1.3 发酵工程及其应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

在一个普通的夏夜，人到中年的父亲会花不到十块钱买一瓶清凉清爽的冰镇啤酒，洗刷一天的疲惫。不远处，酒吧的年轻男女也手握着一杯杯包装精美、售价不菲的精酿啤酒，在微醺的气氛里散播激动的荷尔蒙。啤酒的风味是如何形成的？精酿啤酒和大绿棒子有什么区别？才知道在知识的海洋里狗刨。这是啤酒评审认证协会发布的世界啤酒分类指南。其中最重要的分类标准是看一款酒属于艾尔啤酒还是拉格啤酒，然后再根据风味、口感等指标，进一步将啤酒分成了34个大类，114个小类。你在街头撸串时喝的这些啤酒，都属于拉格啤酒中的美式淡色拉格。一般说的精酿啤酒大多属于艾尔啤酒，它们在价格和口味上的差异主要是因为酿造方式不同。啤酒是一种以麦芽和水为主要原料，加入啤酒花和酵母后发酵而成的饮料。啤酒的口味就主要说这四种原料和发酵方式的影响。丹麦是酿造啤酒的传统原料，但由于成本和产量等问题，小麦、大米、玉米都成为了它的替代品，让啤酒的风味变得更加多样化。酿酒的第一步是诱导大麦籽粒发芽之后，麦芽中的酶会将淀粉、蛋白质转化分解为糖、糊精和氨基酸并溶于水中，这叫做糖化作用，再经过沉淀过滤，就可以得到一杯富含糖分、清澈甘甜的麦芽汁，它是发酵啤酒所用的底料。啤酒罐上的原麦汁浓度或麦芽度，就是指在发酵前的麦芽之中糖等可溶物的浓度，这是决定啤酒口味的重要指标。一般来说，原麦汁浓度越高，越能在之后的发酵中产生更多的脂类，让啤酒的味道更丰富淳厚。精酿啤酒的原麦汁浓度可以达到15度左右，一些重口味的产品甚至能达到20度以上，而大绿棒子们的原麦汁浓度通常在8度到12度之间，口感简单清爽，获得澄清甘甜的麦芽之后，啤酒厂会将其煮沸并加入啤酒花。啤酒花是啤酒的灵魂，在煮沸麦芽汁和酒花时，酒花树脂腺中的阿法酸会在高温下变为异奥法酸。易尔法酸是啤酒苦味的主要来源，它能平衡麦芽的甜味，让啤酒爽口宜人，还能够抑制、杀灭格兰阳性菌等细菌，增强啤酒的防腐能力。此外，异奥发酸能和麦芽中的起泡蛋白复合，让啤酒的泡沫更加洁白、细腻、稳定，这也是啤酒泡沫比啤酒本体更苦的原因。也正是如此，高原麦汁浓度的啤酒倒出来后，泡沫会更加细腻持久。另外，一些啤酒会带有柑橘、苹果、花香、青草等怡人气味，这其实就是酒花、精油、树脂散发出的香气。不同酒花中香味物质的组成和比例不同，造就了千变万化的啤酒风味。经过这一系列过程，原本甘甜的麦芽汁变得略微发苦，被称为最终麦芽汁。酿造啤酒的最后一步就是往最终麦芽汁中加入酵母进行发酵。啤酒的发酵方式分为上面发酵和下面发酵两大类。他们使用的酵母和工艺条件不同，是艾尔啤酒和拉格啤酒最重要的区别之一。艾尔啤酒是用艾尔酵母进行上面发酵，上面发酵时温度较高，酵母会很快将麦芽汁中的糖分解成酒精和二氧化碳，同时产生丰富多样的脂类等其他产物。它们散发出不同的味道，让啤酒的味道更加丰富，所以阿尔啤酒往往有更多的风味，再配合上不同种类的麦芽、酒花等原材料，就能打造出种类繁多的啤酒产品。不过上面发酵容易产生过量的双乙酰和高级醇，双乙酰可能破坏啤酒的风味，高级醇在人体内代谢速度慢，大量饮用后很容易产生头晕、头痛等症状。另外，发酵时的升温还会导致酵母活性下酱，很难进行大规模发酵，这也就限制了它的产量。而拉格啤酒的发酵方式是下面发酵，使用的是拉格酵母。由于发酵温度和酵母活性较低，所以发酵速度慢，通常需要15到20天左右才能完成发酵。拉格酵母能将最终麦芽汁中的糖分彻底转化为酒精和二氧化碳，释放的高级醇和酯类较少。所以拉格啤酒的味道以纯粹的麦香味和酒花香味为主，清冽爽口，酒精度数较低，有些豪爽的大哥仅靠几盘花生米就能干掉一百多瓶。最近店里头有几位顾客点了117瓶啤酒，这个事情是真的吗？是真的，应该都是男的吧。在发酵后期，拉格啤酒中会悬浮有一些酵母以及少量杂菌和蛋白质等物质，看上去比较浑浊，这就是所谓的原浆啤酒。在夏日的青岛街头，这些放在桶里和塑料袋里的啤酒，就是直接从酒厂发酵罐中打出来的原浆啤酒。一般来说，原浆啤酒里保留的酵母菌以及发酵过程中产生的氨基酸、蛋白质、脂类等，麦香浓厚，风味最好，但由于含有酵母菌等微生物，所以保质期通常只有3到7天。将原浆啤酒通过微孔膜过滤，去除其中的酵母、大分子蛋白质等杂质，保留小分子蛋白质、脂类等风味物质，这就是我们平时能买到的纯生啤酒，它的价格比较高，保质期可以达到半年左右。而超市货架上最常见、最便宜的啤酒，则是经过严格过滤和巴氏杀菌法处理的熟皮，活的酵母菌、脂类、蛋白质等风味物质全部都被去除掉，清澈透明，口感简单，保质期可以达到一年。不同的啤酒风味不同，不同的人口味也不同，所以很难说哪种啤酒最好喝。如果你只是想把啤酒当成普通的爽口饮料，那超市货架上，原麦汁浓度较高的拉格啤酒通常能够满足你的需求。相对较低的酒精度也能避免你酒后出丑。如果你想尝试口感更丰富的啤酒，可以尝试一下艾尔啤酒。那么我们梳理了一些常见艾尔啤酒的风味特征，在后台回复啤酒即可获取这份表格，你可以据此挑选喜欢的啤酒。最后请注意酒精的安全摄入量为零，小酌也会伤身，请大家适度饮用。就算不考虑身体，你也得考虑自己的形象呀。你能表演一下这个吗？Library游戏。So if I would tell me. 喜欢我们的话，请一定要长按点赞一键三连哦。 第一章 第3节 发酵工程及其应用 本节聚焦： 1.掌握发酵工程的基本环节。 2.理解发酵工程在农业、食品工业、医药工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 从社会中来 1．发酵工程概念： 发酵工程是指利用微生物的特定功能，规模化生产人类所需产 品的综合性生物工程。 一、发酵工程 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 思考： 1、菌种的要求和相关处理？ 2、如何控制发酵过程？为什么要控制发酵过程？ 3、如何分离和提纯工业发酵产品？ (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 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。 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。 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 扩大培养的原因： 工业发酵罐的体积一般为几十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。 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。 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 ①配置培养基要遵循的原则： 即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。 ②配置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配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 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。 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 ①发酵过程的监控： 要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；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；严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，以获得所需的发酵产物。 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 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。 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 发酵工程的中心环节 一、发酵工程 控制溶解氧 调节罐压 ①增加溶氧量 ②使微生物与发酵液充分接触，混合均匀 分离、提纯产物的方法措施： 微生物细胞→过滤、沉淀等方法； 代谢物→适当的提取、分离和纯化措施 (2)发酵工程的基本环节： 一、发酵工程 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 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？ 一、发酵工程 思考·讨论 结合图1-9，分析和讨论以下问题。 需要考虑的因素包括： ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖 ②生产所需代谢物的产量高 ③发酵条件容易控制 ④菌种不易变异、退化等。 2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 一、发酵工程 思考·讨论 结合图1-9，分析和讨论以下问题。 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。 3. 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。因为在进行发酵生产时，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次清洁或灭菌处理。 4. 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？ 一、发酵工程 思考·讨论 结合图1-9，分析和讨论以下问题。 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査，合格后才能成为正式产品。 2.发酵工程的应用： 二、发酵工程的应用 1.发酵工程的特点： 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。 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统发酵食品 a.以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。 b.以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统发酵食品 啤酒的工业发酵流程 发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段 (1)主发酵:完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成等。 (2)后发酵:在低温、密闭的环境下进行,以形成澄清、成熟的啤酒。 啤酒花 (1)酿酒不可缺少的一味原材料,在酿酒过程中具有天然防腐、延长啤酒保质期的作用。(2)形成啤酒的细腻泡沫。(3)能平衡麦汁甜度使啤酒变得可口。 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统发酵食品 啤酒的工业发酵流程 1. 与传统的手工发酵相比，在下面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？ 二、发酵工程的应用 思考·讨论 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。 2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿” 啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？ 二、发酵工程的应用 思考·讨论 应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。 “精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 二、发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ②生产各种各样的食品添加剂 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 a.柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得。 b.由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ②生产各种各样的食品添加剂 常见的几种食品添加剂 二、发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ③生产酶制剂 常用酶制剂有α－淀粉酶、β－淀粉酶　、果胶酶、氨基肽酶　 和脂肪酶等。目前，已有50多种酶制剂成功用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。 二、发酵工程的应用 （2）在医药工业上的应用 【发酵工程生产药物的方法】 ①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，通过发酵技术大量生产所需产品。 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 ③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。 二、发酵工程的应用 （2）在医药工业上的应用 【应用实例】 ①生产抗生素 例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 ②生产多种氨基酸 许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。 二、发酵工程的应用 （2）在医药工业上的应用 【应用实例】 ③生产激素 利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。 ④生产免疫抑制剂 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料 利用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，促进植株生长。 利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 ②生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来繁殖病虫害。 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 微生物农药防治和化学农药防治的比较 二、发酵工程的应用 （3）在农牧业上的应用 ③生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。 二、发酵工程的应用 （4）在其他方面的应用 对纤维素水解研究，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义。 嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 本章小结 一、概念检测 与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 1. 发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。( ) 2. 发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。( ) 3. 在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。( ) 4. 通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。( ) ~~~~~练习与应用~~~~~ × √ √ × 二、拓展应用 1. 在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1) 青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示：血红蛋口具有携带O2的能力) ~~~~~练习与应用~~~~~ 可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 二、拓展应用 1. 在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (2) 在发酵过程中，总有头抱霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头抱霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产青霉素.或者只生产头抱霉素呢？ ~~~~~练习与应用~~~~~ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 二、拓展应用 2. 通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、 小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃 料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调査显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、 CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食, 会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料, 评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。 ~~~~~练习与应用~~~~~ 这一风险是存在的。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 一、概念检测 与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 1. 发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。( ) 2. 发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。( ) 3. 在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。( ) 4. 通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。( ) ~~~~~练习与应用~~~~~ × √ √ × 1．下列有关发酵工程的叙述，正确的是(　　) A．单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质 B．可通过诱变育种、基因工程等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养 C．发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵 D．通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等 B 随堂练习 解析： 单细胞蛋白是指利用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，A错误； 工程菌多为原核生物，可通过诱变育种、基因工程等方法，选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养，B正确； 传统发酵技术和现代发酵工程最大的相同之处是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产，C错误； 通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH等的控制，D错误。 随堂练习 2．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵 过程的研究。下列叙述正确的是(　　) A．为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温 B．给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间 C．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．若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采 用稀释涂布平板法 C 随堂练习 解析： 酵母菌发酵的适宜温度为18～30 ℃，A错误； 在发酵过程中需要给发酵罐适时排气，随着发酵过程的进行，产生的二氧化碳越来越少，后期可延长排气间隔时间，B错误； 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，C正确； 对酵母菌进行计数还可以采用显微镜直接计数法，D错误。 随堂练习 3．下列有关发酵工程应用的叙述，错误的是(　　) A．发酵完成后分离出的菌体不一定都可作为动物饲料 B．发酵工程也能用于传统发酵食品的生产 C．利用基因工程选育的菌种可用于酶制剂、疫苗、激素等的生产 D．将发酵液中的微生物分离出来就是微生物肥料，可大大增进土壤肥力 D 解析： 微生物肥料是指微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等，D错误。 随堂练习 4．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答下列相关问题。 (1)图中①表示的育种方法是__________________。 (2)人工控制微生物代谢的措施包括________________和__________________。 (3)在生产过程中，常需增加通氧量，据此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为____________细菌。 诱变育种 改变微生物遗传特性 控制生产过程中的各种条件 好氧 随堂练习 (4)当发酵生产的产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用__________________等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。产品是代谢物时，可根据产物的性质采取适当的__________________和纯化措施来获得产品。 过滤、沉淀 提取、分离 随堂练习 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) $$