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第1章发酵工程\n第3节 发酵工程及其应用\n课标要求核心素养1．说出发酵工程的概念。(生命观念)2．阐明发酵工程的流程。(生命观念、科学思维)3．举例说明发酵工程的应用。(科学思维)4．关注发酵工程在食品、医药、农牧业的应用，倡导健康、安全的生活和生产。(社会责任)1．通过学习，能够对发酵工程的基本环节进行分析。2．能够说出发酵工程在食品、医药、农牧业等方面的应用。3．尝试对发酵工程的实际应用进行实地调查。\n知识导图\n学霸记忆•素养积累训练巩固•课堂达标新知预习•双基夯实课内探究•名师点睛指点迷津•拨云见日\n新知预习•双基夯实\n一、发酵工程的基本环节发酵工程一般包括____________，扩大培养，培养基的配制、______，接种，______，产品分离、提纯等方面。1．选育菌种：性状优良的菌种可以从________中筛选出来，也可以通过__________或______________获得。2．扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行____________。3．配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过__________才能确定。菌种的选育灭菌发酵自然界诱变育种基因工程育种扩大培养反复试验\n4．灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，________和__________都必须经过严格的灭菌。5．接种：扩大培养的菌种和灭菌后的________加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。培养基发酵设备培养基\n6．发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的____________、__________等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的__________，要严格控制______、____和溶解氧等发酵条件。7．分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用______、______等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的______、______和______措施来获得产品。微生物数量产物浓度营养组分温度pH过滤沉淀提取分离纯化\n二、发酵工程的应用1．在食品工业上的应用(1)生产传统的发酵产品，如________________。(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过________发酵制得的柠檬酸，由________________发酵生产味精。(3)生产酶制剂，如α淀粉酶、β淀粉酶、脂肪酶等。酱油、各种酒类黑曲霉谷氨酸棒状杆菌\n2．在医药工业上的应用______工程、________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(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，促进植株生长，常见的有__________、__________等。基因蛋白质有机酸生物活性物质根瘤菌肥固氮菌肥\n(2)生产微生物农药。微生物农药是利用________或__________来防治病虫害的。微生物农药作为__________的重要手段，将在农业的____________方面发挥越来越重要的作用。(3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的________。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____________，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。微生物其代谢物生物防治可持续发展蛋白质单细胞蛋白\n4．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______、______、______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\n1．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选育菌种。()3．发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。()4．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。()5．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。()活学巧练××××√\n思考：1．利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？提示：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。2．啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？提示：醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。\n3．微生物肥料使作物增产的原理是什么？提示：微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。4．微生物农药防治农林害虫的原理是什么？提示：微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。\n学霸记忆•素养积累\n1．性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。2．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。3．发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。4．如果发酵产品是微生物菌体可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物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。5．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。\n课内探究•名师点睛\n知识点1．对发酵工程概念的理解发酵工程的基本环节分析原理发酵原理和工程学原理所用生物常规菌种、基因工程改造的“工程菌”菌种等过程实质通过微生物的大量繁殖获得所需产品产物次生代谢物和菌体本身\n2．发酵工程基本环节分析\n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。