第1章 第3节 第2课时 发酵工程与应用-【新课程学案】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程配套练习word（浙科版）

第2课时　发酵工程与应用 [主干知识梳理] 1.现代发酵工业的特点 大多采用好氧、液体、深层、分批及　　　　　发酵的方式组合进行。其中好氧以及用单一纯种微生物生产单一产品是现代发酵工业的主流。  2.微生物工业发酵的过程 (1)选育　　　　　　的菌种：是发酵工业的前提条件。  (2)筛选并不断地　　　　　　　菌种：保持菌种健壮旺盛的生命力。  (3)将菌种　　　　：缩短菌种在发酵罐中发酵的时间。  (4)对　　　　进行控制：保证发酵生产高效顺利进行的重要措施。  (5)分离或提纯　　　　。  (6)分离后的生物产品进一步　　　　和质检。  3.发酵工业菌种需要满足的条件 项目 条件 菌种的选择 选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少 培养基的选择 培养基来源充足且廉价，被转化的　　　  发酵产物的要求 易于　　　  环境的要求 菌种对环境没有明显或潜在的危害 菌种的遗传特性 菌种的遗传特性和生产能力　　  4.控制发酵过程和分离提纯发酵产品 (1)发酵环境不同，同种微生物的　　　　可能不同；　　　　　　　　等会影响微生物的发酵产物。因此要严格控制发酵过程。  (2)如果发酵产品是菌体本身，可采用　　　　、沉淀等方法分离菌体；如果发酵产品是微生物的代谢产物，可采用　　　　　　、吸附发酵、萃取发酵等方法提取。  5.发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的应用价值 (1)微生物发酵的食品和饮料，品种多、数量大、产值高。 (2)绝大多数抗生素是微生物发酵的产物，或由微生物发酵产物加工而成。 (3)医药领域中的酶抑制剂、免疫调节剂、类激素、抗氧化剂、生物表面活性剂和抗辐射药物是微生物发酵的产物或衍生物。 (4)有广泛用途的氨基酸、有机酸、醇、维生素、核苷酸逐步转向通过发酵工程大量生产。 [预习效果自评] 1.判断下列说法的正误 (1)菌种扩大培养时，常将菌种接种到固体培养基中培养。 (　　) (2)发酵过程中的pH、氧气、温度等均会影响发酵产物的生成。 (　　) (3)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。 (　　) (4)如果发酵的产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来。 (　　) (5)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，避免了淀粉酶对蛋白酶的分解。 (　　) 2.发酵工程的基本步骤是 (　　) ①选育菌种　②配制培养基　③扩大培养 ④灭菌　⑤产品的分离、提纯　⑥接种 ⑦发酵罐内发酵 A.②④①⑥③⑦⑤　　　 B.①③②④⑥⑦⑤ C.①②④⑥③⑦⑤ D.②④①③⑥⑦⑤ [精要内容把握] 一、知识体系建一建 二、核心语句背一背 1.发酵工程的三大特点 (1)生产条件温和；(2)原料丰富且价格低廉；(3)废弃物对环境影响小且容易处理。 2.发酵工程的应用 (1)绝大多数抗生素是微生物发酵的产物，或由微生物发酵产物加工而成。 (2)近年来，在医药领域开发的酶抑制剂、免疫调节剂、类激素、抗氧化剂、生物表面活性剂和抗辐射药物等许多新药是微生物发酵的产物或衍生物。 (3)采用发酵工程生产的酶制剂除了应用于食品工业生产中，还广泛应用于洗涤剂生产、纺织、皮革、造纸工业中。 提能点　现代发酵工程及其应用 [任务驱动] 　　如图是葡萄酒发酵过程中一种发酵罐的示意图，思考并回答以下问题： (1)家庭酿造葡萄酒时不需要添加酵母菌菌种，而在工业生产葡萄酒时，一般需添加一定的发酵菌种，两种操作的不同的原因是什么? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (2)该装置中设计搅拌桨进行搅拌的意义是什么?工业上在进行酒精发酵时，进气口应如何处理? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (3)酒精发酵时发酵液中的葡萄皮等固体物质会上浮覆盖在发酵液表面，形成酒帽，酒帽的出现会降低发酵速度，试分析原因，并尝试提出解决的方法。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  [生成认知] 1.发酵工程的工业化生产要点 (1)微生物发酵是一个复杂过程，菌种、原料、产物差异，发酵所需条件不同，因此需根据发酵特点设置不同的发酵体系。 (2)好氧、单一纯种微生物生产单一产品仍是现代发酵工业的主流。 (3)发酵体系构建过程中，减少菌种传代次数，筛选优良菌种进行留种。 (4)大规模发酵时，不能直接将菌种接种到发酵罐，而是将优良菌种多次扩大培养至一定数量，然后接种，这样可以减少发酵所需的时间及有效监控发酵菌种的变异。 (5)发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身，根据产品不同，分离提纯的方法一般不同： ①如果发酵产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来。 ②如果发酵产品是代谢产物，可采用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取。 2.发酵工程的应用 项目 具体应用 在食品工业上的应用 生产传统的发酵产品 生产各种各样的食品添加剂 生产酶制剂 在医药工业上的应用 通过工程菌生产药物 通过改造菌种生产药物 在农牧业上的应用 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 在其他方面 的应用 解决资源短缺和环境污染问题 对极端微生物的利用 　　[例1]　影响发酵工程的因素很多，下列叙述错误的是 (　　) A.发酵工程需考虑培养基的来源和转化效率 B.培养基中各营养物质的比例也会影响微生物的生长 C.发酵生产中，需要随时监控影响发酵过程的各种环境条件 D.选育获得优良菌种后，可以长期传代并用于大规模发酵生产中 尝试解题： 　　[例2]　某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是 (　　) A.夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 尝试解题： [跟踪训练] 1.下列关于发酵工程的说法，错误的是 (　　) A.选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提条件 B.减少菌种的传代次数能减小菌种发生自发突变的概率 C.随时检测影响发酵过程的各种环境条件并予以控制，才能保证发酵的正常进行 D.在利用微生物发酵生产谷氨酸时，培养基中N/P为4∶1时菌体大量繁殖，当比值降为3∶1时繁殖减缓 2.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.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化会影响微生物的生长繁殖，但不会影响微生物的代谢途径 D.利用真空发酵或萃取发酵从培养液中分离微生物菌体 3.(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 4.酱油起源于我国，至今已有数千年历史。参与酱油酿造过程的微生物主要有米曲霉、酵母菌和乳酸菌等，在众多微生物及其酶系的作用下，分解大豆、小麦中的蛋白质、脂肪等有机物，最终形成具有特殊色泽和良好风味的酱油。制作酱油的流程示意图如图，下列说法正确的是 (　　) A.传统发酵技术必须选育菌种 B.大豆中的蛋白质和小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供氮源 C.发酵池发酵阶段加入食盐可以抑制杂菌生长，保证酱油质量 D.食品添加剂由于可以增加食品营养，还可以延长保存期，使用时应尽量多添加 科学思维——归纳总结现代发酵工程 1.发酵工业所需菌种需要满足的条件 大规模发酵生产中需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，使其达到一定数量再接种，这样可以缩短菌种在发酵罐中的发酵时间。 2.对发酵工程中产物的分离 在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产物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 3.对发酵生产时微生物及其代谢物的处理 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。 [素养评价] 1.随着人们对发酵原理认识的不断深入，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程的叙述，错误的是 (　　) A.好氧以及用单一纯种微生物生产单一产品是现代发酵工业的主流 B.选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的 C.扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖，便于得到足够多的菌种 D.产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法 2.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。培养过程中定期取样并用　　　　　　　　　的接种方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。  (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。  (4)菌株H还能通过分解餐厨垃圾(主要含蛋白质、淀粉、油脂等)来生产PHA，说明其能分泌__________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________。  课下请完成课时跟踪检测(四)及阶段验收评价(一) 名师推荐：课题活动(一)　立足生产实践，深研微生物技术应用 　　紧扣新高考生物学“重实践、强应用”的脉搏，一帆融媒图书特邀名师匠心打造系列“主题式探究课题活动”。本活动深度践行新课标理念，以“鲜活课题”为引领，“有机串联核心知识”，“浸润学科核心素养”。设计突出“动手实践”与“创新思维”培养，模拟真实科研情境，引导学生亲历探究全过程。告别纸上谈兵，助力学生“融会贯通知识、锤炼关键能力”，有效应对高考命题新趋势，是提升生物学科综合竞争力的生动实践课堂。 　　本资源属自主选择有偿使用栏目，敬请进入微信小程序“一帆书匠馆”在线学习。 第2课时　发酵工程与应用 落实必备知识 [主干知识梳理] 1.单一纯种　2.(1)高产、优质　(2)选育或改良　(3)扩大培养 (4)发酵过程　(5)发酵产品　(6)提纯　3.效率高　分离　稳定　4.(1)代谢产物　pH、氧气、温度　(2)过滤　真空发酵 [预习效果自评] 1.(1)×　提示：菌种扩大培养时通常使用的是液体培养基。 (2)√ (3)×　提示：发酵工程的废弃物对环境影响小且容易处理。 (4)√ (5)×　提示：蛋白酶可以催化淀粉酶分解，但淀粉酶不能催化蛋白酶分解。 2.选C　发酵工程的基本操作过程：菌种的选育→培养基的配制→灭菌→扩大培养和接种→发酵过程→产品的分离、提纯。 融通关键能力 [任务驱动] (1)提示：家庭酿酒利用的是葡萄皮上附着的天然酵母菌；工业生产时，添加发酵菌种能使发酵时的菌种数量更多，纯度更高，提高发酵效率和产品品质。 (2)提示：搅拌桨搅拌使菌种与发酵底物更能充分接触，提高发酵效率。酒精发酵为厌氧环境，因此发酵进行时，应保证进气口关闭。 (3)提示：酒帽的出现使葡萄皮上的菌种无法侵入发酵液，因此会降低发酵速度。工业生产中处理酒帽的方法是定期将其按压下去，浸入发酵液。 [生成认知] [例1]　选D　发酵工程需考虑培养基的来源和转化效率，这样才能获得比较多的产物，A正确；培养基中各营养物质的比例合适时微生物才能生长良好，某种营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用，B正确；发酵过程中，由于微生物代谢过程中产生热量和代谢产物的积累，发酵环境不断变化，需随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，保证发酵的正常进行，C正确；选育获得优良菌种后，并不能长期传代使用，因为可能会发生变异，应将优良菌种多次扩大培养一定数量，然后接种，D错误。 [例2]　选B　果酒发酵的适宜温度为25 ℃左右，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌厌氧呼吸的产物，因此发酵过程中不需要通入空气，B错误；发酵过程中酵母菌厌氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C正确；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。 [跟踪训练] 1.选D　选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提条件，A正确；减少菌种的传代次数，可减少菌种发生自发突变的概率，防止菌种退化，有利于保持菌种优良性状，B正确；发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧与转速等发酵条件，需要随时检测影响发酵过程的各种环境条件并予以控制，才能保证发酵的正常进行，C正确；在利用微生物生产谷氨酸时，培养基中的C/N为4∶1时菌体大量繁殖，当比值降为3∶1时繁殖减缓，D错误。 2.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；发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，B正确；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错误；真空发酵或萃取发酵用于提取微生物的代谢产物，D错误。 3.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。 4.选C　传统发酵技术一般使用的是天然菌种，A错误；大豆中含有丰富的蛋白质，可为米曲霉的生长繁殖提供氮源，小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供碳源，B错误；抑制杂菌污染和繁殖是保证酱油质量的重要因素，在发酵池中酵母菌产生的酒精能抑制杂菌的生长，乳酸菌产生的乳酸使发酵液呈酸性也能抑制杂菌的生长，同时往发酵池中添加的食盐也能抑制杂菌的生长，C正确；食品添加剂过量使用会对人体健康造成影响，甚至危及生命，不能过量使用，D错误。 浸润学科素养和核心价值 1.选B　好氧以及用单一纯种微生物生产单一产品是现代发酵工业的主流，A正确；选育菌种的方法总体上分为两种，一种是直接从自然界中筛选出常规菌种，另一种是通过基因工程育种或者诱变育种获得工程菌种，B错误；发酵工程的发酵装置足够大，必须接种足量的菌种才能保证其产量，因此接种前要进行扩大培养以增加菌种的数量和缩短菌种在发酵罐中的发酵时间，C正确；发酵工程的产品有两种类型，如果发酵产品是菌体本身，可以采用过滤、沉淀等方法将菌体分离，如果发酵产品是代谢产物，需要根据其性质采用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取，D正确。 2.解析：(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，在液体培养基中，可将蔗糖作为唯一碳源。培养过程中可定期取样并采用稀释涂布平板法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。 (2)由题意可知，菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强的特性，在该系统中，杂菌会因盐浓度过高或pH不适宜而死亡，故不用灭菌。 (3)由于产物中产生了少量乙醇，说明发酵液缺氧导致菌株H进行了厌(无)氧呼吸，最终菌株H由于能量供应不足而使得其细胞增殖和PHA的产量均未达到预期，所以发酵条件中氧气可能是高密度培养的限制因素。 (4)餐厨垃圾主要含有蛋白质、淀粉、油脂等，菌株H能利用餐厨垃圾来生产PHA，说明其能分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶，还有与PHA合成相关的酶。 答案：(1)唯一碳源　稀释涂布平板　(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，杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制　(3)氧气　(4)蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶以及与PHA合成相关的酶 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $