第1章 第3节 发酵工程及其应用（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物学选择性必修第三册（人教版2024）

第3节　发酵工程及其应用 [课标要求] 1.说出发酵工程的概念(生命观念)。　2.阐明发酵工程的流程(生命观念、科学思维)。　3.举例说明发酵工程的应用(科学思维)。　4.关注发酵工程在食品、医药、农牧业的应用，倡导健康、安全的生活和生产方式(社会责任)。 知识点1　发酵工程的基本环节 1.发酵工程的概念(教材P1) 利用__微生物__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。 2．发酵工程的基本环节及解读 【辨正误】 (1)在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。(　√　) (2)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。(　√　) (3)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。(　×　) 发酵工程与传统发酵技术都要利用微生物来进行发酵。 (4)分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白，可采用过滤、沉淀等方法。(　√　) (5)在发酵工程发酵环节，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。(　√　) 知识点2　发酵工程的应用1.发酵工程的优势 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。 2．发酵工程应用实例 (1)在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品 a．以__大豆__为主要原料，利用产生__蛋白酶__的霉菌(如黑曲霉)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。 ②生产各种各样的食品添加剂 食品添加剂不仅可以增加食品的__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。 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。 (2)在医药工业上的应用 ①发酵工程可以生产抗生素、__多种氨基酸__、激素和__免疫调节剂__等。 ②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 a．作用：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。有的微生物肥料还可以抑制土壤中__病原微生物__的生长，从而减少病害的发生。 b．类型：常见的有__根瘤菌__肥和__固氮菌__肥等。 ②生产微生物农药 a．原理：微生物农药利用微生物或__其代谢物__来防治病虫害。 b．实例：苏云金杆菌可以用来防治__80__多种农林虫害；利用__白僵菌__可以防治玉米螟、松毛虫等虫害；一种放线菌产生的抗生素——__井冈霉素__可以用于防治水稻枯纹病。 ③生产微生物饲料 a．单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物__菌体__即单细胞蛋白。 b．在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料__保鲜__，动物食用后还能提高__免疫力__。 (4)在其他方面的应用 ①利用纤维废料发酵生产酒精、__乙烯__等能源物质。 ②极端微生物的利用，如__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。 【辨正误】 (1)通过发酵工程，可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。(　×　) 单细胞蛋白是通过发酵工程获得的大量的微生物菌体。 (2)食品工业中使用的酶制剂全是通过发酵工程生产的。(　×　) 食品工业中使用的酶制剂绝大多数是通过发酵工程生产的，但也有少数是由动植物生产的。 (3)苏云金杆菌可用来防治80多种农林虫害，这是微生物农药的应用例证之一。(　√　) (4)乳酸菌可以代替酵母菌用于乙醇的生产。(　×　) 乳酸菌无氧呼吸的产物是乳酸，没有乙醇，不能代替酵母菌用于乙醇的生产。 (5)嗜热菌有助于提高热敏性产品的产量。(　×　) 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 1．(教材P22“发酵工程的基本环节和发酵罐示意图”)请完善发酵工程的基本环节流程图。 2．(教材P24“思考·讨论”变式训练)阅读“啤酒工业化生产流程”内容，完成下列问题： (1)将下列啤酒的工业化生产流程按照正确的顺序排列__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)将啤酒的工业化生产流程各环节和对应的作用连线。 探究点1　发酵工程的基本环节 下图为发酵工程生产产品的流程图。请据图思考下列问题： (1)用于发酵的优良菌种可通过哪些途径获得？ (2)发酵工程的中心环节是什么？该环节除了要随时检测发酵进程、及时添加培养基组分外，还要严格控制哪些发酵条件？ (3)针对发酵得到的产品类型，可采用不同方法获得产品。如果产品是微生物细胞本身，则获得产品的方法是什么？如果产品是代谢物呢？ (4)若该发酵是针对谷氨酸的发酵生产，在中性或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，其原因是什么？ 提示　(1)用于发酵的具有优良性状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)发酵罐内发酵是发酵过程的中心环节，发酵过程中除了随时检测发酵进程、及时添加必需的营养成分，还要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与搅拌速度等发酵条件。 (3)不同微生物产品分离、提纯方法不同，如果产品是微生物细胞本身，可用过滤、沉淀等方法将菌体分离与干燥；如果产品是代谢物，可根据产品的性质采取适当的方法提取、分离和纯化。 (4)在发酵过程中，不同条件下的产物可能不同，其原因是环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且也会影响微生物代谢物的形成。 1．对发酵工程概念的理解 原理 发酵原理和工程学原理 所用 生物 自然界筛选的常规菌种、基因工程改造的“工程菌”菌种等 过程 实质 通过微生物的大量繁殖获得所需产品 产物 代谢物和菌体本身 2.