1.3 发酵工程及其应用-【步步高】2023-2024学年高二生物学选择性必修3 生物技术与工程（人教版，苏冀）

第3节　发酵工程及其应用 [学习目标]　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。 1．发酵工程的基本环节 2．发酵罐 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 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。 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、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应用实例 a．生长激素释放抑制激素最初从羊脑中提取，远远不能满足需要，利用经过基因改造的微生物进行发酵生产，产量大幅提升，价格降为原来的几百分之一。 b．将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。 c．未来甚至还可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 (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。 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。 判断正误 (1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　) (2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(　　) (3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　) (4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(　　) (5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)× 解析　(1)发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。(3)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。(4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，且废弃物对环境污染小，容易处理。(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。 任务：发酵工程基本环节分析及应用 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的因素：能在低成本的培养基上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如温度、pH、溶解氧等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。 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　在发酵过程中，要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。及时添加必需的营养组分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 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　传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，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。在发酵工程中，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；因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 5．与传统的手工发酵相比，在啤酒的工厂化生产中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 提示　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。 1.(多选)(2023·江苏盐城高二期末)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，下列说法正确的是(　　) A．①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏或离子交换等) B．赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式 C．由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量 D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件 答案　ABC 解析　人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。 2．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 答案　B 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。 题组一　发酵工程的基本环节 1．下列关于发酵工程的菌种的说法，错误的是(　　) A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来 B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种 C．发酵工程的菌种可以来自基因工程 D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种 答案　B 解析　发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降，因此，培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌，故发酵工程的菌种不可以利用原材料中含有的菌种；发酵工程的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和基因工程育种获得。 2．下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是(　　) A．菌种选育是发酵工程的中心环节 B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢物的形成 D．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径 答案　C 解析　发酵工程的基本环节包括菌种选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面，其中发酵是发酵工程的中心环节，A错误；发酵过程中应随时检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行，B错误；在发酵工程的发酵环节中，发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径，D错误。 3．(2023·河北沧州高二检测)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好氧的谷氨酸棒状杆菌。下列有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是(　　) A．配制高浓度营养物质的培养基，会使谷氨酸棒状杆菌大量繁殖 B．用一般的过滤、沉淀等方法无法将谷氨酸从培养液中分离提取出来 C．排出发酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和产量的提高 D．发酵液pH呈碱性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺 答案　B 解析　谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，培养基中营养物质的浓度要合适，若浓度过高，不利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，A错误；谷氨酸是小分子物质，单纯的过滤、沉淀等方法不能将谷氨酸从培养液中分离提取出来，B正确；谷氨酸发酵过程中，当谷氨酸合成量过多时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而使谷氨酸的合成过程中断，因此需要及时地排出谷氨酸，才可以解除此抑制作用，有利于谷氨酸的合成和产量的提高，C错误；谷氨酸发酵过程中，当发酵液的pH为酸性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺和N­乙酰谷氨酰胺，D错误。 4．(2023·江苏苏州高二月考)下列有关发酵工程基本环节的叙述中，不合理的是(　　) A．由于工业发酵罐所需接入的菌种总体积一般都比较大，所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养 B．在菌种确定之前，要先制备好培养基 C．发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种 D．如果发酵产品是代谢物，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 答案　B 解析　培养基要在菌种确定之后，再选择原料制备。而且在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 题组二　发酵工程的应用 5．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。下列叙述错误的是(　　) A．传统发酵技术多是混合菌种发酵，发酵工程一般为纯种发酵 B．通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白 C．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 D．发酵工程通常可以采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的产品 答案　B 解析　单细胞蛋白是指以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废料等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，而并非微生物的代谢物，B错误。 6．下列关于发酵工程在食品工业上的应用的叙述，错误的是(　　) A．生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B．生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养 C．生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D．生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 答案　B 7．(2023·江苏徐州高二期末)高酒精度啤酒(酒精浓度≥7.5%vol)由于其高酒精度、高发酵度、低残糖等特点，受到越来越多消费者的青睐，其酿造工艺如图所示。下列叙述错误的是(　　) A．生产啤酒用的发酵罐和大麦汁等原料都需要经过灭菌消毒 B．多次分批补加葡萄糖可以减少发酵初期的高渗透压对酵母菌细胞代谢的影响 C．主发酵过程中还原糖主要用于有氧呼吸，其产生的CO2会使pH下降 D．发酵过程中要适时往外排气，后发酵时期可以延长排气时间间隔 答案　C 解析　主发酵过程中还原糖主要用于无氧呼吸产酒精，同时无氧呼吸产生的CO2会使pH下降，C错误；发酵过程中要适时往外排气，后发酵时期由于糖类物质不充足，产生的气体变少，可以延长排气时间间隔，D正确。 8．近年来，在农牧业生产上微生物肥料、微生物农药和微生物饲料得到广泛应用。下列相关叙述错误的是(　　) A．微生物肥料是利用微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等发挥作用 B．微生物农药指的是微生物的代谢物，而不是微生物本身 C．微生物饲料主要是利用微生物大量繁殖产生的高蛋白菌体来生产饲料的 D．单细胞蛋白被作为饲料使用，是因为微生物的蛋白质含量高，繁殖快 答案　B 解析　微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，B错误。 9．(2022·山东，14)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　青霉菌处于葡萄糖浓度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，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确；青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确；选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确；为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D错误。 10．(多选)某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述正确的是(　　) A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C．正常发酵过程中罐内的压力会低于大气压 D．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 答案　AD 解析　果酒发酵的适宜温度为18～30 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要通入空气，B错误；无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C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，D正确。 11．(多选)下列关于发酵工程在其他方面的应用，叙述正确的是(　　) A．利用纤维蛋白废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功 B．发酵原料的改变对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义 C．嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂 D．嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量 答案　BCD 解析　利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 12．(多选)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(　　) 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．糖化的目的是使淀粉分解形成糖浆 D．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 答案　ACD 解析　焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并保持酶的活性，不是为了灭菌，B错误。 13．(2023·江苏镇江高二检测)青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如图所示。请据图分析回答下列问题： (1)培育青霉素高产菌株的育种方法是 ，过程①②属于发酵工程的 环节，其主要目的是 。 (2)过程③不能用化学药物进行灭菌处理，原因是 。 (3)发酵过程中必须严格控制好 (至少答出3点)等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测 (至少答出2点)等，以了解发酵进程。 (4)过程④常用的方法是 。 答案　(1)诱变育种　扩大培养　快速增加菌种的数量　(2)残留在培养基中的化学药物会抑制青霉菌的生长繁殖　(3)温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质　微生物数量、产物浓度　 (4)过滤 14．谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。请回答下列问题： (1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是 (填字母)。 A．噬菌体　　　　　 B．人类免疫缺陷病毒(HIV) C．禽流感病毒 D．肺炎链球菌 E．酵母菌 F．硝化细菌 G．乳酸菌 (2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是 。 (3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的 ，而且还有调节培养液 的作用，所以应该分次加入。 (4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是 。 答案　(1)ABCE　(2)通气量不足　(3)氮源　pH (4)不断向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1，培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1(改变细胞膜的通透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外) 学科网（北京）股份有限公司 $$