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

发酵工程及其应用 学习目标 1．说出发酵工程的概念及其基本环节； 2．举例说明发酵工程在各个领域的应用。 学习过程 【新课导入】 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，1943 年开始批量生产，但早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。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，1 瓶规格 160 万单位的青霉素注射剂的价格只要 1 元左右。在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 【新知讲解】 内容一：发酵工程的基本环节 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。 是发酵工程的中心环节。 思考：发酵工程有哪些优点？ 【学以致用】 例 1 ：发酵工程在工业生产上得到广泛的应用，下图是发酵工程生产产品的流程简图。下列叙述错误的是( ) A ．若生产人胰岛素的工程菌是通过①获得的，则①是基因工程 B ．在生产实践中，培养基的配方需要经过反复试验才能确定 C ．发酵工程的中心环节是④,需严格控制温度、pH 等条件 D ．若⑥是微生物本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离 内容二：发酵工程的应用 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其发酵过程分为 和 两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在 阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。啤酒的工业化生产流程如下： 发芽→ →碾磨→ → →发酵→ →终止 思考：与传统的手工发酵相比，在利用发酵工程生产啤酒的过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 总结发酵工程的应用，完成下表。 具体应用 举例 在食品工业上的应用 生产传统的发酵产品 以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如 ）发酵生产酱油，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类 生产食品添加剂 通过黑曲霉发酵生产柠檬酸，利用谷氨酸棒状杆菌发酵得到的 制作味精 生产酶制剂 利用微生物发酵生产 α 一 淀粉酶、 β 一 淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等 在医药工业上的应用 利用基因工程、蛋白质工程等将植物或动物的基因转移到微生物中，或直接改造菌种来生产药物 利用经过基因改造的微生物发酵生产生长激素释放抑制激素 利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，生产疫苗 将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗 在农牧业上的应用 生产微生物肥料 ①利用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，如根瘤菌肥、固氮菌肥等 ②抑制土壤中病原微生物的生长，减少病害的发生 生产微生物农药。利用 或其 来防治病虫害，是 防治的重要手段 ①苏云金杆菌可以用来防治 80 多种农林虫害 ②白僵菌可以防治玉米螟、松毛虫等虫害 ③一种放线菌产生的抗生素—井冈霉素可以用于防治水稻枯纹病 生产微生物饲料。通过发酵可获得大量微生物菌体，即 ①可作为食品添加剂 ②能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高 ③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，提高动物免疫力 在其他方面的应用 解决资源短缺与环境污染问题 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质 对极端微生物的应用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂，利用嗜低温菌提高热敏性产品的产量 【学以致用】 例 2 ：啤酒生产的简要流程如图所示，制麦时用赤霉素溶液浸泡大麦种子，糖化主要将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子。