第3节 发酵工程及其应用-【金版新学案】2024-2025学年高中生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 不定项）

第3节　发酵工程及其应用 [学习目标]　1.基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。　2.概述从传统发酵到现代发酵工程的发展历程，认同发酵工程的发展离不开科技进步。　3.阐明发酵工程的特点和应用价值。 知识点一　发酵工程的基本环节 1．发酵工程的基本环节 2．发酵罐 [精通教材] 1．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种，整个发酵过程中不能混入杂菌，这是为什么？那如何防止杂菌的污染？ 提示：在发酵过程中如果混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响；要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。 2．发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是什么？ 提示：使菌种与发酵底物更能充分接触，提高发酵效率。 任务　分析发酵工程基本环节 　观察分析教材P22～P23页图1-9，思考下列问题： (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：选择发酵工程用的菌种时需考虑：能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物；菌种改造的可操作性要强；遗传性能要相对稳定；生长速度快，不易感染其他微生物或噬菌体等。 (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：要在发酵过程中随时取样检测培养液中的微生物数目、产物浓度等，以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。 学生用书第26页 (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之处？ 提示：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、沉淀等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。 (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。要防止排出的气体和废弃培养液中的微生物或活性物质污染环境。 [核心归纳] 影响发酵过程的因素 1．温度 (1)温度影响酶活性。 (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 (1)pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。 (2)pH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。 应用1.(2024·湖南衡阳高三开学考试)谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射液等。通过发酵工程可以大量制备谷氨酸，下列有关谷氨酸发酵生产的叙述，错误的是(　　) A．发酵之前要对谷氨酸菌种进行扩大培养 B．若发酵产品是产谷氨酸菌种，可采用过滤等方法分离 C．发酵过程中，在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸 D．分离、提纯发酵产物是发酵过程的中心环节 答案：D 解析：发酵罐的体积很大，发酵之前要对谷氨酸菌种进行扩大培养，A正确。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，B正确。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，C正确。发酵罐内发酵是发酵过程的中心环节，D错误。 应用2.(2024·广东茂名高三期末)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，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(嗜盐单胞菌H的代谢产物)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。下列叙述正确的是(　　) A．发酵工程的中心环节是嗜盐单胞菌H菌种的选育 B．发酵罐内发酵要严格控制温度、pH和溶解氧等条件 C．使用平板划线法定期取样进行菌落计数评估菌株增殖状况 D．发酵结束之后，采取适当的过滤、沉淀等方法直接获得产品PHA 答案：B 解析：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，A错误。在发酵过程中，需随时监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，严格控制温度、pH和溶解氧等条件，B正确。培养过程中定期取样使用稀释涂布平板法进行菌落计数评估菌株增殖状况，C错误。发酵结束之后，对于菌体可采取适当的过滤、沉淀措施来分离；对于菌体的代谢物，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，D错误。 学生用书第27页 知识点二　发酵工程的应用 1．发酵工程的特点 2．啤酒的工业化生产流程 3．发酵工程的应用 (1)在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类。 ②生产各种各样的食品添加剂，如柠檬酸和味精。 ③生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。 (2)在医药工业上的应用 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)在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料。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。 ②生产微生物农药。微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。 ③生产微生物饲料。通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白，并制作成微生物饲料。 (4)在其他方面的应用 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。 [精通教材] 1．阅读教材P24～P25“思考·讨论”图示，将下列啤酒的工业化生产流程正确的顺序排列为：①⑥②③⑦④⑤⑧。 ①发芽　②碾磨　③糖化　④发酵　⑤消毒　⑥焙烤　⑦蒸煮　⑧终止 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。其不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。 任务　分析发酵工程的应用 　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。思考回答下列问题： (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利用基因工程菌生产胰岛素　④工厂化生产青霉素 提示：①③④。生产单细胞蛋白饲料、利用基因工程菌生产胰岛素、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。 学生用书第28页 (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所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。 [核心归纳] 1．啤酒的工业化生产的五点提醒 (1)啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。 (2)焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。 (3)蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。 (4)发酵过程中注意控制好温度、pH、通气量、发酵时间等。 (5)接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。 2．“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 应用1.(2024·山东日照模拟)啤酒发酵流程一般都包含发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒、终止等。按酿造工艺可分为艾尔(上发酵)和拉格(下发酵)两类。艾尔啤酒酵母在发酵罐顶端工作，温度在10～20 ℃；拉格啤酒酵母在发酵罐底部工作，温度在10 ℃以下。下列叙述错误的是(　　) A．焙烤是通过加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 B．蒸煮可以使淀粉分解，形成糖浆，并对糖浆灭菌 C．酵母菌繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成 D．发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味的要求不同而有所差异 答案：B 解析：焙烤是加热杀死种子的胚，但不使淀粉酶失活，A正确；蒸煮过程中高温使淀粉酶失活，可以终止淀粉酶的进一步作用，并对糖浆灭菌，B错误；酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都是在主发酵阶段完成，C正确；发酵温度和发酵时间随着啤酒品种和口味要求的不同而有所差异，D正确。 应用2.(2024·河北秦皇岛高三开学考试)发酵产品的使用深入生活的方方面面。发酵工程可对细胞和细胞代谢产物进行工业化生产，传统发酵技术大大丰富了食物的品种，充分体现了劳动人民的智慧。下列关于发酵工程和传统发酵技术的说法，正确的是(　　) A．与发酵工程相比，传统发酵技术中菌种来源于多种天然微生物，发酵过程经过严格灭菌，所以产品质量较高且品质稳定 B．家庭制泡菜和变酸的葡萄酒表面长的菌膜分别是由酵母菌和醋酸菌形成，它们都是需氧型的原核生物 C．发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得单细胞蛋白产品 D．用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底，污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量 答案：D 解析：传统发酵技术的微生物是天然微生物，并未经过严格灭菌，A错误；酵母菌是真核生物，B错误；发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得细胞代谢物，单细胞蛋白指微生物菌体，可通过过滤、沉淀方法获得，C错误；用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底，污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量，D正确。 学生用书第29页 思维导图 要语必背 1.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.发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。 3.发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。 4.如果发酵产品是微生物细胞本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物的代谢物，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.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。 1．(2024·广东深圳一模)研究小组用作物秸秆、小型发酵瓶、纤维素分解菌和酵母菌生产燃料乙醇(葡萄糖的酒精发酵)。下列叙述正确的是(　　) A．对秸秆进行灭菌后直接用酵母菌进行酒精发酵 B．接种后采用高压蒸汽灭菌法对培养液进行灭菌 C．发酵过程中需要适时松开瓶口目的是提供氧气 D．酸性重铬酸钾检测酒精时需排除葡萄糖的影响 答案：D 解析：秸秆中含有纤维素，纤维素分解菌将纤维素分解为葡萄糖后酵母菌再利用葡萄糖进行酒精发酵，酵母菌不能分解纤维素，A错误；酒精发酵前需对培养基进行高压蒸汽灭菌，接种后灭菌会将培养液菌体全部杀死，影响发酵，B错误；酵母菌无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，发酵过程中需要适时松开瓶盖，目的是排出二氧化碳，C错误；由于葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，因此酸性重铬酸钾检测酒精时，应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖，以排除葡萄糖的影响，D正确。 2．(2024·云南昆明模拟)谷氨酸钠是味精的主要成分，通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵工程的叙述，错误的是(　　) A．为解决发酵罐中杂菌污染的问题，可向培养液中添加抗生素 B．谷氨酸发酵的培养基成分，主要有水、碳源、氮源、无机盐等 C．对发酵罐内物质进行搅拌能增加产量，说明谷氨酸棒状杆菌是好氧菌 D．优良性状的菌种可以通过基因工程定向改造已有菌种获得 答案：A 解析：谷氨酸发酵常用的菌种是谷氨酸棒状杆菌，属于细菌，添加抗生素会杀菌从而影响谷氨酸发酵，A错误；谷氨酸发酵的培养基成分，主要有水、碳源、氮源、无机盐等，B正确；搅拌能增加培养液中溶解氧含量，能增加产量，说明谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，C正确；优良性状的菌种可以通过基因工程定向改造已有菌种获得，D正确。 3．(2024·江西九江高三期末)某工厂利用制糖生产废水和沼气池废料为原料，酵母菌为菌种在连续搅拌反应器中培养酵母菌生产单细胞蛋白。下列说法错误的是(　　) A.单细胞蛋白含有蛋白质、糖类、脂质和维生素等物质 B．发酵过程中，通过放料口取样以便随时监测产物浓度等 学生用书第30页 C.可采用深层通气液体发酵技术提高单细胞蛋白的产量 D．发酵结束后，应采用提取、分离和纯化措施以获得产品 答案：D 解析：单细胞蛋白(微生物菌体)不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质，A正确；在发酵过程中，通过放料口取样以便随时监测产物浓度等以了解发酵进程，B正确；单细胞蛋白是在连续搅拌反应器中培养酵母菌生产的，连续搅拌的目的一是增加溶氧量，促进菌体的有氧呼吸，二是使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率，所以可采用深层通气液体发酵技术提高单细胞蛋白的产量，C正确；单细胞蛋白是在连续搅拌反应器中培养酵母菌生产的，是微生物菌体，所以可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来，D错误。 4．(2022·山东卷)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是(　　) A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖 B．可用深层通气液体发酵技术提高产量 C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中 D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌 答案：D 解析：青霉菌处于葡萄糖不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，故不宜使用葡萄糖作为碳源。在青霉素发酵时，一般选择乳糖作为碳源，A正确。可用深层通气液体发酵技术，提高溶解氧的浓度，有利于青霉菌的发酵，从而提高产量，B正确。青霉素高产菌种是经诱变育种产生的，选育出的高产菌株经扩大培养后能增加其自身的浓度和纯度，接种到发酵罐后能提高发酵的效率，C正确。由题干知“目前已实现青霉素的工业化生产”，为防止杂菌污染，获得纯净的青霉素，工业化生产中发酵罐需严格灭菌，D错误。 5．(2024·黑龙江大庆高三期末)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。下列说法正确的是(不定项)(　　) 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．糖浆经蒸煮后趁热接种酵母菌有利于发酵快速进行 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 答案：AD 解析：大麦种子萌发会产生α-淀粉酶，赤霉素能促进种子的萌发，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，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)后要冷却，再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C错误；转基因技术在微生物领域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。 6．(创新应用)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。 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 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。 学科网（北京）股份有限公司 $$