） 讲述：现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。发酵罐内的发酵是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 9．谷氨酸的发酵生产过程中，在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。这说明了什么？ （环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。） 10．如何分离提纯产物？ （如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。） 发酵工程在食品工业上的应用 组织学生阅读教材P24～26的内容，完成以下作业： 1．发酵工程有哪些特点？ （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。） 2．绘制出发酵工程的应用概念图。如图： 1．阅读教材P24～27的内容，按要 求完成作业。 2．了解发酵工程在食品工业中主要应用于生产传统的发酵产品，生产各种各样的食品添加剂以及生产酶制剂三个方面。 1. 2. 发酵工程在食品工业上的应用 3. 工业的首位。在我们的日常生活中，利用发酵工程生产的食品以及与食品有关的产品比比皆是，主要包括以下三个方面：生产传统的发酵产品；生产各种各样的食品添加剂；生产酶制剂。 4. 4．哪些食品是通过发酵工程生产的？ 5. （酱油、醋、酒、各类酱等。） 6. 5．小组内展示你们课前收集的商品配料表，结合教材P25的表1-2，说明其中哪些食品添加剂是通过发酵工程生产的，食品添加剂有什么作用。 7. （通过发酵工程生产的食品添加剂包括酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂以及防腐剂等；食品添加剂可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。） 8. 6．酶制剂在食品工业中用于哪些方面？ 9. （酶制剂用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。） 10. 7．发酵工程生产什么食品需要使用酶制剂？ 11. 展示下图，让学生了解微生物酶制剂在食品工业中的重要性。 12. 微生物酶制剂及其在食品工业中的应用 酶 用途 来源 a-淀粉酶 水解淀粉制造葡萄糖、麦芽糖、糊精 细菌、霉菌 普鲁兰酶 水解淀粉成直链低聚糖 细菌、霉菌 软化肌肉纤维，啤酒、果酒澄清，动植物蛋白质水解营养液 蛋白酶 细菌、霉菌 脂肪酶 用于制作干酪和奶油，增进食品香味，大豆脱腥等 酵母菌、霉菌 纤维素酶 用于大米、大豆、玉米脱皮， 霉菌 淀粉制造 半纤维素酶 用于大米、大豆、玉米脱皮， 霉菌 提高果汁澄清度等 果胶酶 用于柑橘脱囊衣，饮料、果酒 霉菌、细菌 澄清等 制造转化糖，防止高浓度糖 蔗糖酶 浆中蔗糖析出，防止果糖 酵母菌 发沙 乳糖酶 乳糖缺乏的乳品制造，防止 酵母菌、 乳制品中乳糖析出 霉菌 13. 14. 3．展示收集的商品配料表，了解发酵工程生产的食品添加剂在食品加工中的作用。 15. 4．了解微生物酶制剂在食品工业中的重要性。 发酵工程在 医药工业上 的应用 组织学生阅读教材P26的内容，回答下列问题： 1．利用发酵工程可以生产哪些药物？ （可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。） 1．阅读教材P26的内容，回答问题。 发酵工程在医药工业上的应用 2．近些年来，什么工程的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力？ （近些年来，基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。） 3．为获得具有某种药物生产能力的微生物，往往需要采取什么操作？ （人们可以采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。） 4．如何利用发酵工程生产乙型肝炎疫苗？ （利用基因工程，将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。） 2．了解人类利用发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等药物。 3．了解发酵工程与基因工程、蛋白质工程的密切关系。 发酵工程在农牧业上及其他方面的应用 组织学生阅读教材P26～27的相关内容，回答下列问题： 1．发酵工程在农牧业上有哪些应用？ （生产微生物肥料、微生物农药和微生物饲料。） 2．微生物肥料是利用什么来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长？ （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。） 3．根瘤菌肥、固氮菌肥主要利用微生物的什么能力？ （固氮能力。） 4．从种群的角度来看，微生物农药利用的是什么关系来防治病虫害？与传统农药相比，微生物农药的优点是什么？ （微生物农药利用的是种间关系，如竞争、寄生；微生物农药对环境的影响小，无污染。） 5．什么是单细胞蛋白？ （单细胞蛋白是指微生物菌体。） 讲述：微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60％～80％，而且细菌生长繁殖速度很快。