第1章发酵工程知识清单-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第1章 发酵工程 第1节 传统发酵技术的应用 1.发酵，是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物代谢 转化为人类所需要的产物的过程。 2.经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解成小分子的肽和氨基酸，味道鲜美，易于 消化吸收，而腐乳本身又 便于保存。多种微生物参与了豆腐的发酵，如酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是 毛霉。像这种直接利用原材料中 天然存在 的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、肉汁等发酵物 中的微生物进行发酵、制作食品的技术一 般称为传统发酵技术 。传统发酵以 混合 （混合/单一）菌种的固体 发酵及半固体 发酵为主，通常是家庭 式 或作坊 式的。 3. 乳酸菌是厌氧 （厌氧/需氧）细菌，在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸，可用于乳制品的发酵、泡菜的腌制等。常见的乳 酸菌有乳酸链球菌 和乳酸杆菌 。 4. 酵母菌是一类单 （单/多）细胞真菌 （细菌/真菌），酵母菌是兼性厌氧 （厌氧/需氧/兼性厌氧）微生物，在无氧条件下 能进行酒精 发酵，可用于酿酒、制作馒头和面包等。酿酒酵母的最适生长温度约为 28 ℃。 5. 醋酸菌是好氧细菌，当 O2 、糖源 都充足时能将糖分解成醋酸；当缺少糖源 时则将乙醇转化为乙醛 ，再将乙醛变为 醋酸 。醋酸菌可用于制作各种风味的醋。多数醋酸菌的最适生长温度为 30～35 ℃。 ( 酶 )C6H12O6 + 2O2 2CH3COOH(醋酸) + 2CO2 + 2H2O + 能量 ( 酶 )C2H5OH + O2 2CH3COOH(醋酸) + H2O + 能量 6. 泡菜在腌制过程中会有亚硝酸盐产生。膳食中的亚硝酸盐一般不会危害人体健康，但如果人体摄入过量 ，会发生中毒，甚 至死亡。在腌制过程中，要控制腌制的时间、温度和食盐的用量。温度过高 、食盐用量 过低 、腌制时间 过短 ，容易造 成细菌大量繁殖，亚硝酸盐含量增加。 7. 许多新鲜水果（如葡萄）的果皮表面附着有大量的不同种类的野生酵母菌 。在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒。 在有氧的条件下，果酒经醋酸菌 的作用还可以进一步发酵成果醋。 8. 在上述传统发酵食品的制作过程中，我们没有接种菌种，而是利用了天然存在的菌种。菌种差异 、杂菌情况不明 和 发酵过程的控制缺乏标准 等，往往会造成发酵食品的品质不一。为了缩短发酵时间，确保品质稳定，工业上大规 模生产时，通常会先通过微生物培养 技术获得单一 菌种，再将它们接种 到物料中进行发酵。 9. 当把少量制作转化为大规模生产时，需要解决哪些实际问题？少量制作果醋时，不需要专门的搅拌装置，而大规模生产果醋时，由 于发酵罐容积很大，就需要安装搅拌器 ，以保障醋酸菌对 O2 的需求。在大规模生产发酵产品时，需要进行更为全面周详的 考虑，如考虑原料的来源与选择、菌种的选育与培养 、发酵设备的选择、 发酵条件 的自动化控制、发酵产品的质量 控 制、成本价格等。自己制作的果酒和果醋并非商品意义上的产品。在实际生产中还需要经过沉淀 、过滤 、灭菌 、装瓶 等过程才能获得成品酒或醋。果酒还需要在一定条件下进行后续发酵，以获得特定的风味和色泽。 10. 微生物是难以用肉眼 观察的微小生物的统称，包括细菌 、真菌 、病毒 及一些原生生物等。本章中提及的微生物主 要指用于发酵的细菌和真菌。 11. 防止杂菌污染，获得纯净的微生物培养物 是研究和应用微生物的前提，也是发酵工程的重要基础。 12. 人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖 的营养基质——培养基，用以培养、分离、鉴定、保存微生物 或积累其代谢物 。其中，不含 凝固剂 、呈液体状态的培养基为液体培养基，呈固体 状态的培养基为固体培养基。 在液体培养基中加入琼脂 后制成的琼脂固体培养基，是实验室中最常用的培养基之一。微生物在琼脂固体培养基表面或内部 生 长，可以形成肉眼可见的菌落 。 13. 虽然各种培养基的配方不同，但一般都含有水 、碳源 （提供碳元素的物质）、氮源 （提供氮元素的物质）和 无机盐 等 营养物质。牛肉膏提供的主要营养：碳源 、氮源 、磷酸盐 和维生素 等；蛋白胨提供的主要营养：碳源 、 氮源 和维生素 等。在提供上述几种主要营养物质的基础上，培养基还需要满足微生物生长对 pH 、特殊营养物质 以 及 O2 的需求。例如，在培养乳酸杆菌吋，需要在培养基中添加维生素 ；在培养霉菌时，需要将培养基调至 酸性 （酸 性/碱性）；在培养细菌时，需要将培养基调至中性或弱碱性 ；在培养厌氧微生物时，需要提供 无氧 的条件。 14. 获得纯净的微生物培养物的关键是防止杂菌污染 。无菌技术应围绕着如何避免杂菌的污染展开，主要包括 消毒 和灭菌 。 15. 消毒是指使用较为温和 的物理、化学或生物等方法杀死物体表面或内部一部分 微生物。灭菌则是指使用强烈 的理化 方法杀死物体内外所有 的微生物，包括芽孢 和孢子 。消毒和灭菌工作主要包括两个方面：对操作的 空间 、操作者 的衣着和手 进行清洁和消毒；将用于微生物培养的器皿 、接种 用具和培养基 等进行灭菌。常用的消毒方法有 煮沸消毒、巴氏消毒等；灭菌方法有湿热 灭菌、干热 灭菌和灼烧 灭菌等。 16. 做好消毒和灭菌工作后，要注意避免已经灭菌处理的材料用具与周围的物品接触 。为了避免周围环境中微生物的污染， 接下来的许多操作都应在超净工作台 并在酒精灯火焰 附近进行。 17. 无菌技术除用来防止实验室的培养物被其他外来微生物污染外，还能有效避免操作者被微生物感染 。 18. 日常生活中经常用到煮沸消毒法。在 100 ℃煮沸 5～6min，可以杀死微生物的营养细胞和一部分芽孢。对于一些不耐高温的液体， 如牛奶，则可使用巴氏 消毒法，即在 62～65℃消毒 30 min 或 80～90℃处理 30s～1min，可以杀死牛奶中的绝大多数微生物， 并且不破坏牛奶的营养成分 。此外，人们也常使用化学药物进行消毒，如用酒精擦拭双手、用 氯气 消毒水源等。 19. 接种室、接种箱或超净工作台在使用前， 可以用紫外线 照射 30min，以杀死物体表面或空气中的微生物。在照射前， 适量喷洒 石炭酸 或煤酚皂溶液等消毒液 ，可以加强消毒效果。 20. 生物消毒法是指利用生物 或其代谢物 除去环境中的部分微生物的方法。例如，有的微生物能够寄生 于多种细菌体内， 使细菌裂解，因此可以用它们来净化污水、污泥。 21. 湿热灭菌：这是一种利用沸水、流通蒸汽或高压蒸汽进行灭菌的方法，其中高压蒸汽灭菌 的效果最好。实验室常用的高 压蒸汽灭菌锅就是以水蒸气 为介质，在压力为 100 kPa，温度为 121 ℃的条件下，维持 15～30min 来灭菌的。 22. 干热灭菌：将灭菌物品放入密闭容器如干热灭菌箱，在 160～170 ℃的热空气中维持 2～3h 可以达到灭菌的目的。耐高温的和需 要保持干燥 的物品，如玻璃器皿（如吸管、培养皿等）、金属用具等，可以采用这种方法灭菌。 23. 灼烧灭菌：将微生物的接种工具，如涂布器 、接种环 、接种针 或其他金属用具，直接在酒精灯火焰的充分燃 烧 层灼烧，可以迅速彻底地灭菌。此外， 在接种过程中，试管口 、瓶口 等容易被污染的部位，也可以通过火焰灼烧来灭菌。 24. 在微生物学中，将接种于培养基内，在合适条件下形成的含特定种类微生物的群体称为培养物 。由单一个体 繁殖所获 得的微生物群体称为纯培养物，获得纯培养物的过程就是纯培养 。 25. 微生物的纯培养包括配制培养基 、灭菌 、接种 、分离和 培养 等步骤。 26. 分散的微生物在适宜的固体 培养基表面或内部 可以繁殖形成肉眼可见 的、有一定形态结构 的子细胞群体，这 就是菌落。采用平板划线 法和稀释涂布平板 法能将单个微生物分散在固体培养基上，之后经培养得到的单菌落一般是 由单个微生物 繁殖形成的纯培养物。 27. 等待培养基冷却凝固（需 5～10min）后，将培养皿倒过来 放置，以防止冷凝水滴落在培养基上引发污染 。 28. 通过接种环在固体培养基表面连续划线 的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散 到培养基的表面。经数次划线后培养，可 以分离得到单菌落。 29. 平板划线的具体操作：①将接种环放在火焰上灼烧 ，直到接种环的金属丝烧红。②在火焰旁冷却 接种环。同时，拔出装有 酵母菌培养液的试管的棉塞。③将试管口 通过火焰。④在火焰附近用接种环蘸取—环菌液。⑤将试管口通过火焰，并塞上棉 塞。⑥在火焰附近将皿盖打开一条缝隙，用接种环在培养基表面迅速划三至五条平行线，盖上皿盖。注意不要划破 培养基表面。 ⑦灼烧 接种环，待其冷却 后，从第一次划线的末端 开始作第二次划线。重复以上操作， 作第三、四、五次划线。 注意不要将最后一次的划线与第一次的划线 相连。 30. 警示：在实验室中，切不可吃东西、喝水，离开实验室时一定要洗手，以防止被微生物感染。使用后的培养基在丢弃前一定要进行 灭菌 处理，以免污染环境 。 31. 完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板和一个未接种 的平板倒置 ，放入 28℃左右的恒温培养箱 中 培养 24～48h。在未接种的培养基表面有菌落生长，说明培养基被杂菌污染 。在接种酵母菌的培养基上， 如果观察到了不 同形态的菌落，可能是接种的菌种不纯 或者无菌操作不规范 等原因引起的。 32. 在微生物学中，将允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长 的培养基，称为选择培养基。 33. 尿素［CO(NH2)2 ］含氮量高，化学性质相对稳定，是现代农业生产中一种重要的氮肥。尿素施入土壤后， 会被土壤中的某些细菌分解 成 NH3 ，再转化为 NO3 - 、 NH4+ 等被植物吸收。而这些细菌之所以能分解尿素，是因为它们能合成脲酶 ，进而催化尿素分解产 生 NH3 ，NH3 可作为细菌生长的氮源 。 34. 如果要从土壤稀释液中将能分解尿素的细菌分离出来，需要设计一种选择培养基，这种培养基与普通培养基相比，用尿素作为唯一 氮源 ，培养基的其他营养成分与普通培养基基本相同 。 35. 由于土壤中细菌的数量庞大，要想得到能分解尿素的细菌的纯培养物，必须要对土样进行充分稀释，然后再将菌液涂布到制备好的 选择 培养基上，也就是要采用稀释涂布平板法，其操作如下：①铲取土样，将样品装入纸袋中；②将 10g 土样加入盛有90mL 无 菌水 的锥形瓶中（稀释 10 倍），充分摇匀。取 1mL 上清液加入盛有9mL 无菌水 的试管中，依次等比稀释；③取 0.1 ml 菌液，滴加到培养基表面；④将涂布器浸在盛有酒精 的烧杯中；⑤将涂布器放在火焰上灼烧，待酒精燃尽、涂布器冷却 后， 再进行涂布；⑥用涂布器将菌液均匀 地涂布在培养基表面。涂布时可转动 培养皿，使涂布均匀；⑦待涂布的菌液被培养基 吸收后，将平板倒置 ，放入 30～37℃的恒温培养箱中培养 1～2d。在涂布有合适浓度菌液的平板上就可以观察到分离的单 菌落。 36. 稀释涂布平板法除可以用于分离 微生物外，也常用来统计样品中活菌 的数目。当样品的稀释度 足够高时，培养基表 面生长的一个单菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌 。通过统计平板上的菌落 数，就能推测出样品中大约含有多少活 菌 。为了保证结果准确，一般选择菌落数为 30～300 的平板进行计数。 37. 样品的稀释度将直接影响平板上的菌落数目。在实际操作中，通常选用一定稀释范围的样品液进行培养，以保证获得菌落数为 30~ 300 、适于计数的平板。在同一稀释度下，应至少对 3 个平板进行重复计数，然后求出平均值 。 38. 计算公式：1g 土中的菌株数=（C÷V）× M ；C：代表某一稀释度下平板上生长的平均菌落数 ；V：代表涂布平板时 所用的稀释液体积 ；M：稀释倍数 。 39. 值得注意的是，统计的菌落数往往比活菌的实际数目少 ，这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌 落 。因此，统计结果一般用菌落 数而不是用活菌 数来表示。除上述的活菌计数外，利用显微镜进行直接计数，也是 一种常用的、快速直观的测定微生物数量的方法。该方法利用特定的细菌计数板 或血细胞计数板 ，在显微镜下观 察、计数，然后再计算一定体积的样品中微生物的数量，统计的结果一般是活菌数和死菌数的总和 。 40. 细菌计数板和血细胞计数板的计数原理相同。血细胞计数板比细菌计数板厚 （厚/薄），常用于相对较大 （大/小）的酵母菌细 胞、霉菌孢子等的计数。用细菌计数板可对细菌等较小 （大/小）的细胞进行观察和计数。 41. 绝大多数微生物都能利用葡萄糖，但是只有能合成脲酶 的微生物才能分解尿素。利用以尿素作为唯一氮源 的选择培养基， 可以从土壤中分离出分解尿素的细菌。 42. 微生物的培养与观察：不同种类的微生物，往往需要不同的培养温度 和培养时间 。细菌一般在 30～37℃的温度下培养 1~ 2d。本实验中， 我们可以每隔 24h 统计一次菌落数目，选取菌落数目稳定 时的记录作为结果。