第1章 第3节 发酵工程及其应用-【新课程学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程教师用书word（人教版 单选版）

第3节　发酵工程及其应用 　【学习目标】 1.概述发酵工程及其基本环节。 2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 聚焦·学案一　发酵工程的基本环节有哪些 [学案设计] 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 3.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产物的积累 4.发酵工程的特点 (1)生产条件温和。 (2)原料来源丰富且价格低廉。 (3)产物专一。 (4)废弃物对环境的污染小、容易处理等。 |情|境|探|究|思|考| 　　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。 (1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率,可在液体培养基中将蔗糖作为　　　　,并不断提高其浓度,经多次传代培养(指培养一段时间后,将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。  (2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性,研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统,其培养基盐浓度设为60 g/L,pH为10,菌株H可正常持续发酵60 d以上。该系统不需要灭菌的原因是　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出两点即可)。  (3)研究人员在工厂进行扩大培养,在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵,结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期,并产生了少量乙醇等物质,说明发酵条件中　　　　可能是高密度培养的限制因素。 答案:(1)唯一碳源　(2)培养基是高盐浓度的液体环境,杂菌会由于渗透失水而死亡;培养基的液体环境是碱性的,其他杂菌的酶变性失活,生长繁殖受抑制　(3)氧气 [迁移训练] 1.判断下列叙述的正误 (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。 (×) (2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行。 (×) (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)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。 (×) 2.(2025·济宁高二期末)味精是一种鲜味剂,利用发酵技术生产味精的主要过程为原料→淀粉糖化→通气发酵→发酵产物提取→味精制造→包装。下列说法错误的是 (　　) A.生产味精需要的谷氨酸棒状杆菌是好氧型生物 B.淀粉的糖化分解有利于发酵过程的充分进行 C.发酵时需将发酵液的pH调节为中性或弱酸性 D.从发酵液中获得谷氨酸需要采取适当的提取、分离和纯化措施 解析:选C　由题干中生产味精需通气发酵可知,生产味精需要的谷氨酸棒状杆菌是好氧型生物,A正确。淀粉的糖化作用是在发酵过程中利用微生物所分泌的淀粉酶等将碳水化合物分解成葡萄糖、麦芽糖、糊精等,淀粉的糖化分解有利于发酵过程的充分进行,B正确。谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要严格控制发酵液的pH,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,C错误。发酵结束后,要想获得纯净谷氨酸(细菌代谢物),应采取适当的提取、分离和纯化措施,D正确。 3.发酵工程在工业生产上得到广泛应用,其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际,下列说法错误的是 (　　) A.①为诱变育种,②为萃取(或蒸馏或离子交换等) B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生,可采用连续培养的发酵方式 C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌,在生产过程中必须连续增加通氧量 D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件 解析:选D　人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等,D错误。 聚焦·学案二　发酵工程有哪些应用 [学案设计] (一)了解发酵工程在不同领域的应用 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品。如各种酒类。 (2)生产各种各样的食品添加剂。如味精。 (3)生产酶制剂。如α⁃淀粉酶、β⁃淀粉酶。 2.在医药工业上的应用 生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。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 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 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 生产微 生物饲料 通过发酵获得了大量的微生物菌体,即单细胞蛋白,并制作成微生物饲料 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,在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上,作出了越来越大的贡献。 　　[典例]　废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用生产果糖产生的废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是 (　　) A.该生产过程中,一定有气体生成 B.微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料 C.该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质 D.生产原料和反应器无需灭菌处理 [解析]　据图可知,该生产过程中有酿酒酵母的参与,酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳,故该生产过程中,一定有气体生成,A正确;糖类是重要的能源物质,微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水,B错误;分析图示可知,该技术中有连续搅拌反应器的过程,该操作可以增加微生物与营养物质的接触面积,此外也可增大溶解氧含量,故据此推测该生产工艺利用微生物的有氧呼吸大量繁殖,生产蛋白质,C错误;该发酵工程所用的菌种(酿酒酵母)为单一菌种,一旦有杂菌污染,可能导致产量大大下降,故生产原料和反应器需要灭菌处理,D错误。 [答案]　A (二)以啤酒的生产深化认识发酵工程 1.啤酒发酵的过程及内容 2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒 原料 只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水 麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等 食品添加剂 不添加 添加 麦芽汁浓度 较高,口味浓郁 较低,口味清淡 发酵时间 发酵时间长,可达2个月 发酵时间短,通常7天左右 特点 产量低、价格高 产量高、价格低 [迁移训练] 1.判断下列叙述的正误。 (1)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。 (√) (2)单细胞蛋白是通过发酵产生的大量的微生物分泌蛋白。 (×) (3)发酵工程一般用半固体培养基。 (×) (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)利用发酵工程技术生产的微生物农业药物仅是利用其代谢产物来防治病虫害的。 (×) (6)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身。 (√) 2.(2025·陕晋宁青高考)我国是世界上最大的柠檬酸生产国。利用黑曲霉通过深层通气液体发酵技术生产柠檬酸,流程如下图。下列叙述错误的是 (　　) A.淀粉水解糖为发酵提供碳源和能源 B.扩大培养可提供足量的黑曲霉菌种 C.培养基、发酵罐和空气的灭菌方法相同 D.通气、搅拌有利于溶解氧增加和柠檬酸积累 解析:选C　淀粉水解糖作为含碳有机物可以为微生物发酵提供碳源和能源,A正确。通过扩大培养可以获取足量的黑曲霉菌种,B正确。常用高压蒸汽灭菌法对培养基进行灭菌;发酵罐灭菌主要采用湿热灭菌法(高温高压蒸汽);对空气灭菌一般不用高压蒸汽灭菌法,常用紫外线照射法和过滤除菌法,C错误。通气、搅拌可以增大溶解氧量,促进黑曲霉发酵,即促进柠檬酸积累,D正确。 3.(2024·江西高考)井冈霉素是我国科学家发现的一种氨基寡糖类抗生素,它由吸水链霉菌井冈变种(JGs,一种放线菌,菌体呈丝状生长)发酵而来,在水稻病害防治等领域中得到广泛应用。下列关于JGs发酵生产井冈霉素的叙述,正确的是 (　　) A.JGs可发酵生产井冈霉素,因为它含有能够编码井冈霉素的基因 B.JGs接入发酵罐前需要扩大培养,该过程不影响井冈霉素的产量 C.提高JGs发酵培养基中营养物质的浓度,会提高井冈霉素的产量 D.稀释涂布平板法不宜用于监控JGs发酵过程中活细胞数量的变化 解析:选D　基因表达的产物是蛋白质,而井冈霉素是JGs发酵生产的一种氨基寡糖类抗生素,是JGs的代谢物,A错误;JGs接入发酵罐前需要扩大培养,该过程会影响JGs的数量,进而影响井冈霉素的产量,B错误;在一定范围内提高JGs发酵培养基中营养物质的浓度,会提高井冈霉素的产量,但若浓度过大,反而会降低井冈霉素的产量,C错误;JGs是一种放线菌,菌体呈丝状生长,形成的菌落难以区分,因此稀释涂布平板法不宜用于监控JGs发酵过程中活细胞数量的变化,D正确。 4.啤酒的工业化生产中,大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后,最终过滤、调节、分装。下列说法错误的是 (　　) A.用赤霉素处理大麦,可使大麦种子无须发芽就能产生α⁃淀粉酶 B.焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D.通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成,缩短啤酒的发酵周期 解析:选B　赤霉素能促进种子的萌发,据此可推测若用赤霉素处理大麦,可诱导α⁃淀粉酶相关基因的表达,促进α⁃淀粉酶的合成,进而使大麦种子无须发芽就能产生α⁃淀粉酶,A正确;焙烤是为了去除大麦种子中的水分,可以杀死大麦种子的胚,但是没有进行灭菌,B错误;糖浆经蒸煮(产生风味组分、终止酶的进一步作用,并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵,防止高温杀死菌种,C正确;利用转基因技术可以改造酵母菌,可以减少啤酒酵母双乙酰的生成,缩短啤酒的发酵周期,D正确。 一、建构概念体系 二、融通科学思维 1.发酵工程中灭菌不彻底的危害是会有杂菌污染,可能导致产品产量大大下降,产品质量降低。 2.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: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。 3.乙肝病毒是引起乙型肝炎的主要元凶,请利用发酵工程相关知识,说明如何大量生产乙肝病毒疫苗。 提示:先从自然界中筛选出能生产乙肝病毒蛋白的菌种,也可以通过基因工程育种或诱变育种获得能生产乙肝病毒蛋白的菌种,再通过发酵工程大量生产乙肝病毒疫苗。(合理即可) 4.微生物菌剂通常有液态和固态两种。下图是通过发酵工程制备菌剂的流程。 你认为工业生产中应首选制备液态还是固态的微生物菌剂?并简述理由。液态的微生物菌剂。原因是制备方法简单(无需选择合适载体、干燥、粉碎等操作)、成本低、使用方便。 三、综合检测反馈 1.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。下列相关叙述正确的是 (　　) 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.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身 C.传统发酵食品是利用天然存在的菌种进行纯种发酵制作而成 D.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白 解析:选B　发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵,A错误;传统发酵技术利用的是混合菌种的发酵作用制作食品,C错误;单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体,D错误。 2.(2025·青岛高二期中)高酒精度啤酒(酒精浓度≥7.5% vol),由于其高酒精度、高发酵度、低残糖等特点,受到越来越多消费者的青睐,其酿造工艺如图所示。下列有关叙述错误的是 (　　) A.生产啤酒用的发酵罐和糖浆等原料都需要经过灭菌 B.多次分批补加葡萄糖可以减少发酵初期的高渗透压对酵母细胞代谢的影响 C.主发酵过程中还原糖主要用于有氧呼吸,其产生的CO2会使pH下降 D.发酵过程中要适时往外排气,后发酵时期可以延长排气时间间隔 解析:选C　生产啤酒用的发酵罐和糖浆等原料都需要经过灭菌,防止原料自带的杂菌污染发酵,A正确;多次分批补加葡萄糖可以减少发酵初期的高渗透压对酵母细胞代谢的影响,B正确;主发酵过程中还原糖主要用于无氧呼吸产生酒精,同时无氧呼吸也会产生CO2会使pH下降,C错误;发酵过程中要适时往外排气,后发酵时期由于糖类物质不充足,产生的气体较少,可以延长排气时间间隔,D正确。 3.味精是谷氨酸的钠盐,利用谷氨酸棒状杆菌经过发酵可以生产谷氨酸,进而获得味精。在利用发酵罐生产味精的过程中,需要不停地进行搅拌,并严格控制发酵条件,以提高谷氨酸的产量和品质。下列关于谷氨酸生产的说法,正确的是 (　　) A.性状优良的谷氨酸棒状杆菌只能通过诱变育种获得 B.发酵过程中的搅拌可满足菌体对氧气和养分的需求 C.发酵过程中应控制pH,酸性条件下利于谷氨酸的生产 D.发酵过程中添加新的营养液会改变培养条件,不利于增产 解析:选B　性状优良的谷氨酸棒状杆菌可以从自然界中筛选出来,也可以通过基因工程育种或诱变育种获得,A错误;发酵过程中的搅拌会使营养物质和菌种充分接触且能增加溶解氧的量,故可满足菌体对氧气和养分的需求,B正确;中性和弱碱性条件下利于谷氨酸的积累,酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N⁃乙酰谷氨酰胺,C错误;发酵过程中添加新的营养液有利于持续高效地获得发酵产品,D错误。 4.嗜盐单胞菌可利用海水合成聚羟基脂肪酸酯(PHA,一种新型生物塑料),在细胞内形成由膜包裹的不溶性颗粒。科研人员从海水中分离得到一株嗜盐单胞菌,在非灭菌、高盐、高pH的发酵液中连续发酵生产PHA,其流程如下图所示。下列相关叙述不正确的是 (　　) A.利用含PHA的选择培养基筛选嗜盐单胞菌 B.高盐、高pH的发酵液抑制了杂菌生长 C.上清液循环利用,有利于节约物质和能量 D.发酵完成后收集沉淀的菌体以得到PHA 解析:选A　嗜盐单胞菌可利用海水合成PHA,不能用含PHA的选择培养基筛选嗜盐单胞菌,A错误;高盐、高pH的发酵液使杂菌因失水过多或蛋白质变性而死亡,故可抑制杂菌生长,B正确;上清液可以循环利用,可避免物质和能量的浪费,C正确;嗜盐单胞菌可利用海水合成PHA,在细胞内形成由膜包裹的不溶性颗粒,因此发酵完成后收集沉淀的菌体以得到PHA,D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $