1.3发酵工程及其应用 课件——2025-2026学年高二生物下学期选择性必修三

该高中生物学课件聚焦发酵工程的基本环节及应用，以青霉素产业化案例导入，通过问题链衔接生活与工业生产，借助流程图、菌种选育实例等学习支架，帮助学生系统构建知识脉络。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，通过啤酒工业化流程等实例分析，结合精酿啤酒辩证讨论培养批判性思维，练习题强化核心概念理解，助力学生形成生命观念与社会责任，为教师提供丰富教学资源与实践指导。

第3节 发酵工程及其应用 1 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。 一、学习目标 二、重点 发酵工程的基本环节、发酵工程的基本应用。 发酵工程的基本环节。 三、难点 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。 随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，一瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要一元左右。 发酵工程 什么是发酵工程？发酵工程的出现需要哪些条件？ 从生活中来 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 发酵工程的基本环节 基本环节 选育菌种 扩大培养 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 4 某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 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决定了生产发酵产品的成败。 发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 （1）目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母 ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； 基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。 （常规菌） （工程菌） 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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败 6 发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 （4）目的： （5）原因： （6）培养基类型： 获得更多菌种，缩短生产周期。 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米。 液体培养基 工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。 7 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （3）配制培养基 根据菌种的代谢特点，要选择原料制备培养基； 培养基的配方要经过反复试验才能大规模应用。 （4）灭菌 培养基和发酵设备必须严格灭菌；一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。 某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉 优化培养基设计（成分、比例等） 一、发酵工程 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 （5）接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 （6）发酵罐内发酵（中心环节） 要求∶ ①随时检测微生物数量、产物浓度;以了解发酵进程 ②及时添加营养成分、严格控制发酵条件。 因为环境条件会影响微生物的生长繁殖和 微生物代谢物的形成； 如：谷氨酸发酵： ①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸； ②在酸性条件下容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。 谷氨酸棒状杆菌 ③C:N的比值会影响谷氨酸发酵过程 C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧 ①增加溶氧量 ②使微生物与发 酵液充分接触， 混合均匀 （6）发酵罐内发酵（中心环节） 计算机控制系统 温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等 使发酵过程处于最佳状态 监测 反馈控制 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 罐内发酵 分离提纯 获得产品 （7）分离提纯 微生物细胞本身： 代谢物： （8）获得产品 发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，得到产品； 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。 二、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和容易处理等。 三、发酵工程的应用 阅读教材P24~27正文内容，梳理总结发酵工程在各个领域的应用 发酵工程 食品工业 医药工业 农牧业 其他方面 发酵工程 食品工业 医药工业 农牧业 其他方面 （1）怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ ①反复试验确定培养基的配方； ②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； ③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件； ⑥使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制。 思考·讨论 （2）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？ 传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物， 基本没有经过产物分离和提纯等步骤； 发酵工程根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法。 思考·讨论 发酵工程的基本环节 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？ 1.生产需要(微生物繁殖速度快、代谢产物的产量高等)； 2.菌种不易变异、退化等； 3.发酵条件易控制； 4.考虑气候条件、发酵装置等。 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。可能污染环境。要二次清洁或灭菌处理。 17 （一）在食品工业上的应用 1. 生产传统发酵产品 (1)酱油的生产 (2)各种酒类的生产 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 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 发酵工程的应用 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 后发酵 啤酒的工业化生产流程 1.啤酒的发酵过程分为 和 两个阶段； 2.主发酵阶段完成 ； 3.后发酵的条件_________________________ _； 4.焙烤的目的： ； 5.蒸煮的目的： 。 一、过程概述： 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌 发酵工程的应用 发酵工程的应用 合作探究：观看视频，阅读教材P24-25，写出啤酒的工业化生产流程。 21 啤酒的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 冷却 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。 淀粉分解，形成糖浆。 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。 消毒 终止 后发酵 过滤 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 啤酒花 啤酒花的作用： 1.使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。 2.形成啤酒优良的泡沫。 3.有利于麦芽汁的澄清。 4.平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5-10d。 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。一般1-2个月。 发酵工程的应用 讨论 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。 应该辩证地看待这一产品。 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? 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。 发酵工程的应用 24 增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长 食品的保存期。 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、溶菌酶 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 黑曲霉 柠檬酸 柠檬酸合成酶 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸 味精 处理 氧气 添加了柠檬酸的饮料 1.在食品工业上的应用 （1）生产各种各样的食品添加剂 发酵工程的应用 食品添加剂 ≠ 违法添加物 公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。 《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。 发酵工程的应用 （2）.生产酶制剂 ①常见酶制剂 ②酶制剂应用 食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、 改善产品品质和口味、延长储存期和提高产量等； ③酶制剂来源 少数由动植物生产； 绝大多数通过发酵工程生产； α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 发酵工程的应用 发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 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 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 例：紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。 28 应用 用途 举例 3 在农牧业上的应用 微生物菌体，即单细胞蛋白 注 生产微生 物肥料 生产微生 物农药 生产微生 物饲料 增 进 土 壤 肥 力 ， 改良 土 壤 结 构 ，促 进 植 株 生 长 根瘤菌肥、固氮菌肥 利用微生物或其代谢物 来防治 病虫害，是生物防治的重要手段。 利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、放线菌产生的井冈霉素用于防治水稻枯纹病；利用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等虫害。 用单细胞蛋白制成的微生物饲 料含有丰富蛋白质，能使家畜 、家禽增重快 ，提高免疫力等 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 ，提高动物的免疫力。 生物防治 属于什么防治 发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 ①解决资源短缺和环境污染问题（利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等； 利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾；利用发酵工程使烟气脱硫； 还可以利用微生物工程除臭等） ②对极端微生物的利用（嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂等） 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。 粮食 环境 能源 健康 发酵工程的应用 课堂小结 发酵工程 选育菌种→扩大培养→配制培养基→ 灭菌→接种→发酵罐内发酵→分离、提纯产物 发酵工程的基本环节 发酵工程的特点 发酵工程的应用 食品工业上的应用 医药工业上的应用 农牧业上的应用 其他方面的应用 生产条件温和 原料丰富、价格低廉 产物专一 废弃物污染小、容易处理等 1.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 D　 2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是(　　 ) A．菌种选育、扩大培养及配制培养基和灭菌是发酵工程的中心环节 B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径 D．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，不需添加营养组分 C　 3. 下列关于发酵条件的控制的叙述，不正确的是(　 　 ) A．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，因此发酵过程要严格控制发酵条件 B．发酵过程中，微生物代谢产热和机械搅拌产热会使发酵温度升高，因此要及时调节发酵罐温度 C．培养基中营养物质的利用和代谢物的积累，可能会导致发酵液pH发生改变，如工业酿酒会导致pH上升 D．现代工业发酵对发酵条件的监测和控制是通过计算机系统实现的，可以使发酵过程处于最佳状态 C　 34 4.下图为某种啤酒的工业化生产流程。下列叙述错误的是（　 　） A．麦芽粉碎有利于糖化过程中淀粉酶发挥作用 B．啤酒花可为该产品提供风味物质，提升感官评价 C．后发酵过程应控制合适温度和较高溶解氧以保证酵母菌繁殖 D．可通过调整麦汁浓度控制啤酒中的酒精含量 C Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $