第1章 第3节 发酵工程及其应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版2019 不定项）

第3节　发酵工程及其应用 课时目标 1.采用模型与建模的方法，归纳发酵工程的基本环节。(科学思维) 2．概述发酵工程的发展，认同发酵工程的发展离不开科技的进步。(科学探究) 3．认同发酵工程极大地改善了人们的生活。(社会责任) 一、发酵工程的概念和基本环节 1．发酵工程的概念：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。 2．发酵工程的基本环节 二、发酵工程的应用 1．发酵工程的特点 2．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．利用生产蛋白酶的霉菌(如黑曲霉)，将大豆等原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，经淋洗后调制成酱油。 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 a．利用黑曲霉发酵制得食品酸度调节剂——柠檬酸。 b．由谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸，经过一系列处理制成味精。 ③生产酶制剂：发酵制得α­淀粉酶、β­淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。 (2)在医药工业上的应用 ①利用发酵工程生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。 ②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。 ③直接改造菌种，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 ④将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物用来作为疫苗使用，如生产乙型肝炎疫苗。 (3)在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥。 ②生产微生物农药：利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 ③生产微生物饲料：单细胞蛋白。 (4)在其他方面的应用 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 ◆名师点睛 1．温度、pH和溶解氧是影响代谢途径的重要因素。 2．发酵生产排出的气体和废弃物不能直接排放到外界环境中。 3．培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 4．发酵条件的控制直接影响发酵产品的质和量。 5．发酵工程可大批量生产发酵产品，降低相应的生产成本和使用成本。 6．传统发酵技术得到的产品一般不进行分离、提纯，而发酵工程得到的产品需根据发酵产品类型进行分离、提纯。 ◆思维启迪 1．现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么区别？ 提示：传统发酵技术用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种，而现代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。 2．酱油是每个家庭必备的调味品，酱油生产过程为蒸煮→制曲→发酵→抽油→沉淀→调配→灭菌→质量检验→灌装→产品。那么酱油生产过程的中心环节是哪一步？ 提示：发酵。 ◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”) 1．生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。(　　×　　) 2．谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行。(　　×　　) 3．为提高生产效率，现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种。(　　×　　) 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．目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。(　　×　　) 6．单细胞蛋白指通过发酵获得的微生物菌体。(　　√　　) 任务一__发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节如下图所示。 [问题探究] 1．在菌种确定以后，培养基的配方要经过反复的试验才能确定的原因是什么？ 答案：由于培养基的组成对菌种有多方面的影响，因此在生产实践中，培养基的配方要经过反复的试验才能确定。 2．怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 答案：在发酵过程中，要随时取样检测培养液中的微生物数量、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，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．不同的发酵产品最终获得该产品的操作相同吗？ 答案：不相同。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；如果产品是代谢物，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。 1．发酵罐的结构及各结构的主要用途 装置编号 主要用途 A1、A2、A3 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 A4 控制溶解氧(根据微生物代谢类型调控) B1、B2、B3、 B4、B5 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵进程，B2处抽取样本进行进一步监测 C1、C2 通过控制冷水流速调节罐温 C3 调节罐压 D1、D2 电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气的溶解以及散热 2.影响发酵过程的因素的分析 温度 ①影响酶活性 ②影响生物合成的途径 ③影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等 pH ①影响酶活性，以及细胞膜的带电荷状况 ②影响培养基中营养物质的分解等 溶解氧 氧气的供应对需氧发酵来说是一个关键因素。必须向发酵液中连续补充大量的氧气，并不断地进行搅拌，以提高氧气在发酵液中的溶解度 营养物质 的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢物的积累 1．