发酵工程的基本环节 基本环节 主要方法及目的 选育菌种 选育方法：从自然界中筛选；诱变育种；基因工程育种 扩大培养 快速增加菌种数量 配制 培养基 结合菌种的代谢特点配制培养基 灭菌 避免因杂菌污染而影响产品品质和产量 接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 发酵罐内 发酵 ①监测并控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态； ②随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，还要及时添加必需的营养成分等 分离、 提纯产物 ①若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、干燥； ②若发酵产品是代谢物，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 【例1】 随着人们对发酵原理认识的不断深入、微生物纯培养技术的建立以及密闭式发酵罐的成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程过程的叙述，错误的是(　　) A．发酵工程的过程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等 B．选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的 C．扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖，便于得到足够多的菌种 D．产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法 答案　B 解析　发酵工程的过程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等步骤，A项正确；选育菌种的方法总体上分为两种，一种是直接从自然界中筛选出常规菌种，另一种是通过基因工程育种或者诱变育种获得“工程菌”菌种，B项错误；发酵工程的发酵装置很大，必须接种足量的菌种才能保证其产量，因此接种前要进行扩大培养来增加菌种的数量，C项正确；发酵工程的产品有两种类型，如果发酵产品是菌体本身，可以采用过滤、沉淀等方法进行分离、提纯，如果发酵产品是代谢物，需要根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离、提纯，D项正确。 探究点2　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)下列哪些产品需要利用发酵工程技术进行生产？ ①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素　③工厂化生产青霉素 (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　(1)①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术手段。 (2)酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产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。 1．啤酒的工业化生产流程 工业化生产啤酒时的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。 2．发酵工程生产的相关产品及所用的微生物 3．微生物肥料与微生物农药的应用原理分析 (1)微生物肥料应用的原理 ①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，促进植物生长。 ②利用微生物或其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。 (2)微生物农药防治虫害与化学农药防治的比较 项目 微生物农药防治 化学农药防治 防治 机理 利用微生物或其代谢物进行防治 利用化学药剂(如杀虫剂、杀鼠剂等)进行防治 优点 成本低、无污染，可以维持生态平衡 见效快，操作简单 缺点 防治速度慢 成本高，污染环境，不利于维持生态平衡 【例2】 如图为某啤酒厂的生产工艺流程，回答下列问题： (1)过程①的目的有两个：一是破坏细胞结构释放出________，从而增加可溶性糖的含量；二是杀死胚，从而减少可溶性糖的消耗。 (2)过程②的目的是_______________________________________________ _________________________。 (3)啤酒花可使啤酒具有独特的苦味和香气，并具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有____________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________(至少答出2点)。 (4)过程④控制的气体条件是__________。该过程可通过检测__________来了解发酵进程。 (5)未经过程⑤分装的啤酒称为“生啤”或“鲜啤”，经过程⑤并且过滤、消毒、调制后的啤酒为“熟啤”。你认为保质期较长的是________(填“生啤”或“熟啤”)，更容易引起部分人发生肠道过敏反应的是________(填“生啤”或“熟啤”)，原因是___________________________________________________。 解析　(1)过程①的目的有两个：一是破坏细胞结构释放出淀粉酶，从而增加可溶性糖的含量；二是杀死胚，从而减少可溶性糖的消耗。(2)过程②的目的是分解淀粉、形成糖浆。(3)啤酒花可使啤酒具有独特的苦味和香气，并具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有产生风味组分，使淀粉酶失去活性，并对糖浆灭菌等。(4)过程④控制的气体条件是隔绝空气。该过程可通过检测酵母菌种群数量、酒精含量等来了解发酵进程。(5)未经过程⑤分装的啤酒称为“生啤”，经过程⑤并且过滤、消毒、调制后的啤酒为“熟啤”。保质期较长的是熟啤，更容易引起部分人发生肠道过敏反应的是“生啤”，原因是未经过滤、消毒的生啤中含有较多的微生物和固形物，这些物质中可能含有引起过敏反应的过敏原。 答案　(1)淀粉酶　(2)分解淀粉、形成糖浆　(3)产生风味组分，使淀粉酶失去活性，并对糖浆灭菌　(4)隔绝空气　酵母菌种群数量、酒精含量等　(5)熟啤　生啤　未经过滤、消毒的生啤中含有较多的微生物和固形物，这些物质中可能含有引起过敏反应的过敏原 【例3】 (2024·山东)在发酵过程中，多个黑曲霉菌体常聚集成团形成菌球体，菌球体大小仅由菌体数量决定。黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧。菌体内铵离子浓度升高时，可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制。下列说法错误的是(　　) A．相同菌体密度下，菌球体越大柠檬酸产生速率越慢 B．发酵中期添加一定量的硫酸铵可提高柠檬酸产量 C．发酵过程中pH下降可抑制大部分细菌的生长 D．发酵结束后，将过滤所得的固体物质进行干燥即可获得柠檬酸产品 答案　D 解析　黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧，相同菌体密度下，菌球体越大越不利于菌体与氧气接触，柠檬酸产生速率越慢，A项正确；菌体内铵离子浓度升高时，可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制，因此发酵中期添加一定量的硫酸铵，提高铵离子浓度，可提高菌体内柠檬酸产量，B项正确；发酵过程中pH下降导致细菌生命活动所必需的酶失活，可抑制大部分细菌的生长，C项正确；发酵结束后，将过滤所得的固体物质进行分离、纯化、浓缩、干燥等一系列操作后才能获得柠檬酸产品，D项错误。 【例4】 (2023·山东)(不定项)果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产相比，共同点有(　　) A．都利用了酵母菌无氧呼吸产生酒精的原理 B．都需要一定的有氧环境供发酵菌种繁殖 C．发酵前都需要对原料进行灭菌 D．发酵结束后都必须进行消毒以延长保存期 答案　AB 解析　二者均利用了酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的原理，A项正确；发酵前期，均需要一定的有氧环境，使酵母菌大量繁殖，B项正确；果酒的家庭制作不需要对原料进行灭菌，C项错误；果酒的家庭制作不需要进行消毒，D项错误。 把握发酵工程相关问题的“二看一必须” 核心知识小结 [网络构建] [答题必备] 1．发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 2．发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境污染小和容易处理等特点。 3．发酵工程在食品工业、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。 4．人们可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。 1．(2022·山东改编)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 答案　B 解析　赤霉素能促进种子的萌发，据此可推测若用赤霉素处理大麦，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项正确；焙烤可以杀死大麦种子的胚，但不使淀粉酶失活，B项错误；啤酒发酵中，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(防止高温杀死菌种)后再接种酵母菌进行发酵，C项正确；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项正确。 2．(2022·湖北)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 答案　A 解析　依据题图可知，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项正确；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项错误；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是利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质的，C项错误；沼气池废料生产蛋白质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项错误。 3．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　) A．黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种 B．啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品 C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 答案　D 解析　黑曲霉产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，进一步加工可得到酱油，柠檬酸可通过黑曲霉发酵制得，A项正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等手段获得酵母细胞(单细胞蛋白)，将滤液加工后可得到啤酒，B项正确；纤维废料分解得到葡萄糖，经过葡萄糖分解得到酒精，既减少了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C项正确；乙型肝炎疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产乙型肝炎疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，单位时间内乙型肝炎疫苗的产量高，D项错误。 4．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．正常发酵过程中罐内的压力低于大气压 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，则只能采用稀释涂布平板法 答案　C 解析　正常发酵过程中，酵母菌无氧呼吸不消耗气体，但是不断产生二氧化碳，因此罐内的压力不会低于大气压，A项错误；在发酵过程中需要给发酵罐适时排气，随着发酵过程的加深，产生的二氧化碳越来越少，后期可延长排气间隔时间，B项错误；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项正确；对酵母菌进行计数除采用稀释涂布平板法之外，还可以采用显微镜直接计数法，D项错误。 5．下图为发酵工程生产产品的流程图，据图回答下列问题： (1)若能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①应该是__基因工程__；若高产青霉素菌种是通过②培育的，②应该是__诱变育种__。 (2)各种培养基的具体配方不同，但一般都含有__碳源、氮源、水、无机盐__等营养成分。培养基在使用之前可用__高压蒸汽灭菌法__进行灭菌。 (3)整个过程的中心环节是__发酵罐内发酵__，在该时期要随时取样检测培养基中的__微生物数量、产物浓度__等。同时，要严格控制__溶解氧、pH和温度__等发酵条件，因为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。 (4)在发酵过程中要不断搅拌的目的： ①__增加溶解氧__； ②__使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率__。 (5)发酵产品分离、提纯时要根据产品的类型不同选择合适的方法。如果发酵产品是菌体本身，常常采用__过滤、沉淀__等方法分离、提纯；如果发酵产品是微生物的代谢物，还要根据__产物的性质__采取适当的方法分离、提纯。 学科网（北京）股份有限公司 $$