高中生物 第3章 生物科学与工业 第1节 微生物发酵及其应用学案 新人教选修2(00001)

1、第1节微生物发酵及其应用课程目标导航1.说出微生物发酵生产的基本过程。2.举例说出微生物发酵与食品生产的关系。3.参与有关微生物发酵的调查活动。4.通过发酵工程发展的历史，体验科学、技术、社会三者间的紧密联系和互动。知识点1发酵工程史话知识梳理1.四千年以前，我们的祖先就会利用微生物将谷物发酵成酒类。2.1857年，法国微生物学家巴斯德用实验证明，酒精发酵是由活的酵母引起的。3.1897年德国毕希纳进一步发现了酶在酵母发酵中的作用。4.20世纪40年代初，弗洛里和钱恩与许多科学家合作，研究出大规模生产青霉素的方法。5.20世纪50年代起，氨基酸发酵工业、酶制剂工业、多糖和维生素发酵工业相继诞生

2、。6.20世纪70年代以后，获得具有特殊生产能力的基因工程菌发酵产生胰岛素、生长激素等。活学活用1.在将鲜牛奶制成酸奶的过程中，盛鲜奶的容器必须密封的主要原因是防止()A.空气进入容器 B.产生的乳酸分解C.水分过度蒸发 D.灰尘掉入容器思维导图：解析酸奶中含有乳酸，而乳酸是无氧呼吸产物，有氧存在时会抑制乳酸的生成。故制酸奶时容器应密封。答案A归纳总结发酵对周围环境的物理和化学条件十分敏感，任何一种微生物发酵均需要适宜的温度、pH、溶解氧、营养物质等，保证最适的发酵条件是发酵成功获得高产产品的关键。2.下列不需要利用发酵工程的是()A.生产单细胞蛋白饲料B.通过生物技术培育可移植的皮肤C.利用

3、工程菌生产胰岛素D.工厂化生产青霉素思维导图：解析生产单细胞蛋白是利用发酵工程生产微生物菌体本身的过程。利用工程菌生产胰岛素和工厂化生产青霉素是利用发酵工程。通过生物技术培育可移植的皮肤是利用细胞工程的动物细胞培养。答案B反思领悟发酵工程应用已非常广泛，现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸等，还生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物。归纳总结(1)原始发展时期人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的生产实践中，积累了丰富经验。最初可能是人类发现储存水果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。相传，在埃及和中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿酒。我

4、国利用微生物进行谷物酒类发酵，至少是在四千年前的龙山文化时期。在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的记载。随着社会的发展，又出现制酱和酱油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵。这个时期，发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的。在几千年的文明史中，人们只知道这样做可以得到所需的东西，并不知道其中的原理。(2)传统发酵工业时期1857年法国微生物学家巴斯德通过实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的。1897年德国的毕希纳进一步发现，即使将酵母磨碎，仍然能使糖发酵形成酒精，他将这种具有发酵能力的物质称为酶。从而人们才开始了解发酵现象的本质。从19世纪末到20世纪

5、30年代，随着人们对微生物世界认识的不断深入和发展，利用微生物生产的新产品不断出现，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。这些产品的生产，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大，因此被称为传统发酵工业。(3)现代发酵工业时期1928年，弗莱明发现青霉素能杀菌。青霉素的发现和工业化生产，给人们带来巨大启迪。不久，链霉素、金霉素、土霉素等相继问世，从而兴起了一个新的工业抗生素工业。生产抗生素的经验和设备很快被引用到其他发酵产品的生产上，极大地促进了这些产业的迅速发展，从而形成了一个全新的产业现代发酵工业。20世纪50年代的氨基酸发酵工业

6、，60年代的酶制剂工业，70年代的多糖、维生素发酵工业，70年代以后生物大分子发酵技术相继诞生。这个时期生产技术要求高(由于多为好氧纯种发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件)；生产规模大(用于青霉素生产的搅拌通气发酵罐的体积达到500 m3，单细胞蛋白生产用的气升式发酵罐已达到2 000 m3)；技术发展速度快。因此，菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。(4)生物技术产业时代现在人们可以将源于动物或植物，甚至源于人的基因转移到诸如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等微生物中，获得具有特殊生产能力的基因工程菌。由于基因表达的产物均为蛋白质，因此在工业上利用基因工程菌

7、大规模生产的产品，主要是用于治疗各种疾病的药物，又称为基因工程药物(如人胰岛素、人干扰素、人生长激素等，大约有40多种)，同样也可以用于不同目的的酶(比如用于将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡萄糖异构酶，用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗衣粉中的碱性蛋白酶等等)。除了利用基因工程开发新的产品外，利用基因工程对传统发酵和现代发酵工业上使用的菌种进行改造，也获得了巨大成功。知识点2发酵生产过程探秘与食品生产知识梳理1.发酵是利用微生物在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。2.原理不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力。例如：谷氨酸棒状杆菌发酵可以生产味精；黄色短杆菌

8、发酵可以生产赖氨酸。3.发酵过程(1)选育菌种：可采用自然界选种、诱变育种、基因工程育种等。(2)配制培养基：根据微生物的营养需要提供碳源、氮源、生长因子、无机盐和水。(3)灭菌：培养基和发酵设备均需严格灭菌。(4)扩大培养和接种：大规模生产中需要使菌种达到一定数量；将菌种接种到培养基上，接种时防止杂菌污染。(5)发酵罐内发酵：要随时检测发酵进程，要及时满足营养需求，还要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。(6)分离、提纯产物：如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法；如果产品是代谢产物，可采用提取、分离和纯化措施来获得产品。4.生产日常食品如馒头、面包、腐乳、泡菜、葡萄酒等。5.生产食品添加

9、剂如味精、醋、酱油等调味剂，各种食品营养增强剂，食品防腐剂，食品色素。活学活用1.19世纪初，德国一位科学家发明了微生物分离与纯化技术，开创了人为控制微生物的时代。这位科学家是()A.科赫 B.施莱登C.施旺 D.达尔文解析1905年德国微生物学家科赫建立了微生物的培养技术，故选A。答案A2.1857年，微生物学家发现了发酵原理后才逐步形成了发酵工程，这位微生物学家是()A.巴斯德 B.拉马克C.列文虎克 D.科赫解析1857年，微生物学家巴斯德通过实验证明酒精是由活的酵母引起的，发现了发酵的原理。答案A归纳总结1.好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明(1)选育菌种 根据微生物遗传变异的特点

10、，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。(2)扩大培养(3)配制培养基在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。培养基中应包含微生物需要的营养物质如碳源、氮源、生长因子、无机盐和水等。配制培养基的原则：目的明确、营养物质协调、pH适宜。如培养基中C/N比影响代谢：C/N4时，细菌繁殖较快；真菌在C/N10时，生长较快。谷氨酸发酵生产时，C/N4时，菌体繁殖快、产物少；C/N3时，菌体繁殖慢、产物多。细菌适宜pH约为4.56.0。(4)灭菌现代发酵工业绝大多数采用单一菌种发酵，培养基和发酵设备都必

11、须经过严格的灭菌，并进行无菌操作，一般采用高压蒸汽灭菌法。(5)接种将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中，菌种的体积与发酵罐的体积比约为110。(6)发酵罐内发酵发酵过程中，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，以满足微生物的营养需求。同时，要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。这是因为环境条件的变化，不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成。(7)分离、提纯产物将发酵液中的发酵产物进行分离纯化，是制取发酵产品不可缺少的阶段。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵之后，采用过滤、沉淀等方法将

12、菌体分离，干燥即可得到产品。如果产品是代谢产物，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。2.影响发酵的因素(1)菌种发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精的微生物是谷氨酸棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。为了利用发酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。(2)纯种发酵与灭菌现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的

13、稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。(3)发酵培养基现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降。使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。(4)温度对微生物生长的影响温度主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。一方面，随着温度的升高，细胞内的酶反应速度加快；另一方面，随着温度的进

14、一步升高，生物活性物质(蛋白质、核酸等)发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微生物都有最适生长温度。(5)pH对微生物生长的影响培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化，以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收；pH也会影响生物活性物质，如酶的活性。与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.09.0范围内。真菌生长的范围宽，细菌较窄(pH在3.04.0范围内)，细菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母菌、霉菌适应于偏酸性环境。(6)溶氧的影响工业上大部分

15、为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、多糖、有机酸(细胞发酵生产乳酸例外)等发酵均需要往发酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发酵，发酵过程不需要氧。发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括以下三方面。生产传统的发酵产品：如啤酒、果酒、白酒和食醋等，使产品的产量和品质得到明显的提高，特别是酒精饮料，是食品发酵工业中产量最大的一类产品。乳制品是仅次于酒精饮料的第二大食品发酵产品，其中酸奶是主要产品之一。生产各种各样的食品添加剂(如下表)，改善了食品的品质及色、香、味。添加剂举例酸味剂苹果酸、柠檬酸、乳酸鲜味剂肌苷酸、谷氨酸色素胡萝卜

16、素、红曲素甜味剂高果糖浆、甜菜糖随着人口的增长，粮食短缺已成为困扰人类的社会问题之一，而发酵工程的发展将为解决这一问题开辟新的途径。研究表明，微生物中含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%80%，酵母菌的蛋白质含量占45%65%，而且它们生长繁殖的速度很快。许多国家通过发酵获得大量的微生物菌体，这种微生物菌体就叫单细胞蛋白。单细胞蛋白用作饲料，能使家畜、家禽增重快，使产奶或产蛋量显著提高。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。除以上所述，发酵工程在生产生物杀虫剂、生物肥料和微生物除草剂等农

