高中生物选择性必修3同步系列（新教材）讲义第1章 第3节 发酵工程及其应用

第3节发酵工程及其应用一、发酵工程的基本环节1．发酵工程的基本环节2．发酵罐(1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌()(2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行()(3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺()(4)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率()答案(1)×(2)×(3)√(4)×1．微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑的因素：能在廉价原料制成的培养基上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如温度、pH、溶解氧等易控制；不产生任何有害的生物活性物质和毒素；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。2．在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？提示不能。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。二、发酵工程的应用1．在食品工业上的应用(1)生产传统的发酵产品①以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。(2)生产各种各样的食品添加剂食品添加剂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存期。①柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得。②由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。(3)生产酶制剂常用酶制剂有α­淀粉酶、β­淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多种酶制剂成功用于食品的直接生产，改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。2．在医药工业上的应用(1)发展：青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。之后，发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等的生产领域。近些年来，基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。(2)应用实例①生长激素释放抑制激素最初从羊脑中提取，远远不能满足需要，利用经过基因改造的微生物进行发酵生产，产量大幅提升，价格降为原来的几百分之一。②将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。③未来甚至还可能利用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。3．在农牧业上的应用(1)生产微生物肥料①作用：利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。②类型：常见的有根瘤菌肥和固氮菌肥等。(2)生产微生物农药①原理：微生物农药利用微生物或其代谢产物来防治病虫害。②实例：苏云金杆菌可用来防治80多种农林虫害，利用白僵菌可以防治玉米螟、松毛虫等虫害；一种放线菌产生的抗生素——井冈霉素可以用于防治水稻枯纹病。(3)生产微生物饲料以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。另外，在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。4．在其他方面的应用(1)利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。(2)极端微生物利用，如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。(1)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理()(2)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的()(3)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇()(4)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体()(5)发酵工程在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面作出了越来越大的贡献()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)√1．发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。2．发酵工程中使用的性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。3．发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点。4．以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。5．发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。1．发酵工程中关于菌种的选育不正确的是()A．自然界中筛选菌种 B．通过诱变育种C．通过有性杂交育种 D．采用基因工程育种答案C解析发酵工程中使用的性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。2．发酵工程灭菌的目的是()A．杀死细菌B．杀死真菌C．杀死所有微生物D．加大氮源、碳源的比例答案C解析灭菌是使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子。3．分离、提纯产物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，对产品的代谢物常采用的措施是()①过滤②沉淀③提取④分离⑤纯化A．①③④ B．①②③C．②③④ D．③④⑤答案D解析发酵工程的代谢产品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。4．下列不属于发酵工程在应用领域的特点是()A．成本低 B．污染小C．产量高 D．产物多样化答案D5．以下不属于发酵工程在农牧业上的应用的是()A．生产微生物肥料 B．生产微生物农药C．生产微生物饲料 D．生产微生物饮料答案D6．回答下列发酵工程的相关问题：(1)配制好的培养基必须经过灭菌，灭菌是指杀死物体内外所有的微生物，包括________和________。常用的方法是____________________。(2)发酵过程的产物有两类，一类是代谢物，另一类是微生物细胞本身。产品不同，分离、提纯的方法也不同，对于前者，可根据产物的________采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品；对于后者常用________、________等方法将菌体分离和________。(3)微生物在生命科学研究实践中有着广泛的用途，如作为人类健康第三大杀手的糖尿病的治疗往往需要大量胰岛素，但是人体胰岛素含量很低，所以其生产中，一般通过基因工程手段，将化学方法人工合成的胰岛素基因通过载体导入大肠杆菌细胞中，然后通过发酵工程快速生产大量的胰岛素，下列有关叙述不正确的是________(填字母)。A．快速生产的原因可能是因为大肠杆菌作为微生物，体积小，相对面积大，物质交换速度快，代谢速率快，生产胰岛素速度也快B．快速生产的原因可能是因为大肠杆菌作为原核生物可以边转录边翻译C．快速生产的原因可能是因为大肠杆菌在繁殖时为无性生殖，繁殖速度快，短时间内可以培养出大量有产生胰岛素能力的菌种D．大肠杆菌发酵生产的胰岛素无需加工，可以直接应用于临床治疗糖尿病答案(1)孢子芽孢湿热灭菌(2)性质过滤沉淀干燥(3)DA组基础对点练题组一发酵工程的基本环节1．以下物质或设备不需要灭菌的是()A．培养基 B．发酵设备C．发酵液 D．菌种答案D2．现代发酵工程使用的大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程的一些指标进行监测和控制，下列指标无法监测的是()A．菌体大小 B．pHC．溶解氧 D．温度答案A3．下列关于发酵工程的说法不正确的是()A．发酵产品是微生物细胞本身时，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥B．谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下容易形成谷氨酰胺C．发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品D．生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉答案B解析谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下会容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺。4．发酵工程的正确操作过程是()①发酵②培养基的配制③灭菌④产品的分离与提纯⑤菌种的选育⑥接种⑦扩大培养A．①③④⑤⑦②⑥ B．⑤⑦②③⑥①④C．②⑤⑦③①⑥④ D．⑥⑤⑦②④③①答案B5．传统发酵技术和现代发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，下列微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是()①酵母菌②醋酸菌③乳酸菌④毛霉⑤谷氨酸棒状杆菌A．④⑤ B．①②④⑤C．①②③ D．②④⑤答案D解析酿酒是利用酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵的原理，发酵过程不需提供氧气；醋酸菌是好氧细菌，在氧气充足条件下才能进行醋酸发酵，故需提供氧气；乳酸菌为厌氧菌，无氧条件下生成乳酸，不需氧气；毛霉为需氧型真核生物，发酵过程需要提供空气或氧气；谷氨酸棒状杆菌为需氧菌，在生产谷氨酸过程中要不断充入无菌空气。故D正确。题组二发酵工程的应用6．单细胞蛋白是指()A．单个植物细胞培养得到的高纯度蛋白质B．通过发酵获得的大量微生物菌体C．单个细菌细胞分泌的蛋白质D．单个动物细胞培养得到的高纯度蛋白质答案B7．目前发酵工程在医药工业上的应用还没有实现的是()A．生产抗生素 B．生产免疫调节剂C．生产激素 D．生产紫杉醇答案D解析紫杉醇、青蒿素前体等化合物目前只能从植物体中分离提取，还不能用微生物来生产。8．以下属于酶制剂的应用的是()①改进生产工艺②简化生产过程③改善产品品质和口味④延长食品储存期⑤提高产品产量⑥增加动物免疫力A．②③④⑤⑥ B．①②③④⑥C．①②③④⑤ D．①②③⑤⑥答案C9．下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是()A．生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油B．生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养C．生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得D．生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产答案B10．青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。(注：冷冻干燥孢子：在极低温度(－70℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种。米孢子：生长在小米或大米培养基上的孢子)据图回答下列问题：(1)目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过__________________方法选育的。据图可以判断青霉菌的代谢类型是______________________，生殖方式为________________。(2)配制培养基时需要将其调节至________(填“酸性”“碱性”或“中性”)。种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的____________阶段。发酵罐接种____________(填“前”或“后”)，必须进行灭菌处理。答案(1)诱变育种(人工诱变)异养需氧型孢子生殖(2)酸性扩大培养前解析(1)青霉素高产菌株是通过诱变育种获得的，原理是基因突变。青霉菌是需氧型生物，不能自己制造有机物，故代谢类型为异养需氧型。由图可知，青霉菌的生殖方式为孢子生殖。(2)培养霉菌时需要将培养基调至酸性。发酵工程包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵、产品的分离和提纯等，种子罐又叫繁殖罐，推测②属于发酵工程中的扩大培养阶段。为了避免杂菌污染，发酵罐接种前需要进行灭菌处理。B组综合强化练11．下列关于发酵工程的说法不正确的是()A．发酵过程中要随时检测培养液的微生物数量B．发酵过程中要随时检测培养液的产物浓度C．发酵过程中不需要再添加营养组分D．发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等答案C解析发酵过程中需要及时添加必需的营养组分。12．发酵工程中菌种扩大培养的目的是()A．提供优良菌种 B．生产代谢物C．提供足够菌种 D．接种的必经程序答案C13．发酵工程的一项关键措施是灭菌，下列关于灭菌的叙述正确的是()A．培养基和发酵设备均需要严格灭菌B．灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌C．通入无菌空气可以达到灭菌的目的D．pH调到7左右灭菌效果最好答案A解析培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物，故B错误；为防止杂菌污染，通入的空气也要是无菌的，但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的，故C错误；灭菌效果与pH无直接关系，故D错误。14．以下不属于发酵工程应用的是()A．生产抗生素、维生素、动物激素、胰岛素、重组乙型肝炎疫苗等B．生产防腐剂、增味剂、着色剂、增稠剂等食品添加剂C．生产用作饲料或食品添加剂的单细胞蛋白D．获取用于产生抗体的动物细胞答案D15．如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是()A．改变面包霉的细胞膜通透性B．在高温高压下进行发酵C．对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种D．对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶②的菌种答案C16．以下关于微生物饲料的叙述不正确的是(不定项)()A．酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂B．用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快C．青贮饲料中添加酵母菌可以提高饲料的品质，使饲料保鲜D．微生物饲料可以抑制病原微生物的生长，减少病害的发生答案CD解析青贮饲料中添加乳酸菌可以提高饲料的品质，使饲料保鲜；有些微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，减少病害的发生，微生物饲料没有这方面的作用。17．下列关于发酵工程在其他方面的应用，叙述正确的是(不定项)()A．利用纤维蛋白废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功B．发酵原料的改变对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义C．嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂D．嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量答案BCD解析利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。18．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。目前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谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是______