第3节　发酵工程及其应用

[在深化中提能]1．影响发酵过程的因素温度①温度影响酶活性；②温度影响生物合成的途径；③温度影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等pH①pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况；②pH影响培养基中营养物质的分解等溶解氧氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度营养物质的浓度发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累2．发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节[在应用中落实]1．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，产物的分离、提纯等方面。下列关于温度对发酵过程的影响的叙述，不正确的是(

)A．温度过高，发酵周期缩短，产量降低B．温度不影响生物合成的途径C．温度能影响菌种对营养物质的吸收D．菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同解析：发酵过程需要适宜的温度，如果温度过高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期就会缩短，产量也会降低，A正确；温度能影响生物合成的途径，这是因为生物合成过程需要酶，酶的活性受温度影响，B错误；菌种通过主动运输或胞吞吸收营养物质时，需要呼吸作用提供能量，呼吸作用受温度影响，C正确；菌体生长和产物合成需以体内旺盛的代谢作为基础，而用于生长繁殖和代谢物生成的酶不同，因此所需的最适宜的温度也不一定相同，D正确。答案：B

[在应用中落实]1．下列不属于发酵工程的应用的是(

)A．生产抗生素、维生素、药用氨基酸等B．生产啤酒、果酒和食醋等C．化学检测和水质监测D．生产各种各样的食品添加剂解析：生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药工业上的应用；生产啤酒、果酒、食醋以及各种各样的食品添加剂等，都是发酵工程在食品工业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。答案：C

2．谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。回答下列问题：(1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有____________。(多选)A．噬菌体 B．人类免疫缺陷病毒(HIV)C．禽流感病毒 D．肺炎链球菌E．酵母菌 F．硝化细菌G．乳酸菌(2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是__________________型。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物中出现了大量的乳酸，其原因很可能是____________________________________________。(3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的________，而且起到调节培养液________的作用，所以应该分次加入。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自________________。(5)图中所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养液，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌都是原核生物，没有成形的细胞核，而噬菌体、人类免疫缺陷病毒(HIV)和禽流感病毒都没有细胞结构，酵母菌是真核生物，因此与这些菌种在结构上存在明显区别的有A、B、C、E。(2)谷氨酸发酵的培养基成分中有葡萄糖，说明其代谢类型是异养型，图中通入无菌空气，说明其代谢类型是需氧型。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物中出现了大量的乳酸，乳酸是无氧呼吸的产物，所以原因很可能是通气量不足。(3)氨水是细菌生长所需的氮源，同时还有调节培养液pH的作用。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自基因突变(或突变)。(5)图中所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养液，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，原因是①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长。答案：(1)ABCE

(2)异养需氧通气量不足(3)氮源pH

(4)基因突变(或突变)

(5)①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长[课堂巩固落实]1．(2023·湖南高考)食品保存有干制、腌制、低温保存和高温处理等多种方法。下列叙述错误的是(

)A．干制降低食品的含水量，使微生物不易生长和繁殖，食品保存时间延长B．腌制通过添加食盐、糖等制造高渗环境，从而抑制微生物的生长和繁殖C．低温保存可抑制微生物的生命活动，温度越低对食品保存越有利D．高温处理可杀死食品中绝大部分微生物，并可破坏食品中的酶类解析：干制能降低食品的含水量，使微生物不易生长和繁殖，进而延长食品保存时间，A正确；腌制过程中添加食盐、糖等可制造高渗环境，从而抑制微生物的生长和繁殖，B正确；低温保存可以抑制微生物的生命活动，但不是温度越低越好，一般果蔬的保存温度为零上低温，C错误；高温处理可杀死食品中绝大部分微生物，并通过破坏食品中的酶类，降低食品中有机物的分解，有利于食品保存，D正确。答案：C

3．为了改善食品品质和色、香、味及防腐与加工工艺的需要，人们在食品中加入一些化学合成的或天然的物质，这类物质被称为食品添加剂，下列有关叙述错误的是(

)A．许多食品添加剂可以通过发酵工程生产，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得B．食品工业中，常用的着色剂有β-胡萝卜素、红曲黄色素等C．食品工业中，用来延长食品保质期的乳酸链球菌素、溶菌酶可通过发酵工程生产D．食品添加剂不能增加食品的营养解析：食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保质期。许多食品添加剂都能通过发酵工程生产，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得，A正确，D错误。β-胡萝卜素、红曲黄色素等在食品工业中常用来增加食品的色泽，B正确。在食品工业中，用来延长食品保质期的乳酸链球菌素、溶菌酶可通过发酵工程生产，C正确。答案：D

4．(2022·湖南高考)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。(1)某黄酒酿制工艺流程如图所示，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)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)制造黄酒利用的是酵母菌的无氧呼吸，加入的菌种a是酵母菌。工艺b是消毒，消毒能杀死黄酒中部分微生物，防止杂菌污染，延长其保存期。(2)由于细菌分解尿素的过程中合成脲酶，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，故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。固定化酶的方法包括化学结合法、包埋法、物理吸附法等。(3)对比两坐标曲线，随着培养时间延长，两图形中脲酶活力先增加后保持相对稳定，两者变化曲线基本一致，所以培养时间不是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素。左图中当pH从6.5左右降为4.5左右时，酶活力逐渐升高至1.6左右并保持相对稳定，右图中当pH稳定在6.5左右时，脲酶活力可以达到5.0左右并保持不变，故pH是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素。(4)由题意可知，利用脲酶消除尿素可降低该黄酒中EC含量。实验思路为：在发酵环节加入尿素分解菌，使尿素被分解，EC不能形成，从而降低EC含量。答案：(1)酵母菌消毒杀死黄酒中部分微生物，防止杂菌污染，延长其保存期(2)酚红化学结合法、包埋法(或物理吸附法)

(3)pH随着培养时间延长，两图形中脲酶活力变化曲线