1.3 发酵工程及其应用-【帮课堂】2024-2025学年高二生物同步学与练（人教版2019选择性必修3）

第1章 发酵工程 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。 2.举例说明发酵工程在生产上有重要应用价值。 3.认识发酵工程的基本环节，发展工程思维。 学习重点：发酵工程的应用。 学习难点：发酵工程的基本环节。 ～ 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种：性状优良的菌种可以从 中筛选出来，也可以通过 获得。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的 。在啤酒生产中，使用基因通过改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。 2.扩大培养：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，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 。 3.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程的菌种需要考虑在 的培养基上迅速生长繁殖，生产所需代谢物的 ，发酵条件容易控制，接种不易 等。 4.配制培养基：在菌种确定之后，需选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定。 5.灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。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 。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 6.接种：接种前分别用 和 ，将配制好的培养基加入发酵罐中，并分别加入分散和斜面接种下所需的适量菌液 7.接种：接种时需要控制 ，选择合适的接种 等，以获得较高的接种效率。 8.接种后对发酵罐内微生物进行监测，根据微生物生长情况及时调整 ，保障微生物生长和发酵进程。 9. 是发酵工程的中心环节：对发酵过程中的 、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养物质邓进行监测和控制，使发酵全过程处于最佳状态。使其最适合 ，同时及时添加必要的营养成分。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。因此，在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的 等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 10.谷氨酸的发酵生产，在 条件下会积累谷氨酸；在 条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 11.分离、提纯产物：发酵产品是微生物细胞本身，发酵结束后，采用 等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。发酵产品是微生物代谢物，根据产物的性质采用适当的提取、分离和纯化措施获得产品。 12.在产物的初分离阶段，常采用 等方法；在进一步纯化阶段，会采用 等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 13.在发酵生产时，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，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行 。 二、发酵工程的应用 1.发酵工程的特点：生产条件 ，原料来源丰富，原料价格 ，产物专一，废弃物对环境 和容易处理。 2.在食品工业上的应用：食品工业是微生物最早开发和应用的领域。与发酵有关的食品工业的产量和产值都居于发酵工业首位。生产传统的发酵产品，以 为主要原料，利用产生蛋白酶的 （如 ），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制成酱油等产品。以 等为原料，利用 发酵生产各种酒类。生产各种各样的食品添加剂。 3.食品添加剂的作用：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质期。柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，通过 发酵制得。谷氨酸经过一系列处理就能制成味精，谷氨酸由 发酵得到。 4.生产酶制剂:用于食品的直接生产，改进生产工艺，简化生产过程，改善产品品质和口味，延长食品储存期和提高产品产量。 、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等 5.在医药工业上的应用：青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等生产领域。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，或者直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。生长激素释放抑制激素的发酵工程生产。将乙型肝炎病毒的抗原基因转入 ，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。未来甚至用微生物生产提取 前体等化合物。 6.在农牧业上的应用：生产 ，如根瘤菌菌肥、固氮菌肥等。生产微生物农药，如用来防治农林害虫的 ，用来防治玉米螟、松毛虫等虫害的 ，用来防治水稻裤纹病的井冈霉素。生产微生物饲料，如通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。 【答案】一、1.自然界 诱变育种或基因工程育种 黑曲霉 2.扩大培养 3.低成本 产量高 变异、退化 4.反复实验 5.青霉素酶将青霉素分解掉 6. 酒精 热气将发酵罐内消毒和预热至37℃ 7.接种量 方式和温度 8.操作条件 9.发酵罐内发酵 温度、pH、溶解氧 微生物的生长繁殖 数量、产物浓度 10.中性和弱碱性 酸性 11.过滤、沉淀 12.沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换 液相层析法、结晶法 13.二次清洁或灭菌处理 二、1.温和 低廉 污染小 2.大豆 霉菌 黑曲霉 谷物或水果 酿酒酵母 3.黑曲霉 谷氨酸棒状杆菌 4.α-淀粉酶、β-淀粉酶 5.酵母菌 紫杉醇、青蒿素 6.微生物肥料 苏云金杆菌 白僵菌 1.研究人员为探究发酵温度对红树莓果酒发酵的影响做了相关实验，得到如下图结果： （1）据图可知，发酵的最适温度是24℃，理由是该温度时______。 （2）发酵进行一段时间后残糖量不再降低，推测原因可能是______。 据曲线图分析，在发酵温度为 24℃ 时，残糖量最低，发酵酒精度数最高，因此该温度是发酵的最适温度。由于发酵过程中，酒精浓度过高会杀死酵母菌，使发酵不再进行，残糖量不再降低，酒精度数逐渐下降。 （1）残糖量最低，酒精度数最高 （2）酒精度数过高导致酵母菌死亡 2.沙门氏菌是影响畜产品品质的重要病原菌之一。若使用庆大霉素（GM）等抗生素治疗，会有细菌耐药性和抗生素残留等问题。如使用植物乳杆菌等益生菌（可分泌抗菌物质）替代治疗，可有效解决上述问题。已知MRS培养基常用于培养植物乳杆菌。回答下列问题： （1）为探究LPC（用MRS培养植物乳杆菌后获得的上清液）对沙门氏菌生长的影响，研究人员进行了相关实验，测得不同处理下沙门氏菌的生长曲线如图1所示。需选用物理状态为______（填“液体”或“固体”）的培养基，才能用抽样检测的方法估算沙门氏菌的种群数量。据图1分析，该实验结论为______。若不改变现有条件，沙门氏菌组继续培养72h后，种群数量不再增加，限制其种群增长的生物因素是______。 （2）为进一步研究LPC对沙门氏菌的作用机制，对实验组的LPC进行了如下处理：NaOH-LPC（加入NaOH调节pH值至近中性）、Heat-LPC（用100℃处理15min），再采用______（方法）接种沙门氏菌进行抑菌圈实验，结果如图2所示。分析设置MRS组的目的是______。根据实验结果分析，LPC的热稳定性______（填“强”或“弱”），LPC对沙门氏菌发挥作用的机制是______。 【解析】（1）需选用物理状态为液体的培养基，才能用抽样检测的方法估算沙门氏菌的种群数量，而且液体培养基有利于菌种与营养物质充分结合，利于其繁殖。据图1分析，与对照组相比，LPC组沙门氏菌的数量显著降低，说明LPC抑制沙门氏菌的生长。若不改变现有条件，沙门氏菌组继续培养72h后，种群数量不再增加，限制其种群增长的生物因素是空间和资源是有限的，种群数量增多，种内竞争加剧。 （2）据图2菌落分布状态可知，采用（稀释）涂布平板法接种沙门氏菌进行抑菌圈实验。设置MRS组的目的是为排除植物乳杆菌培养液（MRS培养基）对实验结果的影响，使实验结果更加准确。根据实验结果分析，Heat—LPC组与LPC组的抑菌圈大小一致，说明LPC的热稳定强，NaOH-LPC组没有出现抑菌圈，说明碱性条件下LPC没有发挥作用，故推测LPC对沙门氏菌发挥作用的机制是可能是因为LPC中含有酸性物质(pH为酸性)，可以起到抑制沙门氏菌生长的作用。 【答案】（1）①. 液体 ②. LPC抑制沙门氏菌的生长（答出“抑制生长”的意思即可） ③. 种内竞争（加剧） （2）①. （稀释）涂布平板法 ②. 为排除植物乳杆菌培养液（MRS培养基）对实验结果的影响 ③. 强 ④. 可能是因为LPC中含有酸性物质（pH为酸性），可以起到抑制沙门氏菌生长的作用 3.杨梅果实风味独特、酸甜适中，具有很高的营养和保健价值。如图是制作杨梅酒和杨梅醋的流程图。请回答下列问题： → →→ (1)传统发酵中，发酵液虽然未经过严格的灭菌处理，但杂菌却不能正常生长繁殖，这是由于果酒发酵的________条件抑制了杂菌的生长。常用来检测酒精的化学试剂是________。 (2)果酒制作过程中，酵母菌无氧呼吸产生酒精的场所是________，该阶段应该将温度控制为________；温度适宜时果酒发酵时间较短，原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)杨梅醋的发酵过程中，除必需的营养物质外，还需要往发酵液中持续地通入________。 (4)如图表示果酒发酵过程中，发酵液的糖度(葡萄糖的浓度)和酒精度(酒精浓度)随时间变化的曲线。发酵前24 h，糖度变化很小，酒精度上升很慢，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________。 96 h后酒精度和糖度的变化都趋于平缓，其原因是____________________________________________________________________________________________________________________________________。 【解析】(1)传统发酵中，发酵液虽然未经过严格的灭菌处理，但杂菌却不能正常生长繁殖，这是由于果酒发酵的缺氧、呈酸性条件抑制了杂菌的生长。酒精可用重铬酸钾检测。(2)酵母菌无氧呼吸的场所是细胞质基质，果酒发酵的适宜温度是18～30 ℃；温度适宜时果酒发酵时间较短，原因是该温度下与果酒发酵相关的酶活性最高，发酵速度快。(3)参与果醋制作的醋酸菌是好氧细菌，因此杨梅醋的发酵过程中，除必需的营养物质外，还需要往发酵液中持续地通入无菌氧气(或无菌空气)。(4)发酵前24 h，糖度变化很小，酒精度上升很慢，其原因是此阶段酵母菌主要进行有氧呼吸，大量增殖。96 h后酒精度和糖度的变化都趋于平缓，其原因是营养物质的消耗、高浓度的酒精会抑制酵母菌的代谢而影响发酵。 【答案】　(1)缺氧、呈酸性　重铬酸钾 (2)细胞质基质　18～30 ℃　该温度下与果酒发酵相关的酶活性高，发酵速度快 (3)无菌氧气(或无菌空气) (4)此阶段酵母菌主要进行有氧呼吸，大量增殖　营养物质的消耗、高浓度的酒精会抑制酵母菌的代谢而影响发酵 1.发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种。 2.在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会与青霉菌竞争原料，导致青霉素产量降低。 3.谷氨酸的发酵生产，在中性和弱碱性条件下会积累N-乙酰谷氨酰胺；在酸性条件下则容易形成谷氨酸。 4.发酵工程生产条件温和，原料来源丰富，原料价格低廉，产物专一，废弃物对环境污染小和容易处理。 5.发酵工程生产酱油以大豆为主要原料，利用酵母菌产生的蛋白酶，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸。 6.发酵工程将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。 7.啤酒的工业化生产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后发酵阶段完成。 【答案与提示】 1.× 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。 2.× 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，导致青霉素产量降低。 3.× 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。 5.× 发酵工程以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸。 7.× 啤酒的工业化生产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。 4、6√ 探究一 发酵工程中的微生物菌剂 1.微生物菌剂通常有液态和固态两种。下图是通过发酵工程制备菌剂的流程。 你认为工业生产中应首选制备液态还是固态的微生物菌剂？并简述理由。_________________________________________________________________。 1.液态的微生物菌剂。原因是制备方法简单(无需选择合适载体、干燥、粉碎等操作)、成本低、使用方便、启动时间短 探究二 啤酒的发酵 2.啤酒是以大麦为主要原料经发酵制成的。其发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。主发酵和后发酵的发酵温度是不同的。主发酵需要在较高的温度下进行，一般在12℃到20℃之间，此时酵母菌的最适宜温度居中。而后发酵需要在相对较低的温度下进行，一般在零下1℃到4℃之间。这是因为，在低温下，啤酒中的酵母菌会减缓活动，从而使啤酒味道更好回答下面的问题： （1）主发酵阶段的主要微生物是什么？主要作用是什么？ （2）生产啤酒时，需进行后发酵的原因是______________________________。 （3）发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是_____________________________。 （1）主发酵是由酿酒酵母完成，酿酒酵母对糖分分解速度较快，将糖分解成乙醇和二氧化碳，发挥出香味和风味。 （2）主发酵结束后，发酵液不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间后进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒 （3）使菌种与发酵底物更能充分接触，提高发酵效率 · 基础过关练 1.废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　) A.该生产过程中，一定有气体生成 B.微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料 C.该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质 D.沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理 【解析】A　据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳，故该生产过程中，一定有气体生成，A正确；糖类是主要的能源物质，微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水，B错误；分析图示可知，该技术中有连续搅拌反应器的过程，该操作可以增加微生物与营养物质的接触面积，此外也可增大溶解氧含量，故据此推测该生产工艺利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质，C错误；沼气生产利用的是厌氧微生物，在连续搅拌反应器中厌氧微生物会被抑制，因此沼气池废料无需灭菌，D错误。 2.关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　) A.在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气 B.白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程 C.葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体 D.生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌 【解析】C　在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气，让酵母菌大量繁殖，再进行酒精发酵，A正确；白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程，如发酵初期酵母菌大量繁殖，B正确；酒精发酵利用的菌种是酵母菌，葡萄糖转化为乙醇所需的酶存在于细胞质基质，不存在于线粒体中，C错误，D正确。 