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

传 统 发酵 技 用 应 Even the most finicky eater will find something appetizing here. 术 第一章：发酵工程 目录 Life is not worth living without food you can look forward to and enjoy! 情 境 导 入 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 本 节 小 结 发酵工程的基本环节 壹 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 我国幅员辽阔,地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 例：生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。 例：使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。 1.目的： 获得性状优良的菌种 2.菌种来源： 从自然界中筛选 诱变育种 基因工程育种 例：通过不断诱变选育，得到青霉素产量高的菌株。 选育优良的菌种是发酵工程的首要条件 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养，再进行培养。 1.目的： 获得更多的菌种。 2.原因： 一间教室如果长为8米,宽为6米,高有4米,概有192立方 3.如何扩大培养： 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养，再进行培养。 1.目的： 获得更多的菌种。 2.原因： 一间教室如果长为8米,宽为6米,高有4米,概有192立方 3.如何扩大培养： 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 如：青霉素培养基的碳源主要是工业用葡萄糖或淀粉的酶水解物，氮源为玉米浆、硫酸铵或氨水，无机盐主要有硫酸钠和磷酸二氢钾等。 发酵培养基要求菌种能大量生产目的产物，所用原料廉价且易于获得。 你知道青霉素如何从天价变为白菜价的吗？ 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 1.灭菌操作： 在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和附属设备进行灭菌。 2.原因： 发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。 例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 接种 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 发酵罐内发酵 这是发酵工程的中心环节。 发酵过程应注意： 要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； 及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物； 严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，已获得所需的发酵产物。 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。 例如，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。 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 发酵产品是微生物细胞本身 发酵产品是代谢物 （根据产物的性质） 发酵结束之后 过滤、沉淀等方法 菌体分离和干燥 产品 发酵结束之后 提取、分离和纯化 产品 如果发酵产品是微生物的代谢产物，则可采用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取。真空发酵是对发酵罐减压，使易挥发的发酵产物从发酵液中分离出来的技术。例如，酵母菌在发酵液的酒精浓度达到11.4%时不能再产酒精。在发酵罐上施以负压，酒精从发酵液中挥发出来，酒精发酵速率就由原来的7.0 g/ （L·h）提高到40 g/ （L·h）。吸附发酵是在发酵过程中加入对发酵产物具有特异性或非特异性吸附作用的吸附剂，从而使产物从发酵液中分离出来的技术。例如，当pH低于5.0时，乳酸发酵受到抑制，在发酵液中加入离子交换树脂不仅能使产物乳酸及时脱离发酵液，还能起到调节发酵液pH的作用。萃取发酵是回收和分离生物产物的一项技术，即当两种水溶性高分子聚合物在同一水溶液中各自达到一定浓度后，会互不相溶形成两相系统，不同的生物产物会分配在不同的相中，通过相的分离就可以实现对发酵产物的分离。例如，采用双水相萃取发酵产物α-淀粉酶时，淀粉酶被萃取到上相中，而发酵过程中同时产生的蛋白酶被萃取到下相中，避免了蛋白酶对淀粉酶的分解。 14 一 发酵工程的基本环节 测一测：这些问题你能回答吗？ 一 发酵工程的基本环节 问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？ 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。 问2：怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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，同时及时添加必要的营养组分。 一 发酵工程的基本环节 问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？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。 一 发酵工程的基本环节 问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？ 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 练一练 1．发酵工程的正确操作过程是( ) ①发酵　②培养基的配制及其灭菌　③产品的分离与提纯　④菌种的选育及其扩大培养　⑤接种 A．①③④⑤② B．④②⑤①③ C．②⑤③①④ D．⑤②④③① 2．下列关于发酵工程基本环节的叙述，正确的是( ) A．需要根据确定的菌种选择合适的原料配制培养基 B．需要对培养基和发酵设备进行消毒，以防止杂菌污染，导致产量下降 C．选育出的菌种可以直接接种，也可以先进行扩大培养后再进行接种 D．计算机控制系统可以通过正反馈机制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳 状态 B A 练一练 3．根据所学知识判断以下对于发酵罐各部位的叙述不正确的是( ) A．在进行酒精发酵时，空气入口及排气管都要打开 B．温度传感器及冷却水进出口的设置是为了检测和调控发酵过程中的温度 C．电动机可以带动搅拌叶轮旋转来使菌种和发酵液充分混合 D．取样管可以用于取样检测 A 练一练 A．3、6处是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动 的作用是冷却 B．谷氨酸是味精的原料，可以通过谷氨酸棒状杆菌发酵制得 C．发酵工程的中心环节是制备适合发酵菌种生长的培养基 D．1为观察孔，可观察微生物的生长状况和产品形成情况 C 4．如图是谷氨酸的发酵装置，关于该发酵罐结构与功能叙述错误的是( ) 发酵工程的应用 贰 发酵工程的应用 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 发酵工程的应用-食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。 酱油 大豆(主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 各种酒类的生产 发酵工程的应用-食品工业上的应用 实例： 柠檬酸是一种食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得； 由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精； (2)生产各种各样的食品添加剂：许多食品添加剂都能通过发酵工程生产。 添加了柠檬酸的饮料 增加食品的营养; 改善食品的口味、色泽和品质; 延长食品的保存。 食品添加剂的作用 表1-2 常用的几种食品添加剂 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶 26 发酵工程的应用-啤酒的工业化生产 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。 具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 大麦种子发芽， 释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解 形成糖浆。 发酵工程的应用-啤酒的工业化生产 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。 具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 发酵工程的应用-啤酒的工业化生产 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 发酵液还不适合饮用，要在低温、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不同有所差异。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 过滤 发酵工程的应用-啤酒的工业化生产 1. 与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。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？ 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。 应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。 发酵工程的应用-在医药工业上的应用 (1)发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素,青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。 (2)基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 转入 微生物 病原体的 抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 例：生产生长激素释放抑制激素。 例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 例：生产乙肝疫苗的方法。 发酵工程的应用-在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 ①微生物肥料的作用: 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； 有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 根瘤菌肥、固氮菌肥 ②微生物肥料的种类: 发酵工程的应用-在农牧业上的应用 (2)生产微生物农药 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林害虫 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病 ①微生物农药的作用: 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 ②实例： 微生物农药作为　　 　　的重要手段。 ③防治类型： 生物防治 发酵工程的应用-在农牧业上的应用 (3)生产微生物饲料 乳酸菌：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。 单细胞蛋白 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。 ②实例： 单细胞蛋白：许多国家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。 单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料； 发酵工程的应用-在农牧业上的应用 (4)在其他方面的应用 ①解决资源短缺与环境污染问题 ②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　　 　　　　　　和 　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 粮食、 环境、健康 能源 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 练一练 1．发酵过程中所用的菌种大多是单一菌种。( ) 2．发酵工程的中心环节是配制培养基。( ) 3．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。( ) 4．发酵结束后即可得到发酵产品。( ) 5．食品工业中的酶制剂绝大多数是通过发酵工程生产的。( ) × √ √ × √ 练一练 6．下图是啤酒生产的主发酵阶段工艺流程，相关叙述错误的是 ( ) A．过程a的目的是获得大量的淀粉酶，过程b温度不宜过高 B．过程d的主要目的是为酵母菌发酵提供可溶性糖 C．过程f是发酵工程的中心环节，需要严格控制温度、pH和溶氧量等 D．过程g通常采用高温蒸煮法进行消毒 D 练一练 7．下列对发酵工程及其应用的叙述，正确的是( ) ①生产谷氨酸需将pH调至中性偏碱　②发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰 富且价格低廉等特点　③发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本 身　④利用发酵工程生产的根瘤菌肥作为微生物农药可以促进植物生长　⑤啤酒 的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在后发酵阶段完成　⑥单细胞蛋白是 从微生物细胞中提取的蛋白质，可作为微生物饲料等 A．①②③ B．①②③⑥ C．②③④ D．②③⑤⑥ A 练一练 8．长沙臭豆腐是一种传统的发酵食品，下列有关发酵工程及其应用的叙述正确的是( ) A．酱油可以大豆为主要原料，利用黑曲霉发酵制得；柠檬酸也可通过黑曲霉发酵制得 B．啤酒的工业化生产流程中糖化的作用是使淀粉分解形成糖浆，并对糖浆灭菌 C．单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液等为原料，通过发酵工程生产的微生物菌体，在青贮饲料中添加单细胞蛋白制成的微生物饲料，可以提高动物的免疫力 D．发酵结束后发酵产品采用过滤、沉淀的方法获得 A 练一练 9．下列关于发酵工程应用的叙述，错误的是( ) A．嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量 B．将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵，可生产乙型肝炎疫苗 C．食品添加剂可以改善食品的口味、色泽和品质，但不能增加食品的营养 D．与传统的化学农药不同，微生物农药可利用微生物或其代谢物防治病虫害 C 练一练 10．(素养提升)(2022·辽宁卷改编)β­苯乙醇是赋予白酒特征风味的物质。从某酒厂采集并筛选到一株产β­苯乙醇的酵母菌应用于白酒生产。下列叙述不正确的是( ) A．所用培养基及接种工具分别采用湿热灭菌和灼烧灭菌 B．通过配制培养基、灭菌、分离和培养能获得该酵母菌 C．还需进行发酵实验检测该酵母菌产β­苯乙醇的能力 D．该酵母菌的应用有利于白酒新产品的开发 B 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 采用基因工程的方法，将植物或动物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 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 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 小结： 感 谢 观 看 Life is not worth living without food you can look forward to and enjoy! 欢迎各位领导批评指正！ Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $