2026届高三生物一轮复习基础知识读背学案—发酵工程

第一章第1节 传统发酵技术的应用 读背学案 一、发酵与传统发酵技术 1.发酵概念：发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物。 原理：不同的微生物具有产生不同代谢物的能力。 注意：必修一中的发酵指的是无氧呼吸，选择性必修三中的发酵包含有氧和无氧呼吸。 2.传统发酵技术：直接利用原材料中天然存在的微生物或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物种的微生物进行发酵、制作食品的技术。 1. 菌种来源：原材料中天然存在的微生物，前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物（一般为混合菌种）。 1. 类型：固体发酵和半固体发酵。 （3）实例：腐乳、酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等的制作 二、尝试制作传统发酵食品 1.各种发酵食品制作的菌种及原理（必背⭐⭐⭐） 微生物种类 分类 代谢类型 发酵原理 酿酒 酵母菌 真核生物（真菌） 异养、兼性厌氧型 在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖：C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O+能量；在无氧条件下，酵母菌进行无氧呼吸，将糖类分解成酒精和二氧化碳：C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2+能量 酿醋 醋酸菌 原核生物（细菌） 异养、需氧型 在氧气、糖源都充足时，能分别把糖类分解为醋酸；当缺少糖源时可将乙醇转变成乙醛，并进一步转变成醋酸。 C6H12O6＋2O2→2CH3COOH＋2H2O+2CO2+能量；C2H5OH＋O2→CH3COOH＋H2O+能量 制作腐乳 主要是毛霉 真核生物（真菌） 异养、需氧型 毛霉等微生物产生的蛋白酶等能将豆腐中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸。 制作泡菜 乳酸菌 原核生物（细菌） 异养、厌氧型 在无氧条件下，乳酸菌可将葡萄糖分解成乳酸。C6H12O6―→2C3H6O3(乳酸)+少量能量 2.制作泡菜（加粗及划线的必背⭐⭐⭐） （1）菌种来源：植物体表面天然的乳酸菌。 （2）方法步骤注意事项： ①盐水配制要求： 盐水浓度为什么选择5-20%？盐浓度过低不足以抑制杂菌生长，导致泡菜变质；浓度过高会抑制乳酸发酵。 为什么要将盐水煮沸并冷却？煮沸可以杀死微生物，还可以除去其中的氧气。冷却是为了避免盐水温度过高杀死蔬菜上的乳酸菌。 ②为什么装坛只能装至八成满？防止发酵液溢出、方便拿取泡菜。 ③盐水浸没全部菜料的主要目的？创造无氧环境，有利于乳酸菌发酵。 ④用水密封泡菜坛的目的？保证坛内乳酸菌发酵所需的无氧环境。 ⑤家庭制作泡菜时无须刻意灭菌，原因是：乳酸菌发酵产生的乳酸可以抑制其他微生物的生长。 （3）泡菜中亚硝酸盐含量变化：先增加，再逐渐降低，最后基本稳定。 （4）若制作时加盐过多泡菜会“咸而不酸”，最可能的原因是什么？盐过多抑制了乳酸菌发酵 （5）加入“陈泡菜水”的目的是什么？增加乳酸菌菌种数量，加快发酵进程。 3.制作果酒和果醋（加粗及划线的必背⭐⭐⭐） （1）菌种来源：果皮表面附着的野生型酵母菌、空气中的醋酸菌 （2）发酵条件： 果酒制作：①18-30℃（酿酒酵母最适生长温度约为28℃） ②初期有氧，后期无氧 果醋制作：①30-35℃ ②有氧 （3）方法步骤中注意事项： ①器具消毒要求：先用洗洁精清洗，再用70%酒精消毒，晾干。 ②a.选择新鲜葡萄，冲洗葡萄1--2次，目的是：去除表面灰尘和一些杂菌。 b.不能反复冲洗的原因：反复冲洗减少果皮表面附着的野生菌种且易引起葡萄破损,增加被杂菌污染的机会。 c.先冲洗后去梗的原因：以避免除去枝梗时引起葡萄破损,增加被杂菌污染的机会。 ③装瓶时为什么要留有大约1/3的空间？有利于早期酵母菌有氧呼吸增加酵母菌数量，同时为酵母菌呼吸产生的CO2留下空间，防止发酵液溢出。 ④发酵过程中：为什么每隔12h左右将瓶盖拧松一次（注意不是打开瓶盖）？排出发酵产生的CO2 不打开是为了防止杂菌进入污染发酵液。 （4）结果分析与评价： ①在制果酒的过程中，发酵液有哪些变化？分析引起变化的原因？ 发酵液产生气泡: 由于发酵作用，糖分大部分转变为CO2和乙醇 pH下降:微生物代谢产生CO2和各种有机酸 发酵液颜色加深：发酵过程中，葡萄皮中的色素逐渐溶解于发酵液中。 ②在制作果酒的过程中，除了酵母菌，是否还有其他微生物生长？ 有，但影响不大。在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而大多数其他微生物无法适应这一环境而受到抑制。 ③果酒发酵后如何检测是否有酒精的产生？ a.嗅味和品尝来初步鉴定。 b酸性重铬酸钾法：酸性条件下，重铬酸钾与酒精反应成灰绿色。 ④如何评价果醋制作是否成功？ a.嗅味和品尝 b.测pH ④果酒发酵到果醋发酵需要改变哪些条件？ 氧气：无氧到有氧（打开瓶盖，盖上一层纱布）。 温度：由18-30℃升高到30-35℃。 ⑤在变酸的酒的表面观察到的菌膜是什么？是醋酸菌在液面大量繁殖而形成的。 （5）发酵装置改进：（必背⭐⭐⭐） 第一章第2节 微生物的基本培养技术 读背学案 1.研究和应用微生物的前提（即发酵工程的重要基础）：防止杂菌污染，获得纯净的微生物培养物。 2.在实验室培养微生物的要求：培养基的配制、无菌技术 3.微生物是难以用肉眼观察的微小生物的统称，包括细菌、真菌和病毒等 （一）培养基的配制 1．培养基的分类 按照物理性质分类 （1）液体培养基：不含凝固剂，呈液体状态。用途： 扩大培养用于大规模的工业生产 （2）固体培养基：含凝固剂（如琼脂），呈固体状态。用途：微生物的分离、鉴定、计数、菌落特征观察等 琼脂固体培养基是实验室中最常用的培养基之一，微生物在琼脂固体培养基的表面或内部生长，可以形成菌落。 【注意】：琼脂仅作为凝固剂，可以将液体培养基转化为固体培养基，但不为微生物的生长提供能量和营养。 按用途分类 （1） 选择培养基：允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基。 【注意】：能在选择培养基上生长的不一定都是所需要的目的菌，还需进一步的鉴定。 （2）鉴别培养基：在培养基中加入某种指示剂或化学药品，用以鉴别不同种类的微生物 举例 ①在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂，培养出分解尿素的细菌后，指示剂将变红。 ②在含有纤维素的培养基中加入刚果红可通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。透明圈直径与菌落直径的比值越大，纤维素分解菌分解纤维素的能力越强。 ③配制伊红—亚甲蓝琼脂培养基，在此培养基上长出的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽。 2.培养基的成分：各种培养基一般都含有水、碳源、氮源和无机盐，此外还要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的需求。 培养乳酸杆菌时，需要在培养基中添加维生素 培养霉菌时，一般将培养基调至酸性 培养细菌时，一般将培养基调至中性或弱碱性 培养厌氧微生物时，提供无氧的条件 3.在进行微生物的实验室培养时，培养基中的碳源进入细胞中的主要作用是？ 答：为细胞生物生命活动提供能量，为其他有机物的合成提供原料。 培养基中添加KH2PO4、Na2HPO4等无机盐的作用有？ 答：调节培养基的PH，维持一定的渗透压等。 牛肉膏提供的主要营养有什么？答：碳源、氮源、磷酸盐和维生素等 蛋白胨提供的主要营养有什么？答：碳源、氮源、维生素等 （二）无菌技术 1．获得纯净的微生物培养物的关键：防止杂菌污染。 2、无菌技术主要包括消毒和灭菌。 消毒和灭菌工作主要包括两个方面：①对操作的空间、操作者的衣着和手进行清洁和消毒 ②将用于微生物培养的器皿、接种用具和培养基等进行灭菌。 3、消毒和灭菌（常用方法常考！！） 项目 条件 结果 常用方法 应用范围 消毒 较为温和的物理、化学或生物等方法 仅杀死物体表面或内部一部分微生物（不包括芽孢和孢子） 煮沸消毒法 日常用品 巴氏消毒法 不耐高温的液体，如牛奶 化学药物消毒法 操作空间、操作者的衣物和手等 紫外线消毒法 接种室、接种箱或超净工作台 生物消毒法 （指利用生物或其代谢物除去环境中的部分微生物的方法P10） 净化污水、污泥 灭菌 强烈的理化方法 杀死物体内外所有的微生物，（包括芽孢和孢子） 湿热灭菌法 培养基等 干热灭菌法 玻璃器皿（如培养皿）等 灼烧灭菌法 涂布器、接种环、接种针等 【注意】：巴氏消毒法的优点是：既能杀死绝大多数微生物，又不破坏营养成分 消毒、灭菌能够杀死微生物的原理是：使蛋白质发生变性 4、为避免周围环境中微生物的污染，接下来的许多操作都应在超净工作台并在酒精灯火焰附近进行。 （三）微生物的纯培养 1．分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部可以繁殖形成肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群体，叫做菌落。单菌落一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养 2.纯培养步骤：包括配制培养基、灭菌、接种、分离和培养等步骤 3.常用接种方法：平板划线法和稀释涂布平板法。 4.酵母菌纯培养操作步骤 ①制备培养基： a配制培养基 b灭菌：培养基放入高压蒸汽锅中进行湿热灭菌；培养皿放入干热灭菌箱，进行干热灭菌。 c倒平板：培养基冷却至50°C左右，在酒精灯火焰旁倒平板。 平板冷凝后，要将平板倒置的主要作用是？ 答：防止皿盖上冷凝的水珠落入培养基造成污染，避免培养基水分过快蒸发。 ②接种和分离酵母菌 分离方法：平板划线法 接种工具：接种环 连续划线的目的是什么？ 答：将聚集的菌种逐步稀释分散得到单菌落。 【注意】：每次划线前接种环进行灼烧灭菌；最后一次划线结束也应该进行灼烧灭菌。 平板划线操作时，在操作的第一步前需要灼烧接种环，目的是？ 答：杀死接种环上的微生物，避免污染培养物 每次划线之前都要灼烧接种环的目的是？ 答：杀死残留菌种，保证每次划线的菌种均来自上次划线末端 划线操作结束时仍需灼烧接种环的目的是？ 答：杀死残留菌种，避免污染环境和感染操作者 灼烧接种环后，要等其冷却后再进行划线的目的是？ 答：避免接种环温度太高，杀死菌种 平板画线法从第二次划线操作开始，总是从上一次划线的末端开始划线的目的是？ 答：线条末端细菌数目比线条起始处要少，从末端开始能使微生物的数目随着划线次数的增加而逐渐减少，最终得到由单个微生物繁殖而来的菌落。 【注意】：不要将最后一区的划线与第一区相连 培养基中菌落过多或连成一片（没有得到单菌落）的原因可能是什么？ 菌液浓度过高；培养过程中被杂菌污染；利用接种环划线时，每次划线前未灼烧接种环灭菌，未从末端开始划线。 平板划线法过程中，接种环蘸了1次菌液；若分五个区划线，则接种环共需灼烧6次； ③培养酵母菌 培养温度：28°C左右 培养工具：恒温培养箱 酵母菌纯培养过程中如何设置对照组？对照组的作用是什么？ 答：将一个未接种的平板放在相同条件下，一段时间后，观察平板中是否有菌落出现。 对照组的作用是检测培养基灭菌是否合格 ④结果分析 菌落的特征主要有：形状、大小、颜色等； 为什么可以通过菌落特征来分辨微生物？ 答：在相同的培养条件下，同种微生物表现出稳定的菌落特征 将酵母菌接种于盛有液体培养基的锥形瓶中，放置在摇床上振荡培养的目的是什么？ 答：使菌体与培养液中的营养物质充分接触，同时增大培养液中的氧气含量 微生物的选择培养和计数 一、选择培养基 1.选择培养基：允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基。 【易错提醒】能在选择培养基上生长的不一定都是所需要的目的菌，还需进一步的鉴定。 2.土壤中的细菌之所以能分解尿素，是因为它们体内能合成脲酶。 （1）分离尿素分解菌的培养基如何设计？ 答：（★★必背）用尿素作为唯一氮源。培养基的其他营养成分与普通培养基基本相同。 （2）分离反刍动物瘤胃中的尿素分解菌，如何设计？答：由于瘤胃中的微生物多为厌氧菌，接触空气后会死亡，因此应该以尿素为唯一氮源，在无氧条件下选择培养。 3. 类型 条件 分离得到的菌种 改变培养条件 高温环境 例如：水生栖热菌 高盐环境 例如：金黄色葡萄球菌等耐盐菌 添加某种化学物质 加入青霉素 例如：酵母菌、霉菌等真菌 特殊碳源、氮源 尿素是唯一氮源 能分解尿素的微生物 石油是唯一碳源 能消除石油污染的微生物 营养缺陷 不加碳源 自养型微生物 不加氮源 固氮菌 2、 鉴别培养基 1. 鉴别培养基：在培养基中加入某种指示剂或化学药品，用以鉴别不同种类的微生物。 2. 如何鉴别尿素分解菌？在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂，培养细菌后，指示剂将变红。 鉴别原理：尿素分解产生氨，使培养基呈碱性，遇酚红指示剂变红。 3. 如何鉴别纤维素分解菌？ （1） 原理：纤维素分解菌能够产生纤维素酶，刚果红能与纤维素形成红色复合物，当纤维素被纤维素分解菌分解后，红色复合物就无法形成，就会出现以纤维素分解菌菌落为中心的透明圈。 （2） 结果分析：可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。纤维素分解菌分解纤维素的能力用 透明圈直径与菌落直径的比值来反映，比值越大分解能力越强。 （3） 你打算到什么环境中寻找纤维素分解菌？为什么？ 答：在富含纤维素的环境中，如树林中多年落叶形成的腐殖土等。或者人工设置适合纤维素分解菌生存的环境，如把滤纸埋在土壤中，经过一段时间后，再从已腐烂的滤纸上筛选纤维素分解菌。 3.如何鉴别大肠杆菌？ 答：配制伊红—亚甲蓝琼脂培养基，在此培养基上长出的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽。 三、微生物计数的方法：稀释涂布平板、显微镜直接计数法 1.稀释涂布平板计数法（间接计数法） （1）原理：当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个单菌落，来源于样品稀释液中的 一个活菌，通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌。 （2） 为了保证结果准确：①可以每隔24h统计一次菌落数目，选取菌落稳定时的记录作为结果，原因：防止因培养时间不足而导致遗漏菌落的数目。②当菌落数目稳定时，选取菌落数在30—300（记）的平板进行计数。③在同一稀释度下，至少对3个平板进行重复计数（排除偶然因素对实验结果的影响），然后求出平均值，并根据平板所对应的稀释度计算出样品中细菌的数目。 （3）缺点：这种方法统计到的菌落数目比活菌的实际数目偏小，原因：当2个或2个以上的细胞连在一起时，观察到的只是一个菌落。 （4）★★比较平板划线法和稀释涂布平板法：平板划线法可以得到单菌落，用于微生物的分离，不能计数；稀释涂布平板法不仅可以用于分离微生物得到单菌落，还可以用来微生物的计数。 2.显微镜直接计数法 （1）使用的计数工具是：细菌计数板（较小的菌体，如细菌等）或血细胞计数板（较大的菌体，如酵母菌细胞、霉菌孢子等） （2）这种方法是一种常用的、快速直观地测定微生物数量的方法。该方法利用特定的细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下观察、计数，然后再计算一定体积的样品中微生物的数量。统计到的数目比实际活菌数要偏大，原因是：统计的结果一般是活菌和死亡菌体的总和，计数时死亡菌体也计数在内。 3.两种计数方法的比较 内容 直接计数法 稀释涂布平板法（间接计数法） 主要用具 显微镜、细菌计数板或血细胞计数板 涂布器 计数依据 细菌个数 培养基上菌落数 优点 计数方便、操作简单 计数的是活菌 缺点 不能区分死菌与活菌 操作较复杂且有一定误差 计算公式 每毫升原液含菌数＝400×10×1000×每小格平均菌株数×稀释倍数 每毫升原液含菌数＝(平均菌落数/所用涂布液体积)×稀释倍数 结果 比实际值偏大 比实际值偏小 四、微生物的选择培养（稀释涂布平板法） 1.培养过程： (1)土壤取样：在酸碱度接近中性的潮湿土壤，且距地表约3～8 cm的土壤层取样。取样时一般要铲去表层土。取土样时用的铁铲和取样纸袋在使用前都需要灭菌，对土样不用灭菌。 (2)等比稀释：将10g土样加入盛有90mL无菌水的锥形瓶中，充分摇匀，制成菌液。取1mL上清液加入盛有9mL无菌水的试管中，依次等比稀释，过程中，需要更换移液管。 (3)涂布平板：滴加菌液时取0.1mL菌液，滴加到培养基表面；涂布器浸在盛有酒精的烧杯中消毒，放在火焰上灼烧灭菌；待酒精燃尽、涂布器冷却后，将菌液均匀地涂布在培养基表面（每个浓度至少需要涂3个平板） (4)培养观察：待涂布的菌液被培养基吸收后，将平板倒置，放入30-37℃中培养1-2d。在涂布有合适浓度菌液的平板上就可以观察到分离的单菌落。 2.结果分析与评价： ★★实验中两种对照组的设置及作用： ①设置一个空白完全培养基及一个空白选择培养基：不进行涂布或者用无菌水涂布平板，鉴定操作过程中是否有杂菌污染。 ②每个稀释度下设置一个完全培养基：涂布等量菌液，鉴定选择培养基是否有选择效果。若与选择培养基培养的菌落数相似，说明选择培养基没有选择效果；若完全培养基中菌落数明显高于选择培养基，则说明选择培养基有选择效果。 发酵工程及其应用 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种：性状优良菌种的来源：①从自然界中筛选出来②诱变育种③基因工程育种获得。 2.扩大培养：原因：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前需要对菌种进行扩大培养。目的：获得更多的菌种。 问：酿果酒时葡萄皮上有天然的菌种，为什么还要加入人工筛选的菌种？ 答：加入人工筛选的人工菌种，可以提高酒的品质，快速增加菌种数量，加速发酵进程。 3.配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过反复试验才能确定。 4.灭菌：发酵工程利用的一般是单一菌种。培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 灭菌的目的：防止杂菌污染（杂菌污染会降低产量） 5.接种：扩大培养的菌种和灭菌后的液体培养基（工业生产一般使用液体培养基）加入发酵罐中。 6.发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心环节(★★常考）。在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养成分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。