1.3发酵工程及其应用课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

祁阳市第四中学 张望月 1.3发酵工程及其应用 -2025-2026 学年高二年级生物学 选择性必修3(人教版2019) 温 故 知 新 发酵： 传 统 发 酵 发 酵 工 程 原料 微生物的代谢转化 人类需要的产物 利用 , 通过 ， 人类需要的产物。 微生物的特定功能 规模化生产 现代工程技术 直接利用 ， 或利用 , 进行发酵，制作食品的技术。 原料中天然存在的微生物 前一次发酵保留下来的微生物 微生物纯培养技术 密闭式发酵罐 第一章第3节 发酵工程及其应用(P22) 严格控制环境条件； 大规模生产发酵产品 混合菌种，生产条件不易控制，容易受杂菌污染 选育菌种 (性状优良) 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 一、发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节是什么？请同学们阅读教材，书写流程。 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，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，一瓶规格160万单位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？ （一)选育菌种 1.目的: 获得__________________的菌种。 性状优良 2.菌种来源: ①从自然界中筛选(生产柠檬酸：产酸量高的黑曲霉) ②诱变育种(生产青霉素：紫外线诱变筛选高产青霉菌) ③基因工程育种(生产啤酒: 基因工程改造的啤酒酵母) ①菌种健壮，不易退化； ②发酵产品产量高、质量稳定、风味独特； 3.原因: 一、发酵工程的基本环节 ---很大程度决定发酵产品的成败 工业发酵罐的体积几百立方米，接入的菌种总体积几十立方米。工业发酵要想 在短期得到大量的发酵产物，则需大量菌体。如何得到大量菌体缩短生产周期？ 答：在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。 （1)扩大培养目的是什么？ 增加菌种的数量，缩短生产周期。 （二)扩大培养 一、发酵工程的基本环节 液体培养，可与营养物质充分接触，微生物快速增殖。 将培养到生长速度最快时期的菌体，再转接到新培养液连续培养。 （2)方法 (2)在生产实践中，培养基的配方要经过____________才能确定。 反复试验 1.培养基配制: (1)在菌种确定之后，要_____________制备培养基。 （三)培养基的配制、灭菌 一、发酵工程的基本环节 选择原料 ①选择原料: 要结合菌种代谢特点 ②原料包含: 碳源/氮源/水/无机盐 2.灭菌: （1)灭菌原因：发酵工程所用的菌种大多是____________，一旦有杂菌污染， 可能导致___________________。 单一菌种 产量大大降低 （3) 都必须经过严格的灭菌。 培养基和发酵设备 (2)杂菌对发酵所用的菌种有什么影响？ ①杂菌和菌种竞争营养； ②杂菌产生的代谢物可能抑制菌种的生长，使发酵产量下降； ③杂菌分泌的酶可能使发酵产品分解(如杂菌分泌的青霉素酶将青霉素分解) （四)接种 : 将_____________________ 投放到___________中 发酵罐 扩大培养后的菌种 (五)发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节(发酵罐有计算机控制系统) 1.发酵的要求： ①发酵过程要随时检测培养液中_____________、_____________等， 以________________。 ②要及时添加___________________，要严格控制___________________等发酵条件。 微生物数量 产物浓度 了解发酵进程 必需的营养组分 温度/pH/溶氧量 2.严格控制发酵条件的原因： ①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成。 ②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 一、发酵工程的基本环节 3.不同发酵条件影响的实例——谷氨酸发酵 。 而在_______条件下则容易生成 。 （有氧、中性/弱碱性） 酸性 ”谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺” 判断正误： 大型发酵罐的计算机控制系统，能对发酵过程多种指标进行监测和控制；还可以进行正反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。（ ） × (六)分离、提纯产物 一、发酵工程的基本环节 1.发酵产物的两种形式: . ①微生物细胞本身；②代谢物 ①微生物细胞本身: 采用______________等方法将菌体________和________。 ②代谢物: 可根据 采取____________________措施来获得产品。 过滤/沉淀 分离 提取/分离/纯化 干燥 2.分离、提纯产物的方法 产物性质 下列关于发酵工程特点的描述错误的是（ ） A 原料来源丰富且价格低廉 B 生产条件温和 C 产物多样化 D 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 C 二、发酵工程的应用 发酵工程的应用 食品上 传统的发酵食品 食品添加剂 酶制剂 医药上 （结合基因工程、蛋白质工程） 抗生素 激素 疫苗 农牧业上 微生物肥料 微生物农药 微生物饲料 其他 能源物质 极端微生物 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 (1)用发酵工程来生产传统的”发酵产品”，如 等 大豆蛋白质 小分子肽和氨基酸 酱油 黑曲霉 淋洗、调制 酱油、各种酒类 (2)生产各种各样的食品添加剂，如 等 柠檬酸、味精 淀粉 黑曲霉 淀粉酶 葡萄糖 柠檬酸合成酶 谷氨酸 棒状杆菌 发酵 (有氧呼吸) 谷氨酸 处理 谷氨酸钠(味精) 柠檬酸 (3)生产酶制剂，如 等 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶 判断正误： 利用发酵工程是生产的食品添加剂，可以改善食品口味、色泽和品质，还可以延长食品保存期，但不能增加食品的营养。（ ） 在食品工业中，目前使用的50多种酶制剂，都是通过发酵工程生产的。（ ） × × 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 转入 微生物 病原体的 抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 2.在医药工业上的应用 (动物基因转入)生长激素释放抑制激素 (植物基因转入)紫杉醇；青蒿素前体 (对青霉菌人工诱变)青霉素 (乙肝病毒抗原基因转入酵母)乙肝疫苗 大量生产所需要的产品 二 发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用---活菌或其代谢物 生产微生物肥料 根瘤菌肥、固氮菌肥 微生物肥料的作用： ①生物肥料利用了微生物在代谢时产生的 、 等来增进土壤肥力，改良土壤结构， 进而 。 有机酸 生物活性物质 抑制土壤中病原微生物的生长 促进植株生长 减少病害的发生 ②有的微生物肥料 ， 从而 。 3.在农牧业上的应用 微生物农药是利用　　　或　　　 来防治病虫害的。 微生物农药作为　　 防治的重要手段 生产微生物农药 生产微生物肥料 微生物 其代谢物 生物 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 80多种农林害虫 玉米螟、松毛虫 水稻枯纹病 苏云金杆菌 白僵菌 一种放线菌产生的抗生素 （井冈霉素） 3.在农牧业上的应用 生产微生物农药 生产微生物肥料 生产微生物饲料 原理： ①实例1——微生物菌体(即: ) 生产过程： 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的 为原料，通过 获得了大量的 ，即单细胞蛋白。 成分: 含有丰富的 ，还含有 等物质。 应用： 可以作为食品添加剂、微生物饲料等。其中微生物饲料 能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 ②实例2-添加乳酸菌: 丰富的蛋白质(占细胞干重的60%~80%) 单细胞蛋白 单细胞蛋白 废液 微生物菌体 发酵 蛋白质 糖类、脂质和维生素 微生物繁殖快，含有 。 判断正误： 用酵母单细胞蛋白制成的微生物饲料，可以使青贮饲料保鲜并提高动物免疫力（ ） × 对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 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、乙烯等能源物质(再生能源和减少污染） 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂；嗜低温菌有助于提高热敏产品产量 发酵工程正渗透到几乎所有工农业领域，助力解决 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 粮食、环境、健康、 能源 (4)在其他方面的应用 6．苏云金杆菌 7．黑曲霉 8．谷氨酸棒状杆菌 9 ．乳酸菌 微生物农药 微生物农药 食品添加剂味精 生产青霉素 思考下列微生物在发酵工程中都有哪些应用？ 酿醋 泡菜、乳制品、微生物饲料 酿酱油，生产食品添加剂柠檬酸 制作腐乳 1．石油降解菌 2．醋酸菌 3．青霉菌 4．毛霉 5．白僵菌 解决石油污染 10．根瘤菌、固氮菌 11．嗜热菌、嗜盐菌 12.产井冈霉素的放线菌 13.嗜低温菌 14.酵母菌 微生物农药 微生物肥料 生产洗涤剂 生产乙肝疫苗、 单细胞蛋白做食品添加剂和微生物饲料、 利用谷物和水果酿酒、 制作面包馒头 助于提高热敏产品产量 知识网络小结 发 酵 工 程 及 其 应 用 发酵工程的 基本环节 发酵工程 的应用 选育菌种 扩大培养 培养基的配制 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 食品工业上的应用 医药工业上的应用 农牧业上的应用 其他方面的应用 啤酒工业化生产流程 啤酒是以 原料经 发酵制成的，其工业化生产流程如下图。 其中发酵过程分为 两个阶段。酵母菌的繁殖（有氧呼吸）、大部分糖的分解和代谢物的生成（无氧酒精发酵）都在 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 ，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸 煮 发酵 主发酵 消毒 终 止 后 发 酵 大麦种子发芽，释放 淀粉酶 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉 淀粉分解，形成糖浆。 产风味，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期 过滤、调节、分装啤酒 进行出售 大麦与啤酒花 酵母菌 主发酵和后发酵 主 发 酵 后发酵 发酵的温度和发酵的时间 啤酒的工业化生产流程 啤酒花 糖浆 冷却 接种酵母菌 过滤 作业布置： 生产啤酒的原料有哪些？工业化生产流程是什么？每个环节的目的是什么？ （1)啤酒的发酵过程分为_________和_________两个阶段； （2)主发酵阶段完成__________________________________________________； （3)后发酵的条件____________________________________________________； （4)发芽的目的，如何不经发芽也可实现目的？__________________________________； 焙烤的目的： 。 （5)糖化和蒸煮的目的：____________________________________________________； （6) 啤酒花什么时候加入： , 接种啤酒酵母菌：微生物培养技术筛选出的 ， 然后进行接种, 蒸煮后的糖浆一定要 后才能接种，防止 。 （7)发酵过程中注意控制好 和发酵时间等。 (8)接种前要对发酵罐进行 ，接种时要进行 ，防止杂菌污染。 (9)啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品吗？ 。 （10）如何给啤酒消毒除菌？ 。 ①酵母菌繁殖; ②大部分糖分解; ③代谢物的生成 大麦发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮(啤酒花) 发酵 主发酵 冷却; 接种啤酒酵母 消毒 终止 后发酵 （1)啤酒的发酵过程分为_________和_________两个阶段； （2)主发酵阶段__________________________________________________； （3)后发酵的条件____________________________________________________； （4)发芽的目的：_____________________________________________________________； 焙烤的目的： 。 （5)糖化的目的：____________________________________________________； 蒸煮的目的： 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖（有氧）、大部分糖分解和代谢物生成（无氧酒精发酵） 低温、密闭的环境下储存一段时间 产生淀粉酶。使用赤霉素使大麦种子不经发芽产生α-淀粉酶 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活(温度不能过高) 淀粉分解成糖浆。从发芽到糖化结束得到可发酵糖。 产生风味组分，终止酶的进一步作用，灭菌。 2025/7/31 （6)加入啤酒花在： 。 接种啤酒酵母菌：微生物培养技术筛选出的 ， 然后进行接种, 蒸煮后的糖浆一定要 后才能接种，防止 。 （7)发酵过程中注意控制好 和发酵时间等。 (8)接种前要对发酵罐进行 ，接种时要进行 ，防止杂菌污染。 (9)啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品吗？ 。 （10）如何给啤酒消毒除菌？ 。 优良的单一菌种 冷却 高温杀死酵母菌 温度、pH、通气量 灭菌 无菌操作 蒸煮环节 是 巴氏消毒法或微孔滤膜法获得生鲜啤酒 ①酵母菌繁殖; ②大部分糖分解; ③代谢物的生成 大麦发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮(啤酒花) 发酵 主发酵 冷却; 接种啤酒酵母 消毒 终止 后发酵 一、概念检测 1.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。判断下列相关表述是否正确。 （1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。（ ） （2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。（ ） （3）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。（ ） （4）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ） × √ × √ 练习与应用（P28） 作业布置：教材p28 二、拓展应用 1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 （1）青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？ 练习与应用（P28） 可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 （2）在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同的酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 二、拓展应用 2. 通过微生物发酵，可以将粮食（如玉米、小麦等）及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的 NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量的粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。 练习与应用（P28） 在生产燃料乙醇时,为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸杆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$