第一章 发酵工程“四步复习法”高二下学期生物人教版选择性必修3

发酵工程—高二生物学人教版（2019）选择性必修三大单元“四步复习法”第一步：单元学习目标整合简述传统发酵技术的特点及常见应用。概述微生物纯培养的技术，阐明微生物选择培养和分离、计数概述发酵工程及其基本环节举例说明发酵工程的应用价值第二步：单元思维导图回顾知识第三步：单元重难知识易混易错（一）传统发酵技术1.发酵：利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程2.实例：腐乳制作（1）参与微生物：毛霉、酵母、曲霉等（2）原理：豆腐中的蛋白质被分解成小分子的肽和氨基酸，味道鲜美，易于消化吸收3.传统发酵技术（1）概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术（2）形式：以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通过是家庭式或作坊式的（3）产物：腐乳、酱油、醋、泡菜、豆豉、酱等（二）尝试制作传统发酵食品1.泡菜制作的原理（1）菌种：乳酸菌。a.分布：广泛分布在空气、土壤、植物体表、人或动物的肠道等处。b.代谢类型：异养厌氧型。c.常见种类：乳酸链球菌和乳酸杆菌。其中乳酸杆菌常用于生产酸奶。（2）发酵原理：乳酸菌在无氧条件下，将葡萄糖分解为乳酸。2.泡菜制作的实验设计a.制作流程b.准备材料①选择泡菜坛：选用火候好、无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合好的泡菜坛。②选择原料：质地鲜嫩，肉丰富，无虫咬，无烂痕，无斑点。c.制作过程①原料处理：将鲜菜修整、清洗、阳光下晾晒到菜表皮萎蔫时收起，切成条状或片状。②配制盐水：按照清水与盐的质量比为4∶1的比例配制盐水，并将盐水煮沸冷却。③装坛：将经过预处理的新鲜蔬菜混合均匀，装入泡菜坛中，装至半坛时放入香辛料，继续装到八成满，再徐徐注入配制好的盐水，使盐水没过全部菜料，盖好坛盖。④封坛发酵：向坛盖边沿的水槽中注满水，以保证坛内乳酸菌发酵所需的无氧环境。要注意经常补充水槽中的水。⑤成品：将封好的坛子，放在室温环境中约15天，便可制成清脆爽口的泡菜。d.腌制条件在腌制过程中，要控制腌制的时间、温度和食盐的用量。温度过高、食盐用量过低、腌制时间过短，容易造成细菌大量繁殖，亚硝酸盐含量增加。3.果醋和果酒的制作原理（1）果酒的制作原理a.菌种：酵母菌。①代谢类型：兼性厌氧型。②最适生长温度：20℃左右。b.发酵原理：①在有氧条件下，进行有氧呼吸，大量繁殖。反应式：C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O。②在无氧条件下，进行酒精发酵，产生酒精。反应式：C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2。c.菌种来源：自然发酵过程中，来源于附着在葡萄皮上的野生型酵母菌。（2）果醋的制作原理a.菌种：醋酸菌。①代谢类型：需氧型。②最适生长温度：30～35_℃。b.发酵原理：①当氧气、糖源都充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸。②当缺少糖源时，醋酸菌将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。反应简式：C2H5OH＋O2→CH3COOH＋H2O。4.果醋和果酒的制作流程（1）实验流程（2）实验装置①充气口：在醋酸发酵时连接充气泵进行充气；②排气口：排出酒精发酵时产生的CO2；③出料口：用来取样。（3）发酵条件果酒制作果醋制作温度18～25℃30～35℃时间10～12d7～8d通气先通气后密封，或预留约1/3的空间始终通气（4）操作要求a.器具的清洗、消毒：榨汁机要洗净晾干，发酵瓶要清洗干净并用体积分数为70%的酒精消毒。b.材料的选择和处理：选择新鲜的葡萄，先用清水冲洗1～2遍除去污物后，再去枝梗。c.榨汁装瓶：将冲洗干净并除枝梗的葡萄放入榨汁机榨取葡萄汁，然后将葡萄汁装入发酵瓶，要留大约1/3的空间，并封闭充气口。d.发酵：①制葡萄酒的过程中，将温度严格控制在18～25℃，时间控制在10～12d，每天定时排出发酵产生的CO2，10d后开始从出料口抽样，监测酒精浓度或菌体数量。②制葡萄醋的过程中，用充气泵不断从充气口泵入空气，温度严格控制在30～35℃，发酵7～8d，即可制成果醋。（5）酒精检测a.检测试剂：重铬酸钾。b.检测条件：酸性条件。