原因：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。 谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。【即谷氨酸在不同条件下发酵产物不同】 【注意】(1)对于有氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入无菌空气。 (2)搅拌的作用：①增加培养液中的溶解氧；②使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。 7.分离、提纯产物：①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得到产品。例如，生产单细胞蛋白（单细胞蛋白是微生物菌体，不是蛋白质）。 ②如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提纯、分离和纯化措施来获得产品。例如，以大豆为主要原料，利用产生蛋白质的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制成的酱油产品；以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产的各种酒类；通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理生产味精；通过发酵工程生产其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂；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，促进植株生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 8.获得产品：发酵工程的产品包括：微生物代谢产物、酶（生产酶制剂）及菌体本身。 二、发酵工程的应用 1.发酵工程的优点：生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境污染小和容易处理等。 2.生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质。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微生物菌体，即单细胞蛋白（★常考）。单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。例如，用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高；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，动物食用后还能提高免疫力。 3、 啤酒的工业化生产过程：（★每个步骤的目的常考，加粗必背） 1.发芽的目的：大麦种子发芽，释放淀粉酶（★常考） 2.焙烤的目的：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活（★常考） 3.碾磨：将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。目的：让淀粉与淀粉酶充分接触，加速糖化过程。 4.糖化的目的：淀粉分解，形成糖浆（★常考） 5.蒸煮的目的：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 6.发酵：啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，酵母菌将糖转化为酒精和CO2。 包括两个阶段：主发酵和后发酵。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，还要在低温、密闭的环境下储存一段时间后进行后发酵。这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 7.消毒的目的：杀死啤酒中大多数微生物，延长保质期。 8.终止：过滤、调节、分装啤酒进行出售。 四、拓展应用 1.青霉素的发酵生产： (1)青霉素的作用：可以抑制细菌细胞壁的合成起到杀灭细菌的作用（对真菌等微生物无作用） (2)青霉素发酵是高耗氧的过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧？ 答：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。 学科网（北京）股份有限公司 $