第1章 第3节 发酵工程及其应用-【金版新学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步课堂高效讲义教师用书word（人教版，单选）

第3节　发酵工程及其应用 [学习目标]　1.阐明发酵工程的概念。　2.概述从传统发酵到现代发酵工程的发展历程。　3.阐明发酵工程的特点和应用价值。 任务一　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，规模化生产人类所需产品的综合性生物工程。 2.发酵工程的基本环节 　　(源于教材P25“思考·讨论”)有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？应该辩证地看待这一问题。一方面，“精酿”啤酒具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求；另一方面，“精酿”啤酒是小规模酿造产品，一般不进行过滤和消毒，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵等问题。 【自我诊断】 1.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.接种是发酵工程的中心环节。 (×) 3.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。 (×) 4.发酵工程中所用的都是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。(×) 5.发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。 (×) [活动1]　分析发酵工程基本环节 情境：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谷氨酸并经过一系列处理制成味精。 学生用书⬇第25页 分析回答下列问题： (1)微生物菌种资源丰富，选择发酵工程所用的菌种时需要考虑哪些因素？ 提示：需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。 (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：要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养成分。 (3)在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示：不能。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。因为发酵过程中产生的某些气体和废弃培养液可能对人及其他生物或环境有害。 (4)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。 【归纳总结】 1.影响发酵过程的因素 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 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 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 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 针对练1.(2025·河南南阳高三期末)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。下列相关表述正确的是(　　) A.发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵 B.发酵工程的产品是指微生物的代谢物、酶 C.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径 D.发酵工程可以直接利用原材料中含有的菌种 答案：C 解析：发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵，而发酵工程通常利用单一菌种来进行发酵，A错误；发酵工程生产的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，B错误；酶可催化生化反应的进行，在发酵工程的发酵环节中，发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖，也会通过影响酶的活性影响微生物的代谢途径，C正确；传统发酵技术利用原材料中的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种，D错误。 针对练2.(2024·广东茂名高三期末)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA(嗜盐单胞菌H的代谢产物)等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值，工艺流程如图。下列叙述正确的是(　　) A.发酵工程的中心环节是嗜盐单胞菌H菌种的选育 B.发酵罐内发酵要严格控制温度、pH和溶解氧等条件 C.使用平板划线法定期取样进行菌落计数评估菌株增殖状况 D.发酵结束之后，采取适当的过滤、沉淀等方法直接获得产品PHA 答案：B 解析：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，A错误。在发酵过程中，需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，严格控制温度、pH和溶解氧等条件，B正确。培养过程中定期取样使用稀释涂布平板法进行菌落计数评估菌株增殖状况，C错误。发酵结束之后，对于菌体可采取适当的过滤、沉淀措施来分离；对于菌体的代谢物，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，D错误。 发酵罐示意图 学生用书⬇第26页 任务二　发酵工程的应用 1.发酵工程的特点 2.发酵工程的应用 　　(源于教材P28“拓展应用”)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示：血红蛋白具有携带O2的能力)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中来提高菌体对氧的吸收和利用率。 【自我诊断】 1.发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯。 (×) 2.