第1章 第3节 发酵工程及其应用-【金版教程】2024-2025学年高中生物必修3 生物技术与工程 创新导学案word（人教版2019 多选版）

第3节　发酵工程及其应用 1.概述发酵工程及其基本环节。2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 知识点一　发酵工程的概念及形成 1．发酵工程的概念：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。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。 2．发酵工程的形成 知识点二　发酵工程的基本环节 1．菌种的选育 (1)来源：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或基因工程育种获得。 (2)实例：生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母。 2．扩大培养 目的：快速增加菌种数量。 3．配制培养基 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 4．灭菌 培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 5．接种：无菌操作。 6．发酵罐内发酵——中心环节 (1)在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。 (2)还要及时添加必需的营养成分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 7．分离、提纯产物 (1)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、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。 (2)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。 知识点三　发酵工程的应用 1．发酵工程特点：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。 2．在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品 ①以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。 ②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。 易漏边角 啤酒的工业化生产流程 (1)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，主发酵结束后，发酵液不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，才能形成澄清、成熟的啤酒。 (2)发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 (2)生产各种各样的食品添加剂 ①食品添加剂的作用 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。 ②实例 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 如α－淀粉酶、β－淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。这些酶制剂少数由动植物生产外，绝大多数也是通过发酵工程生产的。 3．在医药工业上的应用 发酵工程可以生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。 (1)人们可以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。 (2)直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 (3)科学家还利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。 4．在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 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，促进植株生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。 ②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。 (2)生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥起越来越重要的作用。 (3)生产微生物饲料 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。单细胞蛋白可以作为食品添加剂；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 5．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；通过电催化结合发酵的方式，用CO2合成葡萄糖和脂肪酸，将助力我国实现碳达峰、碳中和。 (2)嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂。 (3)嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 课堂小结 1．(目标1)发酵工程的内容包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌、接种、发酵和产品的分离、提纯等方面。下列关于发酵工程的认识不科学的是(　　) A．发酵工程具有生产条件温和、产物专一、污染小等特点 B．发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和微生物细胞本身 C．通常所指的发酵条件包括温度控制、溶解氧控制、pH控制等 D．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 答案　D 解析　发酵工程和传统发酵技术都是利用微生物进行发酵，只是传统发酵技术一般不需要添加菌种，而是利用自然环境中的微生物，而发酵工程则需要在严格灭菌的条件下，接种特定的菌种，D错误。 2．(目标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 3．(目标2)下列关于啤酒的工业化生产的叙述，不正确的是(　　) A．加入的啤酒花能使啤酒产生泡沫和特殊的苦味 B．啤酒生产的发酵过程包括主发酵阶段和后发酵阶段 C．主发酵在低温、密闭条件下进行，发酵液澄清、成熟可以饮用 D．发酵的温度和时间会影响啤酒的口味 答案　C 4．(多选)(目标2)下列关于发酵工程在食品工业上的应用的叙述，正确的是(　　) 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．生产的某些食品添加剂可以延长食品的保存期，如乳酸链球菌素 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　ACD 5．(多选)(目标2)柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可通过黑曲霉发酵制得。如图为生产柠檬酸的连续发酵装置。下列说法正确的是(　　) A．生产柠檬酸用的发酵罐需要经过灭菌 B．所用的培养基是经过反复试验确定的，且需要经过严格的灭菌 C．发酵前应选育产酸量高的黑曲霉菌种 D．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节 答案　ABCD 题型　发酵工程及其应用 例1　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。下列叙述不正确的是(　　) A．该生产过程中，一定有气体生成 B．微生物生长所需碳源可来源于沼气池废料和果糖生产废水 C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质 D．生产的蛋白质可以作为食品添加剂等 解题分析　据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸时都会产生二氧化碳，因此该生产过程中一定有气体产生，A正确；由图可知，该生产过程中需要连续搅拌反应器，推测该生产工艺利用微生物有氧发酵技术生产蛋白质，C错误。 答案　C 例2　(多选)柠檬酸广泛应用于食品、医疗和化工领域，具有重要的商业价值。以玉米粉为原料，利用黑曲霉有氧发酵生产柠檬酸的基本流程如图所示。下列分析正确的是(　　) A．玉米清液可以为黑曲霉提供碳源 B．发酵前将黑曲霉孢子接种到种子培养基进行扩大培养 C．发酵培养基和种子培养基灭菌后加入发酵罐内发酵 D．需严格控制发酵罐内的温度、溶解氧和pH等条件 解题分析　玉米清液中含有糖类，故可以为黑曲霉提供碳源，A正确；种子培养基中有发酵所需的菌种，若进行灭菌处理会杀灭菌种而导致发酵失败，C错误。 答案　ABD 课后课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★ ★ ★ ★★ ★★ ★★ 对点 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 发酵工程的应用 发酵工程的应用 发酵工程的应用 发酵工程的应用 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节及应用 发酵工程的基本环节及应用 [单项选择题] 知识点一　发酵工程的基本环节 1．下列有关发酵工程基本环节的叙述，错误的是(　　) A．现代发酵工程使用的大型发酵罐均具有计算机控制系统，其能使发酵全过程处于最佳状态 B．在发酵过程中可能需要通过营养物质加入口加入物质来调节发酵液的pH C．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 D．确定菌种之后，才能选择原料配制培养基 答案　C 2．下列有关发酵工程的叙述，错误的是(　　) A．菌种扩大培养过程一般使用液体培养基 B．发酵工程中使用的菌种都是单一菌种 C．可以通过设置生长条件选育优良的目的菌种 D．发酵过程中，要随时对培养液中的微生物数量及产物浓度等进行检测 答案　B 解析　菌种扩大培养过程一般使用液体培养基，可以增大菌体与培养液的接触面积，有利于菌种的快速繁殖，A正确；发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，B错误。 3．关于发酵工程的说法，不正确的是(　　) A．随时检测影响发酵过程的各种环境条件并予以控制，才能保证发酵的正常进行 B．在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性时，生成的代谢产物会是乳酸或琥珀酸 C．可根据代谢产物的性质采取适当的提取分离和纯化措施来获取产品 D．在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定 答案　B 解析　谷氨酸发酵生产中，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N­乙酰谷氨酰胺。 4．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、发酵和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微生物数目、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。 知识点二　发酵工程的应用 5．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 6．发酵工程广泛应用于农牧业、食品工业、医药工业等。下列关于发酵工程的叙述错误的是(　　) A．发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计 B．筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产 C．若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低 D．发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为家畜的优质饲料 答案　B 解析　筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后还需要进一步扩大化培养才能接种到发酵罐中进行发酵生产，B错误。 7．下列关于发酵工程在医学工业上的应用的叙述错误的是(　　) A．人们可以直接对菌种进行改造，再通过发酵技术，大量生产所需要的产品 B．通过发酵工程可以生产多种抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂 C．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D．发酵工程生产药物具有投入少、产量高的特点 答案　C 解析　一种生产乙肝疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。 8．下列关于发酵工程在其他方面的应用，叙述不正确的是(　　) 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．有利于解决粮食短缺、环境污染、能源短缺等多种问题 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　A 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。 [多项选择题] 9．发酵工程在医药工业、食品工业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用。下列关于发酵工程的说法正确的是(　　) A．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物及菌体本身 B．发酵工程相比传统发酵技术，其获得的产品产量和质量明显提升 C．利用发酵工程生产的微生物农药可以作为生物防治的重要手段 D．以淀粉、纤维素的水解液等为原料，通过发酵工程可以从菌体中获取单细胞蛋白 答案　ABC 10．青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展，青霉素已经步入产业化生产的道路。下列叙述正确的是(　　) A．经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株 B．虽然青霉素是抗生素，但在青霉素生产过程中仍然需要严格灭菌 C．发酵过程要随时检测培养液微生物数量、产物浓度、溶解氧等 D．用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得青霉素 答案　ABC 解析　青霉素是青霉菌的代谢产物，在发酵后应采用适当的提取、分离和纯化措施来获取，D错误。 [非选择题] 11．阅读以下材料，回答相关问题。 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下所示： 大麦发芽→焙烤→碾磨成麦芽粉→糖化→蒸煮冷却，加啤酒花→发酵→消毒→过滤、调节、分装。 其中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。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵条件随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 (1)性状优良的菌种可以从________中获取，随着技术的发展，也可以通过________或____________等途径获得。 (2)__________________________________是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的________________、________________等，以了解发酵进程。除了了解发酵进程外，还要及时添加必需的营养组分，要严格控制____________________(答出2点即可)等发酵条件。因为环境的改变不仅影响菌种的生长繁殖，而且会影响____________的形成。 (3)在酿酒过程中常加入________(填某种植物激素)以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使________失活。 (4)糖化的目的是________________，发酵阶段的底物是________，发酵液和发酵设备都必须经过严格的________处理。 (5)请写出一条发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因：______________________________________________________________________________________________________________________________________。 答案　(1)自然界　诱变育种　基因工程育种 (2)发酵罐内发酵　酵母菌数量　酒精含量　温度、pH和溶解氧　菌种代谢产物 (3)赤霉素　淀粉酶 (4)分解淀粉、形成糖浆　葡萄糖　灭菌 (5)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、易处理 12．谷氨酸棒状杆菌可用于微生物发酵工程生产谷氨酸，从而制取谷氨酸钠(味精)。如图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径，通过发酵工程可以大量生产谷氨酸。回答下列问题： (1)与酵母菌相比，谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是__________________________________；谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等，从物理性质看，该培养基属于________培养基。 (2)由图可知，谷氨酸棒状杆菌体内若积累了较多的谷氨酸，则会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，所以要随时检测________，同时还要检测温度，因为温度会影响________活性，而________会影响产物种类，在__________条件下发酵罐内会积累谷氨酸，在________环境下会形成谷氨酰胺和N­乙酰谷氨酰胺。 (3)谷氨酸的生产属于发酵工程在________上的应用，因为味精属于__________。发酵工程在医药工业上的应用也取得了很多成果，最先利用发酵工程生产的抗生素是________，利用微生物生产人类的激素、免疫调节剂等，还需要利用________等技术。 (4)发酵工程在农牧业上的应用主要有______________、生产微生物农药、______________，微生物农药的使用可以减少化学农药对环境的破坏，在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。 答案　(1)无核膜包被的细胞核　液体 (2)产物浓度　酶　pH　中性、弱碱性　酸性 (3)食品工业　食品添加剂　青霉素　基因工程 (4)生产微生物肥料　生产微生物饲料 11 学科网（北京）股份有限公司 $$