c.实验现象：呈现灰绿色。例：下列有关几种发酵食品的发酵温度、发酵时间和发酵菌种等的叙述，错误的是（）A.葡萄酒发酵时应将温度控制在18～30℃B.生产醋酸所用的醋酸菌的最适生长温度为30～35℃C.腐乳发酵时，毛霉中蛋白酶的合成只需要核糖体参与D.刚装坛密封好的泡菜，夏季的发酵时间比冬季的短【答案】C【解析】由于酵母菌适宜生长的温度是l8~30℃，因此制葡萄酒时，要将温度控制在18~30℃，A正确；醋酸菌的最适生长温度为30~35℃，故果醋发酵时温度宜控制在30-35℃，B正确；腐乳发酵时，毛霉中蛋白酶的合成除了需要核糖体参与，还需要线粒体提供能量，C错误；泡菜腌制过程中，温度高更容易发酵，故夏季的发酵时间比冬季的短，D正确。（三）发酵工程1.发酵工程的含义利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。2.发酵工程与传统发酵技术相比的特点主要以可再生资源为原料；反应条件温和；环境污染较少；能生产目前不能生产或通过化学方法生产困难的性能优异的产品；投资较少。3.发酵工程的基本环节（1）菌种的选育（诱变育种、基因工程和细胞工程）（2）扩大培养（3）培养基的配制（4）培养基和设备的灭菌（5）接种（注意防止杂菌的污染，发酵罐冷却后才可加入）（6）发酵罐内发酵——中心环节，需严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。（7）产品的分离和提纯菌体可采用过滤、沉淀等方法分离。代谢产物可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取。、4.发酵工程中菌种的选择（1）如果生产的是微生物直接合成的产物：可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。（2）如果生产的是一般微生物不能合成的产品：可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传持性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。5.发酵工程的特点（1）生产条件温和：温度、压力都不高。（2）原料来源丰富且价格低廉：微生物种类多，易分离。（3）产物专一：可直接生产某种物质。（4）废弃物对环境的污染小且容易处理：废料是各种代谢产物，只要灭菌后，一般对环境不造成污染。6.发酵工程的应用（1）在食品工业上的应用生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类。生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。生产酶制剂，如α淀粉酶、β淀粉酶、脂肪酶等。（2）在医药工业上的应用基因工程、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。（3）在农牧业上的应用生产微生物肥料。微生物肥料利用了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，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。生产微生物农药。微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质。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。（4）在其他方面的应用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。例：我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，发芽→焙烤→碾磨→糖化→蒸煮→发酵→消毒→终止是其工业生产流程。下列叙述错误的是（）A.发酵过程包括主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成B.主发酵结束后，发酵液要在30°C密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒C.在酿酒过程中常加入赤霉素可以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗D.及时添加必须的营养组分是提高啤酒产量和质量的手段之一【答案】B【解析】主发酵和后发酵是啤酒发酵过程的两个阶段，主发酵的主要目的是进行酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成等，A正确；B、主发酵结束后需要进行后发酵，但后发酵需要在低温下进行，B错误；C、酿酒过程中加入赤霉素可以在麦芽不发芽时便产生较多α淀粉酶，因此降低了有机物的消耗，C正确；D、及时添加必须的营养组分可提高啤酒的产量和质量，D正确。（四）培养基的配制1.培养基的概念：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出供其生长繁殖的营养基质——培养基，用以培养、分离、鉴定、保存微生物或积累其代谢物。2.培养基的分类：按照物理性质不同分为两类。（1）液体培养基：呈液体状态的培养基，不加入凝固剂（如琼脂）。（2）固体培养基：呈固体状态的培养基，加入凝固剂（如琼脂）。3.营养组成：各种培养基一般都含有水、碳源、氮源和无机盐，此外还需要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及O2的需求。4.培养基特殊需求：（1）培养乳酸杆菌时，在培养基中添加维生素。（2）培养霉菌时，将培养基调至酸性。（3）培养细菌时，将培养基调至中性或弱碱性。（4）培养厌氧微生物时，需要提供无氧的条件。例：1.下列有关微生物培养基制备的叙述错误的是（）A.培养乳酸杆菌时需添加维生素B.配制培养基时应先调pH后灭菌C.琼脂的主要作用是为微生物提供能量D.K2HPO4，Na2HPO4可用于维持培养基的pH【答案】C【解析】培养乳酸杆菌时需添加维生素，从而促进乳酸杆菌的生长，A正确；配制培养基时应先调pH后灭菌，这样可以避免调节pH过程中引起培养基被污染，B正确；琼脂的主要作用是作为凝固剂，获得固体培养基，C错误；K2HPO4、Na2HPO4作为缓冲物质，可用于维持培养基的pH，D正确。（五）无菌技术1.无菌技术关键：防止杂菌污染。2.无菌技术的目的：（1）可防止实验室的培养物被其他微生物污染。（2）有效避免操作者自身被微生物感染。3.无菌技术的选择原则：（1）考虑效果：灭菌的效果比消毒要好。（2）考虑操作对象的承受能力：活体生物材料、操作者的手等只能采用消毒的方法，而不能采用灭菌的方法。4.消毒与灭菌：（1）概念：①消毒：使用较为温和的物理、化学或生物等方法仅杀死物体表面或内部的部分微生物（不包括芽孢和孢子）。②灭菌：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）。（2）类型消毒灭菌常用方法煮沸消毒法、巴氏消毒法、化学药剂消毒法、紫外线消毒法灼烧灭菌、干热灭菌、高压蒸汽灭菌适用对象操作空间、操作者双手等接种环、接种针、玻璃器皿、培养基等例：在生产、生活和科研实践中，经常通过无菌操作技术避免杂菌的污染。下列有关无菌技术的叙述，正确的是（）A.通过消毒或灭菌，可将所有的杂菌、孢子和芽孢等都杀灭B.接种环、接种针等用具应在酒精灯火焰内焰部位灼烧灭菌C.为避免环境污染，操作尽量在超净工作台并在酒精灯火焰附近进行D.对于牛奶等不耐高温的液体，一般采用紫外线照射法进行消毒【答案】C【解析】只有通过灭菌，才可以将所有的杂菌、孢子和芽孢等都杀灭，A错误；接种环、接种针等金属用具，应在酒精灯火焰的充分燃烧层即外焰部位灼烧灭菌，B错误；对王一些不耐高温的液体，如生奶一般采用巴氏消毒法，D错误。（六）微生物的纯培养1.微生物纯培养的概念：由单一个体繁殖所获得的微生物群体称为纯培养物，获得纯培养物的过程就是纯培养。2.酵母菌的纯培养：（1）纯培养的原理：设法在培养基上得到由单个微生物繁殖形成的纯培养物（单菌落）。（2）纯培养方法：平板划线法和稀释涂布平板法。（3）纯培养过程：a配制培养基：b灭菌：培养基转移至锥形瓶，加棉塞，包上牛皮纸，如图所示，然后放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌，培养皿包扎后放入干热灭菌箱内灭菌。c倒平板：待培养基冷却到50℃左右时，在酒精灯火焰附近进行。具体操作过程：d平板划线法接种和分离酵母菌①平板划线法：通过接种环在固体培养基表面连续划线操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面。②平板划线法结果：平板划线示意图（A）及培养后菌落分布示意图（B）如下图所示。③几次灼烧的目的：灼烧时期目的第一次操作（取菌种前）杀死接种环上原有的微生物，避免污染培养物每次划线之前杀死上次划线后接种环上残留的菌种，使下次划线的菌种直接来源于上次划线的末端，使每次划线菌种数目减少划线结束杀死接种环上残存的菌种，避免微生物污染环境和感染操作者（4）培养酵母菌：接种和未接种的平板在温度适宜的恒温箱中培养。（七）微生物的选择培养与计数1.选择培养基（1）实验室中微生物筛选的原理：人为提供有利于目的菌生长的条件（包括营养、温度、pH等），同时抑制或阻止其他微生物的生长。（2）选择培养基概念：在微生物学中，允许特定种类的微生物生长，同时抑制或阻止其他种类微生物生长的培养基。（3）选择培养基配方的设计：a原理：分解尿素的细菌合成的脲酶将尿素分解产生NH3。b培养基配方设计：以尿素为唯一氮源的选择培养基。2.微生物的选择培养（1）方法：对样品进行充分稀释，然后将菌液涂布到制备好的选择培养基上。（2）稀释涂布平板法的操作过程：a系列梯度稀释操作：b涂布平板操作。①取菌液：取0.1mL菌液，添加到培养基表面。②涂布器灭菌：取出浸在酒精中的涂布器，放在火焰上燃烧，酒精燃尽后，冷却涂布器。③涂布过程：用涂布器将菌液均匀地涂布在培养基表面，涂布时可转动培养皿，使菌液分布均匀。（3）培养：待涂布的菌液被培养基吸收后，将平板倒置，放入恒温培养箱中培养，观察。3.微生物的数量测定（1）稀释涂布平板法a统计依据。当样品的稀释度足够高时，培养基表面生长的一个菌落，来源于样品稀释液中的一个活菌。通过统计平板上的菌落数，就能推测出样品中大约含有多少活菌。b操作。①一般选择菌落数为30～300的平板进行计数。②选用一定稀释范围的样品液进行培养，在同一稀释度下，应至少对3个平板进行重复计数，然后求平均值。c注意问题：统计的菌落数往往比活菌的实际数目少。这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。（2）显微镜直接计数a原理：此法利用特定的细菌计数板或血细胞计数板，在显微镜下计算一定体积的样品中微生物的数量。b方法：显微镜下观察，细菌计数板或血细胞计数板计数。c计算公式：每毫升原液所含细菌数=每小格平均细菌数×400×10000×稀释倍数d缺点：统计的结果一般是活细菌和死细菌的总和，计算结果比实际值偏大。4.土壤中分解尿素的细菌的分离与计数（1）实验流程示意图：（2）实验操作过程：流程具体操作操作提示土壤取样先铲去表层土，取距地表3～8

cm的土壤层，将样品装入纸袋中①适宜在富含有机质，酸碱度接近中性的潮湿土壤中取样②取样用的铁铲和取样的纸袋使用前都需要灭菌制备培养基分别配制牛肉膏蛋白胨培养基和以尿素为唯一氮源的选择培养基牛肉膏蛋白胨培养基作为对照组，用来判断选择培养基是否具有选择的作用样品的稀释和涂布①火焰旁称取土壤样本②将稀释倍数为103～107的稀释液涂布平板。每个稀释度至少涂布三个平板作为重复组①注意无菌操作②对所用的平板、试管做好标记③初次实验对于稀释的范围没有把握，可选择一个较为宽泛范围103～107倍的稀释液培养、观察和计数①将涂布好的平板和空白平板放在适宜温度下的培养箱中倒置培养②每隔24

h统计一次菌落数目，比较牛肉膏蛋白胨培养基和选择培养基中菌落的数量、形态等，并做好记录③当菌落数目稳定时，选取菌落数在30～300的平板进行计数①空白平板作为对照，检测培养基制备是否合格②观察时还要记录不同菌落的形状、大小、颜色等③在同一稀释度下，至少对3个平板进行计数，然后求出平均值，并根据平板所对应的稀释度计算出样品中活菌的数目例：2023年春节过后，新冠病毒感染的第一波高峰期已过，但正确佩戴口罩仍是预防二次感染的有效手段。某研究小组对非灭菌的一次性口罩中的微生物进行检测，通过分析微生物的种类和数量来确定口罩的合格性。部分操作如下:从口罩上剪取总量9cm2样品(体积近似1ml)，剪碎后加入已灭菌的生理盐水中，定容至10mL，充分混匀，得到样液。下列说法正确的是（）A.取4个经灭菌处理的培养皿，将冷却到40°C的培养基倒入培养皿，待培养基凝固后，将平板倒置B.向前3个平板中分别加入1mL样液，用涂布器将样液涂布均匀C.第4个平板不接种样液并与前3个平板共同培养，可用于检测是否有杂菌污染D.若一段时间后，4个平板上长出的菌落数依次为31、42、35和0个，可计算出1cm2口罩样品中菌体数量为36个【答案】C【解析】40℃时琼脂已经凝固，应在培养基冷却至50°C左右时倒平板，A错误；用稀释涂布平板法统计细菌数量时，为避免培养基表面的菌液出现积液，导致菌体堆积，影响分离效果，滴加到培养基表面的菌悬液的量一般不超过0.lmL，B错误；空白平板可用于检验试验前的灭菌是否彻底，也可检测是否有杂菌污染，C正确；第4个平板没有菌落形成，说明没有杂菌污染，且前三个平板长出的菌落数均在30〜