1.3发酵工程及其应用课件-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3节 发酵工程及其应用 对生活生产中的生物学现象进行观察并提出问题，体现了科学探究的核心素养。 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素,它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等,青霉素步入了产业化生产的道路。如今,1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左 右。那么,在工业上,青霉素究竟是怎样生产的呢? 1.举例说明日常生活中的哪些食品是运用传统发酵技术生产的。 2.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能,工业化生产人类所需产品。 3.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.基于图形分析，掌握发酵工程的基本环节。（科学思维） 2.认同发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的，它实现了发酵食品、药物等的工业化生产，极大地改善了人们的生活。（社会责任） 1．发酵工程发展的前提 (1)微生物 技术的建立。 (2) 的设计成功。 (3)人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。 2．发酵工程的含义 利用 的特定功能，通过 技术， 生产对人类有用的产品。 一、发酵工程的基本环节 微生物 现代工程 规模化 纯培养 密闭式发酵罐 3．发酵工程的基本环节 (1)菌种的选育：性状优良的菌种可以从 中筛选出来，也可以通过 或 育种获得。 (2)扩大培养：在 还需要对菌种进行扩大培养。 (3)培养基的配制:在菌种确定之后，要 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: 和 都必须经过严格的灭菌。 自然界 诱变育种 发酵之前 选择原料 培养基 发酵设备 基因工程 (5)接种： 将菌种接种到 培养液中。 (6)发酵： 这是发酵工程的 环节。 ①在发酵过程中，要随时检测培养液中的 、 等，以了解发酵进程。 ②要及时添加必需的营养成分，要严格控制温度、pH和 等发酵条件。 (7)产物的分离、提纯： ①如果发酵产物是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用 、 等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。 ②如果产物是代谢物，可根据产物的性质采取适当的 、 措施来获得产品。 发酵罐 中心 微生物数量 产物浓度 溶解氧 过滤 沉淀 提取 分离和纯化 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ ★原料方面：来源广，低成本、转化率高。 ★产物方面：目的产物多，副产物少。 ★菌体方面：菌体生长繁殖力强，耐受力强，抗污染、菌种不易变异、退化。 ★设备方面：发酵条件容易控制。 ★发酵工程可以连续发酵。 ★有电脑控制实行高度的自动化，采用经过基因重组的工程菌生产等。 2.发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 对发酵中的现象进行观察并提出问题，体现了科学探究的核心素养。 ？ 4.在进行发酵生产时,怎么对发酵条件进行调控以满足微生 物的生长需要？ ★反复试验确定培养基的配方。 ★对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。 ★用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。 ★控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等，及时添加必需营养成分。 不能。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用，所以发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备，达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。 3.在进行发酵生产时，排出的气体和废物培养液等能直接排放 到外界环境中吗？为什么？ [归纳提升] 影响发酵过程的因素 1.温度： （1）温度影响酶活性：在最适温度范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，产量降低。 （2）温度影响生物合成的途径：例如：金色链霉菌在30 ℃以下时，合成金霉素的能力较强，当温度超过35 ℃时，只合成四环素而不合成金霉素。 （3）温度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。 （4）要保证正常的发酵过程，就需维持最适温度，但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。如灰色链霉菌的最适生长温度是37℃，但产生抗生素的最适温度是28℃。 对影响发酵的因素进行归纳总结，体现了科学思维的核心素养。 2.pH （1）pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况：细胞膜的带电荷状况如果发生变化，膜的通透性会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。 （2）pH影响培养基中营养物质的分解等。 3.溶解氧 氧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，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。 4.泡沫： （1）通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。 （3）过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常。 （3）常用的消泡沫措施有两类：一类是安装消泡沫挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用消泡沫剂。 5.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产物的积累。 【例1】下列关于发酵工程基本环节的叙述，错误的是 (　　) A．生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉 B．培养基和发酵设备都必须经过严格的消毒 C．发酵罐具有计算机控制系统，可以进行反馈控制 D．发酵产品若是微生物细胞本身，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 为了提高柠檬酸的产量，需要筛选产酸量高的黑曲霉，A正确；为了防止杂菌污染，在发酵过程中培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌，B错误；发酵罐具有计算机控制系统，可以反馈发酵罐中的发酵信息，及时进行调整，C正确；发酵产品若是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，D正确。 B 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （1）生产传统发酵产品 酱油 大豆(主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 酱油生产 各种酒类生产 13 【酿制啤酒的原理】 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。 啤酒的工业化生产流程： （2）生产各种各样的食品添加剂 发酵 氧气 味精 氧气 黑曲霉 淀粉 葡萄糖 柠檬酸合成酶 柠檬酸 淀粉酶 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸 处理 （3）生产酶制剂 酶制剂： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 分类： 胞内酶和胞外酶。 作用： 易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。 举例： 果胶酶、脂肪酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、氨基酸肽酶。 16 2．在医药工业上的应用 (1)采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到 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 技术大量生产所需要的新产品。 (3)将 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。 微生物 发酵 病原体 3．在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料： ★常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥。 ★利用微生物在代谢过程中产生的 、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、增强植物抗病性和抗逆性。 ★利用微生物代谢物 土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。 有机酸 抑制 (2)生产微生物农药： ★利用 或其代谢物来防治病虫害。 苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫。 白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫。 放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病。 微生物 ★常见微生物农药： (3)生产微生饲料：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____________，即单细胞蛋白，用其制成的微生物饲料，使家畜、家禽增重快，产奶/产蛋量显著提高。 微生物菌体 4.在其他方面的应用 (1)解决资源短缺和环境污染问题：利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯。 (2)对极端微生物的利用：嗜热菌、嗜盐菌生产 。 洗涤剂 1．发酵工程在食品工业、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。发酵工程有哪些特点？ 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特点。 2．你近两天吃的食物，有哪些食品是直接由微生物发酵生产的， 哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？ 直接由微生物发酵生产的有：酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等。食品 中添加了经发酵生产的食品添加剂的有：方便面、火腿肠、饼干、 果冻、薯片等。 ？ 对发酵中的现象进行观察并提出问题，体现了科学探究的核心素养。 3．抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？ (1)某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类 的微生物杀死。 (2)微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括 氨基酸、核苷酸等。 (3)微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可 吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。 【例2】（多选）（2024·河北高考）中国传统白酒多以泥窖为发酵基础，素有“千年老窖万年糟”“以窖养糟，以糟养泥”之说。多年反复利用的老窖池内壁窖泥中含有大量与酿酒相关的微生物。下列叙述正确的是（ ） A. 传统白酒的酿造是在以酿酒酵母为主的多种微生物共同作用下完成的 B. 窖池内各种微生物形成了相对稳定的体系，使酿造过程不易污染杂菌 C. 从窖泥中分离的酿酒酵母扩大培养时，需在CO2或N2环境中进行 D. 从谷物原料发酵形成的酒糟中，可分离出产淀粉酶的微生物A.种子培养是在发酵前对菌种进行扩大培养 ABD 白酒的酿造主要依靠酿酒酵母，由于窖泥中含有大量与酿酒相关的微生物，故传统白酒的酿造是在以酿酒酵母为主的多种微生物共同作用下完成的，A正确；窖池内各种微生物形成了相对稳定的体系，且酿造过程产生的酒精也会抑制杂菌的生长与繁殖，使酿造过程不易污染杂菌，B正确；酵母菌是是兼性厌氧菌，与无氧呼吸相比，细胞有氧呼吸产生的能量更多，更能满足酵母菌大量繁殖时的需求，故对分离的酿酒酵母扩大培养时需要在有氧的条件下进行，C错误；谷物原料如高粱、玉米、大米等富含淀粉，因此从谷物原料发酵形成的酒糟中可分离出产淀粉酶的微生物，D正确。 菌种的选育 发酵工程及应用 基本环节 应用 扩大培养 培养基的配制 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 灭菌接种 发酵接种 产物的分离、提纯等 1．（2024·红河高二检测）下列关于发酵工程及其应用的叙述，正确的是（　） A.酵母菌发酵产生的单细胞蛋白，可制成微生物饲料 B.菌种的选育是发酵工程的中心环节，优良菌种可从自然界筛选出来 C.酱油制作中利用黑曲霉将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸 D.啤酒发酵过程中糖的分解和代谢物的生成主要在后发酵阶段完成 C 用单细胞蛋白制成的微生物饲料，其中的单细胞蛋白是微生物菌体，并不是酵母菌发酵产生的单细胞蛋白，A错误；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；黑曲霉可产生蛋白酶、脂肪酶等多种酶，酱油制作中利用黑曲霉将原料中蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸，C正确；啤酒发酵过程中糖的分解和代谢物的生成主要在主发酵阶段完成，D错误。 2．发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于 (　　) ①冷却水供应不足　 ②微生物代谢旺盛　 ③培养基不新鲜　 ④搅拌　 ⑤放料口排出产物 A．①②③④⑤ 　B．②③④ C．①④ D．②④ 冷却水只能带走热量，不能产生热量，不能使温度升高，①错误；发酵过程中呼吸作用可以产生大量的化学能。且大部分转变成了热能，②正确；培养基的新鲜程度可影响代谢速度,但与热量的产生无直接关系，③错误；搅拌除了增加溶氧、加快反应速度外,同时还通过摩擦产生了热能，④正确；放料口排出产物，与热量的产生无关系，⑤错误。 D 3.（多选）(2023·江苏高考)某醋厂和啤酒厂的工艺流程如图所示。酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌;醋醅含有醋酸菌;糖化即淀粉水解过程。下列相关叙述正确的有 （ 　 ） A.糯米“蒸熟”与大米“蒸煮”的目的是利于糖化和灭菌 B.发酵原理是利用真菌的无氧呼吸与细菌的有氧呼吸 C.醋酸发酵过程中经常翻动发酵物,可控制发酵温度和改 善通气状况 D.啤酒酿造工艺流程中适当增加溶解氧可缩短发酵时间 糯米“蒸熟”与大米“蒸煮”都能提供一个高温环境,既有利于淀粉的分解,又能防止杂菌对实验的干扰,A正确;图中制酒用到了酒曲,酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌,霉菌属于真菌,其为需氧型,该过程霉菌产生的淀粉酶有利于将糯米中的淀粉分解,乳酸菌进行的是无氧呼吸,酵母菌主要进行无氧呼吸完成酿酒的过程,醋酸发酵过程中主要利用了醋酸菌的有氧呼吸,B错误;醋酸发酵过程中利用了醋酸菌的有氧呼吸,在发酵过程中经常翻动发酵物,有利于散热,但不能控制发酵温度,C错误;啤酒酿造工艺流程中利用的原理是酵母菌的无氧呼吸产生酒精,适当增加溶解氧,有利于酵母菌有氧呼吸产生更多的能量,满足酵母菌自身增殖的需要,因而可缩短发酵时间,D正确。 AD 4．与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量 明显提高。下列相关表述正确的是（　） A．发酵工程和传统发酵技术都要直接利用原材料中天然存在的微生物 B．发酵工程的产物主要包括微生物的代谢物、酶和菌体本身 C．发酵工程中，发酵环境条件变化不会影响微生物的代谢途径 D．发酵工程可以利用制糖工业的废液为原料获得微生物细胞中的单细 胞蛋白 传统发酵技术直接利用原材料中天然存在的微生物，发酵工程利用的微生物可以是诱变育种和基因工程育种得来的，A错误；发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品，主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，B正确；在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径，C错误；单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量微生物菌体，D错误。 B 5.（2024·昆明高二检测）天津独流老醋历史悠久、独具风味，其生产工艺流程如下图： (1)在糖化阶段添加酶制剂需要控制反应温度，这是因为酶___________ __________________。 (2)在酒精发酵阶段，需添加酵母菌。在操作过程中，发酵罐先通气，后密闭。通气能提高_______的数量，有利于密闭时获得更多的酒精产物。 在最适温度 条件下催化能力最强 酵母菌 　(1)酶的活性受温度的影响，在最适温度下酶的催化能力最强。(2)发酵过程中先通气的目的是让酵母菌大量繁殖，使发酵液中的酵母菌总数达到一定程度，有利于发酵的进行。 (3)在醋酸发酵阶段，独流老醋采用独特的分层固体发酵法，发酵30天。 工艺如下： 先快速增长后趋于稳定 ①发酵过程中，定期取样测定醋酸菌密度变化，趋势如上图。据图分析，与颠倒前相比，B层醋酸菌在颠倒后密度变化的特点是______________________，由此推测，影响醋酸菌密度变化的主要环境因素是_____________________。 (3)①醋酸菌是好氧菌，据图分析，第15天将A、B层颠倒，颠倒后使原来处于下层缺氧状态的醋酸菌来到上层有氧的环境，醋酸菌大量繁殖，其数量上升，后来因为培养液中营养物质被逐渐消耗以及呼吸产物对pH的影响，其数量不再增长而趋于稳定。由此推测，影响醋酸菌密度变化的主要因素是氧气、营养物质、pH等。 氧气、营养物质、pH ②乳酸含量高是独流老醋风味独特的重要成因。发酵过程中，发酵缸中________________________________________层的醋醅有利于乳酸菌繁殖，积累乳酸。③成熟醋醅中乳酸菌的种类明显减少，主要原因是发酵后期营养物质消耗等环境因素的改变，加剧了不同种类乳酸菌的_______________，淘汰了部分乳酸菌种类。 颠倒前的B层和颠倒后的A(或不翻动，或下) 种间竞争(竞争) 　(3)②因为乳酸菌是厌氧菌，故下层有利于乳酸菌繁殖。未颠倒前B层处于下层，颠倒后A层处于下层。③由题目信息可知，由于营养物质消耗、发酵环境发生改变等，生物个体之间的斗争、不同种类之间的竞争会加剧。 Lavf58.51.100 $$