高考生物一轮复习精品教学案第24课时发酵工程Word文件下载.docx
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将菌种接种到培养基上。
（6）发酵过程（中心阶段）
①随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等。
②及时添加必要的培养基组分，以满足菌种的营养需求。
③严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。
（7）分离提纯
①菌体本身：
采用过滤、沉淀等方法。
②代谢产物：
采用蒸馏、萃取、离子交换等方法。
2．应用
（1）医药工业：
生产各种药物。
（2）食品工业：
生产传统的发酵产品：
如啤酒、果酒、食醋等；
生产各种各样的食品添加剂：
如酸味剂、鲜味剂、色素等；
高蛋白食品：
如单细胞蛋白，即微生物菌体本身。
考点70 发酵工程的实例——谷氨酸发酵
1．发酵菌种
对数期的谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌。
2．培养基
（1）成分：
五大营养：
水、无机盐（磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁）、碳源（豆饼、玉米浆）、氮源（豆饼、尿素等）、生长因子（生物素）。
（2）类型
3．灭菌：
在发酵罐中通入98kPa的蒸汽进行灭菌。
4．无菌接种：
冷却后加入菌种。
5．发酵：
通气（无菌空气）、搅拌、温度和pH的调节；
谷氨酸大量生成。
6．味精（谷氨酸钠）的生成和提取：
加入Na2CO3，过滤、离心分离。
1．下列说法正确的是（ ）
A．发酵工程的产品是指微生物的代谢产物和菌体本身
B．单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的
C．谷氨酸棒状杆菌要在隔绝空气的条件下发酵才能得到谷氨酸（味精的主要成分）
D．人工诱变、细胞工程、基因工程等都对微生物进行定向改造
答案 A
解析 该题主要考查了发酵工程的产品、谷氨酸的发酵条件、单细胞蛋白含义等知识。
发酵工程的产品是指微生物的代谢产物和菌体本身，微生物的代谢产物一般通过蒸馏、萃取、离子交换等方法提取，菌体本身通过过滤、沉淀等方法获得，故A项正确。
单细胞蛋白是菌体本身。
谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，有氧条件下才能合成谷氨酸，若溶氧不足，就会产生琥珀酸或乳酸。
人工诱变是不定向的，不能对微生物进行定向改造。
2．下列有关味精生产的叙述措施中，正确的是（ ）
A．常用的菌种是谷氨酸棒状杆菌和金黄色葡萄球菌
B．培养基是含有五种营养成分的选择培养基
C．在发酵中要控制的只有温度、pH、通气量
D．谷氨酸用Na2CO3中和后，再经过滤、浓缩、离心而成
答案 D
解析 味精的主要成分是谷氨酸钠，其前体物是谷氨酸，通过谷氨酸棒状杆菌生产，生产过程用的培养基既是天然培养基又是液体培养基，发酵过程中除了要控制温度、pH、通气量外，还要控制转速等发酵条件。
考点71 发酵工程的流程解读
1．知识拓展链接
2．菌种选育常用方法的比较
育种类型
原理
方法
优、缺点
诱变育种
基因突变
物理、化学、生物因素诱变
能大幅度改良某些性状，操作简便，但具有很大的盲目性
基因工程
DNA
重组
将目的基因导入受体细胞，构建工程细胞或工程菌
能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂，要求高
细胞工程
细胞膜的流动性等
体细胞杂交等
定向改变遗传性状
（1）这三种育种方法都导致了菌体内遗传物质的改变，从而使菌种的遗传特性发生了改变。
（2）除了这三种育种方法外，还有自然选育，即从自然界中直接分离选取，但用此方法选取的菌种产量低，不能满足生产的需要。
3．影响发酵过程的因素分析
（1）酶活性
温度
（2）生物合成的途径，如金色链霉菌，在30℃以下时，合成金霉素能力强；
在35℃以上时，则只合成四环素
（3）发酵液的物理性质以及菌种对营养物质的分解和吸收
1．灭菌
（1）对象：
杀灭所有微生物的菌体、芽孢、孢子。
（2）设备：
培养基和发酵装置都要灭菌，通入的空气、加入培养基的所有物质也要灭菌。
（3）方法：
高压蒸汽、火焰灼烧、酒精灭菌等。
（4）原因：
防止杂菌与发酵菌种形成竞争关系，影响发酵产品。
2．单细胞蛋白指菌体本身，而非某种蛋白质。
用做饲料或食品添加剂。
3．谷氨酸发酵生产的过程中，控制好发酵的条件是十分重要的，下列处理中不正确的是（ ）
