1.4 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（苏教版）

第四节　发酵工程及其应用 [学习目标]　1.归纳微生物的特定功能。2.掌握发酵工程的一般过程。3.掌握发酵工程在医药业、食品业、农业及其他领域的广泛应用。 一、发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 1．发酵工程利用了微生物的特定功能 (1)微生物种类主要包括细菌、真菌和病毒等。 (2)微生物的特定功能 ①微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能。 ②微生物具有吸收多、转化快的特定功能，这为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。 ③微生物具有适应性强、易变异的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。 ④微生物还具有种类多、分布广的特点。许多微生物分别具有抵抗冷、热、酸、碱、高压、高辐射和适应有氧或无氧等环境的特定功能。 ⑤微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理代谢类型上。 2．发酵工程的一般过程 (1)发酵工程的概念 采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境条件下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。 (2)主要步骤 发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等。 (3)大型发酵罐 (4)发酵工程的自动调节控制 ①氧含量的调节可以通过通气量和搅拌的速度来实现，②温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的热交换作用来实现，③pH的调节可以通过在培养基中添加酸或碱等来实现。 (5)工业发酵的类型 ①根据发酵过程的操作方式不同，可将工业发酵分为分批发酵和连续发酵等。 ②分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。可分为延滞期、对数期、稳定期、衰亡期。 ③连续发酵：在一个培养基可流动的装置(如发酵罐)中，以一定的速率不断地放出老的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件(如pH)，使发酵过程保持相对稳定。 a．类型：包括单罐连续发酵和多罐连续发酵。 b．优点：简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率和单位时间产量等。 c．应用：在酒精、丙酮和丁醇等产品的生产中得到了成功的应用。 判断正误 (1)微生物适应性强、易变异的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障(　　) (2)酒精、啤酒等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素、乳酸等的生产属于需氧发酵(　　) (3)在生产上常选择稳定期的微生物作为“种子”(　　) (4)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产物的形成(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 任务一：发酵工程中微生物生长的分析 1．根据微生物的特定功能，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 提示　适应性强，能在低成本的培养基上生长；吸收多，转化快，能产生大量的代谢产物；发酵条件如温度、pH、溶解氧等易控制；菌种不易变异退化，及抗杂菌污染能力强等。 2．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　不能直接排放到外界环境中。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 3．下面是分批发酵中的细菌生长曲线，请据图回答下列问题： (1)在延滞期细菌浓度几乎没有变化，其原因是什么？ 提示　细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期，在此时期内，微生物一般不增殖。 (2)处于对数期的微生物有什么特点？ 提示　此时细胞分裂增殖旺盛，代谢活性高、生命力强。 (3)在稳定期细菌浓度维持稳定，此时限制细胞数量增加的主要因素是什么？怎样延长稳定期？ 提示　此时限制细胞数量增加的因素主要是资源、空间有限，种内竞争加剧。可通过及时补充营养物质或分离代谢产物，改善培养条件等来延长稳定期。 (4)在衰亡期细菌数量下降的原因是什么？ 提示　由于培养基中的营养物质的消耗，代谢产物积累和pH等环境条件的变化，导致微生物生长受到影响，生长速率降低，死亡速率逐步增加，从而使微生物数量逐步减少。 　发酵工程的一般过程 基本环节 内容或注意事项 发酵原料的预处理 对原料进行粉碎、蒸煮，水解成葡萄糖等供微生物利用 发酵培养基的配制 添加水、无机盐等营养物质，调节碳氮比和pH等 菌种选育 从自然界中筛选、通过诱变育种或基因工程育种获得 扩大培养 在发酵之前需要对菌种进行扩大培养，增加微生物的数量 灭菌 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 接种 将扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。发酵工程利用计算机控制系统，对发酵过程进行自动调节控制 发酵生产 分为厌氧发酵和需氧发酵两种。酒精、啤酒、乳酸等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素等的生产属于需氧发酵 产物的分离与提纯 发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体。通过过滤发酵液，离心去除固体杂质，采用蒸馏法等进一步纯化目标产品 1．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，下列叙述错误的是(　　) A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B．发酵过程中需要不断通入空气 C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 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　B 2．下列关于分批发酵和连续发酵的叙述，错误的是(　　) A．分批发酵即一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式 B．处于稳定期的微生物不再增殖 C．对数期的微生物因代谢活性高、生命力强，故常作为“种子” D．连续发酵具有简化发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵周期等优点 答案　B 解析　处于稳定期的微生物仍具有增殖能力，只是其增殖速率与死亡速率达到平衡。 二、发酵工程应用广泛 1．发酵工程的主要产品 产品类型 主要产物 微生物菌体细胞 酵母菌、食用菌、微生物农药 微生物酶类 各种酶、酶制剂和各种曲类 微生物代谢产物 初级代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素；次级代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物 微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素 工程菌发酵产物 通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益 动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等 2．发酵工程的应用领域 (1)发酵工程在医药业中的应用 主要包括生产各种抗生素、酶、氨基酸、激素和免疫制剂。 (2)发酵工程在食品业中的应用 ①除了应用于酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产调味品或发酵食品等。 ②还可以用于生产甜味剂(如葡萄糖、麦芽糖)和应用于食品加工(如生产各种单细胞蛋白)等。 (3)发酵工程在农业中的应用 在农业中的应用包括生产生物农药、生物增产剂、生物除草剂以及饲料添加剂等。 (4)发酵工程在其他领域的应用 ①发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥重要作用。 ②发酵工程还可以应用于污水处理或沼气发酵等方面。 判断正误 (1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物(　　) (2)生物农药主要指的是细菌杀虫剂(　　) (3)饲料添加剂包括通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、单细胞蛋白等(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)× 任务二：发酵工程应用案例的分析 植物乳杆菌属于乳酸菌的一种，在繁殖过程中可分泌一类具有抑菌活性的蛋白质，此种蛋白质称为细菌素，可作为良好的食品防腐剂。现有两种较高产细菌素的菌株，菌株A产细菌素能力强于菌株B，但菌株A细胞中的细菌素合成途径中缺少两个重要的调控基因plnC和plnD，而菌株B细胞中具有这两个基因。研究人员按如图所示流程对菌株A和B进行改良，获得了更高产细菌素的新型菌株C。请回答下列问题： 1．从细胞结构的角度分析，植物乳杆菌属于什么生物？其合成细菌素等生命活动所需的能量由什么生理过程提供？ 提示　植物乳杆菌属于原核生物。所需的能量由无氧呼吸过程提供。 2．抗生素是由微生物产生的具有较强抑菌杀菌效果的小分子有机物。请结合所学知识及相关信息，分析将细菌素而非抗生素用作食品防腐剂的优势有哪些。 提示　无毒、无副作用、无残留、少污染等。 3．下列不属于发酵工程的应用的是(　　) A．生产抗生素、维生素、药用氨基酸等 B．生产啤酒、果酒和食醋等 C．化学检测和水质监测 D．生产各种各样的食品添加剂 答案　C 解析　生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋等，生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。 4．(多选)下列有关发酵工程及其应用的叙述，正确的是(　　) A．发酵工程生产所用菌种都是对自然界分离的菌种进行定向改造后获得的 B．发酵饲料、青贮饲料和单细胞蛋白都是很好的微生物饲料 C．利用发酵工程可以产生微生物肥料来增加土壤肥力、改善土壤结构、促进植株生长，如根瘤菌肥、固氮菌肥等 D．利用发酵工程生产的微生物代谢物可以用蒸馏、过滤、沉淀等方法提取 答案　BC 解析　发酵工程生产用的菌种可通过从自然界分离、诱变育种、基因工程育种获得，A错误；发酵工程在农业上的应用有生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等，微生物肥料可以增加土壤肥力、改善土壤结构、促进植株生长，C正确；微生物代谢物的提取，采用分离和纯化等方法进行，D错误。 题组一　微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 1．下列关于微生物特定功能的叙述，错误的是(　　) A．微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能 B．微生物具有吸收多、转化快的特定功能 C．微生物具有适应性强、易变异的特定功能，且只能发生基因突变 D．微生物具有种类多、分布广的特点 答案　C 解析　微生物也包括真菌，真菌属于真核生物，除能发生基因突变外，也能发生染色体变异等。 2．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括(　　) A．温度控制 B．溶解氧控制 C．pH控制 D．酶的控制 答案　D 解析　微生物的生活需要适宜的温度和pH；溶解氧的多少直接影响到发酵产物的生成，都需要加以控制；酶由微生物细胞产生，对微生物细胞的代谢有催化作用，通常不需要加以控制。 3．发酵工程基本环节主要包括①获得产品、②扩大培养、③分离提纯产物、④灭菌、⑤配制培养基、⑥发酵罐内发酵、⑦菌种选育、⑧接种。下列排序正确的是(　　) 答案　C 4．酵母菌培养过程中的生长曲线如图所示，a、b、c、d分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产用菌种的时期是(　　) A．a B．b C．c D．d 答案　B 解析　常作为生产菌种和科研材料的细菌群体，应该是代谢旺盛、个体形态和生理特性比较稳定的时期，曲线b时期菌体代谢最旺盛，生理特性比较稳定，是生产用菌种的最佳时期。 5．传统发酵技术和现代发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，下列微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是(　　) ①酵母菌　②醋酸菌　③乳酸菌　④毛霉　⑤谷氨酸棒状杆菌 A．④⑤ B．①②④⑤ C．①②③ D．②④⑤ 答案　D 解析　酿酒是利用酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵的原理，发酵过程不需要提供氧气；醋酸菌是好氧细菌，在氧气充足条件下才能进行醋酸发酵，故需要提供氧气；乳酸菌为厌氧细菌，无氧条件下生成乳酸，不需氧气；毛霉为需氧型真核生物，发酵过程需要提供空气或氧气；谷氨酸棒状杆菌为需氧菌，在生产谷氨酸过程中需要不断充入无菌空气。 题组二　发酵工程应用广泛 6．下列关于发酵工程应用的叙述，错误的是(　　) A．红链霉产生的红曲色素可以用作食品添加剂 B．曲霉产生的葡聚糖酶可以预防龋齿 C．产黄青霉产生的青霉素是其次级代谢产物 D．可以通过发酵工程生产甜味剂 答案　A 解析　红曲色素是由红曲霉产生的，而不是由红链霉产生的，A错误。 7．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　) A．酵母菌可以作为酿制酱油、生产啤酒的菌种 B．接种固氮菌可增加土壤氮肥的肥力 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．用液体培养基可大规模生产流感病毒减毒疫苗 答案　D 解析　流感病毒减毒疫苗是流感病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。 