高中生物第3节 发酵工程及其应用导学案

第3节　发酵工程及其应用

一、发酵工程的概念和基本环节

1．发酵工程的概念

(1)概念：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的一项技术。

(2)范围：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、提纯等方面。

2．发酵工程的基本环节

(1)基本环节：

(2)选一选：下列关于发酵工程基本环节的描述正确的是②④⑤。

①用于发酵工程的菌种应该具备优良性状，并且只能从自然界中筛选。

②在进行发酵前，需要对选育的菌种进行扩大培养。

③发酵工程所用的菌种大多是单一菌种，所以没有必要进行严格的灭菌。

④发酵工程所用的培养基是液体培养基。

⑤在发酵过程中要随时进行检测，还需要对发酵条件进行严格的控制。

⑥发酵结束后即可得到发酵产品。

3．发酵装置

二、发酵工程的应用

1．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。

2．在食品工业上的应用

(1)生产传统的发酵产品。

①优点：能明显提高产品的产量和质量。

②实例：

a．大豆中的蛋白质肽和氨基酸酱油

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、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂等。

(3)生产酶制剂：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、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。

(2)基因工程与发酵技术相结合生产所需要的产品。

4．在农牧业上的应用：主要表现在生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等方面。

5．在其他方面的应用

(1)对解决资源与环境污染问题具有重要意义。

(2)极端微生物的应用。

(3)发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 (×)

提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种和基因工程育种获得。

2．发酵工程的中心环节是选育菌种。  (×)

提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。

3．发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。 (×)

提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。

4．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 (×)

提示：利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。

5．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。 (√)

　发酵工程的基本环节

1．选育菌种

(1)常用菌种：主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。

(2)选育方法：

①从自然界中筛选出优良菌种。

②利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。

③利用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，构建出能生产相应产品的菌种。

2．扩大培养：在进行接种前，要进行扩大培养。

(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．配制培养基

(1)类型：发酵工程一般使用液体培养基。

(2)要求：

①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。

②培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。

③应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。

4．灭菌和接种：在发酵前对培养基和发酵设备进行严格的灭菌处理，接种过程中要注意防止杂菌污染。

5．发酵罐内发酵条件的控制

(1)温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。

(2)溶解氧：通过通气量和搅拌速度加以调节。

(3)pH：通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。

6．分离、提纯产物，获得发酵产品

1．现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么差异？

提示：传统发酵技术用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种，而现代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。

2．与化工生产相比，为什么发酵工程的生产条件比较温和？

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。

1．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

B　[果酒发酵的适宜温度为18～30 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要通入空气，B错误；无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。]

2．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)图中①表示的育种方法是________________。

(2)人工控制微生物代谢的措施包括____________和_____________。

(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为________菌。

(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用________等分离提纯的方法进行提取。

[解析]　基因工程、细胞工程和诱变育种是发酵工程菌种的来源。控制微生物代谢的措施包括两个方面：一方面是改变微生物的遗传特性，另一方面是控制微生物的生长繁殖条件。在发酵生产中，产物源源不断地产生，因此发酵过程是连续的。发酵生产的产品是代谢产物，分离提取产物的方法有萃取、蒸馏和离子交换等。

[答案]　(1)诱变育种　(2)改变微生物遗传特性　控制生产过程中的各种条件　(3)连续培养　好氧　(4)萃取(或蒸馏或离子交换等)

　发酵罐使用的三点提醒

(1)发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌，空气采用过滤的方法除菌。

(2)对于需氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入无菌空气。

(3)搅拌的作用：

①使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧。

②使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。

　发酵工程的应用

1．发酵工程的应用：发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。

(1)在食品工业上的应用：生产传统的发酵产品、食品添加剂和酶制剂。

(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。

(3)在农牧业上的应用：生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等。

2．发酵工程与传统发酵技术的比较

1．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。

2．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产物来防治病虫害的。

1．下列有关发酵工程应用的叙述，正确的是(　　)

A．发酵完成后分离出的菌体均可作为动物饲料

B．发酵工程不能用于传统发酵食品的生产

C．利用基因工程选育的菌种可用于酶制剂、疫苗、激素等的生产

D．将发酵液中的微生物分离出来就是微生物肥料，可大大增进土壤肥力

C　[有些微生物的菌体含有激素、抗生素等，不适合作为动物饲料，A错误；利用发酵工程能生产传统发酵食品，B错误；微生物肥料是指微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等，D错误。]

2．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　)

A．黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种

B．啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品

C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题

D．用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗

D　[黑曲霉产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，进一步加工为酱油，柠檬酸可通过黑曲霉发酵获得，A正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等手段获得酵母细胞(单细胞蛋白)，将滤液加工后得到啤酒，B正确；纤维废料分解得到葡萄糖，其经过发酵得到酒精，既减少了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C正确；新冠病毒减毒疫苗是新冠病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。]

通过本案例培养学生的演绎推理的科学思维能力和实践应用的社会责任感。

(1)甲罐中预留近1/3的空间，目的是什么？(科学思维)

(2)甲罐连接的双U型管中一侧注满水的作用是什么？(科学思维)

(3)若图中A代表无菌空气，则乙罐排出的气体中氧气的含量有什么变化？(科学思维)

提示：(1)有利于酵母菌的早期繁殖。

(2)密闭装置，利于自动化排气；防止发酵液从排气管溢出。

(3)氧气含量降低。

[课堂小结]

1．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．①③④⑤②⑥     B．⑤②③⑥①④

C．②⑤③①⑥④      D．⑥⑤②④③①

B　[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。]

2．关于发酵工程的菌种说法错误的是(　　)

A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来

B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种

C．发酵工程的菌种可以来自基因工程

D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种

B　[传统发酵技术利用的是原材料中含有的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种。]

3．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括(　　)

A．温度控制　　 B．溶氧控制

C．pH控制     D．酶的控制

D　[通常所指的发酵条件包括温度、pH、溶氧、通气与转速等。酶是自身调节物质，不属于发酵条件。]

4．关于啤酒生产的流程说法错误的是(　　)

A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶

B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性

C．糖化的目的是让淀粉分解

D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌

B　[焙烤发芽的大麦种子时杀死大麦种子，但不能使淀粉酶丧失活性。]

5．如图所示是发酵工程生产产品的流程图，据图回答下列问题：

(1)发酵工程中，选育优良性状的菌种，至关重要。高产青霉素菌种是通过________育种获得的，啤酒酵母菌是通过________改造的。

(2)图中①表示________，这样做的目的是______________。

(3)③表示___________，是整个过程的中心环节，在此阶段需随时取样、检测_______、________等，以了解发酵进程，还要及时添加___________，同时严格控制____________等发酵条件。

(4)④表示______，发酵结束后可采用______等方法获得产品。

[解析]　(1)高产青霉素菌种是通过诱变育种获得的，啤酒酵母菌是通过基因工程改造的。(2)图中①表示扩大培养，目的是增加菌种的数量，缩短生产周期。(3)③是整个过程的中心环节——发酵罐内发酵，在此阶段需随时取样、检测微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。随着发酵进行，培养基中的营养物质减少，还要及时添加必需的营养组分，同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。(4)④是发酵工程产品微生物细胞(菌体)，发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。

[答案]　(1)诱变　基因工程　(2)扩大培养　增加菌种的数量，可以缩短生产周期　(3)发酵罐内发酵　微生物数量　产物浓度　必需的营养组分　温度、pH和溶解氧　(4)微生物细胞(菌体)　过滤、沉淀