A．从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，提高谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，有利于
提高谷氨酸的合成速度
B．谷氨酸棒状杆菌属于好氧型细菌，发酵过程中应进行通气和搅拌，以提高培养液中的
溶氧量
C．控制碳氮比例为3∶1，既有利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，又有利于谷氨酸的大量
合成
D．在发酵过程中控制好温度，有利于谷氨酸高效持久地大量合成
答案 C
解析 从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，提高谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外面，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用，有利于提高谷氨酸的合成速度。
谷氨酸生产过程中，当培养基中碳氮比例为4∶1时，菌体大量繁殖而谷氨酸产生少，培养基中碳氮比例为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸合成量大增。
4．下图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响，其中不正确的是
（ ）
解析 解该题的正解分析过程为：
（1）温度可以通过影响酶的活性来改变谷氨酸的产生速率，在最适温度时间产生。
速率最大，高于或低于该点都会使酶活性降低（甚至丧失）。
同理，pH对谷氨酸产生速率的影响也是这样的。
（2）谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，随着溶氧量的增加（一定范围内），谷氨酸产生速率会随着该菌生长繁殖速率的加快而增加，但当溶氧量增大到一定值时，由于受其他条件（酶的数量与活性等）的限制不可能继续增加而达到最大产生速率。
（3）谷氨酸产生速率随时间的变化在最初阶段可能不断加快，当活菌数目达到最多（稳定期）时，其产生总量会继续增加，而产生速率则不再有明显加快的现象。
微生物工程技术的应用——谷氨酸发酵
1．谷氨酸发酵所用的培养基既是液体培养基又是天然培养基。
液体培养基能使营养物质在发酵过程中得到充分的利用，还能为菌体提供更大的生存空间，同时也有利于生产过程中培养条件的控制以及产物的提取等。
天然培养基则既能满足菌体的营养需求，又能降低生产成本，还能减少对环境的污染。
其中，碳源是豆饼水解液和玉米浆；
氮源是尿素和豆饼水解液；
生长因子是生物素。
2．搅拌的作用：
一是使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中（称溶氧）；
二是使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率。
3．发酵过程中温度上升的原因：
一是搅拌器机械搅拌产热；
二是菌体自身代谢产热。
4．pH改变的原因及调节措施
（1）原因：
营养物质的利用和代谢产物的积累。
（2）调节措施：
加缓冲剂或中间补加相应营养物质。
谷氨酸是鲜味剂味精的主要原料，是微生物代谢的初级产物，最初是通过大豆蛋白质水解生产的，但是产量低，成本高，1957年日本率先用发酵法生产成功。
（1）用于生产谷氨酸的微生物通常是谷氨酸棒状杆菌。
在谷氨酸棒状杆菌代谢过程中存在酶活性的调节机制，而使谷氨酸的产量难于提高。
目前提高谷氨酸产量的通常做法是
__________________________________________________________。
（2）谷氨酸棒状杆菌在发酵罐中发酵时，菌种生长的最适温度为30～32℃，生产谷氨酸的最适温度是34～37℃。
如图是菌种生长和谷氨酸生产时与温度的关系示意图。
根据上图的关系，在生产中为了提高谷氨酸的产量，应该怎样控制温度？
____________________________________。
（3）谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时，要不断地通入无菌空气和搅拌，原因是
如果发酵液中有乳酸大量产生，可能的原因是
__________________________________。
（4）谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，其目的是一方面为细菌生长提供所需的
________，另一方面起到调节培养液__________的作用。
（5）若发酵罐最多能容纳2×
106个谷氨酸棒状杆菌，当把谷氨酸棒状杆菌扩大培养到103个时接种到发酵罐中，已知谷氨酸棒状杆菌每分裂一次需0.5小时。
则从微生物群体的生长规律来看，6小时后谷氨酸棒状杆菌处在__________。
（6）环境适宜、营养充足的条件下发酵6小时后，谷氨酸的产量还是很低。
从微生物的营养角度来看，产生该现象的原因可能是_______________________________________。
解析
（1）所谓的酶活性的调节机制，其实就是指微生物细胞中的一些代谢产物如果过多了，会对有关的酶产生一定的抑制作用，从而降低产物含量。
所以目前的通常做法是通过改变谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，使产物及时排出，这样就不会抑制有关酶的活性了。
（2）由于菌体生长的最适温度为30～32℃，生产谷氨酸的最适温度是34～37℃。
所以生产开始时将温度控制在30～32℃，有利于菌体生长；
当菌体生长到稳定期，将温度控制在34～37℃，有利于谷氨酸生产。
（3）谷氨酸棒状杆菌是需氧型微生物，需要不断地通入无菌空气；
搅拌有利于菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率。
如果发酵液中有乳酸大量产生，可能的原因是氧气不足。
（4）氨水既可以补充氮源，又可以缓冲发酵罐培养液的pH。
（5）2×
106为发酵罐最多能容纳谷氨酸棒状杆菌的值，又由于6小时可繁殖12代，所以103×
212＝4.096×
106，大于2×
106，所以处于稳定期。
（6）既然环境适宜、营养充足，谷氨酸的产量还是很低，可能是由于培养基中的碳氮比例不合理。
答案
（1）改变谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性
（2）当菌体生长到对数期，将温度控制在30～32℃，有利于菌种生长；
当菌体生长到稳定期，将温度控制在34～37℃，有利于谷氨酸生产 （3）一方面因为谷氨酸棒状杆菌是需氧型微生物，搅拌使无菌空气形成细小气泡，迅速溶解到培养液中；
另一方面是因为搅拌还能使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率 氧气不足 （4）氮源 pH （5）稳定期 （6）培养基中的碳氮比例不合理，更适合菌体大量增殖
对发酵工程中易错点辨析不清
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________已经选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的生产用菌种。
（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产物时，还要采用②________等分离提纯的方法进行提取。
（3）诱变育种与另外两种方法相比，有什么优点？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）该发酵过程的代谢产物是什么？
一般在什么期大量积累？
错因分析 该图析图不到位；
发酵工程相关知识掌握不扎实。
解析 发酵工程的第一步是菌种的选育，常用的方法有诱变育种、基因工程和细胞工程，人们采用诱变育种的方法培育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的生产用菌种；
人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件（即发酵条件）等。
延长稳定期可以提高代谢产物的产量，要达到这一目的可采用连续培养法，其优点是缩短了培养周期，提高了设备利用率，并且便于自动化管理。
答案
（1）改变微生物遗传特性 控制生产过程中的各种条件 诱变育种
（2）连续培养 好氧菌 萃取（或蒸馏或离子交换等）
（3）能大幅度改良某些性状，操作简便
（4）初级代谢产物，一般在稳定期大量积累
纠错笔记
（1）发酵是一个过程，发酵工程是技术手段，两者不是一回事，发酵工程是应用于发酵过程中的一种生物技术。
（2）菌种选育，一般不直接利用自然界中野生菌种，而是通过人工诱变、基因工程、细胞工程等多种方法获得菌种。
（3）灭菌与接种：
灭的是杂菌，接的是发酵菌种，且灭菌在前，接种在后。
（4）灭菌与消毒，灭菌是杀死所有微生物，包括菌体、芽孢和孢子等，消毒则在温和条件下杀死菌体，不包括芽孢和孢子。
（5）对影响发酵的条件控制——温度（产热与散热动态平衡）、pH、溶氧（无菌空气）、营养物质中C、N的比例等。
（6）单细胞蛋白指菌体本身。
题组一 发酵的概念及微生物
1．下列不需要利用发酵工程的是（ ）
A．生产单细胞蛋白饲料
B．通过生物技术培育可移植的皮肤
C．利用工程菌生产胰岛素
D．工厂化生产青霉素
