第1章 第3节 发酵工程及其应用（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二生物选择性必修3 生物技术与工程同步学案（人教版）

本讲义聚焦发酵工程的基本环节及应用这一核心知识点，系统梳理从菌种选育、培养基配制、灭菌接种到发酵罐内发酵、产物分离提纯的完整流程，并阐述其在食品、医药、农牧业等领域的具体应用，构建连贯的知识支架。 该资料通过“新知探究”引导学生分析菌种筛选、发酵条件控制等问题，培养科学思维，结合医药生产疫苗、农牧业生产微生物农药等实例渗透态度责任。自学诊断与典题应用模块，课中助力教师教学，课后帮助学生查漏补缺，强化知识掌握。

第3节　发酵工程及其应用 学习目标 素养要求 1.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。 2．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.通过学习，能够对发酵工程的基本环节进行分析。(科学思维) 2．能够说出发酵工程在食品、医药、农牧业等方面的应用。(社会责任) 一、发酵工程的基本环节 1．发酵工程的概念 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。 2．发酵工程的基本环节 (1)选育菌种： ①从自然界中筛选； ②通过诱变育种或基因工程育种获得。 (2)扩大培养：在发酵之前需要对菌种进行扩大培养。 (3)配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料配制培养基。 (4)灭菌：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 (5)接种：将菌种接种到配制的培养基上培养。 (6)发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心环节。 ①随时检测培养液中的微生物数量和产物浓度等； ②及时添加必需的营养组分； ③严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 (7)分离、提纯产物： ①如果发酵产品是微生物细胞，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥； ②如果产品是代谢物，根据产物的性质进行提取、分离和纯化。 (8)获得产品。 3．啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。 二、发酵工程的应用 1．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。 2．发酵工程的具体应用 食品工业 生产传统的发酵产品，如酱油，各种酒类 生物各种食品添加剂：如柠檬酸，谷氨酸 生产酶制剂：如果胶酶，脂肪酶 医药 工业 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；或者直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。 未来甚至还可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 科学家还利用基因工程，将病原体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。 续表 农牧业 生产微生物肥料：如根瘤菌肥，固氮菌肥 生产微生物农药：如井冈霉素 生产微生物饲料：如单细胞蛋白 其他方面 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯；极端生物的研究 [自学效果诊断] 1．判正误 (1)发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，接种，发酵，灭菌，产品的分离、提纯等方面。( × ) (2)传统发酵过程中所用的菌种大多是单一菌种。( × ) (3)发酵工程的中心环节是接种。( × ) (4)单细胞蛋白就是一个蛋白质分子。( × ) (5)可以利用发酵工程和基因工程生产疫苗。( √ ) 2．微思考 (1)发酵工程的基本环节是什么？其中心环节是那一步？ 提示：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，发酵罐内发酵，产品的分离、提纯等过程。发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。 (2)利用发酵工程可以生产微生物农药，与传统化学农药相比，微生物农药有什么优点？ 提示：微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，作为生物防治的重要手段，微生物农药减少了化学农药的使用，保护了环境，在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。 新知探究一　发酵工程的基本环节 1．如何从自然界筛选优良菌种用于发酵工程？ 提示：可以利用选择培养基根据发酵需要对菌种进行筛选。 2．现代发酵过程通常使用大型发酵罐，如何对发酵过程进行监测和控制，从而达到最佳发酵状态？ 提示：现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵工程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 3．在发酵生产过程中产生的气体和废气培养液等能直接排到外界环境中吗？为什么？ 提示：不能，防止对环境造成污染等不利影响。 [核心归纳] 1．菌种选育的方法 (1)直接筛选：利用选择培养基从自然界中筛选出性状优良的菌种。 (2)诱变育种：利用物理因素、化学因素、生物因素等诱变因素处理微生物，再筛选出符合人们需要的菌种。 (3)基因工程育种：利用转基因技术，将目的基因与运载体结合，导入受体微生物，得到目的基因能够表达的菌种。 2．