3.葡萄酒的制作离不开酵母菌。下列说法错误的是(　　) A.无氧条件下酵母菌能存活但不能大量繁殖 B.自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是野生型酵母菌 C.葡萄酒的颜色是葡萄皮中的色素进入发酵液形成的 D.制作过程中随着发酵的进行发酵液中糖含量增加 【解析】D　酵母菌是兼性厌氧菌，既可以进行有氧呼吸(彻底的氧化分解，释放大量的能量，有利于酵母菌的繁殖)，又可以进行无氧呼吸(释放少量能量，产生酒精)，A正确；自然发酵制作葡萄酒的菌种主要来自于葡萄皮表面的野生型酵母菌，B正确；制作的葡萄酒的颜色来自葡萄皮中的色素，C正确；随着发酵的进行，酵母菌进行呼吸作用，消耗糖，所以糖含量减少，D错误。 4.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。下列说法错误的是(　　) A.用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α－淀粉酶 B.焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D.通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期 【解析】B　赤霉素能促进种子的萌发，可诱导α－淀粉酶相关基因的表达，促进α－淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就能产生α－淀粉酶，A正确；焙烤可以杀死大麦种子的胚，但不使淀粉酶失活，没有进行灭菌，B错误；糖浆经蒸煮(产生风味组分、终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C正确；转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期，属于转基因技术在微生物领域的应用，D正确。 5.蓝莓果实中含有丰富的营养成分，具有良好的营养保健作用。用新鲜蓝莓为原料家庭可以制作蓝莓酒和蓝莓醋，下列有关叙述正确的是(　　) A.蓝莓酒和蓝莓醋制作的过程是在严格无菌的条件下进行的 B.用带盖瓶子制作蓝莓酒时，拧松瓶盖间隔时间不一定相同 C.蓝莓醋发酵液中，液面处的醋酸菌密度低于瓶底处的密度 D.在蓝莓酒发酵旺盛时，醋酸菌能将果汁中的糖发酵为醋酸 【解析】B　制作蓝莓酒时，利用蓝莓上携带的酵母菌进行发酵，制作蓝莓醋时，可直接将醋酸菌接种在蓝莓酒的发酵液中，二者不能在严格无菌的条件下进行，A错误；醋酸菌属于好氧菌，在蓝莓醋发酵液中，液面处的醋酸菌更易接触到充足氧气，因此其密度大于瓶底处的密度，C错误；在蓝莓酒发酵旺盛时，条件为无氧条件，能够抑制醋酸菌的繁殖，醋酸菌不能将果汁中的糖发酵为醋酸，D错误。 6.下列有关实验室果酒、果醋制作过程的叙述，正确的是(　　) A.制作果酒时，先用清水冲洗掉葡萄皮表面的白膜 B.酒精发酵后，只需要提高一定的温度就能继续进行乙酸发酵 C.导致发酵产物不同的重要因素有温度、发酵时间、菌种等 D.榨汁前，榨汁机的发酵瓶都只需要用体积分数为70%的酒精消毒即可 【解析】C　制作果酒时，不能用清水冲洗掉葡萄皮表面的白膜(其中含野生酵母菌)，A错误；酒精发酵后，若要继续进行乙酸发酵，不仅需提高温度，还要通入适量气体，B错误；导致发酵产物不同的重要因素有温度、发酵时间、菌种等，C正确；榨汁前要将榨汁机和发酵瓶用洗洁精清洗干净，并用体积分数为70%的酒精消毒，D错误。 7.制作泡菜利用的微生物主要是乳酸菌，在发酵初期，水槽内常有气泡产生；在泡菜坛内的液体表面有时会产生一层白膜。对上述现象分析最合理的是(　　) A.发酵初期乳酸菌进行有氧呼吸释放CO2，导致了气泡的产生 B.发酵初期活动旺盛的是酵母菌，其进行有氧呼吸释放CO2导致了气泡的产生 C.白膜是由乳酸菌发酵产生的乳酸在表面富集形成的 D.乳酸菌在发酵过程中产生了热量，加速各种杂菌在表面生长而出现白膜 【解析】B　乳酸菌是厌氧细菌，其只能进行无氧呼吸，且其无氧呼吸只能产生乳酸，不会产生CO2，A错误；发酵初期活动旺盛的是酵母菌，其进行有氧呼吸释放CO2导致了气泡的产生，B正确；白膜是由酵母菌形成的，C、D错误。 8.在传统发酵技术中，果醋的制作往往在果酒制作基础上进行。下图甲是乙酸发酵装置，乙是培养液pH变化曲线图，下列叙述正确的是 (　　) A.发酵初期不通气，溶液中没有气泡产生 B.中期可以闻到酒香，说明进行了酒精发酵 C.后期接种醋酸菌，适当通气并保持原有温度 D.图乙中能正确表示pH变化的曲线是③ 【解析】B　发酵初期不通气，酵母菌先利用发酵装置中的氧气进行有氧呼吸产生CO2和水，然后再进行酒精发酵产生酒精和CO2，因此溶液中有气泡产生，A错误；酒精是酵母菌无氧呼吸产生的，若中期可以闻到酒香，说明进行了酒精发酵，B正确；果酒制作需要无氧条件，且发酵温度一般为18～30 ℃，而果醋制作需要氧气，且发酵温度一般为30～35 ℃，所以后期接种醋酸菌，应适当通气并提高发酵温度，C错误；果酒制作过程中，酵母菌进行无氧呼吸产生酒精和CO2，pH会稍有下降，接种醋酸菌后产生乙酸，pH会下降得更快，因而图乙中能正确表示pH变化的曲线是②，D错误。 9.酿造米酒以其独特的风味和丰富的营养受到消费者的青睐。传统酿造工艺生产米酒是利用酒曲作为糖化发酵剂，由于酒曲质量不稳定造成了米酒产品品质差异大，质量稳定性差。为了优化其发酵条件，科技工作者以米曲霉及酿酒酵母为发酵菌株，采用两步发酵法制备米酒，流程如图所示。下列说法错误的是(　　) A.米曲中微生物分泌的酶可将大米中的淀粉转变成单糖等，会使米酒具有甜味 B.将米曲霉和酿酒酵母分别培养使两菌株处于优势地位 C.待熟米冷却至35 ℃时即可加入第一次发酵产物并在该温度下进行二次发酵 D.相对传统工艺，两步发酵法能有效提高产酒的能力 【解析】C　淀粉本身是多糖，无甜味，在米曲中微生物分泌的酶作用下分解为单糖葡萄糖，使米酒具有甜味，A正确；米曲霉和酿酒酵母一起培养会存在种间竞争，分开培养可以使两菌株处于优势地位，B正确；温度是酵母菌生长和发酵的重要条件，20 ℃左右最适合酵母菌繁殖，酒精发酵时一般将温度控制在18～25 ℃，该方法是采用两步发酵法制备米酒，所以不能在35 ℃条件下进行，C错误；两步发酵法利用了米曲霉和酿酒酵母的扩大培养，相比于传统工艺，两步发酵法能有效提高产酒的能力，D正确。 10.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是(　　) A.夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 【解析】B　果酒发酵的适宜温度为18～30 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此发酵过程中不需要通入空气，B错误；无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C正确；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。 · 能力提升练 11.中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，其以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室通过发酵生产岀PHA等新型高附加值可降解材料，从而提高了甘蔗的整体利用价值。具体的工艺流程如下图所示。下列说法正确是(　　) A.为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，应在液体培养基中添加包含蔗糖在内的多种有机物作为碳源，并不断提高蔗糖的浓度 B.为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样并采用平板划线法进行菌落计数 C.若菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，则发酵系统不需要进行灭菌处理 D.若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，则说明氧气是高密度培养的限制因素 【解析】D　由题可知，为提高甘蔗的整体利用价值，需提高嗜盐单胞菌H对蔗糖的耐受能力和利用效率，故在液体培养基中将蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度，A错误；平板划线法只能分离菌种，不能进行计数，B错误；若菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，在高盐、强碱条件下，也可能有杂菌生长，故该系统仍需要灭菌，C错误；若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，这说明发酵条件中氧气不足，使菌种进行无氧呼吸产生了乙醇。据此推测可知，氧气(O2或溶解氧)是限制高密度培养的重要因素，D正确。 12.