专题5 第14讲 发酵技术和微生物培养 （课件）-【步步高】2024年新高考生物考前三个月（粤渝闽鄂京津琼黑晋皖云新赣甘豫桂贵）

专题五　生物技术与工程 第14讲 发酵技术和微生物培养 内容索引 传统发酵技术和发酵工程 微生物的培养技术及应用 预测演练 考点1 考点2 1.(2023·泉州高三期末)图甲、图乙是传统发酵技术的部分制作装置示意图，图丙为啤酒发酵所用的发酵罐结构示意图。请据图回答下列问题： 典例示范 考点1　传统发酵技术和发酵工程 PART ONE (1)酿制果酒时，并不需要对果汁进行严格的消毒处理，这是因为在______________的发酵液中，绝大多数微生物因无法适应这一环境而受抑制。果酒制作完成后，可以用______________溶液来检测酒精的生成，酒精与之反应呈现______色。 (2)图甲排气口在果酒发酵时排出的气体是由________产生的__________，排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接的目的是_______________ ______。 缺氧、呈酸性 酸性重铬酸钾 灰绿 酵母菌 二氧化碳 防止杂菌污染发 酵液 (3)将果酒进一步发酵成果醋时，需要改变的环境条件是______________ ______________________(答出两点)。若果汁中混杂有醋酸菌，在果酒发酵旺盛时，醋酸菌______(填“能”或“不能”)将果汁中的糖发酵为醋酸，请说明原因：_____________________________________________ ____________。 通入无菌空气； 将温度提高到30～35 ℃ 不能 醋酸菌是好氧细菌，而果酒发酵为无氧环境，醋酸 菌无法生存 (4)在农村，泡菜的制作方法如下：新鲜的蔬菜经过整理、清洗后，放入彻底清洁并用白酒擦拭过的泡菜坛中，然后向坛中加入盐水、香辛料及一些“陈泡菜水”，密封后置于阴凉处。装置乙是制作泡菜的装置，其中在发酵坛坛盖边沿的水槽中加水的目的是_________________________。加入一些“陈泡菜水”的作用是___________________________________ _______。若制作的泡菜“咸而不酸”，最可能的原因是______________ _____________________________。 增强密封性，创造无氧环境 增加泡菜坛内乳酸菌的含量，加快泡菜 的发酵 泡菜坛中食盐 浓度过高，抑制了乳酸菌的代谢 (5)图丙啤酒的工业化生产的整个过程的中心环节是_____________，在该时期要随时取样检测培养基中的______________________等，同时，要严格控制__________________等发酵条件。 发酵罐内发酵 微生物数量、产物浓度 溶解氧、pH和温度 应用提炼 1.果酒、果醋和泡菜的制作原理与发酵条件 项目 果酒制作 果醋制作 泡菜制作 菌种 酵母菌 醋酸菌 乳酸菌 发 酵 条 件 温度 一般酒精发酵为18～30 ℃，最适繁殖温度为28 ℃左右 最适温度为30～35 ℃ 室温 氧气 前期需氧；后期不需氧 需要充足的氧气 无氧 时间 10～12 d 7～8 d 12 d左右 项目 果酒制作 果醋制作 泡菜制作 制作 原理 有氧条件下，酵母菌大量繁殖：C6H12O6＋6O2＋6H2O 6CO2＋12H2O＋能量； 无氧条件下，酒精发酵： C6H12O6 2C2H5OH＋2CO2＋能量 糖源、氧气充足时：C6H12O6＋2O2 2CH3COOH＋2CO2＋2H2O＋能量； 缺少糖源、氧气充足时： C2H5OH＋O2 CH3COOH＋H2O＋能量 无氧条件下，乳酸发酵： C6H12O6 2C3H6O3＋能量 2.发酵工程的 基本环节 对点精练 1.(2022·桂林高三期末)杨梅果实风味独特，酸甜适中，具有很高的营养价值和保健价值。根据如下制作杨梅酒和杨梅醋的流程，回答下列问题： 制取发酵液：向杨梅汁中加入白砂糖，将糖的质量分数调至8%，灭菌冷却 → 酒精发酵：接种酵母菌，恒温发酵→果醋发酵：加入酒精，接种醋酸菌→取样检测：对发酵产物进行检测。 (1)果酒制作过程中，酵母菌无氧呼吸产生酒精的场所是____________，温度适宜时果酒发酵时间较短，原因是_____________________________ __________。 细胞质基质 与果酒发酵相关的酶活性高，发 酵速度快 (2)杨梅醋的发酵过程中，除去必需的营养物质外，还需要往发酵液中持续地通入_________，发生的化学反应式是__________________________ ______________。 无菌空气 C2H5OH＋O2 CH3COOH ＋H2O＋能量 (3)如图表示果酒发酵过程中，发酵液的糖度(葡萄糖的质量分数)和酒精度(酒精的体积分数)随时间变化的关系。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___________________ ____________________________________________________。 此阶段酵母菌主要进行有氧呼吸，大量增殖 营养物质消耗殆尽， 高浓度的酒精和代谢废物会抑制酵母菌的代谢而影响发酵 (4)泡菜也是传统发酵食品，深受大家喜爱。泡菜制作利用的主要微生物是_______，泡菜制作的原理是____________________________________ _____。泡菜制作过程中影响亚硝酸盐含量的因素有温度、_________和_________等。 乳酸菌 在无氧条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成 乳酸 食盐用量 腌制时间 2.(2023·广州高三期中)我国是啤酒的生产和消费大国。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图所示。 其中发酵过程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。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵条件随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 (1)发酵工程一般包括菌种的选育，__________，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。啤酒酵母的新陈代谢类型是________________。 (2)在酿酒过程中常加入________(填某种植物激素)以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使________失活。 扩大培养 异养兼性厌氧型 赤霉素 淀粉酶 (3)发酵阶段的底物是________，发酵液和发酵设备都必须经过严格的______处理。 (4)请写出一条啤酒的发酵生产过程中，可以使啤酒的产量和质量得到明显提高的工程手段_______________________________________________ _________________________________________________________________________________________。 葡萄糖 灭菌 随时检查培养液中的酵母菌数量、产物浓度；及时添 加必需的营养组分；严格控制发酵温度、发酵时间、pH、溶解氧含量、罐压和搅拌速度等发酵条件 (5)请写出发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因_________________________________________________________ ____________________。 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 环境污染小、易处理 考点2　微生物的培养技术及应用 2.(2020·江苏，31节选)产脂肪酶酵母可用于含油废水处理。为筛选产脂肪酶酵母菌株，科研人员开展了相关研究。请回答下列问题： (1)常规微生物实验中，下列物品及其灭菌方法错误的是_______(填编号)。 典例示范 编号 ① ② ③ ④ 物品 培养基 接种环 培养皿 涂布器 灭菌方法 高压蒸汽 火焰灼烧 干热 臭氧 ④ PART TWO (2)产脂肪酶的微生物主要从油污土壤或水体中寻找，其依据是________ ________________________________________________________。 (3)为确保能够分离得到产脂肪酶的微生物，常将土壤或水体稀释液先进行选择培养，该培养基的碳源要求为____________________，进行该步操作的优点是___________________________________________________ ____________。 寻找目的 菌株时，要依据它对生存环境的要求，到相应的环境中去寻找 以脂肪作为唯一碳源 允许产脂肪酶的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类 微生物生长 (4)称取1.0 g某土壤样品，转入99 mL无菌水中，制备成菌悬液，经_____ _____后，获得细胞密度不同的菌悬液。分别取0.1 mL菌悬液涂布在固体培养基上，每个稀释度下至少涂布三个平板，这叫作_____实验，目的是__________________________。若其中10倍稀释的菌悬液培养后平均长出了46个酵母菌落，则该样本中每克土壤约含酵母菌__________个。用此方法测定的产脂肪酶酵母数量______(填“大于”“等于”或“小于”)实际活菌数量，其原因是_________________________________________ _______________。 等比 稀释 重复 增强实验的说服力与准确性 4.6×105 小于 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 (5)实验室中获取纯化产脂肪酶酵母常用的接种方法有平板划线法和稀释涂布平板法，这两种接种方法的不同之处是_________________________ ________________________________________________________________________；在接种前，随机取若干灭菌后的空白平板先行培养一段时间，这样做的目的是________________________。 平板划线法只能用于分离纯化菌种，不能用于计数，而稀释涂布平板法既可用于分离纯化菌种又可用于计数 检验培养基灭菌是否合格 (6)脂肪与一种名为“罗丹明B”的物质结合后，形成粉红色物质。脂肪酶能将脂肪分解成脂肪酸和甘油后，粉红色物质会消失。如果菌落周围的现象是____________，则说明此种菌能够分泌脂肪酶。 出现透明圈 应用提炼 1.培养基的类型 划分 标准 培养基 种类 培养基特点 作用 物理 性质 固体培养基 加凝固剂，如琼脂 微生物的分离与鉴定，活菌计数，保藏菌种 半固体 培养基 容器放倒不致流出，剧烈震动则破散 观察微生物的运动、分类鉴定 液体培养基 不加凝固剂 常用于工业生产 划分 标准 培养基 种类 培养基特点 作用 功能 选择 培养基 根据某种微生物的特殊营养要求配制 培养、分离出特定微生物 鉴别 培养基 加入某种指示剂或化学药品 鉴别不同的微生物 2.两种纯化方法的比较 项目 平板划线法 稀释涂布平板法 主要 步骤 接种环在固体培养基表面连续划线 等比稀释操作和涂布平板操作 接种 工具 接种环 涂布器 单菌落 的获得 从最后划线的区域挑取 稀释度合适，整个平板上都可找到单菌落 项目 平板划线法 稀释涂布平板法 用途 分离纯化菌种，获得单菌落 分离纯化菌种，获得单菌落；用于计数 共同点 都能将微生物分散到固体培养基表面，以获得单细胞菌落，达到分离纯化微生物的目的，也可用于观察菌落特征 3.辨析统计菌落数的两种方法 比较 项目 间接计数法 (稀释涂布平板法) 直接计数法 (显微镜计数法) 原理 当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌，通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌 利用特定细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定容积的样品中微生物的数量 比较 项目 间接计数法 (稀释涂布平板法) 直接计数法 (显微镜计数法) 缺点 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 死菌、活菌都计数在内 结果 比实际值偏小 比实际值偏大 对点精练 3.(2023·孝感高三模拟)化合物PHA被广泛应用于医药、食品和化工工业，中国科学家构建的菌株C可生产PHA，PHA的产量与菌株C培养所利用的碳源关系密切。为此，某研究小组通过实验比较不同碳源对菌体生长和PHA产量的影响，其中制糖废液的主要成分为蔗糖，结果如表。回答下列问题： 碳源 细胞干重(g/L) PHA产量(g/L) 葡萄糖 3.12 0.15 淀粉 0.01 0.00 制糖废液 2.30 0.18 (1)通常在实验室培养微生物时，需要对培养基进行灭菌，灭菌效果最好的方法是_______________________。由实验结果可知，菌株C生长的最适碳源是_______，若发酵产品是单细胞蛋白，则往往采用_____、_____等方法将其分离和干燥，即可获得产品。 碳源 细胞干重(g/L) PHA产量(g/L) 葡萄糖 3.12 0.15 淀粉 0.01 0.00 制糖废液 2.30 0.18 湿热灭菌(高压蒸汽灭菌) 葡萄糖 过滤 沉淀 (2)为了制备更多的PHA，需要获得对制糖废液的耐受能力和利用效率高的菌株C，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____________。培养过程中定期取样并用______________法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。 碳源 细胞干重(g/L) PHA产量(g/L) 葡萄糖 3.12 0.15 淀粉 0.01 0.00 制糖废液 2.30 0.18 唯一碳源 选择培养基 稀释涂布平板 根据题意分析，该实验的目的是提高菌株C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。在该培养基上，能高效利用蔗糖的微生物可以生长，不能利用蔗糖的微生物因缺乏碳源而无法生长，因此该培养基是选择培养基。培养过程中定期取样并用稀释涂布平板法进行菌落计数，可以统计培养液中的活菌数，来评估菌株增殖状况。 (3)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C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。 碳源 细胞干重(g/L) PHA产量(g/L) 葡萄糖 3.12 0.15 淀粉 0.01 0.00 制糖废液 2.30 0.18 氧气 (4)由实验结果可知，碳源为淀粉时菌株C不能生长，其原因是_________ ____________。 碳源 细胞干重(g/L) PHA产量(g/L) 葡萄糖 3.12 0.15 淀粉 0.01 0.00 制糖废液 2.30 0.18 菌株C中 缺少淀粉酶 4.(2022·河北，23节选)番茄灰霉病菌严重影响番茄生产，枯草芽孢杆菌可以产生对多种病原菌具有抑制作用的蛋白质。为探究枯草芽孢杆菌能否用于番茄灰霉病的生物防治，研究者设计了相关实验。回答下列问题： (1)检测枯草芽孢杆菌对番茄灰霉病菌的抑制作用时，取适量__________ ______菌液涂布于固体培养基上，再将无菌滤纸片(直径5 mm)在______________菌液中浸泡后覆盖于固体培养基中心，数秒后取出滤纸片，培养皿倒置培养后测量________大小以判定抑菌效果。 番茄灰霉 病菌 枯草芽孢杆菌 透明圈 要检测枯草芽孢杆菌对番茄灰霉病菌的抑制作用，先把适量的番茄灰霉病菌菌液涂布于固体培养基上，再将无菌滤纸片在枯草芽孢杆菌菌液中浸泡后覆盖于固体培养基中心，若对番茄灰霉病菌有抑制作用，被覆盖位置的番茄灰霉病菌就会被杀死，培养皿倒置培养后会出现透明圈，测量透明圈大小以判定抑菌效果强弱。 (2)枯草芽孢杆菌为好氧微生物，液体培养时应采用__________(填“静置”或“摇床震荡”)培养。培养过程中抽样检测活菌数量时，应采用______ _________(填“稀释涂布平板法”或“显微镜直接计数法”)，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________。 摇床震荡 稀释涂 布平板法 用稀释涂布平板法计数时，在培养基上看到的每一个菌落都来自一个活细胞，而显微镜直接计数法会将死亡的枯草芽孢杆菌也计算在内 枯草芽孢杆菌为好氧微生物，采用摇床震荡培养可增大培养液的溶氧量，有利于枯草芽孢杆菌的生长繁殖。培养过程中要抽样检测活菌数量，应该采用稀释涂布平板法，用稀释涂布平板法在培养基上看到的每一个菌落都来自一个活细胞，而显微镜直接计数法会将死亡的枯草芽孢杆菌也计算在内。 (3)枯草芽孢杆菌长期保藏时，常以其______作为保藏对象。 菌液 长期保藏枯草芽孢杆菌，应该将培养的菌液转移到已灭菌的甘油瓶中，与甘油充分混合，放在－20 ℃的冷冻箱中保藏。 1.(2023·福州高三期中)如图为果酒与果醋发酵装置示意图，请据图回答下列问题： 1 2 3 4 5 预测演练 PART THREE (1)酿造葡萄酒时，在榨汁前，要先对葡萄进行冲洗，葡萄榨汁前需要除去葡萄的枝梗，此操作是在冲洗之____(填“前”或“后”)进行的，这样做的原因是___________________________________ ________。 1 2 3 4 5 (2)用体积分数为____________对上述装置进行______后，再装入葡萄汁，将发酵装置放在________ ℃的环境中。 后 避免去梗时葡萄破损，减少被杂菌污染 的风险 70%的酒精 消毒 18～30 (3)产生酒精后，在发酵液中加入醋酸菌，适时打开气阀________(填“a”或“b”)向发酵液中充气，充气的原因是_______________________________ __________。 1 2 3 4 5 a 醋酸菌是好氧细菌，酒精转变为乙 酸需要O2 1 2 3 4 5 2.泡菜是中国传承数千年的传统发酵食品。在泡菜发酵过程中，杂菌会将蔬菜中的硝酸盐还原成亚硝酸盐，危害人体健康。为提高泡菜品质，研究人员利用初步筛选获得的三个菌种分别进行了如下实验。请回答下列问题： 1 2 3 4 5 (1)对照组发酵过程中菌种的来源是________________________，实验组中用酒精消毒、无菌水清洗的作用是__________________________。 (2)实验中加入的盐水应先煮沸，其目的是__________________________。 萝卜切条表面的野生菌种 去除萝卜切条表面的微生物 去除盐水中的杂菌和溶解氧 1 2 3 4 5 (3)实验过程中，研究人员连续5天测定了发酵液的pH和亚硝酸盐含量，结果如表： 检测 项目 组别 pH 亚硝酸盐含量(μg·mL－1) 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 对照组 5.2 4.7 4.6 4.5 4.3 0 120.0 90.5 28.5 3.5 菌种1 5.0 4.6 4.5 4.2 4.0 0 91.5 70.1 20.2 3.6 菌种2 4.6 4.0 3.7 3.5 3.3 0 25.5 4.3 2.2 2.0 菌种3 4.8 4.2 4.0 3.9 3.8 0 90.3 35.5 22.8 2.4 1 2 3 4 5 ①据表格数据分析，对照组发酵初期亚硝酸盐含量快速上升可能的原因是_______________________________。 ②发酵后期，乳酸菌数量相对较高，结合细胞代谢类型及表格数据分析，主要原因是_____________________________________________________ ______________________。 ③结果表明，较适合泡菜发酵的菌种是________，作出此选择的依据是___________________________________________。 pH下降幅度小，微生物大量增殖 乳酸菌是厌氧菌，氧含量低有利于其进行无氧呼吸；乳酸 菌适于在酸性环境生长 菌种2 pH最低说明产酸最多，另外亚硝酸盐含量最低 3.(2023·淮安高三期中)谷氨酸是味精的主要成分，图1是谷氨酸生产的机理：谷氨酸棒状杆菌以葡萄糖为底物合成谷氨酸；图2是工业上谷氨酸发酵装置示意图。请回答下列问题： (1)与酵母菌相比，谷氨酸棒状杆菌在细胞结构上的主要特点是_______________________ _________。根据图1可知，谷氨酸棒状杆菌细胞中谷氨酸积累过量，会抑制______________的活性，从而导致该合成途径中断，这种现象称为___________。 1 2 3 4 5 细胞中没有以核膜为界限 的细胞核 谷氨酸脱氢酶 负反馈调节 (2)实验室可以利用____________________技术培育谷氨酸高产菌株。获得的菌种还要进行__________，才能投入工业生产。 (3)图2所示发酵罐中，1、2为水的进出口，通水的目的是___________________________ _____________；3为搅拌器，发酵过程不断搅拌，不仅可使营养物质得到充分利用，还能___________________、_________。 1 2 3 4 5 人工诱变或基因工程 扩大培养 带走菌种发酵产生的热量，维 持适宜的温度 增加发酵液的溶氧量 促进散热 (4)生产谷氨酸的发酵液pH应为_____________。发酵结束后需要进行________________，以获得产品。 1 2 3 4 5 中性或弱碱性 产物分离、提纯 4.(2023·深圳高三期末)研究人员欲从土壤中筛选高淀粉酶活性的细菌(目标菌)，并对其进行研究。回答下列问题： (1)在细菌筛选过程中，将土壤样品稀释液接种至以______为唯一碳源的固体培养基上进行培养，除碳源外，该培养基还含有氮源、水、无机盐和_____________。为防止杂菌污染，要对培养基和培养皿等进行灭菌，调pH应在灭菌____(填“前”或“后”)。 (2)进行微生物菌种纯化时，为得到单菌落，最常用的两种接种方法是____________________________。 1 2 3 4 5 淀粉 琼脂(凝固剂) 前 稀释涂布平板法和平板划线法 (3)从土壤中筛选目标菌时，加碘液染色后，平板上出现了A、B和C三种菌落(如图1所示)。如果要得到淀粉酶活性最高的菌株，应该选择_____(填“A”“B”或“C”)菌落进一步纯化。A菌落经检测其为硝化细菌，据此说明A菌落能在此培养基上生长且没有形成透明圈的原因是___________________________________________________________________________。 1 2 3 4 5 B 硝化细菌为自养型细菌，不能产生淀粉酶，能够利用空气中的二氧化碳合成有机物 (4)经筛选获得的菌株在培养时一般呈“____”形增长，后期增殖速率下降的原因可能是_________________________________________________ _______。 1 2 3 4 5 S 营养物质的消耗、代谢废物的积累增多、pH等条件发 生改变 (5)在研究过程中获得了3种淀粉酶，其酶活性与反应温度和pH有关(如图2和图3所示)，假如要选择一种耐酸耐高温的淀粉酶进行后续研究，应该选择淀粉酶____(填“甲”“乙”或“丙”)，理由是______________________ __________________________。 1 2 3 4 5 丙 淀粉酶丙的最适温度最 高、最适pH最低，且为酸性 1 2 3 4 5 5.(2023·北京，16)自然界中不同微生物之间存在着复杂的相互作用。有些细菌具有溶菌特性，能够破坏其他细菌的结构使细胞内容物释出。科学家试图从某湖泊水样中分离出有溶菌特性的细菌。 (1)用于分离细菌的固体培养基包含水、葡萄糖、蛋白胨和琼脂等成分，其中蛋白胨主要为细菌提供____________和维生素等。 氮源、碳源 1 2 3 4 5 (2)A菌通常被用做溶菌对象。研究者将含有一定浓度A菌的少量培养基倾倒在固体培养平板上，凝固形成薄层。培养一段时间后，薄层变浑浊(如图)，表明____________________________。 A菌能在培养平板中生长繁殖 1 2 3 4 5 (3)为分离出具有溶菌作用的细菌，需要合适的菌落密度，因此应将含菌量较高的湖泊水样____________后，依次分别涂布于不同的浑浊薄层上。培养一段时间后，能溶解A菌的菌落周围会出现________。采用这种方法，研究者分离、培养并鉴定出P菌。 (4)为探究P菌溶解破坏A菌的方式，请提出一个假设，该假设能用以下材料和设备加以验证(主要实验材料和设备：P菌、A菌、培养基、圆形滤纸小片、离心机和细菌培养箱)。 __________________________________________。 (等比)稀释 溶菌圈 假设P菌通过分泌某种化学物质使A菌溶解破裂 1 2 3 4 5 根据实验材料和设备，圆形滤纸小片可用于吸收某种物质，离心机可用于分离菌体和细菌分泌物，为探究P菌溶解破坏A菌的方式，可假设P菌通过分泌某种化学物质使A菌溶解破裂。 $$