发酵条件的控制 (1)控制目的：发酵条件既能影响微生物的生长繁殖，又能影响微生物的代谢物的形成。 (2)控制因素：温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、营养等。 3．发酵产品的获得 产品类型 获得方法 微生物细胞本身 采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 代谢物 提取、分离和纯化 [典题应用] 1．下列有关发酵工程的描述，错误的是(　　) A．发酵工程充分利用了微生物的特定功能 B．在发酵之前，要对选育的菌种进行扩大培养 C．发酵产品的提取需要等发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 D．发酵所需的培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌 解析：选C　如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥；如果产品是代谢物，则需要根据产物的性质进行提取、分离和纯化来获得产品。 2．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，有关发酵条件控制的叙述错误的是(　　) A．在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量 B．只要等发酵结束，才能测出发酵产物的浓度 C．在发酵过程中，要及时添加必需的营养组分 D．通过冷却水循环，可以调控发酵罐内的温度 解析：选B　在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度，以了解发酵进程。还要及时添加发酵必需的营养组分，要严格控制温度、pH、溶氧量等发酵条件。 新知探究二　发酵工程的应用 　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、健康和能源等方面作出了越来越大的贡献。请思考回答以下问题： (1)从生产条件、原料来源及环境污染等角度，说出发酵工程较基因工程、细胞工程的优点。 提示：与基因工程、细胞工程相比，发酵工程的生产条件温和，原料来源丰富且价格低廉，产物专一、弃废物对环境的污染小且易处理，这些优点使其广泛应用，形成规模庞大的发酵工业。 (2)请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。 提示：用微生物发酵清理城市废弃物垃圾，用发酵工程使烟气脱硫，还可以用微生物工程除臭等。 (3)请列举一下发酵工程与基因工程结合，推动医药工业发展的优势。 提示：人们可以采用基因工程的方法，将目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，或者直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。这大大拓宽了药物的来源，降低了价格，此外，科学家还利用基因工程，将病原体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。 [核心归纳] 1．发酵工程在食品工业上的应用 产品类型 产品 相关微生物及其作用 传统的发酵成品 酱油 霉菌(如黑曲霉)将蛋白质水解成肽和氨基酸 酒类 酿酒酵母利用谷物或水果发酵产生酒精 续表 产品类型 产品 相关微生物及其作用 食品添加剂 柠檬酸 黑曲霉发酵产生 味精 谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸 酶制剂 α­淀粉酶、β­淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等 绝大多数通过微生物的发酵产生 2.基因工程对发酵工程制药的促进 (1)利用基因工程，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，如利用基因改造后的微生物生产生长激素释放抑制激素。 (2)利用基因工程，将病原体的抗原基因转入适当的微生物，通过发酵生产疫苗，如乙型肝炎疫苗的生产。 3．发酵工程在农牧业上的应用 应用类型 微生物及其作用 生产微生物肥料 根瘤菌制作根瘤菌肥；固氮菌制作固氮菌肥。 生产微生物农药 苏云金杆菌防治80多种虫害；白僵菌防治玉米螟、松毛虫；放线菌产生井冈霉素防治水稻枯纹病 生产微生物饲料 用酵母菌、乳酸菌等生产单细胞蛋白 [典题应用] 3．食品工业是微生物最早开发和应用的领域，利用发酵过程生产的食品比比皆是，有关叙述错误的是(　　) A．黑霉菌产生的蛋白酶可以将大豆中的蛋白质分解成肽和氨基酸 B．利用谷物酿制白酒时，酵母菌只需要进行无氧呼吸即可，所以整个发酵过程需要隔绝空气进行 C．利用乳酸链球菌可以提取乳酸链球菌素制作防腐剂 D．味精的生产需要谷氨酸棒状杆菌经过发酵先产生谷氨酸 解析：选B　酵母菌是兼性厌氧微生物，在发酵初期，需要向发酵罐内通气，促进酵母菌大量繁殖，增加酵母菌菌种数量，之后再进行密闭，有利于酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。 4．将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素，下列叙述错误的是(　　) A．转录生长激素基因需要RNA聚合酶 B．大肠杆菌内为生长激素合成提供能量的是线粒体 C．大肠杆菌能产生人生长激素的变异属于基因重组 D．大肠杆菌质粒的标记基因中腺嘌呤和胸腺嘧啶含量相等 解析：选B　转录生长激素基因需要RNA聚合酶，A正确；大肠杆菌属于原核生物，其细胞中不含线粒体，B错误；大肠杆菌能产生人生长激素是采用基因工程技术实现的，该技术的原理是基因重组，C正确；大肠杆菌质粒为双链环状DNA分子，遵循碱基互补配对原则，因此其标记基因中腺嘌呤和胸腺嘧啶含量相等，D正确。 [核心语句必背] 1．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。 2．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。 3．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。 4．发酵设备和培养基必须进行严格灭菌。 5．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。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。 6．单细胞蛋白是微生物经发酵产生的微生物菌体。 1．发酵工程的正确操作过程是(　　) ①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　⑤菌种的选育　⑥扩大培养和接种 A．①③④⑤②⑥ B．⑤②③⑥①④ C．②⑤③①⑥④ D．⑥⑤②④③① 解析：选B　发酵工程的基本操作过程为：菌种的选育→培养基的配制→灭菌→扩大培养和接种→发酵过程→产品的分离提纯。因此正确的操作过程是⑤②③⑥①④。 2．下列关于发酵工程的叙述，错误的是(　　) A．1857年，法国微生物学家巴斯德证明酒精发酵是由活的酵母引起的 B．1897年，德国的毕希纳进一步发现了酶在酵母发酵中的作用 C．20世纪40年代初，弗洛里和钱恩与许多科学家合作，研究出大规模生产青霉素的方法 D．现代发酵工业产品大多数是厌氧微生物发酵产生的 解析：选D　1857年，法国微生物学家巴斯德证明酒精发酵是由活的酵母引起的，发酵与活细胞有关；起发酵作用的是整个酵母细胞，A正确；1897年，德国的毕希纳发现酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起催化作用，就像在活酵母细胞中一样，B正确；20世纪40年代初，弗洛里和钱恩与许多科学家合作，研究出大规模生产青霉素的方法，C正确；现代发酵工业产品大多数是微生物发酵产生的，包括厌氧型微生物和需氧型微生物，D错误。 3．发酵工程的一项关键措施是灭菌，关于灭菌的叙述正确的是(　　) A．培养基和发酵设备均需要严格灭菌 B．灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌 C．通入无菌空气可以达到灭菌的目的 D．pH调到7左右灭菌效果最好 解析：选A　灭菌就是杀灭微生物，以排除对生产、实验的干扰，关键是要对培养基和发酵设备灭菌，A正确；培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物，B错误；为防止杂菌污染，通入的空气也要是无菌的，但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的，C错误；灭菌效果与pH无直接关系，D错误。 4．发酵工程在现代生物工程中地位越来越重要。下列有关发酵过程叙述错误的是(　　) A．首先要对发酵设备和培养基严格灭菌 B．要随时取样，检测培养液的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程 C．在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养组分 D．要严格控制温度、pH、溶解氧等环境因素 解析：选C　首先要对发酵设备和培养基严格灭菌，A正确；要随时取样，检测培养液的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程，B正确；在发酵过程中需要向装置中再添加必需的营养组分，C错误；要严格控制温度、pH、溶解氧等环境因素，D正确。 5．谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。请回答下列问题： (1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有________。 A．噬菌体 B．人类免疫缺陷病毒(HIV)　 C．禽流感病毒　 D．肺炎双球菌　 E．酵母菌 G．硝化细菌　 H．乳酸菌 (2)谷氨酸发酵的培养基成分，主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的同化作用类型是________型。 (3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的________，而且起到调节培养液________的作用，所以应该分次加入。 (4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自____________。 (5)如图所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养基，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因______________________________。 解析：(1)北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌都是原核生物，没有成形的细胞核，而题中噬菌体、人类免疫缺陷病毒(HIV)和禽流感病毒都没有细胞结构，酵母菌则是真核生物，因此与这些菌种在结构上存在明显区别的有ABCE。(2)谷氨酸发酵的培养基成分中有葡萄糖，说明其代谢类型是异养型。(3)氨水是细菌生长所需的氮源，同时还有调节培养液PH的作用。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自基因突变(或突变)。(5)如图所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养基，此工艺流程可以大大提高生产效率，原因是：①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长。 答案：(1)ABCE　(2)异养型　(3)氮源　pH　(4)基因突变(或突变)　(5)①保证微生物对营养物质的需求　②排出部分代谢产物　③使微生物保持较长时间的快速生长 学科网（北京）股份有限公司 $