8．如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是(　　) A．改变面包霉的细胞质膜通透性 B．在高温、高压下进行发酵 C．对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种 D．对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶②的菌种 答案　C 9．下列有关发酵工程应用的说法，错误的是(　　) A．发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品 B．柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产 C．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D．发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料 答案　C 解析　乙肝疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产乙肝疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，乙肝疫苗单位时间内的产量高，C错误。 10．现代化酿醋工艺离不开对高产菌株的选择，欲探究菌株a是否为高产类型，实验设定的自变量和无关变量分别是(　　) A．菌株a和普通菌株；醋酸的产量 B．醋酸的产量；菌株a和普通菌株 C．菌株a和普通菌株；发酵底物、温度、pH等 D．是否提供氧气；发酵底物、温度、pH等 答案　C 解析　由题意“欲探究菌株a是否为高产类型”可知，自变量是菌株a和普通菌株，因变量是醋酸的产量，无关变量是发酵底物、温度、pH等，C符合题意。 11．(多选)发酵工程利用微生物的特定功能，为人类生产多种多样的产品，下列叙述正确的是(　　) A．微生物生长旺盛、代谢快，从而保证了在短时间内可以获得大量的发酵产品 B．微生物适应性强且不易变异，从而保障了菌种稳定的生产性能 C．微生物种类多、分布广，其具有的耐酸、耐碱、耐高温等功能可被人们加以利用 D．微生物代谢类型多样，选择不同代谢类型的微生物可以获得满足人类不同需要的产品 答案　ACD 解析　微生物具有适应性强、易变异的特定功能，根据这一特性，人们可以通过育种大幅度提高菌种的生产性能，B错误。 12．(多选)(2022·山东，14改编)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，下列说法正确的是(　　) 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　ABC 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。 13．(多选)下列关于发酵工程的说法，正确的是(　　) A．发酵工程产品主要是指微生物的代谢物、酶和菌体本身 B．可以通过人工诱变选育新菌株 C．培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌 D．环境条件的变化既影响菌种的生长繁殖又影响菌体代谢物的形成 答案　ABD 解析　可以从自然界中筛选优良菌种，也可以通过人工诱变等选育新菌株，B正确；培养基、发酵设备必须经过严格的灭菌，菌种是经选育而获得的，灭菌会杀死菌种，C错误；环境条件如培养温度、pH改变，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌体代谢产物的形成，D正确。 14．(多选)发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。消灭杂菌，获得纯种的方法包括(　　) A．根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸 B．根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子 C．根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基 D．根据微生物对抗生素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗生素 答案　BCD 解析　根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA)并不会直接影响到微生物自身的遗传组成，即使其被微生物利用，也是被分解为核苷酸后才能利用，所以培养基中加入不同比例的核酸，不会对微生物起选择作用，A错误。 15．我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。请回答下列问题： (1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为___________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(指培养一段时间后，将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。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。 (2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60 g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60 d以上。该系统不需要灭菌的原因是_____________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ________________________(答出两点即可)。 (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H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。 答案　(1)唯一碳源　稀释涂布平板　(2)盐浓度为60 g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制　(3)氧气浓度 解析　(2)根据题干信息可知，该发酵系统的环境为高盐浓度和高pH，一般的微生物不能在这种环境中生长繁殖。(3)根据题目信息“产生了少量乙醇”，说明发酵过程中氧气不充足，进行了无氧呼吸。 16．(2022·泰州高二期中)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，多选)。 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。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是__________________，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)异养兼性厌氧型　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 学科网（北京）股份有限公司 $$