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3节　发酵工程及其应用 第1章 发酵工程 生物 学习目标 ①理解发酵工程是利用微生物的生命活动进行物质转化的过程，形成生物技术与生产生活密切相关的生命观念。（生命观念） ②能够通过对比传统发酵与现代发酵工程的流程，运用逻辑推理分析不同发酵条件对产物产量和质量的影响，提出优化发酵条件的科学建议，提升批判性思维能力。（科学思维） ③通过小组合作探究酸奶发酵实验，亲历科学探究的完整过程，包括提出问题、设计实验、收集数据、分析结果和形成结论，提升科学探究能力。（科学探究） ④关注发酵工程在多领域的应用，认识其对社会发展的贡献，思考产业发展与可持续性问题。（社会责任） 学习重难点 重点： 1.发酵工程的基本环节。 2.发酵工程的应用。 难点： 发酵工程的基本环节。 导入新课 问题思考 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。 青霉素 思考：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 发酵工程的基本环节 新课讲授 任务一 新课讲授 资料1：某大型谷氨酸发酵工厂生产过程中，首先，科研人员从土壤中筛选出优良的谷氨酸棒状杆菌菌种，对其进行基因改造。接着，将玉米浆、豆饼水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培养基，经过高温高压灭菌处理之后，在种子罐中对菌种进行扩大培养，达到一定菌体量后，接入发酵罐。不断通入无菌空气并搅拌，保证菌体充分接触营养物质和氧气。发酵结束后，通过离子交换树脂法等技术分离提取谷氨酸。 [任务一]发酵工程的基本环节 结合资料思考 1.为什么要对菌种进行筛选和改造？和传统发酵技术所用的菌种从来源方面看有什么不同？ 改造菌种能增强其合成目标产物的能力，提高生产效率和产品质量。 传统发酵技术所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大多是单一菌种。 新课讲授 资料1：某大型谷氨酸发酵工厂生产过程中，首先，科研人员从土壤中筛选出优良的谷氨酸棒状杆菌菌种，对其进行基因改造。接着，将玉米浆、豆饼水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培养基，经过高温高压灭菌处理之后，在种子罐中对菌种进行扩大培养，达到一定菌体量后，接入发酵罐。不断通入无菌空气并搅拌，保证菌体充分接触营养物质和氧气。发酵结束后，通过离子交换树脂法等技术分离提取谷氨酸。 [任务一]发酵工程的基本环节 结合资料思考 2.为什么发酵工程的生产条件比较温和？ 发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，而微生物代谢是在常温常压下进行的，因此发酵工程的生产条件比较温和。 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 结合资料思考 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？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理。在发酵工程中，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。　 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 结合资料思考 4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 不能。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。因为发酵过程中产生的某些气体和废弃培养液可能对人及其他生物或环境有害。 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 【归纳总结】 请用箭头和文字归纳概述现代发酵工程的基本环节。 选育高产菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 【合作交流】 酸奶是大家日常生活中非常喜欢的饮品。请结合发酵工程的基本环节，设计实验室制作酸奶的流程，并在课堂上进行展示和说明。 原料：新鲜纯牛奶500 mL、市售原味酸奶50 mL（含保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌等活性乳酸菌，作为菌种）。 仪器与器材：1 000 mL洁净不锈钢锅、玻璃棒、精密温度计、500 mL带密封盖的玻璃广口瓶、高压蒸汽灭菌锅、记号笔、pH试纸、恒温培养箱（温度可精准控制在38~42℃）。 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 【合作交流】酸奶制作的基本流程 选育 菌种 消毒 灭菌 接种 密封发酵 收获产品 新课讲授 [任务一]发酵工程的基本环节 【实验流程】 1.消毒及灭菌：将不锈钢锅、玻璃棒、玻璃广口瓶等器具清洗干净后，放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌；牛奶采用巴氏消毒法消毒。 2.接种：冷却牛奶至40~42℃，加入50 mL市售原味酸奶并用玻璃棒搅拌。 3.密封发酵：标记好接种时间，然后将广口瓶密封，放入恒温培养箱，设置温度为 40~42℃，发酵4~6小时。 4.收获产品：每间隔1小时，观察并记录酸奶状态，当酸奶达到合适凝固状态时，放入冰箱冷藏室（4℃左右）冷藏2~4小时，使酸奶口感更细腻、风味更浓郁。 发酵工程的应用 新课讲授 任务二 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 资料2：啤酒是以大麦为主要材料经酵母菌发酵制成的。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。 1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要先通气后密封？ “通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 结合资料思考 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 资料2：啤酒是以大麦为主要材料经酵母菌发酵制成的。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.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果发酵罐密封不严会使啤酒变酸，这是发生了什么变化？ 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为乙酸。 结合资料思考 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 资料2：啤酒是以大麦为主要材料经酵母菌发酵制成的。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。 3.与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 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。 结合资料思考 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？ 应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。 【合作交流】 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 【归纳总结】 应用领域 具体应用 成果 在食品工业上的应用     生产传统的发酵产品 利用霉菌发酵生产酱油，利用酿酒酵发酵母生产酒类 生产各种各样的食品添加剂 利用黑曲霉发酵生产柠檬酸，利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸 生产酶制剂 利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等 【归纳总结】 在医药工业上的应用   通过工程菌生产药物 利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素 通过改造菌种生产药物 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素 在农牧业上的应用   生产微生物肥料 利用根瘤菌和固氮菌生产根瘤菌肥、固氮菌肥 生产微生物农药 利用苏云金杆菌防治多种农林虫害，利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫等虫害 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 【归纳总结】 在农牧业上的应用 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，通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产 在其他方面的应用   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 对极端微生物的利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 新课讲授 [任务二]发酵工程的应用 【合作探究】 结合任务一中同学们设计完善的实验室制作酸奶的流程，小组合作，开展实验室中酸奶的发酵制作。 注意事项： ①严格遵守无菌操作原则，防止杂菌污染。 ②精准控制温度，过高或过低都会影响乳酸菌活性与发酵效果。 ③若发酵后的酸奶出现异味、分层、大量气泡等异常，则说明发酵失败，不可食用。 ④实验结束后，整理实验台面，清洗并妥善保管实验器材。 【练习1】 当堂训练 青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是（ ） A.发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖 B.可用深层通气液体发酵技术提高产量 C.选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中 D.青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌 D 【练习2】 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，下列叙述错误的是（　　） A.夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过检测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 B 当堂训练 【练习3】 下列有关发酵工程的叙述，正确的是（ ） A.单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质 B.可通过诱变育种、基因工程育种等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养 C.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 D.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等 B 当堂训练 【练习4】 （不定项）啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是（ ） A.用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶 B.焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D.在菌种选育上，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短发酵周期 ACD 当堂训练 【练习5】 运用发酵法生产酒精后的废液（pH=4.3）含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题。 （1）实验过程中培养白地霉的培养基是　　　　　　。培养基定量分装前，先调节 　　　，分装后用棉塞封瓶口，最后　　　　处理。  （2）图中①过程称为　　　　，从甲到丁的培养过程是为了　　　　　　。白地霉的代谢类型为　　　　　　。  当堂训练 废液上清液 pH 灭菌 接种 扩大培养 异养需氧型 【练习5】 运用发酵法生产酒精后的废液（pH=4.3）含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题。 （3）为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量　　　的质量。过滤后需反复烘干称量，直至　　　　。所获菌体干重等于　 。  当堂训练 滤纸 恒重 恒重时的质量与滤纸质量之差 课堂小结 谢谢大家 $$