1.3.2 发酵工程及其应用价值-【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（浙科版）

第2课时　发酵工程及其应用价值 [学习目标]　1.概述发酵工程的基本过程。2.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。 1．发酵工程的基本过程 2．发酵工程的基本环节 3．发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值 判断正误 (1)菌种扩大培养时，常将菌种接种到固体培养基中培养(　　) (2)发酵过程中的pH、氧气、温度等影响发酵产物(　　) (3)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(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)× 任务：发酵工程的过程 1．选育发酵工业用的菌种需要考虑哪些因素？ 提示　发酵工业所使用的菌种与在实验室中培养的某种目标微生物不同，需要满足以下5个条件：第一，应选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少；第二，培养基来源充足且廉价，被转化的效率高；第三，菌种发酵产物易于分离；第四，菌种对环境没有明显或潜在的危害；第五，菌种的遗传特性和生产能力稳定。 2．如何对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？ 提示　需要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，同时添加必要的营养组分，保证发酵生产高效顺利进行。 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的组分，而是复杂的混合物，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。在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，常采用过滤、离心、沉淀、萃取和蒸馏等方法；在进一步纯化阶段，会采用离子交换、层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢产物还是菌体本身，都需要经过质检合格后才能成为正式产品。 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。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢产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。 　发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法 温度 ①微生物分解有机物释放的能量会有一部分散发到培养液中时，引起发酵温度升高，机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高； ②用冷却水进行温度的调节 pH ①pH发生变化的主要原因是培养液中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降，而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升； ②在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中添加酸或碱 溶解氧 ①对于好氧型微生物，发酵过程要保证充足的溶解氧；对于厌氧型微生物，要保证严格的无氧环境； ②利用发酵罐的通气口控制氧气的量 1．(2023·金华高二期末)以下关于传统发酵与现代发酵工程的说法中，错误的是(　　) A．影响传统发酵食品风味的因素包括菌种差异、代谢特点以及种间关系 B．现代发酵工业大多采用好氧、液体、深层、分批及单一纯种发酵的方式组合进行 C．选育优质、高产的菌种是发酵工业的前提条件 D．如果发酵产品是微生物菌体，则可以采用吸附发酵进行产品的分离与提纯 答案　D 解析　如果发酵产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来，D错误。 2．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．发酵工程生产的微生物菌体可以制作成微生物饲料 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，单位时间内乙肝疫苗的产量高，C错误。 题组一　发酵工程的基本过程 1．现代发酵工程使用的大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程的一些指标进行监测和控制。下列指标无法监测的是(　　) A．菌体大小 B．pH C．溶解氧 D．温度 答案　A 2．发酵工程的正确操作过程是(　　) ①大型发酵　②发酵培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　⑤菌种的选育　⑥扩大培养　⑦接种 A．⑤②⑥⑦①③④ B．⑤⑥②③⑦①④ C．②⑤③⑦①⑥④ D．⑦⑥⑤②③①④ 答案　B 3．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，获得纯种的方法不包括(　　) 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　A 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。 4．(2023·绍兴高二期末)影响发酵工程的因素很多，下列叙述错误的是(　　) A．发酵工程需考虑培养基的来源和转化效率 B．培养基中各种营养物质的比例也会影响微生物的生长 C．发酵生产中，需要随时监控影响发酵过程的各种环境条件 D．选育获得优良菌种后，可以长期传代并用于大规模发酵生产中 答案　D 解析　选育获得优良菌种后，并不能长期传代使用，因为可能会发生变异，D错误。 5.某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 答案　C 解析　酵母菌发酵的适宜温度为25 ℃左右，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；若定期对培养液中酵母菌进行计数，除可以采用稀释涂布平板法外，还可以采用显微镜计数法，D错误。 题组二　发酵工程的应用 6．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工业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋，生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品工业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。故选C。 7．下列关于发酵工程应用的叙述，不正确的是(　　) A．所有抗生素都是微生物发酵的产物 B．微生物发酵的食品和饮料在生活中比比皆是，其产品的品种多、数量大、产值高 C．近年来，在医药领域开发的酶抑制剂、免疫调节剂等也是微生物发酵的产物或衍生物 D．发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值 答案　A 解析　绝大多数抗生素是微生物发酵的产物，或由微生物发酵产物加工而成，A错误。 8．(2023·温州高二期中)下列有关发酵工程应用的叙述，不合理的是(　　) A．生产酱油、味精等食品添加剂和各种酶制剂 B．某些疫苗、动物激素是利用基因改造或转基因的酵母菌发酵生产的 C．利用微生物在发酵过程中的代谢产物生产微生物菌肥、农药、饲料酵母等 D．嗜热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 答案　C 解析　利用微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质生产微生物菌肥，利用微生物或其代谢产物生产微生物农药，利用发酵获得的大量微生物菌体生产微生物饲料，C错误。 9．下列哪项不是发酵过程中要完成的(　　) A．随时取样检测培养液中的微生物数目、产物浓度 B．不断添加菌种 C．及时添加必需的营养组分 D．严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件 答案　B 解析　发酵罐内微生物在适宜的条件下会迅速繁殖，因此，发酵过程中不需要不断地添加菌种，B错误。 10．利用农作物秸秆等纤维质原料生产的乙醇，经加工可制成燃料乙醇，从而减少了对石油资源的依赖。如图为生产燃料乙醇的简要流程，据图分析，下列叙述不正确的是(　　) A．要得到微生物A，最好选择富含纤维素的土壤采集土样 B．图中②过程常用的微生物B是酵母菌 C．微生物A和微生物B可利用的碳源相同 D．可用纤维素酶制剂代替微生物A起作用 答案　C 解析　微生物A所用碳源为纤维素，微生物B所用碳源为纤维素降解物，C错误。 11．下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是(　　) A．优良菌种只能通过诱变育种或基因工程获得 B．扩大培养用液体培养基，目的是增加菌种数量 C．发酵产品若是微生物细胞本身，可以通过提取、分离和纯化获得 D．发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成都与搅拌速度无关 答案　B 解析　优良性状的菌种也可从自然界中筛选分离，A错误；如果发酵产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果发酵产品是代谢产物，可用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取，C错误。 12．发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。下列相关叙述不正确的是(　　) A．发酵工程的产品包括微生物的代谢物、酶以及菌体本身 B．发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉等特点 C．发酵工程的中心环节是菌种的选育 D．在发酵工程中，发酵条件的改变会影响微生物的生长繁殖和代谢途径 答案　C 解析　发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提，C错误。 13．下列关于发酵工程的叙述，错误的是(　　) A．发酵工程中的菌种在不同的发酵阶段要求的环境条件是不同的 B．分离或提纯发酵产品是工业发酵制取产品必经的步骤 C．分离后的生物产品还需要进一步提纯，经过质检合格后才能成为产品 D．传统发酵与发酵工业所用菌种、生产技术完全相同 答案　D 14．(2023·杭州高二月考)具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌是理想的酒精发酵菌种。图1是工业化生产酵母菌的流程，图2是耐高糖和耐酸特性的酵母菌工业化生产装置示意图。回答下列问题： (1)图1中，a________的操作目的是____________________________；b________常用的方法是______________。 (2)实验室用高浓度葡萄糖筛选经诱变处理后的野生酵母菌，经多次传代培养以获得目标菌株。最常用的分离单菌落的方法是稀释涂布平板法和________________。培养过程中定期取样并用____________________(工具)进行菌落计数，评估菌株增殖状况。选育出来的菌种具有稳定的________________________。 (3)图2发酵罐通过传感器监测发酵液酒精浓度、温度、氧气、pH等物质、环境的变化，其中pH需控制在________(填“酸性”或“碱性”)环境下。图中③为搅拌器，可以加快酵母菌繁殖速率，其原理是_________________________________________________________。 (4)工业化大规模生产通过发酵罐实现，如发酵产品是为了得到酵母菌，可通过__________等方法将菌体从培养液中分离出来；如发酵产品是酒精，则可用____________法进行提取。 答案　(1)扩大培养　缩短菌种在发酵罐中发酵的时间　灭菌　高压蒸汽灭菌法　(2)平板划线法　培养皿和涂布器　遗传特性和生产能力　(3)酸性　搅拌能增加发酵液中的溶解氧，可使菌体与营养物质充分接触利于该菌增殖　(4)过滤、沉淀　真空发酵 解析　(1)菌种选育后需进行菌体的繁殖，故图1中a的操作是扩大培养，该操作目的是增加菌体数量从而缩短菌种在发酵罐中发酵的时间；配制培养基后需对培养基进行灭菌处理，故b的操作为灭菌，培养基灭菌的常用方法是高压蒸汽灭菌法。(2)最常用的分离单菌落的方法是稀释涂布平板法和平板划线法，稀释涂布平板法可用于活菌计数，该方法用的工具为培养皿和涂布器。最终选育出来的菌种具有稳定的遗传特性和生产能力，满足人们的需要。(3)选育的酵母菌具有耐高糖和耐酸特性，故发酵液应保持酸性环境；搅拌器搅拌能增加发酵液中的溶解氧，并使菌体与营养物质充分接触，使代谢增强，从而加快酵母菌繁殖。(4)工业化大规模生产通过发酵罐实现，如发酵产品是酵母菌，由于酵母菌质量和体积均较大，且不溶于发酵液，故可通过过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如发酵产品是酒精，由于酒精易挥发，则可用真空发酵法进行提取。 15．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。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。在溶氧不足条件下，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 $$