第3節

發酵工程及其應用高二下學期生物人教版選擇性必修3第1章

發酵工程一、發酵工程的概念1.概念:指利用微生物的特定功能，規模化生產人類所需產品的_________________。2.前提:______________技術的建立、______________的設計成功。綜合性生物工程微生物純培養密閉式發酵罐二、發酵工程的基本環節1.選育菌種:可采用從自然界選種、______育種、__________育種等方法獲得性狀優良的菌種。2.擴大培養:大規模生產中需要使______達到一定數量。3.配制培養基:根據微生物的營養需要提供______、氮源、無機鹽和水等。4.滅菌:發酵工程中所用的菌種大多是______菌種。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌。誘變基因工程菌種碳源單一5.接種:將菌種接種到培養基上，接種時要防止雜菌污染。

微生物數量營養成分溫度溶解氧7.分離、提純產物(1)如果產品是________________，可采用______、沉淀等方法。(2)如果產品是________，可采用適當的提取、______和純化措施來獲得產品。微生物細胞本身過濾代謝物分離8.獲得產品。三、發酵工程的應用1.發酵工程的特點生產條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、__________、廢棄物對環境污染小和容易處理等。產物專一2.發酵工程的應用(1)在食品工業上的應用

蛋白酶水果

黑曲霉谷氨酸棒狀桿菌

氨基肽酶(2)在醫藥工業上的應用①發酵工程可以生產抗生素、________、激素和____________等。②基因工程、________工程等的廣泛應用給發酵工程制藥領域的發展注入了強勁動力。氨基酸免疫調節劑蛋白質(3)在農牧業上的應用

有機酸生物活性物質結構病原微生物根瘤菌肥固氮菌肥

其代謝物白僵菌

菌體保鮮免疫力(4)在其他方面的應用①利用纖維廢料發酵生產酒精、______等能源物質。②極端微生物的利用，如________、________可以用來生產洗滌劑，__________有助于提高熱敏性產品的產量。乙烯嗜熱菌嗜鹽菌嗜低溫菌任務一

發酵過程的基本環節【資料】

閱讀教材第22、23頁“發酵工程的基本環節”內容，補充完善下圖。選育菌種滅菌接種(1)發酵之前需要對菌種進行擴大培養，其原因是_____________________________________________。(2)發酵過程的中心環節是______________。

工業發酵罐的體積一般很大，需要接種大量菌種發酵罐內發酵

環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成(4)從菌種角度分析，與傳統發酵技術相比，發酵工程的優點是_________________________。所用菌種大多為單一菌種(5)在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什么？[答案]

不能，排出的氣體和廢棄培養液中可能含有危害環境的物質，直接排放會對環境造成污染例1

[2024·山東濟南一中月考]

下列有關發酵工程的敘述，錯誤的是(

)

A.菌種擴大培養過程一般使用液體培養基B.發酵過程中不用再添加營養成分C.可以通過設置生長條件選育優良的目的菌種D.發酵過程中，要隨時對培養液中的微生物數量及產物濃度等進行檢測√[解析]

菌種擴大培養過程一般使用液體培養基，可以增大菌體與培養基的接觸面積，有利于菌種的快速繁殖，A正確；發酵過程中，需要根據發酵情況及時添加營養成分，B錯誤；可以通過設置生長條件選育優良的目的菌種，如耐高酒精度酵母菌的選育，C正確；為了解發酵進程，要隨時檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等，D正確。例2

[2024·湖南衡陽月考]

谷氨酸除用于制造味精外，還可以用來治療神經衰弱以及配制營養注射液等。通過發酵工程可以大量制備谷氨酸，下列有關谷氨酸發酵生產的敘述，錯誤的是(

)

A.發酵之前要對產谷氨酸菌種進行擴大培養B.若發酵產品是產谷氨酸菌種，可采用過濾等方法分離C.發酵過程中，在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸D.分離、提純發酵產物是發酵過程的中心環節√

任務二

發酵工程的應用實例——啤酒的工業化生產流程1.原料與原理:以______為主要原料經________發酵制成。大麥酵母菌

淀粉酶失活

滅菌酵母菌［分析］

(1)發酵過程分為________和________兩個階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在________階段完成。(2)啤酒釀制過程中，______(填“能”或“不能”)通入空氣，原因是________________________________。(3)釀制過程中，發酵的______和發酵的______隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。主發酵后發酵主發酵不能酵母菌在無氧條件下發酵產生酒精溫度時間(4)與傳統發酵技術釀酒相比，啤酒工業化生產中哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？[答案]

菌種的選育、對原料的處理、發酵條件及過程的控制、產品的消毒等例3

[2024·遼寧朝陽質檢]

啤酒是以大麥為主要原料，經酵母菌發酵制成，發酵工程A.破碎有利于淀粉進入酵母菌，提升發酵速率B.蒸煮的目的是終止酶的進一步作用和殺滅雜菌C.優良菌種無須擴大培養可直接接種到發酵罐中D.酒精的產生和積累主要在后發酵階段完成的主要流程如圖所示，其中糖化主要是將麥芽中的淀粉等有機物水解為小分子。下列關于啤酒發酵的敘述正確的是(

)

√[解析]

淀粉不能進入酵母菌細胞內，破碎有利于增加淀粉與酶的接觸面積，促進糖化過程，A錯誤；蒸煮的主要目的是終止酶的進一步作用，同時起到去除溶解氧和殺滅雜菌的作用，B正確；優良菌種需擴大培養后接種到發酵罐中，這樣可以加速發酵過程，C錯誤；酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都是在主發酵階段完成，D錯誤。1.正誤辨析(1)在發酵工程中，可通過誘變育種、基因工程育種獲得菌種。(

)

√(2)發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝物的形成速度都與攪拌速度無關。

(

)

×[解析]

攪拌可增加發酵液中的溶氧量，使菌體與發酵液中的營養物質充分接觸，故發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝物的形成速度都與攪拌速度有關。(3)發酵產品可以是微生物的代謝物，也可是微生物細胞本身。(

)

√(4)普通啤酒和“精釀”啤酒都需要過濾和消毒處理。

(

)

×[解析]

“精釀”啤酒的制作工藝與普通啤酒有所不同，一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。(5)將發酵液中的微生物分離出來就是微生物肥料，可大大增進土壤肥力。(

)

×[解析]

微生物肥料是指微生物代謝產生的有機酸、生物活性物質等。(6)單細胞蛋白是指通過發酵工程由微生物產生的分泌蛋白。

(

)

×[解析]

單細胞蛋白是以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得的大量的微生物菌體。2.[2024·廈門一中月考]下列關于發酵工程的敘述，錯誤的是(

)

A.由毛霉發酵可得到谷氨酸，谷氨酸經一系列處理后可制成味精B.利用發酵工程生產的微生物農藥，可以作為生物防治的重要手段C.利用酵母菌等菌種的發酵工程，所生產的單細胞蛋白，可作為食品添加劑D.將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發酵可生產乙型肝炎疫苗√[解析]

由谷氨酸棒狀桿菌發酵可得到谷氨酸，谷氨酸經一系列處理后可制成味精，A錯誤；微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的，微生物農藥是生物防治的重要手段，B正確；用酵母菌等生產的單細胞蛋白可作為食品添加劑，C正確；一種生產乙型肝炎疫苗的方法就是將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發酵生產乙型肝炎疫苗，可以大大提高生產效率，D正確。

√[解析]

在果漿中添加果膠酶和纖維素酶可以酶解細胞壁，增加細胞內容物的釋放，酶活性受到溫度的影響，所以在酶解環節需要控制酶解溫度，A正確；酵母菌利用水果中的有機物進行發酵產生酒精，在成分調整環節，按比例添加蔗糖可以為酵母菌提供碳源，有利于接種后的酵母菌菌種繁殖，提高果酒的酒精含量，B正確；主發酵的前階段進行通氣，使酵母菌進行有氧呼吸，促進酵母菌大量繁殖，主發酵的后階段及后發酵需要密閉，使酵母菌進行無氧呼吸產生酒精，C錯誤；實驗時可通過研究發酵時間、接種量、初始糖度等因素來確定最佳的發酵時間和酒精含量等，優化三華李果酒的發酵工藝，D正確。4.[2024·安徽阜陽期末]我國是最早生產醬油的國家。制曲是醬油生產的重要工序之一，其主要目的是給黑曲霉創造最佳條件，使其生長繁殖并分泌和積累相應的酶，制曲設備示意圖如下。下列敘述錯誤的是(

