第1章 第3节 发酵工程及其应用(学用Word)-【优学精讲】2025-2026学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（人教版）

第3节　发酵工程及其应用 学习目标 1.基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。 2.运用分析与综合的科学思维，概述从传统发酵到现代发酵工程的发展历程，认同发酵工程的发展离不开科技进步。 3.基于发酵工程在农业、食品工业、医药工业、工业生产上的应用实例，阐明发酵工程的特点和应用价值。 知识点一　发酵工程的基本环节 1.发酵工程：发酵工程是指利用微生物的　　　　　　，通过　　　　　　技术，规模化生产对人类有用的产品。 2.发酵工程的基本环节 3.发酵装置 【微思考】　需要控制发酵条件的原因：环境条件不仅会影响　　　　　　　　　　，而且会影响　　　　　　　　　　。 （1）发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。（　　） （2）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。 （　　） （3）发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。（　　） （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。（　　） （5）扩大培养的主要目的是获得数量足够多的菌种。（　　） 探究｜分析发酵工程基本环节 请结合教材P23“思考·讨论”，回答下列问题。 （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的因素：能在低成本的　　　　上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如　　　　、　　　　、　　　　等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。 （2）怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ （3）在产物分离和提纯方面，与传统发酵技术相比，发酵工程的改进之处：传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，而是　　　　　　　　　　，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理。在发酵工程中，如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用　　　　　　等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用　　　　　　　　　　等方法进行提取。 （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？ 1.选择发酵工程用的菌种时需要考虑的因素 （1）原料廉价、生产迅速、目的产物产量高。 （2）易于控制培养条件，酶活性高，发酵周期较短。 （3）抗杂菌和噬菌体的能力强。 （4）菌种遗传性能稳定，不易变异和退化，不产生任何有害的生物活性物质和毒素，保证安全生产。 2.扩大培养：在进行接种前，要对菌种进行扩大培养。 （1）目的：增加菌种的数量，缩短生产周期。 （2）方法：将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 3.影响发酵过程的因素 （1）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。 （2）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。 （3）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。 （4）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。 1.（教材P22“图1－9”改编）如图是微生物工业发酵的基本流程，下列有关叙述错误的是（　　） A.过程①是发酵工业的前提条件，选育过程中要尽量减少菌种的传代次数 B.过程②需要进行多次，这样可以缩短菌种在发酵罐内的发酵时间 C.过程③所配制的培养基与实验室培养目的菌种所用的培养基一致 D.过程⑤是发酵的核心环节，控制该过程是保证发酵生产高效顺利进行的重要措施 2.（教材P22“图1－9”改编）科学家以糖蜜（含较多蔗糖）为原料，运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，在实验室发酵生产PHA（聚羟基脂肪酸酯）等新型高附加值可降解材料。下列相关说法错误的是（　　） A.发酵工程一般包括菌种选育等多个步骤，其中心环节是发酵罐内发酵 B.为在一定程度上避免杂菌污染，可适当降低发酵液中盐的浓度 C.菌株H还能分泌蛋白酶、脂肪酶等分解餐厨垃圾来生成PHA D.可在发酵结束之后，采用过滤和沉淀等方法将菌株H从发酵液中分离出来 知识点二　发酵工程的应用 1.发酵工程的特点 （1）　　　　　　　　。 （2）原料来源丰富且价格低廉。 （3）　　　　　　。 （4）废弃物对环境的污染小和容易处理。 2.在食品工业上的应用 （1）生产传统的　　　　　　。 ①优点：产品的　　　　　　明显提高。 ②实例： a.利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），将大豆中的蛋白质分解成小分子的　　　　和　　　　，然后经淋洗、调制成酱油产品。 b.啤酒的工业化生产流程： （2）生产各种各样的食品添加剂：酸度调节剂、　　　　、着色剂、　　　　、防腐剂等。 （3）生产　　　　：在食品工业中，经常用到一些酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。 3.在医药工业上的应用 （1）发酵工程可以生产抗生素、　　　　　、激素和　　　　　等。 （2）基因工程与　　　　　　相结合生产所需要的产品。 4.在农牧业上的应用 （1）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　　　　　　　　　　　　等来增进土壤肥力，改良土壤结构。 （2）生产微生物农药。微生物农药是利用　　　　　　　　　　来防治病虫害的。 （3）生产微生物饲料。通过发酵获得了大量的微生物菌体，即　　　　　　，并制作成微生物饲料。 提醒：单细胞蛋白就是微生物菌体本身，并不只是组成微生物的蛋白质。 5.在其他方面的应用 （1）利用纤维废料发酵生产　　　　、　　　等能源物质已取得成功。2022年，我国科学家通过电催化结合发酵的方式，用CO2合成了　　 　　和　　 　　。像这样的CO2资源化利用，将助力我国实现　　 　　、　　　　。 （2）自然界中还存在着一定数量的　　　　微生物，其中一些已应用于生产实践。例如，嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产　　　，嗜低温菌有助于提高　　　　产品的产量。 （3）发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　　　　　　　　　　等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 （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。（　　） 1.请结合教材P24～25“思考·讨论”，回答下列问题。 （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，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如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？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？ 2.资料　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。 （1）与化工生产相比，为什么发酵工程的生产条件比较温和？ （2）分析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利用工程菌生产胰岛素 ③工业化生产青霉素 1.发酵工程生产的相关产品及所用的微生物 2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 1.（教材P22“图1－9”改编）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.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白 2.（2025·四川乐山一中月考）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-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 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 1.（2025·贵州六盘水期末）发酵工程在工业生产上得到广泛的应用，如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 2.（2025·江苏泰州期末）下列有关发酵工程表述正确的是（　　） A.该工程的中心环节是菌种的选育 B.绝大多数酶制剂是由该技术生产 C.可从微生物细胞中提取单细胞蛋白 D.条件变化不影响微生物的代谢途径 3.（2025·福建柘荣一中月考）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发酵液中富含有机物，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。 提示：完成课后作业　第1章　第3节 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节　发酵工程及其应用 知识点一 1.特定功能　现代工程 2.􀀁自然界中　􀀂诱变育种或基因工程育种　􀀃培养基配方 􀀄培养基和发酵设备　􀀅微生物数量、产物浓度　􀀆温度、pH和溶解氧　􀀇分离和纯化　􀀈过滤、沉淀 3.􀀁温度　􀀂进入口　􀀃排气管　􀀄排出口　􀀅空气 微思考　微生物的生长繁殖　微生物代谢物的形成 概念辨析 　（1）×　提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 （2）×　 （3）×　提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 （4）×　提示：现代发酵工程中使用的菌种大多是单一菌种，而不是复合菌种。 （5）√ 知识点二 1.（1）生产条件温和　（3）产物专一 2.（1）发酵产品　①产量和质量　②a.肽　氨基酸　b.􀀁释放淀粉酶　􀀂淀粉酶失活　􀀃糖浆　􀀄终止酶的进一步作用　􀀅酒精和CO2　􀀆低温　􀀇密闭　􀀈大多数微生物　（2）增味剂　增稠剂　（3）酶制剂 3.（1）多种氨基酸　免疫调节剂　（2）发酵技术 4.（1）有机酸、生物活性物质　（2）微生物或其代谢物　（3）单细胞蛋白 5.（1）酒精　乙烯　葡萄糖　脂肪酸　碳达峰　碳中和 （2）极端　洗涤剂　热敏性　（3）粮食、环境、健康和能源 概念辨析 　（1）√　 （2）×　提示：单细胞蛋白就是微生物菌体。 （3）×　提示：发酵工程一般用液体培养基。 第3节　发酵工程及其应用 知识点一 重难探究 （1）培养基　温度　pH　溶解氧 （2）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，同时及时添加必要的营养组分。 （3）成分复杂的混合物　过滤、沉淀　蒸馏、萃取、离子交换 （4）提示：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。 即学即练 1.C　选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提条件，减少菌种的传代次数能减小菌种发生自发突变的概率，A正确；在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量再进行接种，这样可以缩短菌种在发酵罐中发酵的时间，B正确；过程③所配制的培养基与实验室培养目的菌种所用的培养基不一致，发酵工业所配制的培养基来源充足且廉价，被转化的效率高，C错误；发酵罐内发酵是发酵的核心环节，控制发酵过程是保证发酵生产高效顺利进行的重要措施，D正确。 2.B　发酵工程一般包括菌种选育等多个步骤，发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，A正确；嗜盐单胞菌需要一定的盐浓度，其他微生物则不能在较高的盐浓度下生长，故提高发酵液中盐的浓度，一定程度上可以避免杂菌污染，B错误；酶具有专一性，发酵罐中有糖蜜或餐厨垃圾，含有蛋白质和脂肪等物质，故菌株H还能分泌蛋白酶、脂肪酶等分解餐厨垃圾来生成PHA，C正确；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，而对于菌体的代谢物，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正确。 知识点二 重难探究 1.（1）提示：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。 （2）提示：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，或者满足一些人的时尚追求。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。 2.（1）提示：发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，而微生物细胞代谢是在常温常压条件下进行的，因此发酵工程的生产条件比较温和。 （2）提示：①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工业化生产青霉素均需要利用发酵工程技术。 即学即练 1.B　发酵工程与传统发酵技术都是利用微生物进行发酵的，A错误；营养成分、温度、pH和溶解氧等发酵条件变化均可能影响微生物的生存、繁殖和代谢途径，C错误；通过发酵工程可以获得微生物菌体，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白可以制成微生物饲料，D错误。 2.D　啤酒生产的发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，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，A正确；用赤霉素溶液浸泡大麦种子，目的是促进 α-淀粉酶合成，促进种子萌发，B正确；大麦进行糖化后需要煮沸冷却，煮沸可终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌，冷却可防止在接种酵母菌时杀死酵母菌种，C正确；酵母菌是兼性厌氧微生物，在整个发酵过程中，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，使其进行无氧呼吸及发酵产生酒精，D错误。 【随堂热练】 1.C　从自然界中分离菌体的方法有基因工程、诱变育种等，若生产人生长激素的工程菌是通过①获得的，则①是基因工程，A正确；微生物培养需要适宜的条件，在生产实践中，培养基的配方需要经过反复试验才能确定，B正确；发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，而④是接种，C错误；发酵工程生产的产品有两类：一类是菌体的代谢物，另一类是菌体本身，若⑥是微生物本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离，D正确。 2.B　发酵工程的内容包括选育菌种、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵罐内发酵、产品的分离、提纯（生物分离工程）等方面，发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，A错误；一些酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶 和脂肪酶，这些酶制剂除少数由动植物生产外，绝大多数也是通过发酵工程生产的，B正确；单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体，而并非微生物的代谢物，故不需要提取，C错误；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，D错误。 3.（1）扩大培养　杂菌　（2）无机盐　（3）溶解氧　菌种代谢物　（4）细菌　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生长因子等。（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。（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。 7 / 7 学科网（北京）股份有限公司 $