高中生物（必选3）1.4发酵工程及其应用知识点

高中生物（必选3）1.4发酵工程及其应用知识点整理一、课程核心内容总览本课程围绕发酵工程展开，核心是阐述发酵工程的基本原理、关键步骤、核心技术及实际应用。发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术手段规模化生产对人类有用的产品的过程，其本质是对微生物代谢活动的调控与利用。学习重点包括发酵工程的基本步骤、菌种的选育与培养、发酵条件的控制、发酵工程在食品、医药、环保等领域的应用，以及发酵工程的优势与发展前景。二、必掌握知识点梳理知识点1：发酵工程的基本概念与原理核心内容：1.定义：发酵工程是结合微生物学、生物化学和工程学的原理，利用微生物（如细菌、真菌、放线菌等）或动植物细胞的代谢活动，生产有用物质或提供某种服务的工程技术，又称生物发酵工程或工业发酵。2.原理：基于微生物的代谢作用，通过人为调控，使微生物定向合成目标产物。微生物的代谢类型包括有氧代谢和无氧代谢，发酵工程可根据产物合成需求选择对应的代谢方式。3.核心思路：筛选高效菌种→优化培养条件→调控代谢过程→规模化生产目标产物。练习题下列关于发酵工程的叙述，错误的是（）

A.发酵工程的核心是利用微生物的代谢活动生产产品

B.发酵工程仅能利用细菌和真菌作为生产菌种

C.发酵工程需要人为调控温度、pH等环境条件

D.发酵工程是微生物学与工程学的结合产物

发酵工程的原理本质是（）

A.利用微生物的繁殖能力

B.调控微生物的代谢过程

C.改造微生物的遗传物质

D.利用微生物的应激反应

下列不属于发酵工程范畴的是（）

A.利用酵母菌制作啤酒

B.利用大肠杆菌生产胰岛素

C.利用植物组织培养生产幼苗

D.利用乳酸菌制作酸奶

答案及解析1.答案：B解析：发酵工程的菌种不仅包括细菌、真菌，还包括放线菌、酵母菌等多种微生物，部分情况下还可利用动植物细胞（如利用动物细胞生产单克隆抗体），因此B选项错误；A、C、D选项均符合发酵工程的定义和特点。2.答案：B解析：发酵工程的核心是通过人为调控温度、pH、氧气含量等条件，使微生物的代谢过程定向进行，从而合成目标产物，其本质是调控微生物的代谢过程，B选项正确；A选项微生物的繁殖能力是发酵的基础，但并非原理本质；C选项改造遗传物质属于菌种选育的手段，而非原理；D选项应激反应并非发酵工程利用的核心。3.答案：C解析：利用植物组织培养生产幼苗属于植物细胞工程的范畴，其原理是植物细胞的全能性，不属于发酵工程；A、D选项属于传统发酵工程应用，B选项属于现代发酵工程应用（基因工程改造的大肠杆菌为菌种），均属于发酵工程范畴。知识点2：发酵工程的基本步骤核心内容：发酵工程的基本步骤可分为5个关键环节，依次为：1.菌种的选育：获得高产、优质、稳定的菌种，常用方法包括自然选育、诱变育种（如紫外线、化学诱变剂处理）、基因工程育种（如转基因技术构建工程菌）、细胞工程育种（如原生质体融合）等。2.培养基的配制：根据菌种的营养需求，配制含碳源、氮源、无机盐、生长因子等营养物质的培养基，需满足“目的明确、营养协调、pH适宜、成本经济”的原则。3.灭菌：对培养基、发酵设备等进行彻底灭菌（如高压蒸汽灭菌），防止杂菌污染，避免杂菌与生产菌种竞争营养或产生有害物质。4.接种：将选育好的菌种在无菌条件下接入灭菌后的培养基中，启动发酵过程。5.发酵罐内发酵：在发酵罐中进行规模化培养，通过调控温度、pH、溶解氧、搅拌速度等条件，促进菌种生长和目标产物合成，同时实时监测发酵过程中的各项指标（如菌体浓度、产物浓度）。6.产品的分离提纯：发酵结束后，通过过滤、离心、萃取、蒸馏、层析等方法分离提纯目标产物，获得合格产品。练习题发酵工程中，防止杂菌污染的关键步骤是（）

A.菌种选育B.培养基配制C.灭菌D.接种

下列关于发酵工程步骤的叙述，正确的是（）

A.接种后需先进行灭菌处理

B.培养基配制后无需调节pH

C.发酵过程中需调控温度和溶解氧

D.产品分离提纯应在发酵开始前进行

利用基因工程构建“工程菌”属于发酵工程中的哪个步骤（）

A.菌种选育B.培养基配制C.发酵培养D.产品提纯

发酵罐内发酵过程中，调控溶解氧的主要目的是（）

A.促进培养基中营养物质的溶解

B.满足需氧型菌种的代谢需求

C.抑制杂菌的生长繁殖

D.促进目标产物的结晶

答案及解析1.答案：C解析：灭菌是通过物理或化学方法杀死所有微生物（包括芽孢和孢子），是防止发酵过程中杂菌污染的关键步骤；A选项菌种选育是获得优质菌种，与防污染无关；B选项培养基配制是提供营养，不直接防污染；D选项接种需在无菌条件下进行，但核心防污染措施是灭菌。2.答案：C解析：发酵过程中，温度影响菌种的酶活性，溶解氧影响需氧型菌种的代谢，因此需实时调控这两个关键条件，C选项正确；A选项应先灭菌后接种，若接种后灭菌会杀死生产菌种；B选项培养基配制后需调节至菌种适宜的pH，否则会影响菌种生长；D选项产品分离提纯应在发酵结束后进行，发酵开始前无产品可提纯。3.答案：A解析：基因工程构建“工程菌”的目的是获得具有特定功能（如高产目标产物）的菌种，属于菌种选育中的基因工程育种方法，A选项正确；其他选项与构建工程菌无关。4.答案：B解析：溶解氧的多少直接影响需氧型微生物的呼吸作用，调控溶解氧可满足需氧型菌种的代谢需求，促进其生长和目标产物合成，B选项正确；A选项营养物质的溶解主要与培养基配制时的搅拌、温度有关；C选项抑制杂菌需结合灭菌、菌种竞争力等因素；D选项目标产物的结晶与温度、浓度等有关，与溶解氧无关。知识点3：发酵条件的控制核心内容：发酵过程中需重点控制的条件包括温度、pH、溶解氧、搅拌速度、营养物质浓度等，这些条件直接影响菌种的生长和目标产物的合成。1.温度：不同菌种的最适生长温度不同（如细菌最适温度多为30-37℃，酵母菌为20-30℃），温度过高会导致菌种死亡，温度过低会抑制菌种代谢。2.pH：菌种对pH敏感，如乳酸菌适宜酸性环境（pH4.5-6.0），大肠杆菌适宜中性偏碱环境（pH7.0-7.5），可通过添加缓冲物质（如碳酸氢钠）或补加酸/碱调节pH。3.溶解氧：需氧型发酵（如青霉素生产）需保证充足的溶解氧，可通过通气、搅拌提高溶解氧；厌氧型发酵（如酒精生产）需严格厌氧，需密封发酵罐或通入氮气隔绝氧气。4.搅拌速度：既能提高溶解氧含量，又能使菌种与培养基充分接触，促进营养吸收，但搅拌速度过快会损伤菌体。5.营养物质浓度：实时监测并补加碳源、氮源等营养物质，避免营养耗尽影响发酵进程。练习题在酒精发酵过程中，需控制的关键条件不包括（）

A.无氧环境B.适宜温度C.充足溶解氧D.适宜pH

下列关于发酵条件调控的叙述，错误的是（）

A.需氧型发酵时，搅拌速度可影响溶解氧含量

B.温度调控的目的是维持菌种的最适酶活性

C.pH调节可通过添加盐酸或氢氧化钠实现

D.厌氧发酵时，需持续向发酵罐通入空气

青霉素是需氧型微生物产生的抗生素，生产青霉素时，提高发酵产量的关键措施是（）

A.严格密封发酵罐B.降低发酵温度C.保证充足溶解氧D.降低培养基pH

答案及解析1.答案：C解析：酒精发酵是酵母菌的厌氧发酵过程，核心是在无氧条件下将葡萄糖转化为酒精，因此需控制无氧环境、适宜温度（20-30℃）和适宜pH，无需充足溶解氧，C选项符合题意。2.答案：D解析：厌氧发酵需严格隔绝氧气，若持续通入空气，会破坏厌氧环境，抑制厌氧菌种的代谢，导致目标产物合成受阻，D选项错误；A选项搅拌可促进空气与培养基接触，提高溶解氧；B选项温度影响酶活性，调控温度可维持菌种最适酶活性；C选项盐酸或氢氧化钠可调节培养基pH，均正确。3.答案：C解析：青霉素生产菌种为需氧型微生物，充足的溶解氧是其正常代谢和合成青霉素的关键，因此保证充足溶解氧可提高发酵产量，C选项正确；A选项密封会导致溶解氧不足，抑制生产；B选项降低温度会抑制菌种代谢，减少产量；D选项青霉素生产菌种适宜中性偏碱环境，降低pH会影响其生长。知识点4：发酵工程的应用核心内容：发酵工程应用广泛，涵盖食品、医药、环保、农业等多个领域。1.食品工业：①传统发酵食品：利用酵母菌制作面包、啤酒、葡萄酒，利用乳酸菌制作酸奶、泡菜，利用霉菌制作酱油、腐乳；②现代发酵食品：生产味精（谷氨酸棒状杆菌）、柠檬酸、维生素等食品添加剂。2.医药工业：生产抗生素（如青霉素、头孢类）、激素（如胰岛素、生长激素）、疫苗（如乙肝疫苗）、单克隆抗体等，其中胰岛素可通过基因工程改造的大肠杆菌发酵生产。3.环保领域：利用微生物的代谢作用处理污水（如分解有机污染物）、垃圾填埋场的渗滤液，降解石油污染、重金属离子等，实现污染物的无害化处理。4.农业领域：生产生物农药（如苏云金杆菌制剂，可防治害虫）、生物肥料（如固氮菌肥料，提高土壤肥力）。练习题下列不属于发酵工程在食品工业应用的是（）

A.利用大肠杆菌生产胰岛素

B.利用乳酸菌制作酸奶

C.利用酵母菌制作葡萄酒

D.利用谷氨酸棒状杆菌生产味精

发酵工程在环保领域的应用不包括（）

A.利用微生物分解污水中的有机物

B.利用苏云金杆菌防治农田害虫

C.利用微生物降解石油污染

D.利用微生物处理垃圾渗滤液

下列关于发酵工程应用的叙述，正确的是（）

A.青霉素是通过酵母菌发酵生产的

B.生物农药苏云金杆菌制剂可杀死所有害虫

C.胰岛素可通过基因工程菌发酵生产

D.发酵工程无法生产食品添加剂

下列产品中，通过发酵工程生产的是（）

A.单克隆抗体B.植物组织培养的幼苗C.重组质粒D.体外受精的胚胎

答案及解析1.答案：A解析：利用大肠杆菌生产胰岛素属于发酵工程在医药工业的应用，而非食品工业；B、C属于传统发酵食品应用，D属于现代发酵食品添加剂生产，均属于食品工业应用，A选项符合题意。2.答案：B解析：利用苏云金杆菌防治农田害虫属于发酵工程在农业领域的应用（生物农药），而非环保领域；A、C、D均是利用微生物处理污染物，属于环保领域应用，B选项符合题意。3.答案：C解析：胰岛素可通过基因工程改造的大肠杆菌（工程菌）发酵生产，C选项正确；A选项青霉素是通过青霉菌发酵生产的，而非酵母菌；B选项苏云金杆菌制剂对特定害虫有防治作用，不能杀死所有害虫；D选项味精、柠檬酸等食品添加剂均可通过发酵工程生产，因此A、B、D错误。4.答案：A解析：单克隆抗体可通过杂交瘤细胞发酵培养生产，属于发酵工程应用；B属于植物细胞工程，C属于基因工程操作产物，D属于胚胎工程，均与发酵工程无关，A选项正确。知识点5：发酵工程的优势与发展前景核心内容：1.优势：①原料来源广泛（多为可再生原料，如玉米、秸秆等），成本较低；②反应条件温和（常温、常压），能耗低，对环境友好；③可定向合成目标产物，产物纯度较高；④可规模化生产，产量大，满足工业需求。2.发展前景：结合基因工程、细胞工程、酶工程等技术，构建更高效的工程菌；开发新型发酵设备，实现发酵过程的智能化监测与调控；拓展在新能源（如生物柴油、燃料酒精）、生物材料等领域的应用；推动绿色生产，减少环境污染。练习题下列不属于发酵工程优势的是（）

A.原料可再生，成本低B.反应条件苛刻，能耗高

C.产物定向合成，纯度较高D.规模化生产，产量大

发酵工程未