发酵工程广泛应用于农业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是(　　) A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计 B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产 C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低 D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料 【解析】B　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，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种技术，因此发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及相应设备的成功设计，A正确；筛选出能高产柠檬酸的黑曲霉菌种后不能直接接种到发酵罐中进行发酵生产，还需要进一步扩大化培养才能接种到发酵罐中进行发酵生产，以提高发酵产品的产量，B错误；若培养基或发酵设备灭菌不彻底，可能被杂菌污染或造成青霉素被分解，使产量降低，C正确；发酵工程生产的单细胞蛋白是微生物的细胞，另外还含有糖类、脂质等多种化合物，因此可作为家畜的优质饲料，D正确。 13．中国的许多传统美食制作过程蕴含了生物发酵技术。下列叙述正确的是（　　） A．泡菜制作过程中，乳酸菌将葡萄糖分解生成H2O和CO2 B．馒头制作过程中，先用开水将酵母粉充分溶解，添加至面粉中 C．米酒制作过程中，将容器密封有利于酵母菌繁殖 D．酸奶制作过程中，制作后期乳酸菌会大量死亡 【答案】D 【解析】D 乳酸菌将葡萄糖分解成乳酸，A错误；酵母菌在开水中会死亡，不能进行呼吸作用，不能制成馒头，B错误；酵母菌在有氧的条件下繁殖，密封有利于酒精产生，不利于繁殖，C错误；酸奶制作后期，乳酸含量高，乳酸菌会大量死亡，D正确。 14．蓝莓酒以蓝莓为原料酿造，富含花青素、蛋白质、脂肪、维生素、微量元素，被称为“液体黄金”，适量饮用能够养颜瘦身、延缓衰老、提高智力等；在蓝莓酒酿造过程中由于操作不慎，有的蓝莓酒转化成蓝莓醋，而蓝莓醋也具有养颜护肤、降压降脂以及改善记忆力等功效。下面关于蓝莓酒和蓝莓醋的叙述错误的是（    ） A．参与蓝莓酒和蓝莓醋发酵的微生物来自蓝莓果实表面上的酵母菌和醋酸菌 B．蓝莓酒酿制的原理是蓝莓中的糖类通过酵母菌的无氧呼吸生成了酒精 C．蓝莓酒转化成蓝莓醋是因为醋酸菌在无氧的条件下将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为乙酸 D．酿制的蓝莓酒和蓝莓醋由于含有蓝莓果皮细胞中的花青素等而呈现不同颜色 【解析】C 参与蓝莓酒和蓝莓醋发酵的微生物来自蓝莓果实表面的酵母菌和醋酸菌，不需要接种，A正确；酵母菌能进行无氧呼吸，在无氧的条件下，能把糖类分解成酒精和CO2，B正确；醋酸菌是有氧呼吸菌，蓝莓酒转化成蓝莓醋是因为醋酸菌在有氧的条件下，将乙醇转化为乙醛，再将乙醛转变为乙酸，C错误：蓝莓果皮细胞中的液泡内含有花青素等多种色素，在酿制的过程中，这些色素进入了蓝莓酒和蓝莓醋中，呈现出不同的颜色，D正确。 15．约9000年前，我们的祖先就会利用传统发酵技术生产果酒、果醋、泡菜和腐乳等发酵产品，后来又发展了发酵工程。下列有关叙述错误的是（    ） A．传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，发酵工程则以单一菌种的液体发酵为主 B．果酒、腐乳发酵利用的主要菌种均是真核生物，果醋、泡菜发酵利用的主要菌种均是原核生物 C．果酒发酵的最适温度为18～30℃，果醋发酵的最适温度为30～35℃ D．进行泡菜发酵时，原材料只能装至八成满，是为了防止乳酸菌产生的CO2导致发酵液溢出 【解析】D 传统发酵技术所用的是天然存在的菌种，没有进行严格的灭菌，以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主；发酵工程为液体发酵和半固体发酵，A正确；果酒、腐乳发酵利用的主要菌种分别是酵母菌和毛霉，均是真核生物，果醋、泡菜发酵利用的主要菌种分别是醋酸杆菌和乳酸菌，均是原核生物，B正确；果酒发酵的最适温度为18～30℃，果醋发酵的最适温度为30～35℃，C正确；乳酸菌无氧呼吸的产物是乳酸，不产生CO2，D错误。 16．图为苹果酒的发酵装置示意图，下列叙述正确的是（    ）    A．发酵过程中酒精的产生速率越来越快 B．集气管中的气体都是酵母菌无氧呼吸产生的 CO2 C．发酵过程中酵母种群呈“J”型增长 D．如果发酵瓶漏气，发酵液表面可能会出现菌膜 【解析】D 酒精发酵过程中，开始时，酒精的产生速率逐渐加快，后来保持相对稳定，最后由于营养物质逐渐被消耗等原因，酒精的产生速率逐渐减慢，A错误；集气管中的气体是酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生的CO2，B错误；发酵过程中酵母种群呈“S”型增长，而后减少，C错误；如果发酵瓶漏气，醋酸菌大量繁殖，发酵液表面可能会出现菌膜，D正确。 17．在微生物培养的过程中，需要通过选择培养或鉴别培养的方法来筛选出目标菌种，下列与之相关的叙述中不正确的是（    ） A．纤维素分解菌能够将淀粉分解为葡萄糖 B．尿素分解菌能够将尿素分解为氨，从而使酚红指示剂变红 C．在培养基中加入抗生素能够筛选出具有相应抗性的菌株 D．在含有碳酸钙的培养基上生长的乳酸菌菌落周围会出现“溶钙圈” 【解析】A 纤维素分解菌可以产生纤维素酶将纤维素分解为葡萄糖，根据酶的专一性可推测，纤维素分解菌应该不能够分解将淀粉分解为葡萄糖，A错误；尿素分解菌能够将尿素分解为氨，从而使培养基的pH上升，酚红指示剂变红，B正确；在培养基中加入抗生素能够正常生长的是具有相应抗性的菌株，进而可将其筛选出来，C正确；在含有碳酸钙的培养基上生长的乳酸菌菌落周围会出现“溶钙圈”，因为乳酸菌产生的乳酸可以和碳酸钙反应并将其溶剂，表现出溶钙圈，D正确。 18．某同学用下表所示的培养基培养纤维素分解菌。下列叙述正确的是（　　）（青霉素会抑制细菌生长） 成分 NaNO3 K2HPO4 KCl MgSO4·7H2O FeSO4 葡萄糖 H2O 青霉素 含量 3g 1g 0．5g 0．5g 0．01g 30g 1L 0．1万单位 A．根据物理性质，该培养基属于固体培养基 B．该培养基可用来筛选抗青霉素的微生物 C．该微生物的培养基适合新冠病毒的培养 D．该培养基用于培养纤维素分解菌，应除去葡萄糖，添加纤维素 【解析】B 该培养基不含琼脂，根据物理性质，该培养基属于液体培养基，A错误；该培养基中加入了青霉素，具有抑制细菌生长的作用，可用来筛选抗青霉素的微生物，B正确；病毒必须依赖于活细胞才能生存，而培养基是没有生命的有机物或无机物，病毒在上面不能生存，C错误；青霉素能抑制细菌生长，故该培养基中除去（CH2O）和青霉素，添加纤维素才可进行培养纤维素分解菌，D错误。 19．原油中含有大量有害的、致癌的多环芳烃，土壤中有些细菌可以利用原油中的多环芳烃作为碳源，在培养基中形成分解圈。为筛选出能高效降解原油的菌株并投入除污，某小组同学设计了相关实验。下列有关实验的叙述，不正确的是（    ） A．应配制来源于被原油污染土壤的土壤稀释液备用 B．配制以多环芳烃为唯一碳源的选择培养基 C．将土壤稀释液灭菌后接种到选择培养基上 D．在选择培养基上能形成分解圈的可能为所需菌种 【解析】C 筛选能够利用多环芳烃为碳源的菌种，应在被原油污染的土壤中获取，所以应配制来源于被原油污染的土壤稀释液作为菌液进行接种，A正确；配制选择性培养基，该培养基与通用培养基成分的主要区别应该是以原油（多环芳烃）为唯一碳源，这样在该培养基上只有能分解原油的微生物能在该培养基上生长，而其他微生物的生长被抑制，B正确；在无菌环境下，将土壤稀释液接种到选择培养上，若将土壤稀释液灭菌后会杀死原有菌种，导致实验失败，C错误；题意显示，有些细菌可以利用原油中的多环芳烃为碳源，在培养基中形成分解圈”，据此可知，在选择性培养基上能形成分解圈的即为所需菌种，D正确。 20．微生物发酵工程常利用谷氨酸棒状杆菌大量生产谷氨酸，从而制取谷氨酸钠（味精）。下图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径。下列叙述错误的是（    ） A．通常使用固体培养基分离获得谷氨酸棒状杆菌单菌落 B．不需要监控发酵过程的营养供给、氧气、温度及pH等变化 C．在中性或弱碱性条件下，谷氨酸棒状杆菌才能通过代谢积累谷氨酸 D．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 【解析】B 微生物在固体培养基表面或内部生长，可以形成肉眼可见的菌落，因此通常使用固体培养基分离获得谷氨酸棒状杆菌单菌落，A正确；在发酵过程中，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，因此需要监控发酵过程的营养供给、氧气、温度及pH等变化，B 错误；谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下，谷氨酸棒状杆菌才能通过代谢积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，C正确；发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，D正确。 · 思维拓展练 21．国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值，工艺流程如图所示。    回答下列问题： (1)发酵工程一般包括菌种的选育、 、培养基的配制、灭菌、接种、 、产品的分离、提纯等方面。 (2)三位同学用稀释涂布平板法测定某一时间段内嗜盐单胞菌H的数量，在对应稀释倍数为106的稀释液中各取0.1mL涂布平板，得到以下统计结果： 甲同学涂布了两个平板，统计的菌落数是236和260，取平均值248； 乙同学涂布了三个平板，统计的菌落数是209、240和250，取平均值233； 丙同学涂布了三个平板，统计的菌落数是21、212和256，取平均值163。 在三位同学的统计中， 同学的统计是正确的。据此计算，每克土壤样品中含该细菌 个。稀释涂布平板法统计的菌落数往往比活菌的实际数目低，原因是 。 (3)为获得对蔗糖的耐受能力和利用效率高的菌株H，可将蔗糖作为液体培养基的 ，并不断提高其浓度，多代培养选择。从功能上看，所用培养基为 。 (4)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60d以上。该系统不需要灭菌，分析原因一是培养基的盐浓度设为60g/L，其他杂菌因 而死亡：二是pH为10的条件下，其他杂菌 ，生长繁殖受抑制。 (5)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中 可能是高密度培养的限制因素。 【解析】（1）发酵工程的内容包括菌种选育、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵罐内发酵、产品的分离、提纯（生物分离工程）等方面。 （2）为了保证结果准确，一般选择菌落数在30～300、适于计数的平板计数，并且在同一稀释度下，应至少对3个平板进行重复计数，并求平均值，增强实验的说服力与准确性。在三位同学的统计中，甲同学只涂布了两个平板，偶然性太大，丙同学应选择菌落数在30～300、适于计数的平板计数，故只有乙同学的统计是正确的。据此计算，每克土壤样品中含该细菌=（233÷0.1）×106=2.33×109个。稀释涂布平板法统计的菌落数往往比活菌的实际数目低，原因是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。 （3）根据题意分析，该实验的目的是提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，结合微生物的代谢需求，其液体培养基应该以蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度，经多次传代培养可筛选出目标菌株，从功能上看，能进行筛选的培养基是选择培养基。 （4）已知菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，因此当培养基盐浓度为60g/L，pH为10时，菌株H可正常持续发酵60d以上，而盐浓度为60g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制，故该系统不需要灭菌。 （5）分析题意，扩大培养时，在适宜的营养物浓度、温度、pH等条件下，发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中氧气不足，使菌种进行无氧呼吸产生乙醇，即氧气（O2或溶解氧）是限制高密度培养的重要因素。 【答案】(1)扩大培养 发酵或发酵罐内发酵 (2)乙 2.33×109 当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的往往只是一个菌落 (3)唯一碳源 选择培养基 (4)失水过多 酶变性失活 (5)氧气（或溶解氧） 22．如图是利用发酵技术获得产品的过程图，①、②都表示这一过程中的步骤或者操作，根据该图以及学过的相关知识回答问题：    (1)写出数字标号处的操作：① 。其中②的目的是防止发酵过程中混入 ，进而影响生产的效率，甚至导致发酵失败。 (2)配制培养基时，一般要保证培养基中具有几类基本成分，分别是碳源、氮源、水、 。 (3)在发酵过程中，我们要不间断地监测发酵罐中的情况，了解发酵进程，必要时要添加营养物质，同时要严格控制发酵条件，如温度、PH、 等，因为环境条件的改变，不仅影响菌种的生长繁殖，而且可能会影响 的形成。 (4)为了进一步保持发酵液的无菌环境，我们在培养基中加入了青霉素，则该培养基不能用来培养 （填“细菌”或“真菌”）类微生物，而且要注意在最后处理发酵液的时候，不能将发酵液直接排到自然水体，其原因是：①发酵液中富含 ，可能会导致水体富营养化而出现水华等；②发酵液中加入的青霉素可能会导致自然界的细菌出现 种群，对人类的健康不利。 【解析】（1）分析流程图可知，图中①是将选育的菌种扩大培养，目的是增加菌种数量，②为灭菌，灭菌是为了防止杂菌污染，避免发酵过程中混入杂菌，进而影响生产的效率，甚至导致发酵失败。 （2）培养基的基本成分是水、无机盐、碳源、氮源，此外还可根据微生物的特殊需求加入生长因子等。 （3）在发酵过程中，要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧等，以确保发酵过程的顺利进行；由于环境条件的改变，不仅影响菌种的生长繁殖，而且可能会影响菌种代谢产物，如谷氨酸发酵中，在中性和弱碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺， （4）青霉素是一类抗生素，能够杀灭细菌，但不能杀灭真菌，故添加青霉素的培养基不能用于培养细菌类微生物；在最后处理发酵液的时候，不能将发酵液直接排到自然水体，其原因是发酵液中富含有机物，可能会导致水体富营养化而出现水华等，此外青霉素可能会导致自然界的细菌出现耐药性种群，对人类的健康不利。 【答案】(1)扩大培养 杂菌 (2)无机盐 (3)溶解氧 菌种代谢产物 (4)细菌 有机物 耐药性 23.陈醋是我国发明的传统调味品之一，酿制及食用已有3 000多年历史。陈醋生产工艺流程如图所示。请分析回答下列问题： (1)在糖化阶段添加淀粉酶制剂需要控制反应温度，这是因为_________________________________________________________________。 (2)利用醋酸菌获得乙酸的条件有两种情况，一是在________时，将糖分解成乙酸；二是在缺少糖源时，利用酒精生成乙酸。 (3)研究表明，在陈醋的酿造过程中，起主导作用的是醋酸菌，而乳酸菌也存在于醋醅中，其代谢产生的乳酸是影响陈醋风味的重要因素。成熟醋醅中乳酸菌的种类明显减少，主要原因是发酵后期________________(至少写出2种)等环境因素的变化，________________，淘汰了部分乳酸菌种类。 【解析】(1)分析流程图可知，糖化阶段就是淀粉在淀粉酶作用下水解产生葡萄糖的过程，酶在最适温度下活性最强，因此在糖化阶段添加酶制剂需要控制反应温度。(2)利用醋酸菌获得乙酸的条件有两种情况，一是在氧气和糖源都充足时，醋酸菌将糖分解成乙酸；二是在缺少糖源时，醋酸菌利用酒精生成乙酸。(3)成熟醋醅中乳酸菌的种类明显减少，主要原因是发酵后期氧气、营养物质、pH等环境因素的变化，加剧了不同种乳酸菌之间的竞争，淘汰了部分乳酸菌种类。 【答案】　(1)酶在最适温度下催化能力最强　(2)氧气和糖源都充足　(3)氧气、营养物质、pH　加剧了不同种乳酸菌之间的竞争 24.工业上所说的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下通过分解与合成代谢将某些原料物质转化为特定产品的过程。利用微生物发酵制作酱油在我国具有悠久的历史。某企业通过发酵制作酱油的流程示意图如下。 回答下列问题： (1)米曲霉发酵过程中，加入大豆、小麦和麦麸可以为米曲霉的生长提供营养物质，大豆中的________可为米曲霉的生长提供氮源，小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供________。 (2)米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油过程所需的酶类，这些酶中的________、________能分别将发酵池中的蛋白质和脂肪分解成易于吸收、风味独特的成分，如将蛋白质分解为小分子的肽和________。米曲霉发酵过程需要提供营养物质、通入空气并搅拌，由此可以判断米曲霉属于________(填“自养厌氧”“异养厌氧”或“异养好氧”)微生物。 (3)在发酵池发酵阶段添加的乳酸菌属于________(填“真核生物”或“原核生物”)；添加的酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖的产物是________________。在该阶段抑制杂菌污染和繁殖是保证酱油质量的重要因素，据图分析该阶段中可以抑制杂菌生长的物质是________________________(答出1点即可)。 