高考生物一轮复习选择性必修3第十单元生物技术与工程第47讲传统发酵技术的应用与发酵工程学案

第47讲传统发酵技术的应用与发酵工程【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。考点一传统发酵技术的应用1．发酵与传统发酵技术(1)发酵：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__________的产物的过程。(2)传统发酵技术：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用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____________、制作食品的技术。2．制作泡菜(1)作用菌类：植物体表面天然的乳酸菌。(2)原理：在无氧条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成____________。反应简式为C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C3H6O3(乳酸)＋能量。(3)方法步骤。[易错提醒]营造无氧环境的3项措施：选择的泡菜坛密封性要好；加入蔬菜后要注入煮沸冷却的盐水，使盐水没过全部菜料；盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满水。3．制作果酒和果醋(以葡萄酒和葡萄醋为例)(1)原理。(2)方法步骤。[易错提醒]果酒、果醋制作时防止杂菌污染的4项措施：榨汁机要洗净并晾干，发酵瓶要清洗干净，并用体积分数为70%的酒精消毒；清洗葡萄时要先冲洗后再除去枝梗，以避免除去枝梗时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会；装入葡萄汁后要封闭发酵装置的充气口；发酵瓶的排气管用曲颈管而不用直管。若用简易的发酵装置，每隔一定时间排气时只需拧松瓶盖，不要完全揭开瓶盖。[答案自填]1.(1)所需要(2)发酵2.(2)乳酸(3)冷却无氧3.(1)无氧乙酸乙醇(2)18～3030～35[教材命题点思考]1．制作泡菜时，所用盐水需煮沸，其目的是____________。为了缩短制作时间，有人还会在冷却后的盐水中加入少量陈泡菜液，加入陈泡菜液的作用是________________________________________。提示：杀灭杂菌增加乳酸菌数量2．制作面包时，为使面包松软通常要在面粉中添加一定量的酵母菌，酵母菌引起面包松软的原因是_____________________________________________。提示：酵母菌分解葡萄糖会产生CO2，CO2遇热膨胀形成小孔，使面包松软3．分离纯化乳酸菌时，首先需要用__________对泡菜滤液进行梯度稀释，进行梯度稀释的理由是____________________________。提示：无菌水泡菜滤液中菌的浓度高，直接培养很难分离得到单菌落[模型命题点思考]4．在温度等适宜的条件下，甲、乙、丙三个制作果酒的发酵瓶正在进行着发酵，如下图所示。发酵过程中，每隔一段时间均需排气一次。据图回答下列问题。注：各发酵瓶的左侧管为充气管，右侧管为排气管。(1)图中发酵瓶甲、丙的错误分别是什么？分别会导致发酵中出现的主要异常现象是什么？(2)在上述制作葡萄酒的过程中，假设乙发酵瓶的某一步骤操作错误导致发酵瓶塞被冲开，该错误操作是什么？提示：(1)甲发酵瓶未夹住充气管，酵母菌呼吸作用产生的乙醇被氧化成乙酸，所以现象是发酵液从充气管流出，发酵液变酸；丙发酵瓶中发酵液过多，发酵过程中会淹没排气管在瓶内的管口，这样发酵液会从排气管流出。(2)未及时排气。1．果酒和果醋发酵改进装置及其分析2．泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化考向1泡菜的制作1．(2023·湛江二模)在《诗经》中有“中田有庐，疆埸有瓜。是剥是菹，献之皇祖”的描述，据东汉许慎《说文解字》解释，“菹菜者，酸菜也”，由此可见，我国制作酸菜的历史颇为悠久。下列有关酸菜制作的叙述，错误的是()A．为降低杂菌污染，发酵前需要对器具进行消毒B．制作酸菜初期，酸菜坛中的氧气有利于乳酸菌的繁殖C．制作酸菜利用了植物体表面的乳酸菌来进行发酵D．酸菜坛中的亚硝酸盐会随着发酵时间的延长，先增加后减少解析：选B。为防止杂菌污染，需要对发酵设备进行严格的消毒，A项正确；乳酸菌是厌氧微生物，制作酸菜时需隔绝空气，酸菜坛中的氧气不利于乳酸菌的繁殖，B项错误；制作酸菜的菌种来自植物体表面的天然的乳酸菌，C项正确；酸菜坛中的亚硝酸盐的含量会随着发酵时间的延长，先增加后减少，D项正确。2．有关泡菜中亚硝酸盐含量的研究表明，亚硝酸盐的含量高低和亚硝酸盐含量峰值时间的早晚与食盐的浓度有关(如下图)，下列有关叙述错误的是()A．食盐的浓度越高，亚硝酸盐生成越快，亚硝酸盐含量峰值出现得越早B．取食泡菜时，夹取的时间不宜过长，防止空气进入C．臭味的产生可能与取食过程中带入坛内的油脂类物质有关D．所用的食盐水经煮沸后可除去水中的氧气并杀灭杂菌解析：选A。从题图中可以看出，亚硝酸盐含量上升最快的曲线是食盐浓度为5%时，其峰值出现最早，当食盐浓度上升到7%时，亚硝酸盐含量上升相对较慢，A项错误。考向2果酒、果醋的制作3．(2022·湖北选择考)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：选C。生产白酒、啤酒、果酒的原材料不同，但发酵的主要菌种都是酵母菌，发酵初期需要提供一定的氧气以促进酵母菌的有氧呼吸，从而促进其大量生长繁殖，A项、B项、D项正确；葡萄糖转化为乙醇的场所是细胞质基质，因此该反应所需的酶只存在于细胞质基质中，C项错误。4．(2023·大湾区高三二模)如图装置既可用于制作葡萄酒，也可用于制作葡萄醋。下列关于该装置的分析，正确的是()A．可使用同一菌种制作葡萄酒和葡萄醋B．制作葡萄酒时要持续关闭阀a和阀bC．制作葡萄醋时要持续打开阀a和阀bD．增加菌种接种量可提高葡萄醋的产量解析：选C。制作葡萄酒的菌种为酵母菌，制作葡萄醋的菌种为醋酸菌，A项错误；利用该装置制作葡萄酒时，由于利用的是酵母菌的无氧呼吸，故需保持无氧环境，操作时应一直关闭阀a，发酵过程中会产生二氧化碳，还需要适时打开阀b，排出二氧化碳，B项错误；葡萄醋发酵利用的是醋酸菌，醋酸菌是好氧细菌，发酵过程中需要提供有氧环境，此时阀a、阀b要持续打开，C项正确；增加菌种接种量能加快发酵速度，但不能提高葡萄醋的产量，D项错误。考点二发酵工程及其应用[学生用书P332]1．发酵工程基本环节2．发酵工程的应用(1)食品工业。①生产传统的发酵产品，如啤酒等。②生产各种各样的食品添加剂、酶制剂，如味精、α-淀粉酶等。(2)医药工业：如生产抗生素、激素、免疫调节剂等。(3)农牧业。①生产微生物肥料：利用了微生物在代谢过程中产生的____________________________等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。②生产微生物农药：利用______________________来防治病虫害。③生产微生物饲料：通过发酵获得大量的________________，即单细胞蛋白，可以作为食品添加剂，也可用于制成微生物饲料。(4)其他方面。①利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。②____________________可以用来生产洗涤剂，__________________有助于提高热敏性产品的产量。[答案自填]1.营养协调pH适宜碳源氮源防止杂菌污染环境条件稳定、温和基因工程育种2.(3)①有机酸、生物活性物质②微生物或其代谢物③微生物菌体(4)②嗜热菌、嗜盐菌嗜低温菌1．(2023·佛山二模)与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。发酵工程的基本环节如下图所示，下列叙述错误的是()A．若能生产人生长激素的工程菌是通过①培育的，①应为诱变育种B．菌种在发酵罐内发酵是整个过程的中心环节C．环境条件会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成D．⑥⑦过程中对发酵产品分离、提纯要根据产品类型选择合适的方法解析：选A。若能生产人生长激素的工程菌是通过①培育的，①应为基因工程育种，A项错误。发酵工程中菌种在发酵罐内发酵是整个过程的中心环节，B项正确。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，还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件，环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成，C项正确。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，故⑥⑦过程中对发酵产品分离、提纯要根据产品类型选择合适的方法，D项正确。2．(2021·广东选择考)我国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。工艺流程如下图所示。回答下列问题：(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(指培养一段时间后，将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。培养过程中定期取样并用________的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。此外，选育优良菌株的方法还有________________________________________等(答出2种方法即可)。(2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60d以上。该系统不需要灭菌的原因是_____________________________(答出2点即可)。(3)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中________可能是高密度培养的限制因素。(4)菌株H还能通过分解餐厨垃圾(主要含蛋白质、淀粉、油脂等)来生产PHA，说明其能分泌___________________________________________。答案：(1)碳源稀释涂布平板(或显微镜计数)诱变育种、基因工程育种(2)培养基是高盐浓度的液体环境，杂菌会由于渗透失水而死亡；培养基的液体环境是碱性的，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制(3)氧气(4)蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和PHA合成相关的酶高考真题体验[学生用书P333]1．(2023·山东等级考)以下是以泡菜坛为容器制作泡菜时的4个处理：①沸盐水冷却后再倒入坛中；②盐水需要浸没全部菜料；③盖好坛盖后，向坛盖边沿的水槽中注满水；④检测泡菜中亚硝酸盐的含量。下列说法正确的是()A．①主要是为了防止菜料表面的醋酸菌被杀死B．②的主要目的是用盐水杀死菜料表面的杂菌C．③是为了使气体只能从泡菜坛排出而不能进入D．④可检测到完整发酵过程中亚硝酸盐含量逐渐降低解析：选C。盐水煮沸是为了杀灭杂菌，冷却之后使用是为了保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响，A项错误；②盐水需要浸没全部菜料，营造无氧环境，有利于乳酸菌无氧呼吸，B项错误；③盖好坛盖后，向坛盖边沿的水槽中注满水，是为了排气减压、隔绝空气、防止杂菌污染等，C项正确；腌制泡菜过程中亚硝酸盐的含量先增多后减少，D项错误。2．(2021·湖北选择考)我国的许多传统美食制作过程蕴含了生物发酵技术。下列叙述正确的是()A．泡菜制作过程中，酵母菌将葡萄糖分解成乳酸B．馒头制作过程中，酵母菌进行呼吸作用产生CO2C．米酒制作过程中，将容器密封可以促进酵母菌生长D．酸奶制作过程中，后期低温处理可产生大量乳酸杆菌解析：选B。泡菜制作的原理是乳酸菌无氧呼吸分解葡萄糖并产生乳酸，A项错误；馒头制作过程中，酵母菌进行呼吸作用产生CO2，B项正确；密封容器中酵母菌进行无氧呼吸产能较少，不利于其生长繁殖，但其进行无氧呼吸可产生酒精，是制作米酒的关键，C项错误；低温可抑制酶的活性，酸奶制作过程中的低温处理不利于乳酸杆菌的繁殖，D项错误。3．(2021·江苏选择考)某同学选用新鲜成熟的葡萄制作果酒和果醋。下列相关叙述正确的是()A．果酒发酵时，每日放气需迅速，避免空气回流入发酵容器B．果酒发酵时，用斐林试剂检测葡萄汁中还原糖含量变化，砖红色沉淀逐日增多C．果醋发酵时，发酵液产生的气泡量明显少于果酒发酵时D．果醋发酵时，用重铬酸钾测定乙酸含量变化，溶液灰绿色逐日加深解析：选C。果酒发酵时，不可放气过快，以防发酵液一起喷出，A项错误；果酒发酵时，用斐林试剂检测葡萄汁中还原糖含量变化，砖红色沉淀应逐日减少，因为随着发酵进行，葡萄糖不断被消耗，B项错误；选用新鲜成熟的葡萄制作果酒和果醋，先进行果酒发酵，再进行果醋发酵，果酒发酵过程中产生CO2，而果醋发酵过程中，醋酸菌以乙醇为底物形成乙酸不产生气体，故果醋发酵时，发酵液产生的气泡量明显少于果酒发酵时，C项正确；酸性重铬酸钾溶液是用来测定乙醇产生情况的，D项错误。4．(2022·湖北选择考)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下图所示。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：选A。据题图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，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；糖类是主要的能源物质，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；分析题图可知，该技术中有连续搅拌的过程，该操作可以增加微生物与营养物质的接触面积，也可增大溶解氧含量，故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，因此沼气池废料无需灭菌，D项错误。课时跟踪练[学生用书P71(单独成册)]一、选择题1．(2024·深圳高三模拟)豇豆、黄瓜、萝卜等蔬菜常用于制作泡菜，下列相关叙述错误的是()A.用清水和食盐配制的盐水需要加热煮沸，冷却后再倒入泡菜坛B．泡菜坛盖边沿的水槽中需要注满水，说明所需菌种进行厌氧发酵C．泡菜腌制过程中亚硝酸盐的含量会先升高后降低D．泡菜坛内的白色菌膜是由醋酸菌繁殖形成的解析：选D。用清水和食盐配制的盐水需要加热煮沸，以杀灭杂菌，防止污染，冷却后再倒入泡菜坛，A项正确；泡菜坛盖边沿的水槽中需要注满水，这样能够确保坛内的无氧环境，故说明所需菌种进行厌氧发酵，B项正确；整个发酵过程中，亚硝酸盐的含量先升高后下降，C项正确；在泡菜制作过程中，泡菜发酵液的营养丰富，其表面往往含有氧气，适合酵母菌生长繁殖，产膜酵母生长繁殖会在泡菜坛液面上形成一层白膜，D项错误。2．图甲、图乙为生物学实验常用的装置示意图，其均可作为发酵装置。下列说法错误的是()A．甲装置可用于制备果酒，但不适宜用于制备果醋B．若用甲装置制备果酒，过一段时间需要将瓶盖拧松放气再拧紧C．若用乙装置制备果酒并将d管连通装有澄清石灰水的锥形瓶，石灰水变浑浊的同时会有酒精产生D．利用乙装置制备果醋时，气阀1和气阀2都要打开，并且需将a作为充气口解析：选C。由于甲装置没有通气装置，所以不适合用于制备果醋，但可用于制备果酒，在制备果酒的过程中为了避免瓶内气压过大，过一段时间需要将瓶盖拧松放气再拧紧，A项、B项正确；酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸都会产生CO2，都可以使澄清石灰水变浑浊，故不能以此判断是否有酒精产生，C项错误；因为制备果醋所需的醋酸菌属于好氧细菌，所以用乙装置制备果醋时，需要将气阀1和气阀2打开，并且将a作为充气口，D项正确。3．(2024·汕头期末)下列关于果酒、果醋制作过程的叙述，正确的是()A．家庭制作果酒、果醋通常不是纯种发酵，无须对材料和用具进行消毒B．果酒制作过程中为防止杂菌污染，只能拧松发酵瓶瓶盖而不能打开瓶盖C．果酒制成后只需要将装置移至温度略高的环境中就能酿成果醋D．变酸的果酒液面上的菌膜是乳酸菌大量繁殖形成的解析：选B。家庭制作果酒、果醋通常不是纯种发酵，但材料和用具需要进行消毒，以免造成污染，A项错误；果酒制作过程中会产生CO2，在排气的过程中为防止杂菌污染，只能拧松发酵瓶瓶盖而不能打开瓶盖，B项正确；制作果醋利用的醋酸菌属于好氧细菌，故果酒制成后需要将装置移至温度略高的环境中，且需要持续通入无菌空气才能制作果醋，C项错误；变酸的果酒液面上的菌膜是醋酸菌大量繁殖形成的，D项错误。4．(2024·广州调研)下列关于制作果酒以及腌制泡菜的叙述，正确的是()A．制作葡萄酒时葡萄汁装入发酵瓶要留有大约1/4的空间B．制作果酒时适当加大接种量可以提高发酵速率，抑制杂菌生长繁殖C．腌制泡菜时，每间隔一段时间就应将坛盖打开以放出所产生的CO2D．腌制泡菜过程中经发酵会产生多种酸，其中含量最高的酸是亚硝酸解析：选B。制作葡萄酒时，为防止发酵过程中发酵液溢出，葡萄汁装入发酵瓶要留有1/3的空间，A项错误；制作果酒时，适当加大接种量，酵母菌菌体的基数增大，可快速繁殖形成优势菌群，从而抑制杂菌生长，提高发酵速率，B项正确；腌制泡菜的原理是利用乳酸菌的无氧呼吸将糖转化为乳酸，不产生CO2，C项错误；泡菜发酵过程中产生的酸主要是乳酸，D项错误。5．(2024·广东六校联考)黑茶是一种后发酵茶，通常用采摘的鲜茶经过数道工序制成，富含多肽、氨基酸、维生素等营养物质。黑茶刚制成时有酒香气，滑润甘甜。黑茶制成后常用牛皮纸、绵纸等包装材料进行包装储存，保存时间越久的老茶，茶香味越浓厚。下列相关叙述正确的是()A．发酵过程涉及多种酶催化，发酵后饮用有利于营养物质的吸收B．黑茶发酵需要在开放装置中进行，有利于微生物的快速繁殖C．黑茶的制作需利用包括酵母菌在内的多种细菌进行发酵D．新茶发酵完成后要进行灭菌并密封，有利于茶的长期保存解析：选A。发酵过程涉及多种酶催化，大分子物质转化成小分子物质，发酵后饮用有利于营养物质的吸收，A项正确；黑茶刚制成时有酒香气，无氧发酵可产生酒精，推测黑茶发酵不是在开放装置中进行的，B项错误；酵母菌属于真菌，不属于细菌，C项错误；黑茶制成后用牛皮纸、棉纸等进行包装储存，牛皮纸、棉纸均为透气的包装材料，D项错误。6．啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。下列相关叙述