答案 B
解析 皮肤的培育利用的是动物细胞的培养，单细胞蛋白、胰岛素和青霉素的生产都要利用发酵工程。
2．随着生物技术的快速发展，发酵工程为人类提供了越来越多的产品，生产啤酒、酸奶、味精、胰岛素的常用菌种分别是（ ）
A．酵母菌、醋酸杆菌、枯草杆菌、大肠杆菌
B．青霉菌、乳酸菌、黄色短杆菌、肺炎双球菌
C．酵母菌、乳酸菌、谷氨酸棒状杆菌、大肠杆菌
D．谷氨酸棒状杆菌、酵母菌、放线菌、大肠杆菌
题组二 发酵产物的影响因素
3．图中的曲线A为谷氨酸棒状杆菌的生长曲线，那么曲线B的纵坐标可能表示（ ）
A．谷氨酸产量B．谷氨酸的产生速率
C．培养基的消耗量D．培养基的消耗速率
4．运用发酵工程生产谷氨酸时应选择的培养条件是（注：
下列各项中通气均为通入无菌空气）
①对数期培养基碳氮比为4∶1，隔绝空气
②对数期培养基碳氮比为3∶1，隔绝空气
③对数期培养基碳氮比为4∶1，通气培养
④稳定期培养基碳氮比为3∶1，隔绝空气
⑤稳定期培养基碳氮比为4∶1，通气培养
⑥稳定期培养基碳氮比为3∶1，通气培养
A．②③B．①⑥
C．③④D．③⑥
解析 考查谷氨酸棒状杆菌的代谢特点及培养条件的碳氮比对培养结果的影响。
谷氨酸棒状杆菌是需氧型生物，所以培养时应始终通入无菌空气。
谷氨酸生产中，培养基中的C、N比最重要：
C∶N＝4∶1时，菌体大量繁殖；
C∶N＝3∶1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸合成量大增。
所以在该菌大量繁殖的对数期C∶N应为4∶1；
稳定期活菌数目达到最高峰，细胞内大量积累代谢产物，此时培养基C∶N应为3∶1，所以D项正确。
题组三 发酵工程流程及特点
5．通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。
下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是（ ）
A．溶氧充足时，发酵液中有乳酸的累积
B．发酵液中碳源和氮源比例的变化不影响谷氨酸的产量
C．菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高
D．发酵液pH呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺
解析 该过程是有氧发酵，所以必需保证足够的氧气；
发酵液pH为酸性时，会产生乙酰谷氨酰胺；
降低微生物体内产物的浓度，解除抑制，可加快其合成速度。
6．下列哪项不是发酵过程中要完成的（ ）
A．随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度
B．不断添加菌种
C．及时添加必需的培养液组分
D．严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等条件
解析 发酵过程中只在最初添加一次菌种，中途需随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度，以便了解发酵进程。
同时还应严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等条件，并及时添加必需的培养液组分以延长稳定期，增加产量。
7．如图为谷氨酸发酵装置图。
请据图回答下列问题：
（1）图中3、6是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动的作用是____________________。
（2）谷氨酸发酵液的pH应控制在7～8范围内，随着代谢产物的积累，发酵液pH变化趋
势是______，控制办法是______。
发酵过程中，若谷氨酸积累过量，会抑制
________________的活性，导致合成途径中断，这种代谢调节方式称为______________调节。
（3）如果在4处直接通入空气，谷氨酸产量会____________，原因是__________________。
答案
（1）冷却（降温或使温度控制在30℃～37℃）
（2）下降 加碱（氨水） 谷氨酸脱氢酶 反馈（负反馈） （3）下降 混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸
解析 发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，温度的控制可通过装置上的水循环来实现；
随着发酵过程的进行，微生物会进行呼吸作用产生CO2，导致pH下降，这时需加适量碱来调节；
在发酵过程中，要及时提出产物，因为产物过多，会反馈抑制相关的酶的活性，降低产量；
如果通入的空气未经灭菌，会混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸，致使产物减少。
【组题说明】
考 点
题 号
错题统计
错因分析
谷氨酸发酵
3、4、6
发酵工程流程、
特点及应用
1、2、5、8、11、16
知识综合
7、9、10、12、13、
14、15
特别推荐
知识析图题——9；
表格分析题——10；
综合应用题——16
1．分离提纯是制取发酵产品不可缺少的阶段，产品不同分离提纯的方法也不同，如果产品是代谢产物，则常采用的提取方法是（ ）
①蒸馏 ②萃取 ③过滤 ④离子交换 ⑤沉淀
A．①③⑤B．①②④
C．①②③D．③④⑤
解析 发酵产品不同分离提纯的方法也不同，如果产品是代谢产物，常采用蒸馏、萃取和离子交换的方法；
如果产品是菌体，一般采用过滤和沉淀的方法。
2．基因工程培育出的“工程菌”通过发酵工程能生产的产品有（ ）
①石油 ②人生长激素 ③紫草素 ④聚乙二醇
⑤胰岛素 ⑥重组乙肝疫苗
A．①③⑥B．②⑤⑥
C．③⑤⑥D．②③⑤
解析 通过工程菌生产的产品一般都是微生物不能直接产生的，原因是微生物本身没有控制产生这些产物的基因，需要通过基因工程把相关基因导入到微生物细胞中。
石油和聚乙二醇不能在任何生物体内生产。
紫草素是通过植物细胞工程生产的。
3．下列有关谷氨酸棒状杆菌的生长和谷氨酸发酵的叙述，错误的是（ ）
A．组成酶是维持菌体基本生活的必要条件
B．菌体能合成各种生长因子，不需要从外界补充
C．发酵液呈酸性时，就会生成乙酰谷氨酰胺
D．细胞膜透性的改变，可解除代谢产物对有关酶活性的抑制
4．工业上利用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸，为避免产物在菌体内大量积累，应采用的措施是
A．加大葡萄糖的投放量
B．加大菌种的密度
C．改变菌体细胞膜通透性
D．改变培养基碳源和氮源的比例
解析 谷氨酸大量积累时，会抑制有关酶的活性，引起产物的产量下降。
生产上可通过改变菌体细胞膜通透性，增大谷氨酸的排出量，这样就不会引起产物的大量积累。
5．通过微生物发酵制得的食品叫白色食品。
下列属于白色食品的是（ ）
A．面粉B．海带
C．菜油D．食醋
解析 发酵工程在医药工业及食品工业上具重要作用，在食品工业上应用最多的是传统发酵产品的获得，如啤酒、果酒、食醋等，这些食品又称为白色食品。
6．（2009·
大纲全国卷Ⅰ，3）下列关于通过发酵工程生产谷氨酸的叙述，错误的是（ ）
A．发酵时需不断通入无菌空气，否则会积累乳酸
B．发酵时常采用的培养基为液体天然培养基
C．从自然界分离的野生型菌株可直接用于生产
D．当菌体生长进入稳定期时，补充营养物可提高谷氨酸产量
7．微生物生长速率最快时的培养温度叫最适生长温度，在此条件下某菌分裂用时最短，但科学工作者在青霉素的发酵过程中分四个阶段控制其培养温度，即：
0小时
5小时
40小时
125小时
165小时
结果其青霉素产量比自始至终处于30℃恒温培养的产量提高14.7%，这说明（ ）
A．最适生长温度就是生长量最高时的培养温度
B．最适生长温度就是发酵速率最快时的培养温度
C．最适生长温度就是某一代谢产物产量最高时的温度
D．不同的生理变化过程有着不同的最适温度
解析 最适生长温度是微生物生长速率最快时的培养温度，不是生产量最高，也不是发酵速率最快，更不是某一代谢产物产量最高时的培养温度；
不同的生理变化过程有不同的最适温度，因为发酵的不同阶段产物不同，生理变化也不同。
8．发酵工程的第一个重要工作是从混杂的微生物群体中选择优良的单一纯种，获得纯种的方法不包括（ ）
①根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基
②根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子 ③利用高温高压消灭不需要的杂菌 ④根据微生物对抗生素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗生素
⑤根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同的生长因子
A．④⑤B．①②③④
C．③⑤D．③④⑤
9．如图表示发生于某种细菌内的反应程序。
①至⑥代表不同的氨基酸，V至Z代表不同的酶。
所有氨基酸对生命都是重要的。
原始种的细菌只需要从环境中摄取氨基酸①便可存活，而此细菌的变异株只有在培养基中提供氨基酸①②⑤才能生存。
变异菌株细胞内不存在的酶是（ ）
A．V、WB．W、gkstk、ZD．V、Z
解析 变异菌必须提供①、②、⑤才能生存，说明变异菌不
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