1.3 发酵工程及其应用-2024-2025学年高二生物同步高效教学课件（人教版2019选择性必修3）

在上述传统发酵食品：利用天然菌种，存在 、 ， ，易造成发酵食品品质不一。 1.传统发酵食品制作过程中存在的问题 菌种差异 杂菌情况不明 发酵过程控制缺乏标准 工业大规模生产：先通过微生物培养技术获得 菌种，再将它们接种到物料中进行发酵，从而缩短发酵时间，确保品质稳定。 2.改善 单一 第1章第3节 发酵工程及其应用 P22 发酵工程是指利用 的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品 微生物 一.发酵工程 1.基本概念： 2.基本环节： 自然界的微生物 诱变育种的微生物 基因重组的微生物 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 啤酒、酸奶、胰岛素等 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①方法： 自然界直接筛选性状优良的常规菌种； 通过诱变育种或基因工程育种获得。 ②实例： 选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。 诱变育种 思考：杂交育种可以得到性状优良的菌种吗？为什么？ 2.基本环节： 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 扩大培养的原因： 工业发酵罐的体积一般为及时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。 怎样扩大培养？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 简单来说，扩大培养就是为了： 增加菌种数量 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①配制培养基要遵循的原则： 目的要明确：营养物质满足微生物的需要； 营养要协调：营养物质的浓度及配比恰当； 物理、化学条件适宜：加入缓冲剂。 ②配制的培养基应包括微生物生长所需的碳源、 氮源、水、无机盐及特殊营养要求。 ③配制的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。 ②灭菌的原因： 杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。 ③实例： 在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵工程的中心环节 1、发酵过程的监控： ①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；（取样管） ②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物；（加入口） ③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，已获得所需的发酵产物。 发酵罐内发酵 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵工程的中心环节 2、发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？ 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。 例如：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。 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞本身 代谢物 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施： 【情景探究】如图是大型发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题： 1．搅拌叶轮在发酵过程中有什么作用？ 2．如何控制发酵罐中的发酵条件？ (1)使微生物得到充足的氧气； (2)使微生物与培养基充分接触； (3)有助于充分散热； (4)有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。 (1)温度的控制：可通过温度传感器和控制装置进行检测，可通过调节冷却水的进、出水口的水流来调整。 (2)溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度调节。 (3)pH的控制：可通过pH计检测，通过加酸或碱进行调节；也可通过pH缓冲液进行保持。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需考虑哪些因素？ 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 温度、pH和溶解氧等条件计算机严格控制，同时及时添加营养 ①繁殖快、产量高 ②低成本③发酵条件易控制；④菌种不易变异、退化 3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进？ 传统发酵工艺得到的不是单一产品，且基本不对产物提纯或分离。而发酵工程对产物提纯或分离方法很多：萃取、层析、离子交换等，最终对质量有严格的检查。 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？ 不能。可能污染环境。要二次清洁或灭菌处理。 二.发酵工程的应用P24 1、发酵工程的特点 ①产物专一 ②条件温和③原料来源丰富且价格低廉 ④废弃物对环境污染小且容易处理 2、发酵工程的应用 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 冷却 大麦种子发芽，释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉分解，形成糖浆。 ①产生风味 组分， ②使酶失活，③灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2。 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 消毒 终止 过滤 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 思考讨论：啤酒发酵的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 冷却 消毒 终止 后发酵 过滤 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒（熟啤） 生啤含有较多微生物、固体，保存时间段，且易引起过敏反应 “精酿”啤酒 VS “工业”啤酒   具体应用 成果 食品 传统的发酵产品 酱油（霉菌）、酒类（酵母） 医药 农牧业 食品添加剂 酶制剂 工程菌 改造菌种 柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌） 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等 生长激素释放抑制激素 青霉素 疫苗 乙型肝炎疫苗 根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌） 以菌治虫——生物防治：无污染、维持生态平衡 淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得微生物菌体（单细胞蛋白） 农药 肥料 饲料 2、发酵工程的应用 在其他方面的应用 ①利用纤维废料发酵生产　　 　　　等能源物质，解决资源短缺。 ②极端微生物的应用：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产　 　　，嗜低温菌有助于提高　 　　　　的产量。 酒精、乙烯 洗涤剂 热敏性产品 　P27“异想天开”：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　 　。其不仅含有丰富的　　 　，还含有糖类、　 　和维生素等物质。 菌体 蛋白质 脂质 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。 练习与应用 P28 × √√× （1）把血红蛋白基因导入青霉菌 一、概念检测 二、拓展应用 （2）敲除一种酶的基因 1、 2、 可以用陈化粮食、秸秆等 使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还可防止问题粮食流入市场。 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。_____________________________________________________________________ ______________________________________。 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 2.(2022·湖北卷，14)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 A 3.(2023·长春质检)啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下：①大麦种子发芽，释放淀粉酶；②加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活；③将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉；④淀粉分解，形成糖浆；⑤糖浆加入啤酒花，蒸煮；⑥加入酵母菌，发酵；⑥过滤，77 ℃保温30 min；⑧过滤、分装啤酒进行出售。回答下列问题： (1)大麦种子细胞中合成淀粉酶的场所是________。 (2)流程⑤蒸煮的目的是终止酶的进一步作用，并__________________。流程⑥ 在加入酵母菌前，需进行的操作为________，该操作的目的是__________ __________________________。 核糖体 对糖浆进行灭菌 冷却 避免杀死菌 种(或保持酵母细胞的活性)　 (3)77 ℃保温30 min的操作类似于巴氏消毒法，该操作的目的既能杀死啤酒中的微生物，又能保证____________________________________________________。 (4)若要进一步研究淀粉酶的特性，需从发芽大麦种子中提取和分离淀粉酶，主要步骤是原料处理→________→纯化→纯度鉴定。 啤酒中的营养成分不被破坏(或啤酒中的营养成分不流失)　 粗分离 4.啤酒生产的简要流程如图所示，制麦时用赤霉素溶液浸泡大麦种子，糖化主要将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子。下列说法错误的是( ) A.在整个发酵过程中，要始终保 持严格的无菌、厌氧环境 B.用赤霉素溶液浸泡大麦种子， 目的是促进α-淀粉酶合成 C.在接种酵母菌前进行冷却处理，是为了避免杀死酵母菌种 D.包装后放置的啤酒变酸且产生表面菌膜，一般可从菌膜中分离得到醋酸菌 A 5.(2022·山东，20改编)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。下列说法不正确的是( ) 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 B 6.(2022·湖北卷)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 C 7.(2021·全国乙卷)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。 (1) 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。 蛋白酶 脂肪酶 氨基酸 异养好氧 (2)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)。 原核生物 酒精和CO2 食盐 $$