下列有关发酵工程过程的叙述，错误的是()A．发酵工程的过程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等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典例1典例剖析B\n解析：发酵工程的过程一般包括菌种的选育，培养基的配制和灭菌，扩大培养和接种，发酵，产品的分离与提纯等步骤，A项正确；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项错误；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来增加菌种的数量，C项正确；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、沉淀等方法进行分离、提纯，如果发酵产品是代谢物，需要根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离、提纯，D项正确。\n1．下列关于发酵工程的叙述，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．发酵工程的产品就是微生物的各种代谢物C．发酵过程中发酵条件温度的控制主要是通过发酵罐壁散热D．发酵过程要及时添加必备营养成分来延长菌体生长稳定期时间，便于得到更多的发酵产物变式训练D\n解析：发酵工程与传统发酵技术都要利用微生物来进行发酵，A项错误；发酵工程的产品有两大类：一类是菌体本身，另一类是代谢物，B项错误；发酵过程中微生物代谢产热和搅拌产热，使发酵液温度升高，通过发酵罐壁散热达不到散热效果，主要通过向冷却夹层通入冷水来散热降温，C项错误；发酵过程为保证获得更多的发酵产物，应及时向发酵罐中添加必备营养成分来延长菌体生长稳定期时间，D项正确。\n知识点发酵工程应用成果总结应用领域应用成果实例在食品工业上的应用①生产传统发酵产品酱油、啤酒等②生产食品添加剂增味剂、增稠剂、防腐剂等③生产酶制剂加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶等在医药工业上的应用①将动植物目的基因转移至微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物，通过发酵技术获得所需药物胰岛素、干扰素、紫杉醇等②将菌种直接改造，通过发酵技术获得药物生长激素释放抑制激素③将病原体的抗原基因转入微生物中，获得表达产物即可作为疫苗使用乙肝疫苗\n应用领域应用成果实例在农牧业上的应用①生产微生物肥料根瘤菌肥、固氮菌肥等②生产微生物农药用苏云金杆菌防治农林害虫；用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等③生产微生物饲料单细胞蛋白作为食品添加剂；单细胞蛋白制成生物饲料，使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量提高；青贮饲料中添加乳酸菌，提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力\n由于发酵工程生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，正确的是()A．日常生活中食用的酱油的制作以大麦为主要原料，利用产蛋白酶的霉菌的作用，将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸B．啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成C．味精是谷氨酸棒状杆菌在无氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的D．由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH典例2典例剖析D\n解析：制作酱油的主要原料是大豆，A项错误；啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，但酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，主发酵结束后在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵，B项错误；味精的生产是谷氨酸棒状杆菌在有氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的，C项错误；酶制剂是从生物体内提取出来的具有酶特性的一类化学物质，因此使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类、适宜的温度和pH，D项正确。\n2．下列关于发酵工程的应用的说法，正确的是()A．食品添加剂由于可以增加食品营养，改善食品的色、香、味，还可延长保存期，使用时应尽量多添加B．加酶洗衣粉使用时用沸水洗涤效果最好C．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，同时提高动物免疫力D．与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本高、见效快、无污染的特点变式训练C\n解析：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，A项错误；加酶洗衣粉中酶制剂在最适温度下活性最高，沸水条件使酶失活，洗涤效果较差，B项错误；在青贮饲料中添加乳酸菌，通过乳酸菌的发酵，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力，C项正确；与使用化学农药相比，使用微生物农药具有成本低、无污染、见效慢的特点，D项错误。\n指点迷津•拨云见日\n传统发酵技术与现代工业发酵在很多方面存在差异，总结如下：项目传统发酵技术现代工业发酵概念直接利用原料中天然存在的微生物或前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品菌种来源来源于空气、蔬菜、面团发酵物等，菌种不纯选育的纯菌种，可从自然界中分离，也可利用工程技术改造获得\n项目传统发酵技术现代工业发酵过程无菌种选育、扩大培养和接种，无严格的灭菌等菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵、产品的分离和提纯发酵条件控制通过微生物自身的代谢调节pH，通过充气口、排气口及其他人工措施调节溶解氧通过计算机控制系统，对发酵过程中的温度、pH、溶解氧等进行监测和控制应用果酒、果醋的制作，腐乳、泡菜的制作等应用于食品工业、医药工业、农牧业等\n下列有关传统发酵技术与现代工业发酵的描述，正确的是()A．传统发酵技术与现代工业发酵都需要进行严格的无菌操作，防止杂菌的污染，如都要进行培养液的灭菌B．传统发酵技术对发酵条件的控制主要通过人工控制，而现代工业发酵对发酵条件的控制是通过计算机系统进行全面的监测和控制C．制作泡菜的菌种是人工接种的纯的乳酸菌菌种D．果酒制作、果醋制作以及腐乳的制作等都属于现代工业发酵典例3典例剖析B\n解析：传统发酵技术与现代工业发酵都要进行无菌操作，但传统发酵技术防止发酵液污染的措施主要是进行有关发酵装置的消毒，灭菌不是很严格，传统发酵技术利用的是原料中存在的微生物，培养液是不能灭菌的，A项错误；传统发酵技术对发酵条件的控制主要是通过人工控制的，现代工业发酵对发酵条件的控制是通过计算机系统自动进行监测和控制的，B项正确；制作泡菜属于传统发酵技术的应用，菌种来源于附着在原材料上的天然的乳酸菌，不需要接种，C项错误；果酒制作、果醋制作以及腐乳制作属于传统发酵技术的应用，D项错误。\n解疑答惑从社会中来⇨P22提示：工业上，青霉素的生产按照发酵工程的基本环节进行，首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育，然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基并进行灭菌，在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵，发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可得到大量青霉素。\n旁栏思考1⇨P22提示：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。\n思考·讨论⇨P231．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。2．提示：发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷却水来调控。pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。溶解氧需根据微生物的代谢类型来调控，若微生物是好氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧；若微生物是厌氧型的，需封闭充气口，建立厌氧环境等。\n3．提示：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。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。\n4．提示：不能，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些可能会污染环境，对人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物可能也会污染水体，感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境。\n思考·讨论2⇨P241．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。\n旁栏思考2⇨P26提示：加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶；探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶；探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶；探究果胶酶在果汁生产中应用的实验中的果胶酶等。\n到社会中去⇨P281．提示：每天的食谱中直接由微生物发酵生产的有馒头、酸奶、酱油、醋、泡菜等。食品中添加了经发酵生产的食品添加剂的有方便面、火腿肠、饼干、橙汁等。2．略。\n练习与应用⇨P28一、概念检测1．(1)×提示：发酵工程与传统发酵技术都要利用微生物来进行发酵。(2)√(3)√(3)×提示：通过发酵工程获得的大量的微生物菌体是单细胞蛋白。\n二、拓展应用1．(1)提示：利用基因工程将血红蛋白基因转移至青霉菌细胞内，使青霉菌细胞内合成血红蛋白，增加其携带O2的能力，从而保证在发酵过程中给青霉菌持续高效地供氧。(2)提示：通过改造青霉素生产菌，使产生青霉素或头孢霉素的酶的基因不能表达，这样就能使其只生产青霉素或只生产头孢霉素了。2．提示：通过查找资料可以知道，这一风险是存在的。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。\n训练巩固•课堂达标\n1．发酵工程的环节很多，下列属于发酵工程的中心环节的是()A．菌种的选育B．发酵罐内的发酵C．培养基的配制、灭菌D．产物的提纯解析：发酵工程的基本环节包括菌种选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等。发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。B\n2．某药厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物没有谷氨酸而产生乳酸及琥珀酸，其原因可能是()A．温度控制不适B．通气量过多C．pH呈酸性D．溶氧不足解析：发酵过程中环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。如在谷氨酸的发酵生产过程中，若溶氧不足，谷氨酸棒状杆菌会进行无氧呼吸而生成乳酸或琥珀酸等不彻底的氧化产物。D\n3．发酵工程的正确操作过程是()①发酵②培养基的配制③灭菌④产品的分离与提纯⑤菌种的选育⑥扩大培养和接种A．①③④⑤②⑥B．⑤②③⑥①④C．②⑤③①⑥④D．⑥⑤②④③①解析：发酵工程的基本环节中，第一个环节是菌种的选育，最后一个环节是产品的分离与提纯，B项正确。B\n4．(多选题)发酵工程的一项关键措施是灭菌，关于灭菌的叙述正确的是()A．培养基和发酵设备均需要严格灭菌B．灭菌是杀死培养基中的所有生物C．通入无菌空气可以达到灭菌的目的D．pH调到7左右灭菌效果最好AB\n解析：灭菌就是杀灭所有微生物，以排除生产、实验的干扰，关键是要对培养基和发酵设备灭菌，A正确；培养基的灭菌是杀死培养基中的所有微生物，B正确；为防止杂菌污染，通入的空气也要是无菌的，但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的，C错误；灭菌效果与pH无直接关系，D错误。\n5．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。(1)人工控制微生物代谢的措施包括______________________和__________________________。目前采用①__________已经选育出许多具有特定性状的新菌种。改变微生物的遗传特性控制生产过程中的各种条件诱变育种\n(2)在发酵过程中，产物源源不断地产生。这说明赖氨酸或谷氨酸的生产采用了__________的发酵方式。在生产过程中，由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为________，常需增加通氧量。当发酵生产的产品是代谢物时，还要采用②__________________________等分离提纯的方法进行提取。解析：通常采用诱变育种的方法培育微生物新品种。谷氨酸棒状杆菌为好氧菌，产物可用蒸馏等方法提取。连续培养好氧菌萃取(或蒸馏或离子交换)
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