第一章 第3节 发酵工程及其应用-【创新教程】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程五维课堂同步课件PPT（人教版）

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课时评价提能力 生物选择性必修3 互动探究克疑难 教材梳理预新知 课堂自测固双基 课时评价提能力 生物选择性必修3 互动探究克疑难 教材梳理预新知 课堂自测固双基 课时评价提能力 第3节　 发酵工程及其应用 课标内容要求 核心素养对接 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 生命观念：正确理解发酵工程的概念 科学思维：通过分析比较，掌握发酵工程的基本环节 社会责任：能够说出发酵工程在食品、医药、农牧业等方面的应用 ◆[基础梳理] 一、发酵工程的基本环节 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。 1．选育菌种 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　获得。 2．扩大培养 工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行　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 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，　培养基　和　发酵设备　都必须经过严格的灭菌。 5．接种 扩大培养的菌种和灭菌后的　培养基　加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。 6．发酵罐内发酵 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　营养组分　，要严格控制　温度　、　pH　和溶解氧等发酵条件。 7．分离、提纯产物 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。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。 二、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、啤酒　等。 (2)生产各种各样的食品添加剂，如通过　黑曲霉　发酵制得的柠檬酸，由　谷氨酸棒状杆菌　发酵生产味精。 (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，促进植株生长，常见的有　根瘤菌肥　、　固氮菌肥　等。 (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。微生物农药作为　生物防治　的重要手段，将在农业的　可持续发展　方面发挥越来越重要的作用。 (3)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，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。 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　资源短缺　和　环境污染　等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 ◆[基础诊断] (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。( √ ) 疑难点一　发酵工程的基本环节 1．发酵工程的基本环节分析 2．发酵过程的影响因素 (1)温度 微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热量，使发酵温度降低。用冷却水进行温度的调节。 (2)pH值 pH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。例如谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱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。 调节和控制培养液pH的方法：在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。 (3)溶解氧 好氧型微生物：溶解氧要充足； 厌氧型微生物：严格的无氧环境； 由发酵罐的通气口来控制。 3．啤酒的工业化流程有8步，分为两个阶段 ◆[互动探究] 请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构，思考回答下列问题： 1．微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 提示：选择发酵工程用的菌种时，在考虑生产需要(如微生物体内酶的催化能力强，微生物繁殖速度快)的同时，还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。 2．怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 提示：(1)反复试验确定培养基的配方 (2)对培养基和发酵设备进行严格的灭菌 (3)用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制 (4)控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器，冷却水进入口、排出口控制温度，空气入口控制氧气的量等。 3．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：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。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。 ◆[对点训练] 1．某位同学利用酵母菌进行果酒发酵，如果改成果醋发酵，不需要改变的条件是(　　 ) A．提高温度 B．充气口打开 C．更换培养液中的营养成分 D．发酵时间 解析：C　[果酒与果醋制作需要的温度不同，果酒制作温度一般控制在18～30℃，果醋为30～35℃，故如果改成果醋发酵需要提高温度，A正确；酵母菌无氧呼吸产生酒精，醋酸发酵需要氧气，因此如果改成果醋发酵，充气口应该打开，B正确；醋酸菌可以利用酒精产生醋酸，因此不需要更换发酵液，C错误；酒精发酵与醋酸发酵需要的时间不同，D正确。] 2．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，为人类生产有用的产品。常用好氧菌谷氨酸棒状杆菌利用图1的发酵罐来大量生产味精，发酵流程如图2所示。下列叙述正确的是(　　 ) A．发酵中所使用的谷氨酸棒状杆菌菌种可从自然界筛选也可通过诱变育种、杂交育种或者基因工程育种获得 B．为了保证发酵产品的产量和品质，图中发酵配料及发酵罐需经过严格的灭菌 C．在发酵过程中，通过加料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量 D．图中发酵过程需通入无菌空气，并通过搅拌使培养液与菌种充分接触后关闭通气口 解析：B　[谷氨酸棒状杆菌属于原核生物，不能进行有性生殖，无法通过杂交育种获得，A错误；严格灭菌可以杀死发酵配料及发酵罐中的所有微生物，防止杂菌污染，从而保证发酵产品的产量和品质，B正确；在发酵过程中，应通过放料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量，C错误；谷氨酸棒状杆菌属于好氧菌，在发酵过程中要不断地通入无菌空气，不能关闭通气口，D错误。] 疑难点二　发酵工程的应用 ◆[互动探究] 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)请列举发酵工程在环境保护方面的应用。 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。 ◆[对点训练] 1．下列有关利用谷氨酸棒状杆菌通过发酵工程生产谷氨酸的叙述，错误的是(　　 ) A．发酵时只需一次性接种足量菌种，过程中无需随时检测培养液中的细菌数目和产物浓度 B．发酵过程要随时监控pH，并及时添加碱性物质或氨水以利于谷氨酸的积累 C．在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能最终确定 D．可根据代谢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：A　[随着发酵的进行，培养液会有一定的改变，菌种的生存会受到一定的影响，发酵过程中需检测培养液中的细菌数目和产物浓度，A错误；微生物的生长需要适宜的条件，发酵过程要随时监控pH，并及时添加碱性物质或氨水以利于谷氨酸的积累，B正确；在生产实践中，培养基的配方需以满足培养菌种的生存为前提，要经过反复试验才能最终确定，C正确；不同代谢产物的分离和纯化的方法不同，可根据代谢产物的性质采取适当的提取分离和纯化措施来获得产品，D正确。] 2．为获得优良的发酵食品，实验室在三支试管中培养了酵母菌、醋酸菌、乳酸菌。图中甲、乙、丙三支试管的菌种及其发酵食品对应正确的是(　　 ) A．甲试管：酵母菌—果酒、乙试管：醋酸菌—果醋、丙试管：乳酸菌—泡菜 B．甲试管：醋酸菌—泡菜、乙试管：酵母菌—果酒、丙试管：乳酸菌—果醋 C．甲试管：乳酸菌—果酒、乙试管：酵母菌—泡菜、丙试管：醋酸菌—果醋 D．甲试管：醋酸菌—果醋、乙试管：乳酸菌—泡菜、丙试管：酵母菌—果酒 解析：D　[醋酸菌是好氧菌，分布在试管上层，用于制醋，为试管甲；乳酸菌是厌氧菌，分布于试管下层，用于泡菜发酵，为试管乙；酵母菌是兼性厌氧型，有氧无氧都能生存，在试管中分布均匀，用于果酒制作，为试管丙。] ◆[知识归纳] 关于谷氨酸的总结 (1)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。 (2)由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，再经过一系列处理就能制成味精。 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：B　[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．下列关于发酵工程及其应用的说法，正确的是(　　 ) A．黑曲霉可以用于酱油、柠檬酸、凝乳酶的工业生产 B．接种是发酵工程的中心环节 C．用于发酵工程的菌种，可以从自然界中筛选，也可以通过基因工程育种或单倍体育种获得 D．可以通过蒸馏、萃取等方法对单细胞蛋白进行分离、提纯 解析：A　[黑曲霉广泛分布于世界各地的粮食、植物性产品和土壤中，是重要的发酵工业菌种，黑曲霉可以用于酱油、柠檬酸、凝乳酶的工业生产，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；发酵工程的优良性状的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种和基因工程育种获得，C错误；单细胞蛋白是微生物菌体，可采用沉淀、过滤等方法分离，而代谢产物则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法，D错误。] 3．鞣质(单宁)是一种具有止血、杀菌等作用的中药成分，在植物中广泛分布。为探究鞣质对自然界中生存条件相同的甲、乙、丙三种细菌的杀伤能力，某科研小组将等量的甲、乙、丙三种细菌接种到含有适量鞣质的完全培养基和不含鞣质的完全培养基上，相同且适宜的条件下培养一段时间，观察菌落大小。结果如下图所示。下列相关说法不正确的是(　　 ) A．实验中用的培养皿等玻璃器材，可以采用干热灭菌的方法 B．由图中结果可知，对鞣质的抵抗能力乙细菌>丙细菌>甲细菌 C．为排除杂菌污染，本实验还需设置未接种细菌的含鞣质的完全培养基作为空白对照 D．接种前，可以用显微镜计数法判断三种细菌接种量是否相等 解析：C　[实验中用的培养皿等玻璃器材，一般选用的灭菌方法为干热灭菌；采用该灭菌方法灭菌的一般是能耐高温的、需要保持干燥的物品，A正确；由图中结果可知(根据菌落的大小)，乙细菌对鞣质具有非常强的抵抗能力，可能是乙细菌能够产生分解鞣质的酶；鞣质对甲细菌的杀伤能力强于丙，故对鞣质的抵抗能力乙细菌>丙细菌>甲细菌，B正确；为排除杂菌污染，本实验还需设置未接种细菌的含鞣质的完全培养基和未接种细菌的不含鞣质的完全培养基作为空白对照，C错误；显微镜计数法是在显微镜下直接计数的一种常用的细胞计数法，这种方法可以直接测定样品中全部的细胞数目，所以一般用于单细胞微生物数量的测定，故接种前，可以用显微镜计数法判断三种细菌接种量是否相等，D正确。] 4．由于发酵工程生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，正确的是(　　 ) A．日常生活中食用酱油的制作以大麦为主要原料，利用产蛋白酶的霉菌的作用，将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸 B．啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成 C．味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵得到的谷氨酸经过一系列处理而获得的 D．精酿啤酒发酵时间长、产量低、价格高，所以饮用更健康、保质期更长 解析：C　[制作酱油的主要原料是大豆，A错误；啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，但酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，主发酵结束后在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵，B错误；味精的生产是谷氨酸棒状杆菌在有氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的，C正确；精酿啤酒发酵时间长(一般发酵时间能达2个月)、产量低、价格高，但保质期更短(在发酵工艺上，精酿啤酒发酵完成后，不会过滤和杀菌，保质期只有几十天，短期卖不出去就不能要了，而工业啤酒经过杀菌后，可以保存1－2年，甚至更久)，D错误。] 5．下图为传统酿酒的工艺流程图： eq \x(\a\al(粮食粉,碎浸泡))→eq \x(\a\al(高温蒸,汽糖化))→eq \x(\a\al(推平翻,晾加曲))→eq \x(\a\al(装缸封,盖发酵))→eq \x(\a\al(蒸馏浓,缩勾兑)) 根据对微生物发酵原理以及操作原理的理解回答下列问题： (1)在酿酒前对粮食种子(多为高粱)要适当粉碎成小颗粒状态，但是并不磨成面粉状态，这样做的原因是　___________________　，第二步高温蒸汽条件下蒸一段时间，其目的一方面是　____________　，另一方面“糖化”的含义是___________________ ____________________________________________________ __________________________________________________。 (2)第三步为什么晾至35℃左右时才可向粮食中加曲？ ____________________________________________________________________________________________________________。 “加曲”实际上相当于向培养基中　________　。 (3)密封后在酒缸中发酵12 d左右，此间温度基本保持在　________　℃，原因是此温度是酵母菌等酿酒微生物的　________　。 (4)发酵好后需要用蒸馏法获得酒精，蒸馏的温度应控制在78℃，原因是　____________________　。蒸馏出的原浆酒酒精浓度高达95%以上，但成品白酒一般酒精浓度为40～60度，“勾兑”的作用是向原浆酒中加　________　稀释，因此名酒产地要有好的水源地。 解析：(1)在酿酒前对粮食种子(多为高粱)要适当粉碎成小颗粒状态，但是并不磨成面粉状态，这样做的原因是既要增大微生物与粮食中有机物的接触面，又要有一定透气性便于接种发酵和蒸馏，第二步高温蒸汽条件下蒸一段时间，其目的一方面是消灭杂菌，另一方面“糖化”的含义是使淀粉分子在高温下破坏分解有利于微生物利用。 (2)第三步晾至35℃左右时才可向粮食中加曲，以防止温度过高烫死酒曲中的酵母菌等微生物，“加曲”实际上相当于向培养基中接种菌种。 (3)密封后在酒缸中发酵12天左右，此间温度基本保持在18～30℃，原因是此温度是酵母菌等酿酒微生物的适宜温度。 (4)发酵好后需要用蒸馏法获得酒精，78℃为酒精的沸点，蒸馏的温度应控制在78℃，“勾兑”的作用是向原浆酒中加水稀释，降低酒精浓度。 答案：(1)既要增大微生物与粮食中有机物的接触面，又要有一定透气性便于接种发酵和蒸馏　消灭杂菌(消毒灭菌)　使淀粉分子在高温下破坏分解有利于微生物利用 (2)防止温度过高烫死酒曲中的酵母菌等微生物　接种菌种　(3)18～30　适宜温度　(4)该温度为酒精的沸点　水 $