17、用生产物资以及在生物能源开发方面也发挥了重要作用。此外，发酵工程也应用于生物冶金(如铜、铀、钴、锰等)。随堂练习巩固1.发酵工程的第一重要工作是选择优良的单一纯种，消灭杂菌，获得纯种的方法不包括()A.根据微生物对碳源需求的差别，使用含有不同碳源的培养基B.根据微生物需要生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子C.根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸D.根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素解析微生物生长所必需的营养物质有碳源、氮源、无机盐、水和生长因子，不同微生物对营养物质的要求不同(水除外)，可以根据微生物的生长对碳源、氮源、无机盐和生长因子的需求

18、来配制特殊的选择培养基，以便获得单一的菌种；也可以根据微生物对不同抗菌素的敏感性的差异，加入不同的抗菌素来获得单一的目的纯种。核酸虽然是微生物的组成成分，但不是它们所需要的营养成分，微生物不会因为培养基中加入的核酸不同，而培养出不同的物质。答案C2.下列不属于发酵的是()A.利用需氧型青霉菌生产青霉素B.缺氧时人的组织细胞产生乳酸C.利用酵母菌的无氧呼吸获得酒精D.利用乳酸菌制泡菜解析发酵是指在实际生产中，人们通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。选项A、C、D是指分别通过培养青霉菌、酵母菌、乳酸菌获得它们的代谢产物青霉素、酒精、乳酸的过程，符合发酵的概念。而B选项中虽有代谢产物乳酸，

19、但它既不是微生物所为，也不存在培养微生物的过程，更不能用于生产，所以不属于发酵。答案B3.发酵工业常利用酵母菌发酵获得酒精，那么酒精是酵母菌的()A.有氧呼吸的产物 B.无氧呼吸的产物C.单细胞蛋白 D.放线菌的代谢产物解析酵母菌无氧呼吸的反应方程式为：C6H12O62C2H5OH2CO2少量能量。答案B4.下列关于灭菌和消毒的叙述中，不正确的是()A.灭菌是指杀灭环境中的一切微生物的细胞、芽孢和孢子B.消毒和灭菌实质上是相同的C.接种环用灼烧法灭菌D.灭菌方法有加热法、过滤法、紫外线法、化学药品法等解析灭菌是指使用强烈的理化因素杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子；消毒和灭菌的实质不同。

20、答案B5.在家中用鲜葡萄制作果酒时，正确的操作是()A.让发酵装置接受光照B.给发酵装置适时排气C.向发酵装置通入空气D.将发酵装置放在45 处解析果酒的制作原理是利用酵母菌进行无氧呼吸产生酒精和二氧化碳。要想得到酒精，不能向发酵装置内通入空气。酵母菌是异养型生物，不能直接利用光能。适宜的温度是酵母菌生长和繁殖的必要条件，温度为20 左右时，最适合酵母菌生长繁殖。制作果酒过程中给发酵装置适时排气是为了放出产生的二氧化碳，维持装置内气压的平衡。答案B6.下列关于发酵过程的叙述中，不正确的是()A.对培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节B.随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，才能保

21、证发酵的正常进行C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成D.发酵产品的分离方法是共同的解析不同的发酵产品其分离方法各不相同，有的需要过滤、沉淀，而有的则需进行蒸馏、萃取或离子交换。答案D7.严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到能否得到高品质、高产量的产物。通常所指的发酵条件不包括()A.温度 B.溶解氧C.pH D.酶浓度控制解析通常所指的发酵条件包括pH、溶解氧、温度等。酶是微生物根据生命活动的需要自发产生的，不属于人为控制的发酵条件。答案D课时作业达标一、选择题1.下列不能用于菌种选育的是()A.人工诱变 B.自然选

22、育C.基因工程育种 D.杂交育种解析菌种选育包括人工诱变、自然选育、基因工程育种等，杂交育种适用于有性生殖的生物。答案D2.发酵工程的中心阶段是()A.菌种的选育 B.扩大培养的接种C.发酵过程 D.分离提纯答案C3.下列不属于发酵工程产物的是()A.目的基因 B.青霉素C.激素 D.色素答案A4.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；温度能影响

23、生物合成的途径，这是因为生物合成过程需要酶，不同酶的活性与温度有关；菌种吸收营养物质时，多数是主动运输，需要呼吸作用提供能量，这与温度有关；菌体生长和产物合成需体内旺盛的代谢作基础，而用于生长繁殖和代谢产物生成的酶不同，因此所需的最适宜的温度也不一定相同。答案B5.下列关于单细胞蛋白叙述，正确的是()A.是从微生物细胞中提取的蛋白质B.是通过发酵生产的微生物菌体C.是微生物细胞分泌的抗生素D.单细胞蛋白不能作为食品解析单细胞蛋白是利用淀粉或维生素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含有丰富的蛋白质，如真菌蛋

24、白可作为食品。答案B6.利用生物工程生产啤酒、味精、胰岛素、酸奶的常用菌种分别是()A.酵母菌、枯草杆菌、大肠杆菌、乳酸菌B.酵母菌、大肠杆菌、青霉菌、乳酸菌C.酵母菌、谷氨酸棒状杆菌、大肠杆菌、乳酸菌D.黄色短杆菌、酵母菌、大肠杆菌、乳酸菌答案C7.在发酵过程中，可以通过下列哪一组方法实现对溶氧的控制()添加酸或碱调节通气量调节搅拌速度添加缓冲剂A. B.C. D.答案C8.下列有关发酵罐中谷氨酸发酵的叙述，正确的是()A.发酵中不断通入空气B.搅拌的目的只是使空气形成细小气泡，增加培养液中的溶氧量C.冷却水可使酶活性下降D.若培养条件不当就不能得到所需产品解析发酵中应通入无菌空气。搅拌的目

25、的有两个：一是增加培养液中的溶解氧；二是使菌种与培养液充分接触。发酵过程产生热使温度升高，不利于发酵。冷却水的目的是使温度降低，使发酵顺利进行。培养条件不当得不到所需产品。答案D9.生物学家将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素的基因以后，重新置于大肠杆菌细胞内，然后用这种带有人生长激素基因的大肠杆菌进行发酵，该处理过程在发酵中属于()A.菌种选育 B.扩大培养C.接种 D.诱变育种解析发酵生产过程包括菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵罐内发酵和产品的分离、提纯等。题中所述将大肠杆菌质粒取出连接上人生长激素基因再重新置于大肠杆菌细胞内，然后用该菌进行发酵，整个过程应属于利用基因

26、工程手段培育发酵新菌种，即菌种选育过程。答案A10.图甲是果醋发酵装置。发酵初期不通气，溶液中有气泡产生；中期可以闻到酒香；后期接种醋酸菌，适当升高温度并通气，酒香逐渐变成醋香。图乙中能表示整个发酵过程培养液pH变化的曲线是()A. B. C. D.解析初期和中期酵母菌在无氧的条件下无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，所以有酒香，气泡是二氧化碳。后期通气接种醋酸菌，醋酸菌利用产生的酒精生产醋酸，所以酒香变成了醋香，pH下降。答案B11.用蔗糖、奶粉和经蛋白酶水解后的玉米胚芽液通过乳酸菌发酵可生产新型酸奶，下列相关叙述错误的是()A.蔗糖消耗量与乳酸生成量呈正相关B.酸奶出现明显气泡说明有杂菌污染C.应

27、选择处于对数期的乳酸菌接种D.只有奶粉为乳酸菌发酵提供氮源答案D12.在微生物培养过程中分别采用了高压蒸汽灭菌、酒精擦拭、火焰灼烧等几种不同的消毒或灭菌方法，这些方法可依次用于杀灭哪些地方的杂菌()A.接种环、手、培养基 B.培养基、手、接种环C.手、培养基、接种环 D.接种环、培养基、手答案B13.下列关于发酵工程经历阶段的描述，正确的是()A.早期积累阶段中期发酵工业阶段现代发酵工业阶段创新发酵工业阶段B.原始发展阶段现代发酵工业阶段创新发酵工业阶段生物技术产业阶段C.原始发展阶段传统发酵工业阶段现代发酵工业阶段生物技术产业阶段D.原始发展阶段传统发酵工业阶段现代发酵工业阶段基因技术产业阶

28、段解析发酵工程经历了原始发展阶段传统发酵工业阶段现代发酵工业阶段生物技术产业阶段四个阶段。答案C二、非选择题14.下图是发酵工程生产产品的流程图，请据图回答下列问题。(1)能生产人生长激素的工程菌是通过培养的，是_；高产青霉素菌种是通过培育的，是_；表示_。(2)整个过程的中心阶段是发酵，在此阶段需随时取样检测_等，以了解发酵进程，还要及时添加必需的_，同时严格控制_。(3)若是单细胞蛋白，则是_。氨基酸、维生素属于中的_产物。答案(1)基因工程诱变育种接种(2)细菌数目和产物浓度培养基组分溶氧量、温度、pH、通气量及转速等发酵条件(3)微生物菌体初级代谢15.下图是发酵罐结构图，请据图回答问题。(1)影响发酵过程中温度变化的因素是_。(2)发酵过程中pH变化的原因是_。(3)搅拌