因此，许多国家以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。 6．由此可见，微生物饲料具有哪些特点？ （用单细胞蛋白制成的微生物饲料能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高；在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。） 7．组织学生阅读教材P27的相关内容，想想发酵工程在其他方面还有哪些应用。 1．阅读教材P26～27的内容，回答问题。 2．了解人类利用发酵工程在农牧业上的应用主要是生产微生物肥料、微生物农药和微生物饲料。 3．了解微生物肥料、微生物农药和微生物饲料与传统肥料、农药、饲料的区别。 4．了解单细胞蛋白的实质。 5．了解发酵工程在其他方面的应用前景。 发酵工程在农牧业上及其他方面的应用 （利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质；一些极端微生物如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂；嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。） 课堂小结 1．发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。 2．性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 3．发酵罐中的发酵是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 4．如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。 5．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。 6．发酵工程在食品工业中主要应用于生产传统的发酵产品，生产各种各样的食品添加剂，生产酶制剂三个方面。 7．人类利用发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等药物。 8．人类利用发酵工程在农牧业上的应用主要是生产微生物肥料、微生物农药和微生物饲料。 9．发酵工程在其他方面的应用表现在利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质；利用一些极端微生物应用于生产实践等方面。 当堂检测 1．发酵工程所需的性状优良的菌种，不可能的获得途径是 ( ) A.从自然界中筛选出来 B.诱变育种 C.基因工程育种 D.胚胎工程育种 2．发酵工程发酵过程中，不能通过计算机控制系统进行监测与控制的是 ( ) A.温度 B.菌种的种类 C.营养 D.溶氧 3．下列有关发酵工程的说法，不正确的是 ( ) A.生产条件温和 B.原料来源丰富 C.价格低廉 D.废弃物对环境无污染 4．下列有关发酵工程的应用的说法，不正确的是 ( ) A.生产传统的发酵产品，如柠檬酸 B.发酵工程与基因工程关系密切 C.发酵的微生物可以作为肥料、农药和饲料 D.发酵工程几乎渗透到所有的工农业领域 答案： 1.D 2.B 3.D 4.A 课后作业 1．发酵工程在农牧业上有很多方面的应用，下列有关说法不正确的是 ( ) A.生产的微生物的农药与传统的化学农药类似 B.生产的微生物肥料与微生物的代谢密切相关 C.生产的微生物的农药，与生物之间的寄生、竞争有关 D.生产的微生物的饲料含有丰富的蛋白质 2．下列有关发酵工程在医药工业上的应用的说法正确的是 A.利用导入了植物的基因的微生物生产药物 B.利用导入了动物的基因的微生物生产药物 C.利用导入了病原体的某个或者某几个抗原基因的微生物生产疫苗 D.利用发酵工程生产紫杉醇 3．下列对发酵工程内容的叙述错误的是 A.用诱变育种、细胞工程、基因工程等方法，选出性状优良的工程菌并进行扩大培养 B.根据工程菌所需的营养，精确的配置出合成培养基，并进行严格的灭菌处理 C.发酵过程中必须严格的检测并控制条件 D.用适当的方法分离提纯出产品，并严格地进行质量检查 4．下面对发酵工程中灭菌的理解不正确的是 A.防止杂菌污染 B.消灭杂菌 C.培养基和发酵设备都必须灭菌 D.灭菌必须在接种前 答案： 1.A 2.C 3.B 4.B 板书设计 第3节 发酵工程及其应用 一、基本环节 菌种的选育→扩大培养→培养基的配制→灭菌→接种→发酵→产品的分离→提纯 二、应用 1．食品工艺上的应用 （1）传统的发酵产品 （2）食品添加剂 （3）酶制剂 2．医药工业上的应用 生产抗生素、多种氨基酸、激素、免疫调节剂 3．在农牧业上的应用 （1）微生物肥料 （2）微生物农药 （3）微生物饲料 4．在其他方面的应用 教学评价 整个课堂分五个问题来探讨。第一个问题，通过《啤酒的工业酿造》的视频，引导学生关注发酵工程。第二个问题，探讨发酵工程的基本环节，通过设置一系列有效问题不断激发学生的探究欲望，引导学生积极思考发酵工程的各个环节在发酵工程中所起的作用，接着在学生阅读教材的前提下，组织学生绘制出发酵工程的应用概念图，不仅让学生初步了解发酵工程在各个方面的利用，也提高了学生的绘图能力。在此基础上，第三、四、五三个问题探讨了发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业及其他方面的应用。整个过程注重点面结合，注重知识获得方法的培养，注重学生能力的培养。不过问题如果是由学生提出来的话，学生的学习主动性将更高。 学科网（北京）股份有限公司 $$