)

A.黑曲霉不僅可以用于生產醬油，還可以用于生產檸檬酸B.酶及微生物的種類和數量是鑒定成曲質量的指標C.將曲料攤鋪在簾架上有利于控制微生物生長的溫度D.該制曲過程主要的發酵產物是葡萄糖、乙醇、乳酸等物質√[解析]

以大豆為主要原料，利用黑曲霉可以生產醬油，檸檬酸也是由黑曲霉發酵制得的，A正確；制曲的主要目的是使黑曲霉充分生長繁殖并分泌和積累相應的酶，故酶及微生物的種類和數量是鑒定成曲質量的指標，B正確；曲料攤鋪在簾架上可以及時散熱，有利于控制微生物生長的溫度，C正確；葡萄糖是發酵的底物，不是產物，D錯誤。5.[2024·湖北十堰期末]黑茶是一種后發酵茶，通常用采摘的鮮茶經過數道工序制成，富含多肽、氨基酸、維生素等營養物質。黑茶剛制成時有酒香氣，滑潤甘甜。黑茶制成后常用牛皮紙等包裝材料進行包裝儲存，儲存過程注意通風有助于茶品的自然氧化，同時可適當吸收空氣中的水分。保存時間越久的老茶，茶香味越濃厚。下列相關敘述錯誤的是(

)

A.黑茶制作過程可能存在酵母菌等多種微生物的發酵B.發酵過程中發酵條件變化會影響微生物的生長繁殖和代謝途徑C.黑茶發酵可以將蛋白質等大分子轉化成小分子有機物D.新茶發酵完成后要進行滅菌并密封，這有利于茶的進一步發酵√

1.下列有關發酵工程的敘述中，正確的是(

)

A.發酵工程生產的單細胞蛋白是從微生物菌體細胞中提取出來的B.發酵工程生產所用菌種是對自然界分離的菌種進行定向改造后獲得的C.發酵工程的產品如果是微生物細胞本身，可以采用過濾、沉淀、蒸餾、萃取、離子交換等方法提取D.發酵工程以其生產條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、產物專一、廢棄物對環境的污染小和容易處理等特點，在很多領域得到廣泛的應用√[解析]

發酵工程生產的單細胞蛋白是通過發酵獲得的大量的微生物菌體，A錯誤；發酵所用的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得，B錯誤；發酵工程的產品如果是微生物細胞本身，可采用過濾、沉淀等方法將菌體從培養液中分離出來，C錯誤；發酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行，條件溫和、反應安全、原料來源豐富、污染小，反應專一性強，因而可以得到較為專一的產物，在很多領域得到廣泛的應用，D正確。2.某同學將自然發酵的甘蔗汁加入體積分數為3%的無水乙醇中，利用高產菌株釀制甘蔗醋。下列分析錯誤的是(

)

A.醋酸菌可將甘蔗汁中的糖類和乙醇轉化為醋酸B.添加高產菌株到發酵液后，應高溫處理殺滅雜菌C.發酵過程需要保持通氣，溫度控制在30～35℃D.培養液中的醋酸濃度不再上升時即可停止發酵√[解析]

糖源充足時醋酸菌可將糖類轉化為醋酸，當缺少糖源時，醋酸菌可將乙醇變為乙醛，再將乙醛變為醋酸，A正確；高溫會將醋酸菌殺死，所以添加高產菌株到發酵液后，不能用高溫處理，B錯誤；醋酸菌是好氧菌，需要保持通氣，果醋發酵溫度要控制在30～35℃，C正確；持續培養至培養液中醋酸濃度不再上升，或者培養液中乙醇含量達到最低時，發酵結束，D正確。3.黑啤因其營養成分豐富、口感純正，備受人們青睞，享有“黑牛奶”的美譽。黑啤的釀造工藝流程如下圖。相關敘述錯誤的是(

)

A．不同品種的啤酒特性與酵母菌的品種密切相關B．麥汁煮沸的主要目的是殺菌和終止相關酶的作用C．發酵過程中發酵液的密度有所減小、pH有所降低D．罐裝前通常采用巴氏消毒法殺死啤酒中全部微生物√[解析]

不同種類的酵母具有不同的發酵能力和風味特點，A正確；麥汁煮沸的主要目的是使淀粉酶失活，終止酶的進一步作用，并對糖漿殺菌，B正確；發酵過程中，培養基中的營養成分逐漸被消耗，濃度降低，其液體密度有所減小，發酵過程中細胞呼吸會產生CO2，溶于發酵液會降低發酵液的pH，C正確；罐裝前用巴氏消毒法殺死啤酒中大多數微生物，延長它的保存期，D錯誤。4.嗜鹽單胞菌可利用海水合成聚羥基脂肪酸酯（PHA，一種新型生物塑料），在細胞內形成由膜包裹的不溶性顆粒。科研人員從海水中分離得到一株嗜鹽單胞菌，在非滅菌、高鹽、高pH的發酵液中連續發酵生產PHA，其流程如下圖所示。下列相關敘述不正確的是(

)

A．利用含PHA的選擇培養基篩選嗜鹽單胞菌B．高鹽、高pH的發酵液抑制了雜菌生長C．培養液上清液循環利用，有利于節約物質和能量D．發酵完成后收集沉淀的菌體以得到PHA√[解析]

嗜鹽單胞菌可利用海水合成PHA，不能用含PHA的選擇培養基篩選嗜鹽單胞菌，A錯誤；高鹽、高pH的發酵液使雜菌因失水過多或蛋白質變性而死亡，故可抑制雜菌生長，B正確；培養液上清液可以循環利用，可避免物質和能量的浪費，有利于節約物質和能量，C正確；嗜鹽單胞菌可利用海水合成PHA，在細胞內形成由膜包裹的不溶性顆粒，因此發酵完成后收集沉淀的菌體以得到PHA，D正確。5.谷氨酸棒狀桿菌發酵過程會生成大量的谷氨酸，經加工可制成味精。其發酵過程中，發酵罐中碳氮比(碳元素與氮元素的比值)為4∶1時，菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少；當碳氮比為3∶1時，菌體繁殖受抑制但谷氨酸的合成量大增。下列相關敘述正確的是(

)

A.通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白B.分離、提純產物是發酵工程的中心環節，有利于獲得更多的優質發酵產品C.由題干信息可推知發酵過程中須調整發酵罐內營養成分的比例D.在發酵罐內發酵無須嚴格控制溶解氧、溫度、pH等條件√[解析]

用單細胞蛋白制成的微生物飼料，其中的單細胞蛋白是微生物菌體，并不是通過發酵工程從微生物細胞中提取獲得，A錯誤；發酵工程的中心環節是發酵過程，B錯誤；由題意可知“在其發酵過程中，發酵罐中碳氮比(碳元素與氮元素的比值)為4∶1時，菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少；當碳氮比為3∶1時，菌體繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增"，說明在發酵過程中須調整發酵罐內營養成分的比例以保證先獲得大量谷氨酸棒狀桿菌，在獲得大量發酵產物的目的，C正確；谷氨酸棒狀桿菌為需氧菌，其發酵過程需要適宜的溫度和pH，所以在發酵罐內發酵須嚴格控制溶解氧、溫度、pH等條件，D錯誤。6.工業上所說的發酵是指微生物在有氧或無氧條件下通過分解與合成代謝將某些原料轉化為特定產品的過程。利用微生物發酵制作醬油在我國具有悠久的歷史。某企業通過發酵制作醬油的流程示意圖如下。回答下列問題:米曲霉發酵過程中的主要目的是使米曲霉充