(2024·唐山高二阶段练习)发酵工程可实现发酵产品的大规模生产，下图为发酵工程的基本环节，相关叙述正确的是(　　) A．①②可以是诱变育种、基因工程育种 B．④需要在菌种确定之前，选择原料，反复试验 C.产物浓度的检测必须在发酵结束后进行 D．③是发酵工程的中心环节，需要严格控制发酵条件 A　解析：发酵工程的基本环节有菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产物的分离、提纯，其中优良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，因此①②可以是诱变育种或基因工程育种，A正确；④为配制培养基，需要在菌种确定之后，选择原料，反复试验，B错误；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，以了解发酵进程，C错误；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，③是培养基的灭菌，不是发酵工程的中心环节，D错误。 2．(不定项)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．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，后期可延长排气间隔时间 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 BC　解析：酵母菌发酵的适宜温度为18～30 ℃，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正确；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；可以采用显微镜直接计数法和稀释涂布平板法对酵母菌进行计数，D错误。 任务二__发酵工程的应用 阅读教材“发酵工程的应用”相关内容，结合“思考·讨论”中“啤酒的工业化生产流程”内容，进一步认识传统发酵技术和现代发酵工程。 [问题探究] 1．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？ 答案：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。 2．啤酒生产中，发酵是重要环节，如果发酵后期密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？ 答案：啤酒生产中存在醋酸菌，醋酸菌是一种好氧细菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为乙酸。 1．啤酒发酵的工业化生产流程及操作目的 2．发酵工程和传统发酵技术的比较 项目 发酵工程 传统发酵技术 区别 菌种 通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种，大多是单一菌种 原材料中天然存在的混合菌种 发酵 方式 以液体发酵为主 以固体发酵或半固体发酵为主 对发酵条件的控制 严格无菌操作，防止杂菌污染；通过现代工程技术对发酵条件精确控制，使发酵全过程处于最佳状态 不是无菌操作，容易受到杂菌污染；无须严格控制发酵条件，易受外界条件影响 通常是家庭式或作坊式的，产量低；生产往往受季节和原料限制，产品品质不稳定，品种较单一 生产规模和产品　 生产规模大，实现了工业化生产，产量高；原料来源丰富，成本低，产物专一，品种多样 联系 ①都是利用了微生物的发酵作用 ②发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的 1．(2024·秦皇岛高二检测)发酵产品的使用深入生活的方方面面。发酵工程可对细胞和细胞代谢产物进行工业化生产，传统发酵技术大大丰富了食物的品种，充分体现了劳动人民的智慧。下列关于发酵工程和传统发酵技术的说法，正确的是(　　) A．用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量 B．家庭制作泡菜和变酸的葡萄酒表面长的菌膜分别由酵母菌和醋酸菌形成，它们都是需氧型的原核生物 C．发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得单细胞蛋白产品 D．与发酵工程相比，传统发酵技术中菌种来源于多种天然微生物，发酵过程经过严格灭菌，所以产品质量较高且品质稳定 A　解析：用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量，因此需要严格灭菌，A正确；家庭制作泡菜和变酸的葡萄酒表面长的菌膜分别由酵母菌和醋酸菌形成，但是酵母菌是兼性厌氧的真核生物，B错误；发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得细胞代谢物，单细胞蛋白指微生物菌体，可通过过滤、沉淀等方法获得，C错误；传统发酵技术的微生物是天然微生物，并未经过严格灭菌，D错误。 2．(2024·成都高二检测)绍兴是黄酒之乡，“麦曲酶长，酵米复芳；白梅酒酿，伴淋寒香；压滤琼浆，煎煮陈藏”是对绍兴黄酒精致复杂酿造工艺的描述。在黄酒的主发酵过程中，“开耙”(搅拌)是极为关键的一步。下列相关叙述错误的是(　　) A．接种麦曲有利于淀粉的糖化，有利于“酒酿”菌种发酵 B．煎煮的目的是除去发酵产品中的杂菌，利于酵母菌繁殖 C．陈藏有利于黄酒中相关物质发生反应，使酒更加芳香 D．发酵过程中“开耙”可适当提供O2，调节pH，活化酵母 B　解析：淀粉属于生物大分子物质，麦曲中有淀粉酶可以催化淀粉糖化为小分子糖，有利于发酵过程中酵母菌对糖类的利用，A正确；陈藏前煎煮是进行消毒，除去发酵产品中的酵母菌等微生物，利于储藏，B错误；陈藏是将酿出的酒放入罐内存放，此过程有利于黄酒中醇与酸发生酯化反应，使酒更加芳香，C正确；“开耙”(搅拌)可适当提供O2，让酵母菌进行有氧呼吸，增加酵母菌的数量，有利于活化酵母，搅拌还可以排出CO2，调节pH，D正确。 厨余垃圾处理——社会责任 近年来，我国大力推行垃圾分类处理。厨余垃圾在生活垃圾中占比居高不下甚至超过一半，且具有高含水率、高有机质(淀粉、脂肪和蛋白质等)和高盐分的“三高”属性。下图为中小型厨余垃圾处理设备的工作原理示意图。 设计1：考查阅读理解与问题解决能力 (1)碳氮比(C/N)过高或者过低都不利于微生物发酵。某厨余垃圾中蛋白质占比较大，为了提高发酵效率，可以在上料时加入一定量的________(填“面粉”或“豆粕”)。该设备的控制系统需要感应________________等理化条件的变化，以保证微生物良好发酵环境。 设计2：考查信息获取与逻辑推理能力 (2)相比原本存在于厨余垃圾中的微生物，该设备中投放的混合菌种具有耐高温和________的特性，能合成和分泌更多的________________________________，从而能更好地适应设备中的环境，更快降解厨余垃圾。 设计3：考查学以致用与长句表达能力 (3)厨余垃圾经该设备处理后的优点有哪些？_______________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(至少答出两点)。 答案：(1)面粉　O2浓度、温度、pH (2)耐盐　淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶 (3)残渣可用于作物施肥，以实现资源就地化利用；使用该设备处理比直接填埋厨余垃圾更高效 解析：(1)微生物培养基一般都含有水、碳源、氮源、无机盐，碳氮比(C/N)过高或者过低都不利于微生物发酵。某厨余垃圾中蛋白质占比较大，为了提高发酵效率，需要增加碳源的比例，可以在上料时加入一定量的面粉。该设备的控制系统需要感应O2浓度、温度、pH等理化条件的变化，以保证微生物良好发酵环境。(2)微生物能分解淀粉、蛋白质、脂肪等物质，是因为微生物能(合成)分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。由于厨余垃圾具有高含水率、高有机质(淀粉、脂肪和蛋白质等)和高盐分的“三高”属性，因此该设备中投放的混合菌种应具有耐高温和耐盐的特性，从而使微生物更好地适应设备中的环境，更快降解厨余垃圾。(3)经该设备处理后的残渣可用于作物施肥，以实现资源就地化利用。另外，使用该设备处理也比直接填埋厨余垃圾更高效。 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 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，B错误；发酵工程中所用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，A、C、D正确。 2．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，可减轻环境污染、减缓能源短缺问题 D．用液体培养基可大规模生产病毒减毒疫苗 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，进一步加工为酱油，柠檬酸也可通过黑曲霉发酵制得，A正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等方法获得微生物菌体(酵母菌细胞)，即单细胞蛋白，将滤液加工后可得到啤酒，B正确；将纤维废料分解得到葡萄糖，葡萄糖经过发酵得到酒精，既减轻了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C正确；减毒疫苗是病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，不能独立地在液体培养基中培养，D错误。 3．(2024·哈尔滨高二检测)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．该生产工艺利用微生物无氧发酵技术生产蛋白质 B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料 C．该生产过程中，一定有气体生成 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 C　解析：分析图示可知，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的含量，故据此推测该生产工艺利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质，A错误；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错误；据图可知，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，C正确；沼气生产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，因此沼气池废料无须灭菌，果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理，D错误。 4．(不定项)为探究不同糖源(蜂蜜、黄冰糖)对蓝莓酒发酵产物的影响，某研究小组设计了如下蓝莓酒发酵工艺，其中“主发酵”时酵母菌生长繁殖、大部分糖分解和生成代谢物，“后发酵”是在低温、密闭的环境下使蓝莓酒成熟。下列有关叙述错误的是(　　) A．菌种甲在产生CO2的同时会产生酒精 B．切片后需对发酵液进行消毒然后再分组 C．倒罐均需保留空间以促进菌种有氧呼吸 D．主发酵要控制无氧，后发酵要控制有氧 ACD　解析：发酵产生果酒的菌种是酵母菌，酵母菌在有氧呼吸时产生CO2，但不产生酒精，A错误；切片后要对发酵液进行消毒处理，再进行分组，以防止杂菌污染，B正确；压榨倒罐用于主发酵阶段，酵母菌会进行有氧呼吸产生CO2，发酵罐需保留空间以促进酵母菌的有氧呼吸，二次倒罐时酵母菌是进行无氧呼吸，C错误；主发酵要先有氧促进酵母菌大量生长繁殖，后无氧进行酒精发酵，后发酵要控制无氧条件，让酵母菌继续酒精发酵，D错误。 5．下图为某啤酒厂的生产工艺流程图，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；二是杀死种子胚，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，且具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(至少答出两点)。 (4)过程④控制的气体条件是____________。该过程可通过检测发酵液中________________________________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处理并过滤、消毒、调制后的啤酒称为“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”成“熟啤”)，原因是_____________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)淀粉酶 (2)分解淀粉，形成糖浆 (3)使淀粉酶失去活性，对糖浆灭菌 (4)隔绝空气　酵母菌种群数量和酒精含量等 (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 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；二是杀死种子胚，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，且具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有使淀粉酶失去活性，对糖浆灭菌等。(4)过程④控制的气体条件是隔绝空气。该过程可通过检测发酵液中酵母菌种群数量和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”或“鲜啤”，经过程⑤处理并过滤、消毒、调制后的啤酒称为“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。 学科网（北京）股份有限公司 $$