1.3 发酵工程及其应用-【优学精讲】2024-2025学年高中生物选择性必修第三册教用Word(人教版)

该教案聚焦发酵工程的基本环节与应用，通过导学明确概念阐明、发展历程分析及应用价值探究目标。以传统发酵到现代发酵的发展为脉络，结合判断正误、问题探讨等学习支架，帮助学生构建知识体系。 资料特色在于融合科学思维与探究实践，通过谷氨酸发酵条件控制、啤酒生产流程等实例，结合发酵罐结构示意图、生产流程图等可视化资源，培养学生分析综合能力。例题解析与互动设计助力教师高效教学，提升学生解决实际问题的能力，落实生命观念与态度责任素养。

第3节　发酵工程及其应用 导学 聚焦 1.基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。 2.运用分析与综合的科学思维，概述从传统发酵到现代发酵工程的发展历程，认同发酵工程的发展离不开科技进步。 3.基于发酵工程在农业、食品工业、医药工业、工业生产上的应用实例，阐明发酵工程的特点和应用价值 知识点（一）　发酵工程的基本环节 1.发酵工程的基本环节 2.判断下列有关表述的正误 （1）发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。（　×　） 提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 （2）发酵工程的中心环节是选育菌种。（　×　） 提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。 （3）发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。（　×　） 提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 （4）谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。（　√　） 探讨　分析发酵工程基本过程，提高理解能力 　发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产产品。常用谷氨酸棒状杆菌（好氧细菌）在如图所示的发酵罐中发酵来大量生产味精。回答下列问题： （1）发酵过程中需要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件：原因是　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　。 （2）从菌种角度分析，与传统发酵技术相比，发酵工程的优点是　菌种大多为单一菌种　。 （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？ 提示：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。如果产品是代谢物，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。 （4）在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示：不能。要防止排出的气体和废弃培养液中的微生物或活性物质污染环境。 1.影响发酵过程的因素 （1）温度：①温度影响酶活性；②温度影响生物合成的途径；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。 （2）pH：①pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况；②pH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）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物的积累。 2.发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节 　　 1.（2024·天津静海区高二检测）下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是（　　） A.菌种选育是发酵的中心阶段 B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢物的形成 D.在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性时，生成的代谢物就会是乳酸或琥珀酸 解析：C　发酵工程的内容包括选育菌种、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵和产品的分离与提纯等方面，其中发酵过程是发酵的中心阶段，A错误；发酵过程中应随时检测培养液中的微生物数目、产物浓度等，同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行，B错误；微生物发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧与转速等发酵条件，因为环境条件的变化不仅会影响菌种的生长和繁殖，还会影响代谢物的形成，C正确；谷氨酸棒状杆菌在谷氨酸发酵的过程中，当pH呈酸性时，会生成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，D错误。 2.发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法错误的是（　　） A.①为诱变育种，②为萃取（或蒸馏或离子交换等） B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式 C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量 D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件 解析：D　延长稳定期可以提高代谢物的产量，要达到这一目的可采用连续培养的发酵方式，B正确；人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件（即发酵条件）等，D错误。 知识点（二）　发酵工程的应用 1.发酵工程的特点 2.发酵工程的应用 （1）在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品。如酱油、各种酒类。 ②生产各种各样的　食品添加剂　。如柠檬酸和味精。 ③生产　酶制剂　。如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。 （2）在医药工业上的应用 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。 （3）在农牧业上的应用 ①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。 ②生产微生物农药。微生物农药是利用　微生物或其代谢物　来防治病虫害的。 ③生产微生物饲料。通过发酵获得了大量的微生物菌体，即　单细胞蛋白　，并制作成微生物饲料。 （4）在其他方面的应用 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　等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 小提醒：单细胞蛋白就是微生物菌体本身，并不只是组成微生物的蛋白质。 3. 判断下列有关表述的正误 （1）微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。（　√　） （2）单细胞蛋白是通过发酵产生的大量的微生物分泌蛋白。（　×　） 提示：单细胞蛋白就是微生物菌体。 （3）发酵工程一般用半固体培养基。（　×　） 提示：发酵工程一般用液体培养基 （4）微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。（　√　） 探讨　分析发酵工程的应用 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。思考回答下列问题： （1）分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些？ ①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素 ③工厂化生产青霉素 提示：①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术。 （2）酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的生产分别利用了哪种微生物的发酵？ 提示：酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌（如黑曲霉）、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。 （3）利用微生物进行纤维素发酵生产乙醇，然后和汽油按一定比例混合，可形成乙醇汽油。请结合乙醇的性质，分析乙醇汽油有哪些优点？ 提示：乙醇可通过粮食发酵制得，是可再生能源，推广使用乙醇汽油可以节省石油资源；乙醇燃烧生成二氧化碳和水，能减少汽车尾气的污染等。 （4）分析与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中的哪些措施使得啤酒的产量和质量明显提高？ 提示：接种单一高质量菌种、严格的消毒和灭菌措施、培养基中营养物质协调、严格的发酵条件控制等，都使啤酒的产量和质量明显提高。 1.啤酒发酵的过程及内容 2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 　　 1.（2024·山东师范大学附中高二检测）下列有关发酵工程应用的说法，错误的是（　　） A.发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品 B.柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产 C.发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D.发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料 解析：C　乙型肝炎疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产的乙型肝炎疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，单位时间内的产量高，C错误。 2.我国是世界啤酒生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，如图是“精酿”啤酒生产流程示意图。下列说法错误的是（　　） A.大麦发芽释放的淀粉酶可参与糖化过程 B.碾磨有利于淀粉酶与淀粉充分接触，提升反应速率 C.蒸煮过程可以终止淀粉酶的进一步作用，并对糖浆灭菌 D.当发酵液中的糖分消耗完全后，酵母菌的发酵才会终止 解析：D　糖化主要是将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子的过程，因此大麦发芽释放的淀粉酶可参与糖化过程，A正确；破碎过程有利于大麦中淀粉酶的释放，从而使淀粉酶与淀粉充分接触，促进淀粉分解，提升反应速率，B正确；蒸煮过程中淀粉酶的活性丧失，因此蒸煮过程可以终止淀粉酶的进一步作用，并对糖浆灭菌，C正确；在缺氧、酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，但随着无氧呼吸过程中酒精含量的增多，酵母菌的生长受到抑制，因此酵母菌发酵过程未必待糖分消耗完全后才会终止，D错误。 （1）发酵工程一般包括　菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品分离、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）分离、提纯产物时如果发酵产品是微生物细胞本身，可采用　过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥　得到产品；如果产品是代谢物，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。 1.下列关于发酵工程的应用的说法，正确的是（　　） A.食品添加剂由于可以增加食品营养，改善食品的色、香、味，还可延长保存期，使用时应尽量多添加 B.加酶洗衣粉使用时用沸水洗涤效果最好 C.在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力 D.与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本高、见效快、无污染的特点 解析：C　过量使用食品添加剂会对人体健康造成影响，甚至危及生命，所以不能过量使用，A错误；加酶洗衣粉中酶制剂在最适温度下活性最高，沸水条件会使酶失活，洗涤效果变差，B错误；在青贮饲料中添加乳酸菌，通过乳酸菌的发酵，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力，C正确；与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本低、无污染的特点，D错误。 2.（2024·湖北武汉高二期末）青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的选育，发酵技术的发展，青霉素已经步入产业化生产的道路。下列叙述错误的是（　　） A.经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株 B.发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌 C.发酵过程要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度、溶解氧等 D.用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得青霉素 解析：D　高产青霉菌株是通过诱变育种获得的，A正确；发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌，避免杂菌污染，B正确；发酵过程要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度、溶解氧等，以保证发酵过程的顺利进行，C正确；仅通过过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥，不能获得青霉素，还需经过萃取、脱色等，D错误。 3.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，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.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 解析：B　果酒发酵的适宜温度为18～30 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此发酵过程中不需要通入空气，B错误；发酵过程中酵母菌无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C正确；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。 4.下图为发酵装置，据图回答下列问题。 （1）若该培养装置的pH检测及控制装置出现故障，可采取的应急措施是添加缓冲液。pH发生变化的原因是代谢物的积累（或酸碱物质的消耗不均等）。 （2）冷却水的进入口是4，无菌空气的进入口是3。 （3）若将此装置用于酒精发酵或谷氨酸发酵，在发酵过程中，技术上的关键区别是是否通入无菌空气　 （4）若培养过程中进料和放料的速度未变，但有效产物减少，如果是酒精发酵应该检查通气量，如果是谷氨酸发酵可能的原因是溶氧量降低（或pH降低）。 （5）图中5的作用是　把无菌空气打成细小的气泡，增加溶氧量；使菌种与培养液充分接触。 若此装置损坏，对于无氧发酵，产量将不受大的影响。 知识点一　发酵工程的基本环节 1.发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述，错误的是（　　） A.密闭式发酵罐的设计成功使大规模生产发酵产品得以实现 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成分 D.要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件 解析：C　在发酵过程中微生物代谢、繁殖会消耗营养成分，因此需要向装置中添加必需的营养成分，C错误。 2.通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下列有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是（　　） A.配制高浓度营养物质的培养基，会使谷氨酸棒状杆菌大量繁殖 B.常用的谷氨酸棒状杆菌为好氧菌，因此培养基中需严格控制溶解氧、通气量等发酵条件 C.排出发酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和产量的提高 D.发酵液pH呈碱性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺 解析：B　谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，培养基中营养物质的浓度要合适，若浓度过高，不利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，A错误；谷氨酸棒状杆菌是一种好氧菌，因此培养基中需严格控制溶解氧、通气量等发酵条件，以保证谷氨酸棒状杆菌代谢正常进行，B正确；谷氨酸发酵过程中，当谷氨酸合成量过多时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而使谷氨酸的合成过程中断，因此需要及时地排出谷氨酸，才可以解除此抑制作用，有利于谷氨酸的合成和产量的提高，C错误；谷氨酸发酵过程中，当发酵液的pH为酸性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，D错误。 3.（2024·山东枣庄高二月考）下列有关发酵工程基本环节的叙述中，不合理的是（　　） A.由于工业发酵罐所需接入的菌种总体积一般都比较大，所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养 B.在菌种确定之前，要先制备好培养基 C.发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种 D.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 解析：B　培养基要在菌种确定之后，再选择原料制备。而且在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 知识点二　发酵工程的应用 4.（2024·湖北荆门高二期末）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。下列叙述错误的是（　　） A.传统发酵技术多是混合菌种发酵，发酵工程一般为纯种发酵 B.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白 C.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 D.发酵工程通常可以采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的产品 解析：B　单细胞蛋白是指以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废料等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，B错误。 5.下列关于发酵工程在食品工业上的应用的叙述，错误的是（　　） A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 解析：B　食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期，B错误。 6.（2024·江苏如皋模拟）红酸汤是苗族人民的传统食品，它颜色鲜红、气味清香、味道酸爽。以番茄和辣椒为原料的红酸汤制作流程如下。下列相关叙述中正确的是（　　） A.红酸汤制作过程中用到的微生物主要是醋酸菌 B.装坛时加入成品红酸汤是为了增加发酵菌种的数量 C.装坛时不装满的原因是为了促进微生物繁殖 D.红酸汤的制作中发酵时间越长，口味越纯正 解析：B　红酸汤制作过程中要密封发酵，利用的微生物主要是厌氧菌，而醋酸菌是好氧菌，A错误；装坛时加入成品红酸汤是为了增加发酵菌种的数量，B正确；装坛时坛口留有一点空间而不装满的目的是防止发酵后液体外溢，C错误；如果发酵时间过长，会影响口感，D错误。 7.如图为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量生产氨基酸b，采取的最佳措施是（　　） A.用CaCl2处理面包霉，改变其细胞膜的通透性 B.在反应物中增加面包霉生长因子的含量，并加大面包霉的接种量 C.人工诱变，选育出能产生抑制酶③活性的面包霉 D.通过人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉 解析：D　用CaCl2处理面包霉，改变其细胞膜的通透性，可以使氨基酸a和b都过量，从而抑制中间产物的分解，不能大量生产氨基酸b，A不符合题意；在反应物中增加面包霉生长因子的含量，并加大面包霉的接种量不能大量生产氨基酸b，B不符合题意；人工诱变，选育出能产生抑制酶③活性的面包霉，不能大量生产氨基酸b，C不符合题意；通过人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉，可以使中间产物不能生成氨基酸a，进而大量产生氨基酸b，D符合题意。 8.传统酿造工艺生产米酒是利用酒曲作为糖化发酵剂，由于酒曲质量不稳定造成了米酒产品品质差异大，质量稳定性差。为了优化其发酵条件，科技工作者以米曲霉及酿酒酵母为发酵菌株，采用两步发酵法制备米酒，流程如图所示。下列说法错误的是（　　） A.大米蒸煮的目的是杀死杂菌并使淀粉糊化，有利于米曲中淀粉酶发挥作用 B.酿酒酵母扩大培养阶段通入适量氧气，可以促进酵母菌的繁殖 C.待熟米冷却至 18～30 ℃时即可加入第一次发酵产物并在该温度下进行二次发酵 D.传统酿造工艺和两步发酵法生产米酒，糖类未耗尽时，酵母菌的发酵不会停止 解析：D　传统酿造工艺和两步发酵法生产米酒，糖类未耗尽时，酵母菌的发酵过程也会停止，原因可能是pH降低和酒精含量增多，对发酵起抑制作用，从而导致酵母菌发酵停止，D错误。 9.（多选）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.糖化的目的是使淀粉分解形成糖浆 D.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 解析：ACD　焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并保持酶的活性，不是为了灭菌，B错误。 10.（多选）高酒精度啤酒（酒精浓度≥7.5％vol）由于其高酒精度、高发酵度、低残糖等特点，受到越来越多消费者的青睐，其酿造工艺如图所示。下列叙述正确的是（　　） A.生产啤酒用的发酵罐和大麦汁等原料都需要经过灭菌消毒 B.多次分批补加葡萄糖可以减少发酵初期的高渗透压对酵母菌细胞代谢的影响 C.主发酵过程中还原糖主要用于有氧呼吸，其产生的CO2会使pH下降 D.发酵过程中要适时往外排气，后发酵时期可以延长排气时间间隔 解析：ABD　主发酵过程中还原糖主要用于无氧呼吸产酒精，同时无氧呼吸产生的CO2会使pH下降，C错误；发酵过程中要适时往外排气，后发酵时期由于糖类物质不充足，产生的气体变少，可以延长排气时间间隔，D正确。 11.（2024·北京石景山区高二期末）啤酒一般以优质麦芽和水为主要原料，以啤酒花为香料，经糖化过程后由啤酒酵母发酵而成。其主要生产工艺流程见下图。请分析回答下列问题。 （1）糖化过程就是麦芽和辅料中的各种物质溶解和酶解的过程。在这个过程中，淀粉被水解成麦芽糖等二糖，并进一步被分解为葡萄糖等单糖；蛋白质被水解成不同的多肽及氨基酸。 （2）啤酒酵母“种子”扩培是指大量繁殖酵母菌的过程，此阶段需要通入无菌空气保证酵母菌的有氧呼吸。 （3）发酵阶段发生的主要变化是：酵母菌通过无氧呼吸，把麦芽汁中的葡萄糖分解成酒精和CO2及各种风味的代谢物。 （4）为最大限度地提高原料和辅料中各物质的分解率，需要补充添加各种酶制剂。下图为几种蛋白酶对蛋白质的分解效果。据图可知，与仅靠麦芽自身蛋白酶水解相比，分解效果比较好的两种酶是复合蛋白酶和中性蛋白酶，且反应时间至少需要2h。 解析：（2）酵母菌是兼性厌氧微生物，在有氧条件下能大量增殖，故扩培阶段需要通入无菌空气保证酵母菌的有氧呼吸。（3）酵母菌在无氧的条件下，进行酒精发酵，通过无氧呼吸，将葡萄糖分解成酒精和CO2及各种风味的代谢物。（4）根据总可溶性氮含量的变化可知，中性蛋白酶和复合蛋白酶对蛋白质的分解效果比较好。根据曲线的变化可知，反应时间至少要进行2 h。 11 / 11 学科网（北京）股份有限公司 $