学年 人教版 选择性必修三 发酵工程及其应用 教案.docx

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学年人教版选择性必修三发酵工程及其应用教案

第3节　发酵工程及其应用

课程标准

素养要求

1.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。

2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的重要的应用价值。

1.生命观念：

掌握发酵工程的基本环节及实现该环节的理论依据。

2．社会责任：

认同发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的，它实现了发酵食品、药物等的工业化生产，极大地改善了人们的生活。

一、发酵工程的基本环节

1．发酵工程：

是指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．发酵工程的基本环节

[提醒]　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。

二、发酵工程的应用

1．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、废弃物对环境的污染小且容易处理。

2．发酵工程的应用

（1）利用细菌获取大量代谢产物时，可利用基因突变和染色体变异进行菌种的选育。

（　　）

（2）发酵工程的灭菌环节只是对培养基进行严格的灭菌。

（　　）

（3）谷氨酸发酵生产中，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N乙酰谷氨酰胺。

（　　）

（4）发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯。

（　　）

（5）啤酒的工业化生产过程中的焙烤环节是加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活。

（　　）

（6）单细胞蛋白是指单一微生物菌体中的蛋白质。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×

知识点一　发酵工程的基本环节

1．发酵工程中所用的发酵罐

（1）发酵罐示意图

（2）各结构的主要功能

2．发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法

[温馨提示]　

（1）温度、pH、溶解氧是影响代谢途径的重要因素。

应根据代谢途径控制发酵条件，如谷氨酸发酵过程需要充足的氧气供应，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。

（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。

1．下列有关谷氨酸发酵的叙述，正确的是（　　）

A．发酵过程中要不断通入空气

B．培养条件不当将得不到产品

C．搅拌的唯一目的是使空气成为小气泡

D．冷却水可使酶活性下降

解析：

选B。

进行谷氨酸发酵的菌种是异养需氧微生物，所以要在培养过程中不断通入空气，但是通入的必须是无菌空气，若通入普通空气容易造成杂菌污染，A错误。

当培养条件不恰当时，不能得到谷氨酸，如在酸性条件下易得到谷氨酰胺和N乙酰谷氨酰胺，溶解氧含量低时将得到乳酸或琥珀酸，B正确。

搅拌不但使空气成为小气泡增加培养基中的溶氧量，还能使培养基与菌种充分接触，提高原料的利用率，C错误。

在培养过程中，由于微生物的代谢产热和机械摩擦生热，会使培养基的温度升高，高到一定程度，就会使酶的结构和核酸的结构遭到破坏，培养会因此而受到影响；降低温度是保证酶正常活性的条件之一，而不会使酶的活性下降，D错误。

2．青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如下图所示。

回答下列问题：

（1）培育青霉素高产菌株的育种方法是______________，过程①②属于发酵工程的____________环节，其主要目的是_________________________________。

（2）过程③不能用化学药物进行灭菌处理，原因是___________________________________________________________________

______________________________________________________________。

（3）发酵过程中必须严格控制好____________________（至少答出3点）等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测__________________（至少答出2点）等，以了解发酵进程。

（4）过程④常用的方法是_________________________________________。

解析：

（1）青霉素高产菌株是通过诱发基因突变并筛选得到的。

由于发酵工程用的菌种数量庞大，因此，在接种前需进行扩大培养，以获得足够多的菌种。

（2）灭菌所用化学药物对各种微生物均有一定的杀灭能力，残留在培养基中的药物也会抑制接种的青霉菌的生长繁殖。

（3）发酵过程中必须严格控制好温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，实施终止发酵或更换发酵液。

（4）发酵完成后，如果产品是菌种，则需要采用过滤、沉淀等方法获得细胞。

答案：

（1）诱变育种　扩大培养　快速增加菌种的数量

（2）残留在培养基中的化学药物会抑制青霉菌的生长繁殖

（3）温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质　微生物数量、产物浓度

（4）过滤、沉淀

解答发酵工程相关问题的“二看一需”

知识点二　发酵工程的应用

1．啤酒的工业化生产流程

工业化生产啤酒时的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。

2．发酵工程生产的相关产品及所用的微生物

[温馨提示]　

（1）微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力、改良土壤结构、促进植株生长；有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。

（2）单细胞蛋白是通过以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，可以作为食品添加剂和微生物饲料。

1．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、缓解能源短缺问题

D．用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗

解析：

选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，又缓解了能源短缺问题，C正确；新冠病毒减毒疫苗是由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。

2．啤酒是我们生活中常见的饮品。

酿造啤酒的具体流程如下：

大麦、大米粉碎→糖化、糊化→过滤→高温煮沸→加啤酒花→澄清冷却→加入酵母发酵→硅藻过滤→包装成品。

回答下列问题：

（1）糖化和糊化主要是利用大米和大麦自身携带的________酶，把淀粉分解成小分子糖类，以利于酵母菌的发酵。

在实验操作中用____________处理大麦，可以使大麦种子无须发芽就可以产生上述酶，从而简化工艺、降低成本。

（2）参与酵母菌发酵的是________（填“一种酶”或“一系列酶”）。

（3）在上述发酵过程中，常常会加入酶制剂来提高澄清度并改善口感，如加入蛋白酶把蛋白质水解成________。

上述工艺生产出来的是鲜啤（生啤），经过____________处理后，既可以杀死微生物，又能保证营养成分不被破坏，即可成为成熟啤酒，可以储存较长时间。

解析：

（1）糖化和糊化主要是利用大米和大麦自身携带的淀粉酶把淀粉分解成小分子糖类，以利于酵母菌的发酵。

赤霉素可以诱导种子中淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就可以产生上述酶，从而简化工艺、降低成本。

（2）酵母菌呼吸作用各阶段需要不同的酶催化，故参与酵母菌发酵的是一系列酶。

（3）在上述发酵过程中，常常会加入蛋白酶把蛋白质水解成氨基酸来提高澄清度并改善口感。

经过巴氏消毒法处理后，既可以杀死鲜啤（生啤）中的微生物，又能保证营养成分不被破坏。

答案：

（1）淀粉　赤霉素　

（2）一系列酶　（3）氨基酸　巴氏消毒法

核心知识小结

[要点回眸]

[答题必备]

1.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.在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。

3.培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。

4.发酵是发酵工程的中心环节。

5.如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。

如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。

6.以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。

[随堂检测]

1．发酵工程的第一个重要工作是选择优良的纯种。

消灭杂菌，获得纯种的方法不包括（　　）

A．根据微生物对碳源需求的差别，使用含不同碳源的培养基

B．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

C．根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸

D．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

解析：

选C。

如选育自养型微生物，则需添加无机碳源，而选育异养型微生物，培养基中则需添加有机碳源，A项正确；不同微生物缺乏生长因子的种类可能不同，故在培养基中增减不同的生长因子能选择所需的微生物，B项正确；在培养基中加入不同比例的核酸（DNA和RNA），它不会直接影响微生物自身的遗传组成，不会对微生物起选择作用，C项错误；抗生素也可对微生物起选择作用，D项正确。

2．传统发酵技术和现代发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，下列微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是（　　）

①酵母菌　②醋酸菌　③乳酸菌　④毛霉　⑤谷氨酸棒状杆菌

A．④⑤　　　　　　　　　　B．①②④⑤

C．①②③D．②④⑤

解析：

选D。

酿酒利用的是酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵的原理，发酵过程不需提供氧气，①不符合题意；醋酸菌在氧气充足条件下进行乙酸发酵，故需提供氧气，②符合题意；乳酸菌为厌氧菌，无氧条件下生成乳酸，不需氧气，③不符合题意；毛霉为需氧型真核生物，发酵过程需要提供空气或氧气，④符合题意；谷氨酸棒状杆菌为需氧菌，在生产谷氨酸过程中要不断充入空气，⑤符合题意。

3．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：

选C。

温度可以通过影响酶的活性来改变谷氨酸的产生速率，在最适温度时谷氨酸的产生速率最大，高于或低于最适温度时都会使其活性降低（甚至丧失）；同理，pH对谷氨酸产生速率的影响也如此，A、D正确。

谷氨酸棒状杆菌是好氧细菌，随着溶解氧含量的增加（一定范围内），该菌生长繁殖速率的加快，谷氨酸的产生速率增加，但当溶解氧含量增大到一定值时，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，B正确。

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，而谷氨酸的产生速率则不再有明显加快的现象，C错误。

4．现代化酿醋工艺离不开对高产菌株的选择，欲探究菌株a是否为高产类型，实验设定的自变量和无关变量分别是（　　）

A．菌株a和普通菌株；乙酸的产量

B．乙酸的产量；菌株a和普通菌株

C．菌株a和普通菌株；发酵底物、温度、pH等

D．是否提供氧气；发酵底物、温度、pH等

解析：

选C。

由题意“欲探究菌株a是否为高产类型”可知，自变量是菌株a和普通菌株，因变量是乙酸的产量，无关变量是发酵底物、温度、pH等，C项符合题意，A、B、D三项均不符合题意。

5．（不定项）与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量显著提高。

下列相关叙述正确的是（　　）

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．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身

C．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径

D．通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白

答案：

BC

6．下图表示一发酵装置，据此回答下列问题：

（1）在培养过程中，发现放料管所排的培养基中，微生物细胞形态多样。

此时，微生物的生长速率将________，添加培养基的速度应该________。

请在下图中的坐标系中画出添加培养基后的微生物生长变化曲线。

（2）若该培养装置pH检测及控制装置出现故障，可采取的应急措施是________________。

pH发生变化的原因是_________________________________。

（3）冷却水的进口是______，无菌空气的进口是______。

（4）若此装置用于酒精发酵和谷氨酸发酵，在发酵过程中，技术上的关键区别是__________________________________________________________________。

（5）若培养过程中进料和放料速度未变，但有效产物减少。

如果是酒精发酵应该检查________，如果是谷氨酸发酵可能的原因是____________________。

（6）图中5的作用是______________________________________________

________________________________________________________________。

若此装置损坏，对于无氧发酵，产量将_____________________________。

（7）若进料和放料速度都加快，则微生物细胞________________，群体生长速率将________，代谢产物的产量将________________。

答案：

（1）下降　加快　如下图所示：

（2）添加缓冲液　代谢产物的积累等　（3）4　3　（4）无菌空气是否输送　（5）通气量　溶解氧含量降低和pH降低　（6）使无菌空气形成细小的气泡，增加溶解氧含量，使菌种与培养液充分接触　基本不受影响　（7）进入高速繁殖状态　上升　下降

[体验高考]

1．（2018·高考江苏卷）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

解析：

选B。

果酒制作的适宜温度是18～30℃，故夏季生产果酒时需对罐体进行降温，A项正确；罐体密封生产果酒时不能再通入空气，B项错误；发酵时发酵罐为密闭环境，酒精发酵过程会产生CO2气体，正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压，C项正确；可通过排料阀取样，检测残余糖的浓度从而决定终止发酵的时间，D项正确。

2．（高考广东卷节选）为了实现燃料供应来源多样化，发展长期替代化石燃料的产品如燃料酒精、生物柴油、沼气等已经列入我国未来10年的发展计划。

广东省是我国甘蔗主产区之一。

甘蔗是一种高光效的C4植物，单位面积产量很高，种植面积日益扩大，目前已成为南方地区燃料酒精生产的重要原料。

利用甘蔗生产燃料酒精的一般工艺流程为：

甘蔗→榨汁（蔗糖）→酵母发酵→蒸馏→成品（燃料酒精）。

请根据上述材料，回答下列问题：

（1）具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌是理想的酒精发酵菌种，对野生酵母菌进行诱变后通过筛选可以得到具有这些特性的突变菌，诱变及筛选过程如下：

步骤1：

野生菌液体培养一段时间后接受紫外线照射诱变处理。

步骤2：

制备选择培养基。

在基本培养基的基础上，注意____________________和________________，加琼脂后灭菌，制成固体平板。

步骤3：

将紫外线照射后的菌液稀释涂布平板。

步骤4：

根据________________________筛选出突变菌。

（2）上述步骤2、3和4的依据分别是__________________________________

____________________________________________________________

______________________________________________________________。

（3）利用获得的突变菌和蔗汁进行酒精发酵实验，除了将培养基灭菌、保持空间洁净外，发酵过程中防止外来杂菌入侵还有哪些可行方法？

（列举两种）________________________________________________________________

_________________________________________________________________

________________________________________________________________

______________________________________________________________。

（4）甘蔗榨汁以后还有大量的蔗渣废弃物，主要成分为木质素、纤维素和半纤维素，但是酵母菌无法直接利用，原因是其_____________________________。

请提出解决该问题的方法。

（列举两种方法）__________________________

__________________________________________________________________

_______________________________________________________________。

答案：

（1）添加高浓度蔗糖（葡萄糖）　调低pH　是否能在选择培养基上生长　

（2）提供高糖和酸性的筛选环境；获得单菌落；能生长代表该菌落具有耐高糖和耐酸的特性　（3）①利用突变菌的耐酸特性，降低培养基的pH，达到抑菌的目的；②利用突变菌的耐高糖特性，通过高渗环境达到抑菌目的；③保持厌氧环境，达到抑菌目的；④在培养基中添加一些抑制物如特殊的抗生素，达到抑菌目的　（4）缺乏相应分解酶系（或缺乏纤维素酶和半纤维素酶）　在酵母菌中转入分解酶系相关基因；利用酶或微生物分解蔗渣；利用物理和化学方法分解蔗渣；将酵母菌与其他能分解蔗渣的微生物混合发酵