2024届高考生物一轮总复习第十单元生物技术与工程第32讲传统发酵技术与发酵工程的应用课件

这是一份2024届高考生物一轮总复习第十单元生物技术与工程第32讲传统发酵技术与发酵工程的应用课件，共45页。PPT课件主要包含了3制作流程，4关键操作，续上表，发酵工程的特点，发酵罐示意图分析，答案C，答案D，答案A等内容，欢迎下载使用。
第32讲　传统发酵技术与发酵工程的应用【课标要求】　1.举例说明日常生活中的某些食品是运用传统发酵技术生产的。2.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。3.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。4.活动：利用乳酸菌发酵制作酸奶或泡菜。5.活动：利用酵母菌、醋酸菌分别制作果酒和果醋。
考点一　传统发酵技术的应用
1．发酵的概念和种类(1)发酵的概念：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。(2)种类：有氧发酵和无氧发酵。例如：醋酸发酵、谷氨酸发酵为有氧发酵；酒精发酵、乳酸发酵为无氧发酵。
2．传统发酵技术(1)对概念的剖析。
4．果酒和果醋的制作(1)制作原理和发酵条件。
(2)实验流程及相关操作目的。
1．泡菜制作中的注意事项
2．泡菜腌制中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化
3.果酒和果醋改进装置及其分析
装置的使用：使用该装置制作果酒时，应该关闭充气口；制作果醋时，应将充气口连接充气泵，通入无菌空气。
4．果酒、果醋制作结果的评价标准(1)果酒制作的结果评价。发酵后取样，可通过嗅味和品尝进行初步鉴定。此外，还可用显微镜观察酵母菌，也可用酸性重铬酸钾与酒精反应呈现灰绿色来检验酒精。制作成功的葡萄酒应色泽鲜艳、爽口、柔和、有浓郁的果香。(2)果醋制作的结果评价。可通过观察菌膜的形成、嗅味和品尝进行初步鉴定，再通过检测和比较醋酸发酵前后发酵液的pH(可用pH试纸)进一步鉴定。此外，还可通过在显微镜下观察发酵液中是否有醋酸菌，并统计其数量进一步鉴定。制作成功的果醋具有特殊的果香，酸味柔和，稍有甜味，不涩。
考向1　结合果酒和果醋的制作，考查科学探究1．(2022·广东大湾区联合模拟)网络中有位四川姑娘发布了一系列生活视频，视频中的她酿制果酒果醋、腌制泡菜腊肉、手工造纸、养蚕丝、染布、蜀绣，再到制作各种家居物件……田园牧歌式的生活获得了网友们的热评和点赞。回答下列问题：(1)果酒酿造过程中，起主要作用的微生物是酵母菌，酵母菌的异化作用类型是________，发酵产生的果酒在醋酸菌的作用下会进一步转变为醋酸，与酒精发酵的条件相比，醋酸发酵需要______________________________________________________________________________________________________ (答出2点)。(2)在家庭制作葡萄酒的过程中，不需要严格的消毒过程也能完成发酵，原因是__________________________________________________________________________。
(3)若要测定果酒发酵液中的酵母菌密度，进行下图所示操作。
将发酵液用________________法接种到培养基，一段时间后，培养基A、B、C中菌落数分别为36、40、35，表明1 L发酵液中的酵母菌数量约为________个，统计结果比酵母菌的实际数目偏________(填“大”或“小”)。
解析：(1)醋酸菌为好氧菌，适宜的温度比酵母菌高，因此需持续通氧、更高的培养温度(30～35 ℃)。(2)在缺氧、呈酸性的发酵液中，绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制。(3)稀释涂布平板常用来对微生物进行计数；0.1 mL中含有(36＋40＋35)÷3＝111÷3＝37(个)，则1 mL中含有370个，图中的1 mL发酵液被稀释了105倍，因此原发酵液1 mL中含有3.7×107个，1 L发酵液中的酵母菌数量约为3.7×1010个；由于常有几个细菌靠得比较近，表现为一个菌落，因此统计结果比酵母菌的实际数目偏小。
答案：(1)兼性厌氧　持续通氧、更高的培养温度(30～35 ℃)(2)在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制(3)稀释涂布平板　3.7×1010　小
考向2　结合泡菜的制作，考查科学探究2．(2022·浙江温州)泡菜的主要原料是蔬菜，蔬菜中含有大量的膳食纤维，能刺激肠道蠕动，帮助排出肠道中的有害物质，泡菜中也含有一定量的亚硝酸盐。(1)泡菜腌制过程中产有机酸的主要菌种是____________________。培养微生物需配制培养基，一般步骤为：计算→称量→溶化→定容→调pH→________，倒平板。(2)泡菜废水中含有大量纤维素等有机物，并且盐度较高，对微生物生长起到较强抑制作用。若要获得能分解纤维素的耐盐微生物，需配制以________为唯一碳源的培养基，并在培养基中加入_____________________________。从功能上看，该培养基属于________培养基。(3)欲测定泡菜中的亚硝酸盐含量，可在酸化条件下，使亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应，产物与__________反应，形成紫红色物质，再通过测量其______________________________，并与________对比换算得到。
解析：(1)泡菜腌制过程中产有机酸的主要菌种是乳酸菌/乳酸杆菌，乳酸菌无氧呼吸产生乳酸。配制培养基的一般步骤为：计算→称量→溶化→定容→调pH→灭菌/高压蒸汽灭菌→倒平板。(2)能分解纤维素的耐盐微生物能利用纤维素，因此需配制以纤维素为唯一碳源的培养基，并在培养基中加入较高浓度盐溶液/较高盐分的溶液/高盐度泡菜溶液。该培养基用于筛选出能分解纤维素的耐盐微生物，因此从功能上看，该培养基属于选择培养基。(3)测定亚硝酸盐含量用的是比色法，其原理是在盐酸酸化的条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应后，与N­1­萘基乙二胺结合形成紫红色物质，再通过测量其OD值/光密度值/吸光率，并与标准曲线对比换算得到。
答案：(1)乳酸菌或乳酸杆菌　灭菌或高压蒸汽灭菌(2)纤维素　较高浓度盐溶液/较高盐分的溶液/高盐度泡菜溶液　选择(3)N­1­萘基乙二胺　OD值或光密度值或吸光率　标准曲线
考点二　发酵工程及其应用
1．发酵工程(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。(2)对发酵工程概念的理解。①微生物：来自自然界的微生物(即“常规菌”)和基因重组的微生物(即“工程菌”)。②产品：利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，利用工程菌生产的人胰岛素等。③实质：利用微生物进行产品生产(如次生代谢物和菌体本身)。
2．发酵工程的基本环节
提醒：①传统发酵技术得到的产品一般不进行分离、提纯，而发酵工程得到的产品须根据发酵产品类型进行分离、提纯。②发酵生产排出的气体和废弃物不能直接排放到外界环境中，以避免对环境造成污染。
4．发酵工程的应用(1)食品工业：生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类；生产各种各样的食品添加剂，如柠檬酸、味精；生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。(2)医药工业：生产激素、抗生素、免疫调节剂、疫苗等。(3)农牧业：生产微生物肥料，如根瘤菌肥、固氮菌肥；生产微生物农药，如井冈霉素；生产微生物饲料，如单细胞蛋白。(4)其他方面：利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质；极端微生物的研究。
5．啤酒的工业化生产流程及发酵过程(1)啤酒的工业化生产流程及操作目的。
(2)啤酒发酵的过程及内容。(3)“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别。
提醒：①主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，后发酵一段时间后才能饮用。②发酵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。
1．发酵过程的影响因素(1)温度。微生物分解有机物释放的能量会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起发酵温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热量，使发酵温度降低。可用冷却水进行温度的调节。(2)pH。pH发生变化的主要原因是培养液中营养成分的利用和代谢物的积累。例如，谷氨酸的发酵生产：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。调节和控制培养液pH的方法：在培养液中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。(3)溶解氧。好氧型微生物：溶解氧要充足。厌氧型微生物：严格的无氧环境，由发酵罐的通气口来控制。
(1)搅拌叶轮在发酵过程中的作用。①通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质。②良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质。③搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。(2)发酵罐中发酵条件的控制。①温度的控制：发酵过程中可以通过温度传感器和控制装置进行监测和由冷却水进、出口水流来调整。②溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度加以调节。
③pH的控制：可以通过pH计检测，并由加料装置添加酸和碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液等。计算机应用的发酵工程中实现了对温度、酸碱度、通气量、转速的自动记录和自动控制。(3)与传统的容器相比，发酵罐最明显的优势。发酵罐能实现大规模连续生产，最大限度地利用原料和设备，获得高产量和高效率。①进行严格灭菌，能使空气按需要流通，从而提供良好的发酵环境；②实施搅拌、振荡以促进微生物生长；③对温度、压力、空气流量实行自动控制；④通过各种生物传感器测定发酵罐内菌体浓度、营养成分、产品浓度等，并用电脑随时调节发酵进程。
考向　结合发酵工程的过程及其应用，考查社会责任1．(2022·辽宁东北育才学校)菌种M和菌种N在发酵工程应用上具有不同的优越性，为了获得具有它们共同优良性状的融合菌，进行了右图所示的实验。已知菌种M为组氨酸依赖(组氨酸合成相关基因突变为B－)，菌种N为色氨酸依赖(色氨酸合成相关基因突变为A－)，下列分析错误的是(　　)
A．菌种M和N可通过人工诱变和选择性培养筛选获得B．用PEG诱导融合之前需要去除菌种M和N的细胞壁C．在培养基X中添加组氨酸和色氨酸以筛选出杂种融合菌D．从培养基X中分离出的杂种融合菌P对两种氨基酸均不依赖
解析：人工诱变可获得不同类型的突变体，再利用选择培养基从中选取组氨酸依赖型和色氨酸依赖型的菌种，即为M、N菌种，A项正确；M、N菌均为有细胞结构的微生物，由图示流程可知，M、N菌经处理后得到与之前形态不同的原生质体，再用PEG处理，所用M、N菌均有细胞壁结构，B项正确；培养基X筛选的菌种是M菌和N菌融合后的细胞，同时含有M、N两种菌的基因，即基因型为A＋B＋，故培养基X中应不添加组氨酸和色氨酸，C项错误；培养基X筛选的菌种是M菌和N菌融合后的细胞，同时含有M、N两种菌的基因，即基因型为A＋B＋，对组氨酸和色氨酸均不依赖，D项正确。
2．(2022·浙江20名校联盟联考)原产于亚洲西部的葡萄含有丰富的矿物质、多种维生素和人体所需的氨基酸，具有生津消食、缓解疲劳、补血益气的功效。利用葡萄生产的葡萄果汁、葡萄酒、葡萄醋等因具有独特的口感和丰富的营养而倍受人们喜爱。请回答下列问题。(1)在自然界中可以从某些微生物如__________等中获得果胶酶。在葡萄果汁生产中，用果胶酶处理显著增加了产量，其主要原因是果胶酶水解果胶使__________。(2)用如图装置制作葡萄酒，在酒精发酵的过程中，需对气阀________进行关闭。比色法测定葡萄酒中的酒精含量：首先用________________________和显色剂制成颜色深浅不同的系列标准管，用比色计测定后，绘制出标准曲线，再分别吸取等量经脱色处理的葡萄酒，加入____________，得到样品管，用比色计测得________，最后计算得到酒精含量。
(3)在生产葡萄酒时由于操作不当，发现葡萄酒变酸。在变酸的酒的表面可以观察到一层白色菌膜，其形成原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)果胶酶可以从一些微生物如黑曲霉(或苹果青霉)中获得。(2)酒精发酵需要营造无氧条件，故在发酵过程中需要对气阀a进行关闭；用比色法测定酒精的含量，首先用酒精标准溶液和显色剂制成颜色深浅不同的系列标准管，用比色计测定后，绘制出标准曲线，再分别吸取一定量的不同发酵时间的葡萄酒，加入等量的显色剂，得到样品管，用比色计测得光密度值，最后计算得到酒精含量。(3)在变酸的酒的表面可以观察到一层白色菌膜，其形成原因是醋酸杆菌是好氧菌，酒的表层氧气浓度较大，醋酸杆菌会大量繁殖形成菌膜。
答案：(1)黑曲霉(或苹果青霉)　水果组织软化疏松及细胞受损(2)a　酒精标准溶液(或一系列浓度梯度的酒精溶液)　等量显色剂　光密度值(3)酒表面氧气浓度较大，醋酸杆菌会大量繁殖形成菌膜
高考真题体验1.(2022·山东卷)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是(　　)A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖B．可用深层通气液体发酵技术提高产量C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌
解析：青霉菌处于葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A项正确；青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B项正确；选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C项正确；为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D项错误。
2．(2022·湖北卷)废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．该生产过程中，一定有气体生成B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质D．沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
解析：酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳，故该生产过程中，一定有气体生成，A项正确；微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水，B项错误；该技术中有连续搅拌反应器的过程，该操作可以增加微生物与营养物质的接触面积，此外也可增大溶解氧含量，据此推测该生产工艺利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质，C项错误；沼气生产利用的是厌氧微生物，在连续搅拌反应器中，厌氧微生物会被抑制，因此沼气池废料无须灭菌，D项错误。
3．(2022·湖北卷)关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　)A．在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气B．白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程C．葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体D．生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌
解析：在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气，让酵母菌大量繁殖，再进行酒精发酵，A项正确；白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程，如发酵初期酵母菌大量繁殖，B项正确；酒精发酵利用的菌种是酵母菌，葡萄糖转化为乙醇所需的酶存在于细胞质基质，不存在线粒体中，C项错误，D项正确。
4．(2022·湖南卷)黄酒源于中国，与啤酒、葡萄酒并称世界三大发酵酒。发酵酒的酿造过程中除了产生乙醇外，也产生不利于人体健康的氨基甲酸乙酯(EC)。EC主要由尿素与乙醇反应形成，各国对酒中的EC含量有严格的限量标准。回答下列问题：(1)某黄酒酿制工艺流程如下图所示，图中加入的菌种a是__________，工艺b是__________(填“消毒”或“灭菌”)，采用工艺b的目的是___________________________________________________________________________________________。
(2)在以尿素为唯一氮源的培养基中加入__________________指示剂，根据颜色变化，可以初步鉴定分解尿素的细菌。尿素分解菌产生的脲酶可用于降解黄酒中的尿素，脲酶固定化后稳定性和利用效率提高，固定化方法有_________________(答出两种即可)。(3)研究人员利用脲酶基因构建基因工程菌L，在不同条件下分批发酵生产脲酶，结果如下图所示。推测______是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素，理由是_______________________________________________________________________。
(4)某公司开发了一种新的黄酒产品，发现EC含量超标。简要写出利用微生物降低该黄酒中EC含量的思路：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：(1)制造果酒利用的是酵母菌的无氧呼吸，加入的菌种a是酵母菌。过滤能除去啤酒中部分微生物，工艺b是灭菌。黄酒酿造好后须经煎酒(灭菌)后灌坛贮存，贮存一定时间后，经过滤，灌瓶压盖、灭菌、包装。(2)由于细菌分解尿素的过程中会合成脲酶，脲酶将尿素分解成氨，会使培养基碱性增强，pH升高，所以可以用检测pH的变化的方法来判断尿素是否被分解，在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂可以鉴别尿素分解菌。固定化酶实质上是将相应酶固定在不溶于水的载体上。固定化酶的方法包括化学结合法、包埋法、物理吸附法等。(3)对比