【解析】　(1)大豆的主要营养成分有蛋白质，可为米曲霉的生长提供氮源。淀粉属于多糖，组成元素有C、H、O，可为米曲霉的生长提供碳源。(2)蛋白质和脂肪的分解分别需要蛋白酶和脂肪酶。蛋白酶可以将蛋白质水解为小分子的肽和氨基酸。依题意可知，米曲霉发酵过程中需要提供营养物质，且需要通入空气并搅拌，故米曲霉的代谢类型为异养好氧型。(3)乳酸菌为原核生物；酵母菌为兼性厌氧型微生物，在无氧条件下可以通过无氧呼吸产生酒精和CO2。由题图可知，发酵池中有米曲霉发酵阶段的产物，还有发酵池发酵阶段添加的食盐，食盐可以通过提高发酵液的渗透压来抑制杂菌生长。 【答案】(1)蛋白质　碳源　(2)蛋白酶　脂肪酶　氨基酸　异养好氧　(3)原核生物 酒精和CO2　食盐 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北 1 / 20 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第1章 发酵工程 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。 2.举例说明发酵工程在生产上有重要应用价值。 3.认识发酵工程的基本环节，发展工程思维。 学习重点：发酵工程的应用。 学习难点：发酵工程的基本环节。 ～ 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种：性状优良的菌种可以从 中筛选出来，也可以通过 获得。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的 。在啤酒生产中，使用基因通过改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。 2.扩大培养：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，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 。 3.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程的菌种需要考虑在 的培养基上迅速生长繁殖，生产所需代谢物的 ，发酵条件容易控制，接种不易 等。 4.配制培养基：在菌种确定之后，需选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定。 5.灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。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 。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 6.接种：接种前分别用 和 ，将配制好的培养基加入发酵罐中，并分别加入分散和斜面接种下所需的适量菌液 7.接种：接种时需要控制 ，选择合适的接种 等，以获得较高的接种效率。 8.接种后对发酵罐内微生物进行监测，根据微生物生长情况及时调整 ，保障微生物生长和发酵进程。 9. 是发酵工程的中心环节：对发酵过程中的 、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养物质邓进行监测和控制，使发酵全过程处于最佳状态。使其最适合 ，同时及时添加必要的营养成分。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。因此，在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的 等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 10.谷氨酸的发酵生产，在 条件下会积累谷氨酸；在 条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 11.分离、提纯产物：发酵产品是微生物细胞本身，发酵结束后，采用 等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。发酵产品是微生物代谢物，根据产物的性质采用适当的提取、分离和纯化措施获得产品。 12.在产物的初分离阶段，常采用 等方法；在进一步纯化阶段，会采用 等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 13.在发酵生产时，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，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行 。 二、发酵工程的应用 1.发酵工程的特点：生产条件 ，原料来源丰富，原料价格 ，产物专一，废弃物对环境 和容易处理。 2.在食品工业上的应用：食品工业是微生物最早开发和应用的领域。与发酵有关的食品工业的产量和产值都居于发酵工业首位。生产传统的发酵产品，以 为主要原料，利用产生蛋白酶的 （如 ），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制成酱油等产品。以 等为原料，利用 发酵生产各种酒类。生产各种各样的食品添加剂。 3.食品添加剂的作用：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质期。柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，通过 发酵制得。谷氨酸经过一系列处理就能制成味精，谷氨酸由 发酵得到。 4.生产酶制剂:用于食品的直接生产，改进生产工艺，简化生产过程，改善产品品质和口味，延长食品储存期和提高产品产量。 、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等 5.在医药工业上的应用：青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等生产领域。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，或者直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。生长激素释放抑制激素的发酵工程生产。将乙型肝炎病毒的抗原基因转入 ，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。未来甚至用微生物生产提取 前体等化合物。 6.在农牧业上的应用：生产 ，如根瘤菌菌肥、固氮菌肥等。生产微生物农药，如用来防治农林害虫的 ，用来防治玉米螟、松毛虫等虫害的 ，用来防治水稻裤纹病的井冈霉素。生产微生物饲料，如通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。 1.研究人员为探究发酵温度对红树莓果酒发酵的影响做了相关实验，得到如下图结果： （1）据图可知，发酵的最适温度是24℃，理由是该温度时______。 （2）发酵进行一段时间后残糖量不再降低，推测原因可能是______。 2.沙门氏菌是影响畜产品品质的重要病原菌之一。若使用庆大霉素（GM）等抗生素治疗，会有细菌耐药性和抗生素残留等问题。如使用植物乳杆菌等益生菌（可分泌抗菌物质）替代治疗，可有效解决上述问题。已知MRS培养基常用于培养植物乳杆菌。回答下列问题： （1）为探究LPC（用MRS培养植物乳杆菌后获得的上清液）对沙门氏菌生长的影响，研究人员进行了相关实验，测得不同处理下沙门氏菌的生长曲线如图1所示。需选用物理状态为______（填“液体”或“固体”）的培养基，才能用抽样检测的方法估算沙门氏菌的种群数量。据图1分析，该实验结论为______。若不改变现有条件，沙门氏菌组继续培养72h后，种群数量不再增加，限制其种群增长的生物因素是______。 （2）为进一步研究LPC对沙门氏菌的作用机制，对实验组的LPC进行了如下处理：NaOH-LPC（加入NaOH调节pH值至近中性）、Heat-LPC（用100℃处理15min），再采用______（方法）接种沙门氏菌进行抑菌圈实验，结果如图2所示。分析设置MRS组的目的是______。根据实验结果分析，LPC的热稳定性______（填“强”或“弱”），LPC对沙门氏菌发挥作用的机制是______。 3.杨梅果实风味独特、酸甜适中，具有很高的营养和保健价值。如图是制作杨梅酒和杨梅醋的流程图。请回答下列问题： → →→ (1)传统发酵中，发酵液虽然未经过严格的灭菌处理，但杂菌却不能正常生长繁殖，这是由于果酒发酵的________条件抑制了杂菌的生长。常用来检测酒精的化学试剂是________。 (2)果酒制作过程中，酵母菌无氧呼吸产生酒精的场所是________，该阶段应该将温度控制为________；温度适宜时果酒发酵时间较短，原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)杨梅醋的发酵过程中，除必需的营养物质外，还需要往发酵液中持续地通入________。 (4)如图表示果酒发酵过程中，发酵液的糖度(葡萄糖的浓度)和酒精度(酒精浓度)随时间变化的曲线。发酵前24 h，糖度变化很小，酒精度上升很慢，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________。 96 h后酒精度和糖度的变化都趋于平缓，其原因是____________________________________________________________________________________________________________________________________。 1.发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种。 2.在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会与青霉菌竞争原料，导致青霉素产量降低。 3.谷氨酸的发酵生产，在中性和弱碱性条件下会积累N-乙酰谷氨酰胺；在酸性条件下则容易形成谷氨酸。 4.发酵工程生产条件温和，原料来源丰富，原料价格低廉，产物专一，废弃物对环境污染小和容易处理。 5.发酵工程生产酱油以大豆为主要原料，利用酵母菌产生的蛋白酶，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸。 6.发酵工程将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。 7.啤酒的工业化生产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后发酵阶段完成。 探究一 发酵工程中的微生物菌剂 1.微生物菌剂通常有液态和固态两种。下图是通过发酵工程制备菌剂的流程。 你认为工业生产中应首选制备液态还是固态的微生物菌剂？并简述理由。_________________________________________________________________。 探究二 啤酒的发酵 2.啤酒是以大麦为主要原料经发酵制成的。其发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。主发酵和后发酵的发酵温度是不同的。主发酵需要在较高的温度下进行，一般在12℃到20℃之间，此时酵母菌的最适宜温度居中。而后发酵需要在相对较低的温度下进行，一般在零下1℃到4℃之间。这是因为，在低温下，啤酒中的酵母菌会减缓活动，从而使啤酒味道更好回答下面的问题： （1）主发酵阶段的主要微生物是什么？主要作用是什么？ （2）生产啤酒时，需进行后发酵的原因是______________________________。 （3）发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是_____________________________。 · 基础过关练 1.废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　) A.该生产过程中，一定有气体生成 B.微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料 C.该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质 D.沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理 2.关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　) A.在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气 B.白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程 C.葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体 D.生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌 3.葡萄酒的制作离不开酵母菌。下列说法错误的是(　　) A.无氧条件下酵母菌能存活但不能大量繁殖 B.自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是野生型酵母菌 C.葡萄酒的颜色是葡萄皮中的色素进入发酵液形成的 D.制作过程中随着发酵的进行发酵液中糖含量增加 4.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。下列说法错误的是(　　) A.用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α－淀粉酶 B.焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D.通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期 5.蓝莓果实中含有丰富的营养成分，具有良好的营养保健作用。用新鲜蓝莓为原料家庭可以制作蓝莓酒和蓝莓醋，下列有关叙述正确的是(　　) A.蓝莓酒和蓝莓醋制作的过程是在严格无菌的条件下进行的 B.用带盖瓶子制作蓝莓酒时，拧松瓶盖间隔时间不一定相同 C.蓝莓醋发酵液中，液面处的醋酸菌密度低于瓶底处的密度 D.在蓝莓酒发酵旺盛时，醋酸菌能将果汁中的糖发酵为醋酸 6.下列有关实验室果酒、果醋制作过程的叙述，正确的是(　　) A.制作果酒时，先用清水冲洗掉葡萄皮表面的白膜 B.酒精发酵后，只需要提高一定的温度就能继续进行乙酸发酵 C.导致发酵产物不同的重要因素有温度、发酵时间、菌种等 D.榨汁前，榨汁机的发酵瓶都只需要用体积分数为70%的酒精消毒即可 7.制作泡菜利用的微生物主要是乳酸菌，在发酵初期，水槽内常有气泡产生；在泡菜坛内的液体表面有时会产生一层白膜。对上述现象分析最合理的是(　　) A.发酵初期乳酸菌进行有氧呼吸释放CO2，导致了气泡的产生 B.发酵初期活动旺盛的是酵母菌，其进行有氧呼吸释放CO2导致了气泡的产生 C.白膜是由乳酸菌发酵产生的乳酸在表面富集形成的 D.乳酸菌在发酵过程中产生了热量，加速各种杂菌在表面生长而出现白膜 8.在传统发酵技术中，果醋的制作往往在果酒制作基础上进行。下图甲是乙酸发酵装置，乙是培养液pH变化曲线图，下列叙述正确的是 (　　) A.发酵初期不通气，溶液中没有气泡产生 B.中期可以闻到酒香，说明进行了酒精发酵 C.后期接种醋酸菌，适当通气并保持原有温度 D.图乙中能正确表示pH变化的曲线是③ 9.酿造米酒以其独特的风味和丰富的营养受到消费者的青睐。传统酿造工艺生产米酒是利用酒曲作为糖化发酵剂，由于酒曲质量不稳定造成了米酒产品品质差异大，质量稳定性差。为了优化其发酵条件，科技工作者以米曲霉及酿酒酵母为发酵菌株，采用两步发酵法制备米酒，流程如图所示。下列说法错误的是(　　) A.米曲中微生物分泌的酶可将大米中的淀粉转变成单糖等，会使米酒具有甜味 B.将米曲霉和酿酒酵母分别培养使两菌株处于优势地位 C.待熟米冷却至35 ℃时即可加入第一次发酵产物并在该温度下进行二次发酵 D.相对传统工艺，两步发酵法能有效提高产酒的能力 10.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是(　　) A.夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 · 能力提升练 11.中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，其以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室通过发酵生产岀PHA等新型高附加值可降解材料，从而提高了甘蔗的整体利用价值。具体的工艺流程如下图所示。下列说法正确是(　　) A.为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，应在液体培养基中添加包含蔗糖在内的多种有机物作为碳源，并不断提高蔗糖的浓度 B.为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样并采用平板划线法进行菌落计数 C.若菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，则发酵系统不需要进行灭菌处理 D.若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，则说明氧气是高密度培养的限制因素 12.发酵工程广泛应用于农业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是(　　) A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计 B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产 C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低 D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料 13．中国的许多传统美食制作过程蕴含了生物发酵技术。下列叙述正确的是（　　） A．泡菜制作过程中，乳酸菌将葡萄糖分解生成H2O和CO2 B．馒头制作过程中，先用开水将酵母粉充分溶解，添加至面粉中 C．米酒制作过程中，将容器密封有利于酵母菌繁殖 D．酸奶制作过程中，制作后期乳酸菌会大量死亡 14．蓝莓酒以蓝莓为原料酿造，富含花青素、蛋白质、脂肪、维生素、微量元素，被称为“液体黄金”，适量饮用能够养颜瘦身、延缓衰老、提高智力等；在蓝莓酒酿造过程中由于操作不慎，有的蓝莓酒转化成蓝莓醋，而蓝莓醋也具有养颜护肤、降压降脂以及改善记忆力等功效。下面关于蓝莓酒和蓝莓醋的叙述错误的是（    ） A．参与蓝莓酒和蓝莓醋发酵的微生物来自蓝莓果实表面上的酵母菌和醋酸菌 B．蓝莓酒酿制的原理是蓝莓中的糖类通过酵母菌的无氧呼吸生成了酒精 C．蓝莓酒转化成蓝莓醋是因为醋酸菌在无氧的条件下将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为乙酸 D．酿制的蓝莓酒和蓝莓醋由于含有蓝莓果皮细胞中的花青素等而呈现不同颜色 15．约9000年前，我们的祖先就会利用传统发酵技术生产果酒、果醋、泡菜和腐乳等发酵产品，后来又发展了发酵工程。下列有关叙述错误的是（    ） A．传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，发酵工程则以单一菌种的液体发酵为主 B．果酒、腐乳发酵利用的主要菌种均是真核生物，果醋、泡菜发酵利用的主要菌种均是原核生物 C．果酒发酵的最适温度为18～30℃，果醋发酵的最适温度为30～35℃ D．进行泡菜发酵时，原材料只能装至八成满，是为了防止乳酸菌产生的CO2导致发酵液溢出 16．图为苹果酒的发酵装置示意图，下列叙述正确的是（    ）    A．发酵过程中酒精的产生速率越来越快 B．集气管中的气体都是酵母菌无氧呼吸产生的 CO2 C．发酵过程中酵母种群呈“J”型增长 D．如果发酵瓶漏气，发酵液表面可能会出现菌膜 17．在微生物培养的过程中，需要通过选择培养或鉴别培养的方法来筛选出目标菌种，下列与之相关的叙述中不正确的是（    ） A．纤维素分解菌能够将淀粉分解为葡萄糖 B．尿素分解菌能够将尿素分解为氨，从而使酚红指示剂变红 C．在培养基中加入抗生素能够筛选出具有相应抗性的菌株 D．在含有碳酸钙的培养基上生长的乳酸菌菌落周围会出现“溶钙圈” 18．某同学用下表所示的培养基培养纤维素分解菌。下列叙述正确的是（　　）（青霉素会抑制细菌生长） 成分 NaNO3 K2HPO4 KCl MgSO4·7H2O FeSO4 葡萄糖 H2O 青霉素 含量 3g 1g 0．5g 0．5g 0．01g 30g 1L 0．1万单位 A．根据物理性质，该培养基属于固体培养基 B．该培养基可用来筛选抗青霉素的微生物 C．该微生物的培养基适合新冠病毒的培养 D．该培养基用于培养纤维素分解菌，应除去葡萄糖，添加纤维素 19．原油中含有大量有害的、致癌的多环芳烃，土壤中有些细菌可以利用原油中的多环芳烃作为碳源，在培养基中形成分解圈。为筛选出能高效降解原油的菌株并投入除污，某小组同学设计了相关实验。下列有关实验的叙述，不正确的是（    ） A．应配制来源于被原油污染土壤的土壤稀释液备用 B．配制以多环芳烃为唯一碳源的选择培养基 C．将土壤稀释液灭菌后接种到选择培养基上 D．在选择培养基上能形成分解圈的可能为所需菌种 20．微生物发酵工程常利用谷氨酸棒状杆菌大量生产谷氨酸，从而制取谷氨酸钠（味精）。下图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径。下列叙述错误的是（    ） A．通常使用固体培养基分离获得谷氨酸棒状杆菌单菌落 B．不需要监控发酵过程的营养供给、氧气、温度及pH等变化 C．在中性或弱碱性条件下，谷氨酸棒状杆菌才能通过代谢积累谷氨酸 D．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 · 思维拓展练 21．国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值，工艺流程如图所示。    回答下列问题： (1)发酵工程一般包括菌种的选育、 、培养基的配制、灭菌、接种、 、产品的分离、提纯等方面。 (2)三位同学用稀释涂布平板法测定某一时间段内嗜盐单胞菌H的数量，在对应稀释倍数为106的稀释液中各取0.1mL涂布平板，得到以下统计结果： 甲同学涂布了两个平板，统计的菌落数是236和260，取平均值248； 乙同学涂布了三个平板，统计的菌落数是209、240和250，取平均值233； 丙同学涂布了三个平板，统计的菌落数是21、212和256，取平均值163。 在三位同学的统计中， 同学的统计是正确的。据此计算，每克土壤样品中含该细菌 个。稀释涂布平板法统计的菌落数往往比活菌的实际数目低，原因是 。 (3)为获得对蔗糖的耐受能力和利用效率高的菌株H，可将蔗糖作为液体培养基的 ，并不断提高其浓度，多代培养选择。从功能上看，所用培养基为 。 (4)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60d以上。该系统不需要灭菌，分析原因一是培养基的盐浓度设为60g/L，其他杂菌因 而死亡：二是pH为10的条件下，其他杂菌 ，生长繁殖受抑制。 (5)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中 可能是高密度培养的限制因素。 22．如图是利用发酵技术获得产品的过程图，①、②都表示这一过程中的步骤或者操作，根据该图以及学过的相关知识回答问题：    (1)写出数字标号处的操作：① 。其中②的目的是防止发酵过程中混入 ，进而影响生产的效率，甚至导致发酵失败。 (2)配制培养基时，一般要保证培养基中具有几类基本成分，分别是碳源、氮源、水、 。 (3)在发酵过程中，我们要不间断地监测发酵罐中的情况，了解发酵进程，必要时要添加营养物质，同时要严格控制发酵条件，如温度、PH、 等，因为环境条件的改变，不仅影响菌种的生长繁殖，而且可能会影响 的形成。 (4)为了进一步保持发酵液的无菌环境，我们在培养基中加入了青霉素，则该培养基不能用来培养 （填“细菌”或“真菌”）类微生物，而且要注意在最后处理发酵液的时候，不能将发酵液直接排到自然水体，其原因是：①发酵液中富含 ，可能会导致水体富营养化而出现水华等；②发酵液中加入的青霉素可能会导致自然界的细菌出现 种群，对人类的健康不利。 23.陈醋是我国发明的传统调味品之一，酿制及食用已有3 000多年历史。陈醋生产工艺流程如图所示。请分析回答下列问题： (1)在糖化阶段添加淀粉酶制剂需要控制反应温度，这是因为_________________________________________________________________。 (2)利用醋酸菌获得乙酸的条件有两种情况，一是在________时，将糖分解成乙酸；二是在缺少糖源时，利用酒精生成乙酸。 (3)研究表明，在陈醋的酿造过程中，起主导作用的是醋酸菌，而乳酸菌也存在于醋醅中，其代谢产生的乳酸是影响陈醋风味的重要因素。成熟醋醅中乳酸菌的种类明显减少，主要原因是发酵后期________________(至少写出2种)等环境因素的变化，________________，淘汰了部分乳酸菌种类。 24.工业上所说的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下通过分解与合成代谢将某些原料物质转化为特定产品的过程。利用微生物发酵制作酱油在我国具有悠久的历史。某企业通过发酵制作酱油的流程示意图如下。 回答下列问题： (1)米曲霉发酵过程中，加入大豆、小麦和麦麸可以为米曲霉的生长提供营养物质，大豆中的________可为米曲霉的生长提供氮源，小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供________。 (2)米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油过程所需的酶类，这些酶中的________、________能分别将发酵池中的蛋白质和脂肪分解成易于吸收、风味独特的成分，如将蛋白质分解为小分子的肽和________。米曲霉发酵过程需要提供营养物质、通入空气并搅拌，由此可以判断米曲霉属于________(填“自养厌氧”“异养厌氧”或“异养好氧”)微生物。 (3)在发酵池发酵阶段添加的乳酸菌属于________(填“真核生物”或“原核生物”)；添加的酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖的产物是________________。在该阶段抑制杂菌污染和繁殖是保证酱油质量的重要因素，据图分析该阶段中可以抑制杂菌生长的物质是________________________(答出1点即可)。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司2 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $$