1.3发酵工程为人类提供多样的生物产品（第2课时）（教学课件）-高中生物学浙科版（2019）选择性必修三

第一章 发酵工程 第三节 发酵工程为人类提供多样的生物产品（第2课时） 素养目标 能通过绘制流程图，加深对发酵工程的理解。 科学思维 了解发酵工程在医药卫生、食品工业、农牧业和其他方面 的应用实例 社会责任 教学重难点 概述发酵工程的基本过程 举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值 复习导入 比较 发酵 指人们利用 ，在适宜的条件下，将原料通过微生物的 转化为人类所需要的产物的过程。 传统发酵技术 指直接利用原材料中 的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。 01 02 微生物 代谢 天然存在 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 人们对发酵原理的认识 现代发酵工业大多是采用好氧、液体、深层、分批及单一纯种发酵的方式组合进行的 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 发酵工程的步骤 选育菌种 配制培养基 接种 灭菌 扩大培养 在自然界中筛选或通过诱变育种、基因工程育种等方式获得优良菌种 菌种确定后，要选择原料制备培养基。配方往往要反复试验才能确定 工业发酵罐体积大，接入的菌种多，发酵前要对菌种扩大培养 发酵工程使用的菌种多为单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。培养基和发酵设备均需严格灭菌 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 发酵工程的步骤 接种 发酵罐内发酵 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。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。 如谷氨酸的发酵生产：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。 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 发酵工程的步骤 分离、提纯 产物 获得产品 发酵罐内发酵 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 发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法 温度 微生物分解有机物释放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。调节和控制培养液温度的方法:用冷却水进行温度的调节。 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 发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法 pH pH发生变化的主要原因是培养基中酸碱营养成分的消耗不均等和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时,培养液的pH就会下降；而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升。调节和控制培养液pH的方法：在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或碱。 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 发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法 溶解氧 对于需氧型微生物,发酵过程要保证充足的溶解氧;对于厌氧型微生物,要保证严格的无氧环境。调节和控制溶解氧的方法：利用发酵罐的通气口控制氧气的量。（通入无菌空气） 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 发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法 泡沫 通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。 过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常。 常用的消除泡沫的措施有两类：一类是安装消除泡沫的挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用除泡沫剂。 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 发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法 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。通过加入培养物或营养物以及控制叶轮的搅拌速度。 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 微生物工业发酵的基本过程 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的利用价值 发酵工程的优点 生产条件温和 发酵工程的优点 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境的污染小和容易处理 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的利用价值 在食品工业上的应用 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶 食品添加剂不仅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。 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的利用价值 在医药领域上的应用 酶抑制剂、免疫调节剂、类激素、抗氧化剂、生物表面活性剂、抗辐射药物 药物普伐他丁是胆固醇合成过程中一种酶的抑制剂，临床上能显著降低患者血液中胆固醇的浓度，且副作用小； 环孢菌素A是由11个氨基酸组成的环肽，能阻断抗器官移植的T细胞的活力，但不抑制机体抗感染的B细胞，是一种高效、低毒的抗排异理想药物； 利用基因工程技术改造酵母菌而生产的人胰岛素也为千千万万的糖尿病患者减轻了经济负担。 2013年初，通过合成生物学手段构建的人工酵母菌菌株，开始大规模工业化生产青蒿素的前体物质——青蒿酸，这一发酵工程产品将使人类有可能以更加低廉的成本抗击疟疾。 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的利用价值 生产酶制剂 酶制剂除了应用于食品工业生产中，还广泛应用于洗涤剂生产、纺织、皮革、造纸工业 味如白糖但甜度高于糖 150倍的二肽甜味素（阿斯巴甜），原来是利用L-苯丙氨酸和L-天冬氨酸由化学催化剂合成，价格昂贵，后来改用热脂肪芽孢杆菌所产的蛋白酶催化生产，产品价格大幅度下降。 发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的利用价值 请列举发酵工程在其他行业的应用 在农业生产中，可以利用农作物废弃物生产食用菌，利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料；在植物保护方面，应用微生物生产的抗生素来生产生物农药、治理病虫害等。 微生物学的研究推进了人类对自然界中微生物的认识和了解；将微生物学的研究成果与工程技术原理、计算机技术、化工技术有机结合，有目的地生产人们需要的产品，并将继续优化生产技术，生产出造福于人类的多种多样的产品。 课堂练习 1.下列关于发酵工程的认识不科学的是（ ） A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小等特点 B.虽然青霉素是抗生素，但在青霉素生产过程中培养基和发酵设备仍然需要严格灭菌 C.通常所指的发酵条件只包括温度和pH D.发酵工程的产品可以是微生物的代谢产物，也可以是菌体本身 C 解析：发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小等特点，A正确；虽然青霉素是抗生素，但它并不能杀灭所有微生物，所以其生产过程中也要严格灭菌，B正确；通常所指的发酵条件包括发酵温度、pH、溶解氧等，C错误；发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身，D正确。 D 课堂练习 2.下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是（ ） A.发酵工程的基本环节有菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等 B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行 C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染 D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH和溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态 A 解析：发酵工程的基本环节有菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；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，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧等，还要及时添加必要的营养物质等，C错误；现代发酵工程中，计算机控制系统可以通过反馈机制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态，D错误。 D 课堂练习 3.从传统发酵技术到发酵工程，发酵技术的发展为人们提供了丰富多样的食品和药物等。下列相关叙述错误的是（ ） A.醋酸菌能以酵母菌的某种代谢产物为原料合成醋酸 B.无氧条件下利用大肠杆菌发酵，大规模生产青霉素 C.泡菜发酵和果酒的制作应用到了微生物的无氧发酵，而醋酸菌则需在有氧条件下才能正常繁殖 D.甜面酱、酱油、豆豉等都是利用传统发酵技术制作的食品 B 解析：酵母菌无氧呼吸的代谢产物有CO2和酒精；醋酸菌在有氧条件下，能以酒精为原料合成醋酸，A正确。青霉素由青霉菌合成，青霉菌为需氧型生物，需在有氧条件下发酵：另外，青霉素对许多细菌具有较强的抑制作用，不宜用细菌生产青霉素，B错误。果酒和泡菜的制作分别利用了酵母菌和乳酸菌的厌氧呼吸：醋酸菌的代谢类型是异养需氧型，果醋的制作利用了醋酸菌的需氧呼吸，C正确。除泡菜、果酒、果醋外，甜面酱、酱油、豆豉等也是利用传统发酵技术制作的食品，D正确。 D 总结归纳 发酵工程 菌种 活化 扩大培养 进一步扩大培养 灭菌 发酵原料 预处理 发酵培养基的配制 大型发酵 接种 代谢产物和细胞分离 基本过程 医药 食品 其他工农业 应用 $$