下列说法错误的是( ) A ．啤酒生产的发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段 B ．用赤霉素溶液浸泡大麦种子， 目的是促进 α 一 淀粉酶合成 C ．在接种酵母菌前进行冷却处理，是为了避免杀死酵母菌种 第 2 页 学科网（北京）股份有限公司 D ．在整个发酵过程中，要始终保持严格的无菌、厌氧环境 【课堂小结】 学习过程答案 【学以致用】 例 1 ：【答案】C 例 2 ：【答案】D 一、单选题（本题共 4 小题） 1．味精是一种鲜味调味料，谷氨酸经过一系列处理能制成味精。好氧菌谷氨酸棒状杆菌经发酵工程可生产谷氨酸。下列叙述错误的是( ) A ．发酵应在中性和弱碱性条件下进行 B ．发酵时要通入无菌空气并在一定转速下搅拌 C ．发酵接种前需要对菌种进行扩大培养 D ．发酵结束后采用过滤、沉淀等方法获取谷氨酸 【答案】D 【解析】A、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 一 乙酰谷氨酰胺。因此生产谷氨酸时，发酵应在中性和弱碱性的条件下进行，A 正确； B、谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，发酵时要通入无菌空气并在一定转速下搅拌，B 正确； C、发酵接种前需对发酵菌种进行扩大培养，C 正确； D、谷氨酸是代谢物，可根据性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品，D 错误。 2．发酵工程在我国食品工业、医药工业及农牧业等许多领域都得到了广泛的应用。下列相关叙述正确的是( ) A ．通过发酵工程生产的食品添加剂，可改善食品的口味、色泽和品质，但不能增加食品营养 B ．利用酵母菌等发酵生产的单细胞蛋白属于分泌蛋白，可制成微生物饲料 C ．将病原体的抗原基因通过转基因技术转入适当的微生物细胞，可获得用作疫苗的表达产物 D ．利用发酵工程生产的微生物农药防治病虫害属于化学防治 【答案】C 【解析】A、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，A 错误； B、用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，单细胞蛋白指的是酵母菌菌体，B 错误； C、科学家利用基因工程，将病原体的某个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物为抗原，可用于疫苗接种预防疾病，C 正确； D、微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，微生物农药是生物防治的重要手段，D 错误。 3．柠檬酸广泛应用于食品、医疗和化工领域，具有重要的商业价值。以玉米粉为原料，利用黑曲霉有氧发酵生产柠檬酸的基本流程如图所示。下列分析错误的是( ) 第 3 页 学科网（北京）股份有限公司 A ．玉米清液可以为黑曲霉提供碳源和能源 B ．发酵前将黑曲霉孢子接种到种子培养基进行扩大培养 C ．发酵培养基和种子培养基灭菌后加入到发酵罐内发酵 D ．需严格控制发酵罐内的温度、溶解氧和pH 等条件 【答案】C 【解析】培养基是人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质，是进行微生物培养的物质基础。通常含有水、碳源、氮源和无机盐。 A.玉米清液中含有蛋白质（含有 C 、H 、O 、N 等元素）和糖类（含有 C 、H 、O 元素）等物质，故可以为黑曲霉提供碳源和能源，A 正确； B.据图可知，发酵前将黑曲霉孢子接种到种子培养基，该措施的目的是进行扩大培养，增加黑曲霉孢子的数量，B 正确； C.加入发酵罐中的种子培养基中包含发酵所需的菌种，若进行灭菌处理会杀灭菌种而导致发酵失败，C 错误； D.黑曲霉属于异养需氧生物，且微生物发酵过程需要适宜条件，所以在发酵罐内发酵需严格控制溶解氧、温度、pH 等条件，D 正确。 4．利用杨木生产燃料乙醇的基本流程主要包括原料粉碎、提高纤维素浓度的预处理、释放单糖的酶解糖化、产生乙醇的微生物发酵、乙醇脱水的蒸馏工艺等步骤（预处理过程所需的果胶酶常来自于黑曲霉等微生物）。下图为发酵阶段菌种接种量对发酵结果的影响。下列说法正确的是( ) A ．培养黑曲霉时一般需将培养基调至酸性，果胶酶是黑曲霉分泌的一种单细胞蛋白 B ．在伊红—亚甲蓝培养基上可筛选出高产纤维素酶的菌株用于酶解糖化过程 C ．接种的菌种为酵母菌，当接种量为 12%左右时，发酵后的酒精含量与残糖含量相等 D ．接种量超过 15%时酒精产量反而有所降低的原因可能是菌种生长消耗大量的糖分【答案】D 【解析】A．培养黑曲霉时一般需将培养基调至酸性，但单细胞蛋白指微生物菌体，果胶酶不属于单细胞蛋白，A 错误； B．伊红—亚甲蓝培养基是鉴定大肠杆菌的培养基，本实验应该用刚果红培养基筛选高产纤维素酶的菌株， B 错误； C ．酒精发酵的菌种为酵母菌，当接种量为 12%左右时，发酵后的酒精含量与残糖含量曲线有交点，但两者的纵坐标数值及单位均不同，故发酵后二者含量不同，C 错误； D ．由图可知，菌种接种量为 15%时对应的酒精含量达到最大值，接种量超过 15%，菌种数量大，自身的生长会大量消耗反应物，导致酒精产量降低，D 正确。 二、多选题（本题共 1 小题。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。） 5．下图为啤酒生产的简要流程，有关叙述合理的有( ) A ．制麦时需浸泡大麦，可提高种子中结合水与自由水的比例 B ．过程②破碎有利于淀粉与α 一 淀粉酶充分接触，缩短糖化时间 C ．过程③要始终保持厌氧环境，以便完成酒精的生成 D ．打开包装后放置的啤酒变酸且产生表面菌膜，一般可从中分离得到醋酸菌【答案】B D 【解析】A、制麦时需浸泡大麦，可提高种子中自由水与结合水的比例，促进细胞代谢，A 错误； B、糖化的目的是将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子物质，过程②破碎有利于淀粉与α 一 淀粉酶的充分接触，缩短糖化过程所用的时间，B 正确； C、酵母菌是兼性厌氧微生物，在整个发酵过程③中，要先通气使酵母菌大量繁殖，然后保持严格的无菌、厌氧环境，使其无氧呼吸进行发酵，C 错误； D、打开包装后放置的啤酒变酸且产生表面菌膜，这是因为醋酸菌在有氧条件下将酒精转化为醋酸，所以一般可从中分离得到醋酸菌，D 正确。 故选 BD。 三、非选择题（本题共 1 大题） 6．柠檬酸是一种应用广泛的食品添加剂，主要用于生产碳酸饮料、果汁饮料、乳酸饮料等。柠檬酸主要通过黑曲霉发酵生产，工业生产中以玉米为原料生产柠檬酸的发酵装置如图所示。回答下列问题： （1）菌种选择时要经过 1 后筛选出产酸量高的黑曲霉，再将选育出的优良菌种经过多次的 2 ，达到一定数量后再接种。 （2）发酵工程的中心环节是 3 。从加料口加入的玉米必须经过严格的 4 处理。图中搅拌器的运转既能使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的 5 ，又能使菌种与培养液 6 ，提高原料利用率。除此之外还需要随时检测培养液中的 7 （写出两点），以了解发酵进程。 （3）该发酵过程还需要以一定的速度更新培养基， 目的是 8 。 【答案】1、诱变育种 2、扩大培养 3、发酵罐内发酵 4、灭菌 5、溶氧量 6、充分接触 7、微生物数量、产物浓度等 8、补充营养物质，去除代谢废物，维持发酵液的良好环境，保证微生物持续高效地发酵 【解析】（1）为了获得理想的菌种，常常会采用诱变育种的方法，通过物理或化学因素诱导菌种发生基因突变，从而产生具有新性状的菌株。然后对诱变后的菌株进行筛选，挑出那些产酸量高、性能优良的菌株。经过初步筛选得到的优良菌种，往往还需要经过多次的扩大培养。这是为了增加菌种的数量，以满足大规模发酵生产的需求。 （2）发酵罐内发酵是整个发酵工程的核心部分，决定着最终产物的产量、质量和经济效益。灭菌处理是非常关键的步骤，其目的是消除玉米原料中可能存在的各种微生物，以防止它们在发酵过程中与发酵菌种竞争营养物质、产生有害代谢产物或者干扰发酵的正常进行。图中搅拌器的运转既能使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶氧量，又能使菌种与培养液充分接触。除此之外还需要随时检测培养液中的微生物数量、营养物质浓度、代谢产物浓度、pH 值、溶氧含量等，以了解发酵进程。 （3）该发酵过程还需要以一定的速度更新培养基， 目的是补充营养物质，去除代谢废物，维持发酵液的良好环境，保证微生物持续高效地发酵。 第 6 页 学科网（北京）股份有限公司 $