一般来说，在相同的培养条件下， 同种微生物表现出稳定的菌落特征 。 43. 实验使用的平板和试管较多，为了避免混淆，最好在使用前做好标记 ；例如，在标记培养皿时应该注明 组别 、培养 日期 和 平板上培养样品的稀释度 等。 44. 发酵工程一般包括：菌种的选育 ，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。 45. 选育菌种：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。生产柠檬酸就需要筛 选产酸最高的黑曲霉 。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。 46. 发酵工程使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。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂 菌，某些杂菌会分泌青霉素酶 将青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌 。 47. 发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心 环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生数量 、产物 浓度 等，以了解发 酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度 、pH 和溶解氧 等发酵条件。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 代谢物 的形成。例如， 谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性 条件下会积累谷氨 酸；在酸性 条件下则容易形成谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺。 48. 分离、提纯产物：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 ，可根据产物的性质釆取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。 49. 发酵工程以其生产条件温和 、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 等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。 50. 近些年来，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。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； 51. 发酵工程在农牧业上的应用： 第一，生产微生物 肥料 。微生物肥料利用了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。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。 第二，生产微生物农药 。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物 或其代谢物 来防治病虫害的。 第三，生产微生物饲料 。许多国家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 。 52. 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌 发酵制成的。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。 53. 啤酒发酵流程：①发芽：大麦种子发芽，释放淀粉 酶；②焙烤：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 ；③碾磨：将干 燥的麦芽碾磨成麦芽粉；④糖化：淀粉 被分解，形成糖浆；⑤蒸煮：产生风味 组分，终止酶 的进一步作用，并对糖浆灭 菌；⑥发酵：酵母菌将糖转化为酒精和 C02 ；⑦消毒：杀死啤酒中的大多数 微生物，延长它的保存期；⑧终止：过滤、 调节、分装啤酒进行出售。 10 学科网（北京）股份有限公司 $$