新教材适用2023-2024学年高中生物第1章发酵工程第3节发酵工程及其应用学案新人教版选择性必修3

第3节发酵工程及其应用课标要求1．概述发酵工程及其基本环节。2．说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。核心素养1．科学思维——发酵工程基本环节分析。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。知识点一发酵工程的基本环节基础知识·双基夯实发酵工程一般包括_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、提纯等方面。1．选育菌种：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．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_扩大培养___。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_反复试验__才能确定。4．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，_培养基__和_发酵设备__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__培养基__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。6．发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的_微生物数量__、_产物浓度__等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的_营养组分__，要严格控制_温度__、_pH__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_过滤__、_沉淀__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_提取__、_分离__和_纯化__措施来获得产品。活|学|巧|练1.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。(×)合|作|探|究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，最后变为乙酸。课内探究·名师点睛1．对发酵工程概念的理解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、诱变育种获得的菌种等过程实质利用微生物进行产品生产产物通过微生物的大量繁殖获得所需产品、次生代谢物和菌体本身2.发酵工程基本环节分析典例1某高校采用下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(B)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：A对：利用酵母菌进行酒精发酵时，一般将温度控制在18～30℃，因此夏季生产果酒时，需要对发酵罐体进行降温处理。B错：发酵过程中，进气口阀门应该关闭，以保证发酵罐的无氧环境，使酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。C对：正常发酵过程中，由于酵母菌进行无氧呼吸产生CO2，所以发酵罐内的压力增大，高于大气压。D对：葡萄酒的发酵过程消耗葡萄糖，所以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。变式训练❶发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法错误的是(D)A．①为诱变育种，②为提取、分离和纯化等B．赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可及时添加必需的营养组分C．由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件解析：由题意分析可知，图中①为诱变育种，②为提取、分离和纯化，A正确；为了提高代谢产物的产量，可及时添加必需的营养组分，B正确；由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，因此在生产过程中常需增加通氧量，C正确；人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性(即选育菌种)、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。知识点二发酵工程的应用基础知识·双基夯实1．在食品工业上的应用(1)生产传统的发酵产品，如_酱油、各种酒类__。(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过_黑曲霉__发酵制得的柠檬酸，由_谷氨酸棒状杆菌__发酵生产的味精。(3)生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。2．在医药工业上的应用_基因__工程、__蛋白质__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_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，常见的有_根瘤菌肥__、_固氮菌肥__等。(2)生产微生物农药。微生物农药是利用_微生物__或_其代谢物__来防治病虫害的。微生物农药作为_生物防治__的重要手段，将在农业的_可持续发展__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_蛋白质__。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_单细胞蛋白__，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。4．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_粮食__、_环境__、_健康__和_能源__等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。活|学|巧|练1.利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。(×)2．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。(√)合|作|探|究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物来防治病虫害的。课内探究·名师点睛1．啤酒发酵的过程及内容2．“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别典例2食品工业是微生物最早开发和应用的领域，利用发酵过程生产的食品比比皆是，下列有关叙述错误的是(B)A．黑霉菌产生的蛋白酶可以将大豆中的蛋白质分解成肽和氨基酸B．利用谷物酿制白酒时，酵母菌只需要进行无氧呼吸即可，所以整个发酵过程需要隔绝空气进行C．利用乳酸链球菌可以提取乳酸链球菌素制作防腐剂D．味精的生产需要谷氨酸棒状杆菌经过发酵先产生谷氨酸解析：酵母菌是兼性厌氧微生物，在发酵初期，需要向发酵罐内通气，促进酵母菌大量繁殖，增加酵母菌菌种数量，之后再进行密闭，有利于酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。变式训练❷我国是世界上啤酒生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。啤酒生产需经过制麦、糖化、发酵等主要环节。糖化主要是将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子的过程。主要工艺流程如图所示，下列关于啤酒发酵的叙述，错误的是(A)A．糖化采用的温度越高，淀粉水解速度越快B．啤酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢产物C．在酿造啤酒过程中，酵母菌进行了有氧呼吸和无氧呼吸D．酵母不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等将淀粉转化成酵母可利用的糖解析：糖化采用的温度适宜，淀粉水解速度快，如果温度过高，酶失活反应速度下降，A错误；酵母菌无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，故啤酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢产物，B正确；在酿造啤酒过程中，酵母菌开始进行有氧呼吸繁殖增加数量，后酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，C正确；酵母菌细胞呼吸的底物为葡萄糖，不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等将淀粉转化成酵母菌可利用的糖，D正确。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存在的天然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、农牧业等典例3下列有关传统发酵技术与现代工业发酵的描述，正确的是(B)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。学|霸|记|忆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．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。1．下列关于通过发酵工程生产谷氨酸的叙述，正确的是(C)A．发酵时常采用的培养基为固体天然培养基B．从自然界分离的野生型菌株可直接用于生产C．当菌体生长进入稳定期时，补充营养物质可提高谷氨酸的产量D．酵母菌和谷氨酸棒状杆菌在发酵产生产品时需提供空气或氧气解析：通过发酵工程生产谷氨酸时所用的培养基通常由豆饼的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液体状态，因此是液体天然培养基，A错误；从自然界分离的野生型菌株产量一般都比较低，不能满足工业上的需要，通常要用人工诱变的方法处理菌种，使其产生突变，再从中筛选出符合要求的优良菌种才能用于生产，B错误；当菌体生长进入稳定期时，要及时补充营养物质(或循环培养)以满足菌体的营养需求，提高谷氨酸的产量，C正确；酵母菌在发酵产生酒精时为无氧条件，D错误。2．下列关于发酵工程的应用的说法，正确的是(C)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。3．柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，它可以通过黑曲霉发酵制得。如图表示生产柠檬酸的连续发酵设置。(1)根据物理性质，该发酵过程使用的培养基属于_液体培养基__。根据工艺流程可知，黑曲霉的新陈代谢类型属于_异养需氧__型。(2)从加料口输入的培养基必须经过严格的_灭菌__处理。根据图示可知，发酵过程需要严格控制_温度、pH、溶解氧、通气量__和搅拌速度等条件。(3)在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次的_扩大培养__，当达到一定数量后再接种。(4)此工艺流程(连续培养)以一定的速度不断添加新的培养基