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。 (√) 3.现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率。 (×) 4.发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理。 (×) 5.生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。 (×) 学生用书⬇第27页 课堂笔记：________________________________________________________________ [活动2]　梳理发酵工程的应用 情境：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)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利用基因工程菌生产胰岛素　③工厂化生产青霉素 提示：①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用基因工程菌生产胰岛素、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)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。 【归纳总结】 1.啤酒的工业化生产的五点提醒 (1)啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。 (2)焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。 (3)蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。 (4)发酵过程中注意控制好温度、pH、通气量、发酵时间等。 (5)接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。 2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 针对练3.(2025·陕西榆林模拟)啤酒厂酿造工艺流程如下图所示，酿造原料通常为大麦。下列说法正确的是(　　) A.酵母菌的繁殖和代谢物的生成在主发酵阶段完成 B.焙烤可杀死大麦种子的胚，使其中的淀粉酶失活 C.糖浆经过蒸煮后，需要立即接种酵母菌进行发酵 D.消毒可杀死啤酒中的全部微生物，延长其保质期 答案：A 解析：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，A正确；焙烤主要是杀死大麦种子的胚，使其停止发芽，焙烤过程中淀粉酶仍有活性，B错误；糖浆经过蒸煮后，需要先冷却，若立即接种酵母菌，高温会杀死酵母菌，无法进行发酵，C错误；消毒不能杀死啤酒中的全部微生物，只能杀死大部分有害微生物，D错误。 针对练4.(2024·河北秦皇岛高三开学考试)发酵产品的使用深入生活的方方面面。发酵工程可对细胞和细胞代谢产物进行工业化生产，传统发酵技术大大丰富了食物的品种，充分体现了劳动人民的智慧。下列关于发酵工程和传统发酵技术的说法，正确的是(　　) 学生用书⬇第28页 A.与发酵工程相比，传统发酵技术中菌种来源于多种天然微生物，发酵过程经过严格灭菌，所以产品质量较高且品质稳定 B.家庭制泡菜和变酸的葡萄酒表面长的菌膜分别是由酵母菌和醋酸菌形成，它们都是需氧型的原核生物 C.发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得单细胞蛋白产品 D.用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底，污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量 答案：D 解析：传统发酵技术的微生物是天然微生物，并未经过严格灭菌，A错误；酵母菌是兼性厌氧的真核生物，B错误；发酵工程往往采用液体培养基进行发酵，发酵结束后会通过提取、分离和纯化的措施来获得细胞代谢物，单细胞蛋白指微生物菌体，可通过过滤、沉淀等方法获得，C错误；用发酵工程生产青霉素时，若发酵罐和培养基灭菌不彻底，污染了杂菌，会因为某些杂菌分泌酶将青霉素分解掉而降低产量，D正确。 思维导图 要语必背 1.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。 2.发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。 3.发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。 4.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；如果发酵产品是微生物的代谢物，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。 5.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及微生物菌体。 1.(2025·辽宁鞍山高三期末)发酵工程在农牧业、食品工业、医药工业等方面均有广泛的应用。下列关于发酵工程的叙述，错误的是(　　) A.发酵工程与传统发酵技术的主要区别是菌种是否单一 B.检测啤酒酿造过程中活体酵母菌的密度时，可采用平板划线法 C.可采用过滤、沉淀的方法将酵母菌从培养液中分离出来 D.酒精发酵过程中，发酵罐应先通气，后密闭 答案：B 解析：发酵工程一般是利用单一菌种进行发酵，传统发酵技术利用的微生物往往不是单一菌种，比如酿酒过程中除了酵母菌，可能还有其他微生物参与，所以发酵工程与传统发酵技术的主要区别是菌种是否单一，A正确；平板划线法主要用于分离、纯化菌种，不能用于对活体酵母菌密度的检测，检测啤酒酿造过程中活体酵母菌的密度常用的是稀释涂布平板法或血细胞计数板计数法等，B错误；酵母菌是单细胞微生物，可采用过滤、沉淀等方法将酵母菌从培养液中分离出来，C正确；酒精发酵过程中，发酵罐先通气，目的是让酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，增加菌种数量，之后密闭，使酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，D正确。 2.(2024·云南昆明模拟)谷氨酸钠是味精的主要成分，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谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵工程的叙述，错误的是(　　) A.为解决发酵罐中杂菌污染的问题，可向培养液中添加抗生素 B.谷氨酸发酵的培养基成分，主要有水、碳源、氮源、无机盐等 C.对发酵罐内物质进行搅拌能增加产量，说明谷氨酸棒状杆菌是好氧菌 D.优良性状的菌种可以通过基因工程定向改造已有菌种获得 答案：A 解析：谷氨酸发酵常用的菌种是谷氨酸棒状杆菌，属于细菌，添加抗生素会杀菌从而影响谷氨酸发酵，A错误；谷氨酸发酵的培养基成分，主要有水、碳源、氮源、无机盐等，B正确；搅拌能增加培养液中溶解氧含量，能增加产量，说明谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，C正确；优良性状的菌种可以通过基因工程定向改造已有菌种获得，D正确。 3.(2025·湖北襄阳一模)天然虾青素具有强大的清除氧自由基的能力，还具有着色、提高免疫力等特性，被广泛应用在化妆品、饲料添加剂和医药等行业中。常用微生物发酵合成虾青素，已知红法夫酵母能够生产虾青素，但存在产量低、成本高等弊端，大规模工业化生产虾青素存在诸多挑战。下列叙述错误的是(　　) 学生用书⬇第29页 A.虾青素可能具有延缓衰老、抑制肿瘤发生等生理作用 B.培养基中碳源和氮源的比例可能会影响到菌株发酵合成虾青素 C.可通过基因工程改造野生型红法夫酵母提高虾青素产量 D.工业化生产虾青素不需要考虑pH、溶氧量等对产量的影响 答案：D 解析：虾青素具有强大的清除氧自由基的能力，而氧自由基是导致衰老和癌症的重要因素之一，因此虾青素可能具有延缓衰老、抑制肿瘤发生等生理作用，A正确；碳源和氮源是微生物生长和代谢的重要营养物质，其比例会影响微生物的生长速度、代谢途径和产物合成，因此培养基中碳源和氮源的比例可能会影响到菌株发酵合成虾青素，B正确；基因工程技术可以对微生物的基因进行定向改造，从而改变其代谢途径和产物合成，提高目标产物的产量，因此可通过基因工程改造野生型红法夫酵母提高虾青素产量，C正确；pH和溶氧量是影响微生物生长和代谢的重要环境因素，其变化会影响微生物的生长速度、代谢途径和产物合成，因此在工业化生产虾青素的过程中，需要严格控制pH和溶氧量等环境因素，以确保微生物的正常生长和代谢，从而提高虾青素的产量，D错误。 4.发酵工程的内容包括选育菌种，扩大培养，配制培养基，灭菌，接种，发酵，分离、提纯产物等。下列关于发酵工程的说法错误的是(　　) A.在选育菌种过程中，可以利用人工诱变和基因工程等手段 B.发酵工程具有生产条件温和、产物专一、污染小的特点 C.啤酒生产过程，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，酒精的生成在后发酵阶段完成 D.发酵工程的产品可以是微生物的代谢物，也可以是微生物细胞本身 答案：C 解析：在选育菌种过程中，性状优良的菌种可以从自然界中筛选出，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得，A正确；发酵工程具有生产条件温和、产物专一、污染小的特点，B正确；啤酒的工业化生产过程中，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，C错误；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，主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，D正确。 5.(2025·河北邯郸高三阶段练习)发酵工程在医药上的应用非常广泛，其中青霉素的发现和产业化生产进一步推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。下图是生产青霉素的发酵工程流程，下列说法不正确的是(　　) A.图示生产青霉素的过程中，对菌种进行分离纯化采用了稀释涂布平板法 B.青霉素的发酵生产多采用深层通气液体发酵技术来提高产量 C.选育出高产青霉素的菌种是本发酵工程的中心环节 D.主发酵罐中发酵液的pH应调至偏酸性 答案：C 解析：对菌种分离纯化的方法有平板划线法和稀释涂布平板法，据图可知在生产青霉素的过程中，对菌种进行分离纯化采用了稀释涂布平板法，A正确；青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确；在发酵罐内发酵是本发酵工程的中心环节，C错误；青霉菌属于真菌，培养时适宜在偏酸性的环境中生长，D正确。 6.(创新情境)如图是利用发酵技术获得产品的过程图，①、②都表示这一过程中的步骤或者操作，根据该图以及学过的相关知识回答问题： (1)写出数字标号处的操作：①　　　　。其中②的目的是防止发酵过程中混入　　　　，进而影响生产的效率，甚至导致发酵失败。 (2)配制培养基时，一般要保证培养基中具有几类基本成分，分别是碳源、氮源、水、　　　　。 (3)在发酵过程中，我们要不间断地监测发酵罐中的情况，了解发酵进程，必要时要添加营养物质，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH、　　　　等，因为环境条件的改变，不仅影响菌种的生长繁殖，而且可能会影响　　　　　　　　的形成。 (4)为了进一步保持发酵液的无菌环境，我们在培养基中加入了青霉素，则该培养基不能用来培养　　　　(填“细菌”或“真菌”)类微生物，而且要注意在最后处理发酵液的时候，不能将发酵液直接排到自然水体，其原因是：①发酵液中富含　　　　，可能会导致水体富营养化而出现水华等；②发酵液中加入的青霉素可能会导致自然界的细菌出现　　　　种群，对人类的健康不利。 答案：(1)扩大培养　杂菌　(2)无机盐　(3)溶解氧　菌种代谢物　(4)细菌　有机物　耐药性 解析：(1)分析流程图可知，图中①是将选育的菌种扩大培养，目的是增加菌种数量，②为灭菌，灭菌是为了防止杂菌污染，避免发酵过程中混入杂菌，进而影响生产的效率，甚至导致发酵失败。(2)培养基的基本成分是水、无机盐、碳源、氮源，此外还可根据微生物的特殊需求加入特殊营养物质等。(3)在发酵过程中，要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧等，以确保发酵过程的顺利进行；由于环境条件的改变，不仅影响菌种的生长繁殖，而且可能会影响菌种代谢物，如谷氨酸发酵中，在中性和弱碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。(4)青霉素是一类抗生素，能够杀灭细菌，但不能杀灭真菌，故添加青霉素的培养基不能用于培养细菌类微生物；在最后处理发酵液的时候，不能将发酵液直接排到自然水体，其原因是发酵液中富含有机物，可能会导致水体富营养化而出现水华等，此外青霉素可能会导致自然界的细菌出现耐药性种群，对人类的健康不利。 学科网（北京）股份有限公司 $