新教材2023年高中生物第1章发酵工程第3节发酵工程及其应用课件新人教版选择性必修3

第1章发酵工程第3节发酵工程及其应用新课程标准核心素养1．概述发酵工程及其基本环节。2．说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。1．科学思维——发酵工程基本环节分析。2．社会责任——认同发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的，它实现了发酵食品、药物等的工业化生产，极大地改善了人们的生活。知识导图

课内探究•名师点睛训练巩固•课堂达标必备知识•夯实双基指点迷津•拨云见日必备知识•夯实双基一、发酵工程的基本环节发酵工程一般包括______________，扩大培养，培养基的配制、________，接种，__________，产品的分离、提纯等方面。1．选育菌种：性状优良的菌种可以从__________中筛选出来，也可以通过____________或________________获得。2．扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行______________。菌种的选育灭菌发酵自然界诱变育种基因工程育种扩大培养3．配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过____________才能确定。4．灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，__________和____________都必须经过严格的灭菌。5．接种：扩大培养的菌种和灭菌后的____________加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。反复试验培养基发酵设备培养基6．发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的______________、____________等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的____________，要严格控制________、________和溶解氧等发酵条件。7．分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用________、________等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的________、________和________措施来获得产品。微生物数量产物浓度营养组分温度pH

过滤沉淀提取分离纯化二、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，如__________________。(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过__________发酵制得的柠檬酸，由__________________发酵生产的味精。(3)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________工程、____________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。酱油、各种酒类黑曲霉谷氨酸棒状杆菌基因蛋白质3．在农牧业上的应用(1)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__________、________________等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，常见的有____________、____________等。(2)生产微生物农药。微生物农药是利用__________或____________来防治病虫害的。微生物农药作为____________的重要手段，将在农业的______________方面发挥越来越重要的作用。有机酸生物活性物质根瘤菌肥固氮菌肥微生物其代谢物生物防治可持续发展(3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的__________。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______________，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。蛋白质单细胞蛋白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________、________、________和________等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。粮食环境健康能源1．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．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。3．发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。4．如果发酵产品是微生物菌体可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物的代谢物可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。5．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。学霸记忆活学巧练1．发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 (

)2．发酵工程的中心环节是选育菌种。 (

)3．发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。(

)4．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 (

)5．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。(

)×

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思考：1．利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？提示：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。2．啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？提示：醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为乙酸。3．微生物肥料使作物增产的原理是什么？提示：微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。4．微生物农药防治农林害虫的原理是什么？提示：微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。课内探究•名师点睛知识点

1．对发酵工程概念的理解发酵工程的基本环节分析原理发酵原理和工程学原理所用生物常规菌种、基因工程改造的“工程菌”菌种诱变育种获得的菌种等过程实质利用微生物进行产品生产产物通过微生物的大量繁殖获得所需产品次生代谢物和菌体本身2．发酵工程基本环节分析典例剖析

(2022·北京东城期末)下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是 (

)A．菌种选育是发酵工程的中心环节B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行C．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢物的形成D．在谷氨酸的发酵过程中，当发酵液呈酸性时，生成的代谢物就会是乳酸或琥珀酸C

典例1解析：发酵工程一般包括菌种选育、培养基的配制、灭菌，扩大培养，接种，发酵和产品的分离、提纯等方面。发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，A错误；发酵过程中应随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行，B错误；微生物发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，因为环境条件的变化不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢物的形成，C正确；在谷氨酸的发酵过程中，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺，D错误。变式训练1．(2022·聊城期中)青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的选育，发酵技术的发展，青霉素已经步入产业化生产的道路。下列叙述错误的是 (

)A．经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株B．发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌C．发酵过程要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度、溶解氧含量等D．用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得青霉素D

解析：高产青霉菌株是通过诱变育种获得的，A正确；发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌，避免杂菌污染，B正确；发酵过程要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度、溶解氧含量等，以保证发酵过程的顺利进行，C正确；仅通过过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥，不能获得青霉素，还需经过萃取、脱色等，D错误。知识点

应用实例在食品工业上的应用生产传统的发酵产品以大豆为主要原料制作酱油；以谷物或水果为主要原料生产各种酒类生产各种各样的食品添加剂酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂等生产酶制剂酶制剂除少数由动植物生产外，绝大多数都是通过发酵工程生产的，如α－淀粉酶、β－淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等发酵工程的应用应用实例在医药工业上的应用生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等青霉素的产业化生产；利用经过基因改造的微生物发酵生产生长激素释放抑制激素；利用微生物生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物；利用转基因酵母菌发酵生产乙肝疫苗等在农牧业上的应用生产微生物肥料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，如根瘤菌肥、固氮菌肥等应用实例在农牧业上的应用生产微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害，如利用苏云金杆菌防治农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等虫害生产微生物饲料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；在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质、提高动物免疫力在其他方面的应用对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义；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典例剖析

发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是 (

)A．黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种B．啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题D．用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗D

典例2解析：黑曲霉产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，进一步加工为酱油，柠檬酸可通过黑曲霉发酵获得，A正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等手段获得酵母细胞(单细胞蛋白)，将滤液加工后得到啤酒，B正确；纤维废料分解得到葡萄糖，其经过发酵得到酒精，既减少了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C正确；新冠病毒减毒疫苗是新冠病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。变式训练2．由于发酵工程生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，正确的是 (

)A．日常生活中食用的酱油的制作以大麦为主要原料，利用产蛋白酶的霉菌的作用，将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸B．啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成C．味精是谷氨酸棒状杆菌在无氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的D．由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH答案：D解析：制作酱油的主要原料是大豆，A项错误；啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，但酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，主发酵结束后在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵，B项错误；味精的生产是谷氨酸棒状杆菌在有氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的，C项错误；酶制剂是从生物体内提取出来的具有酶特性的一类化学物质，因此使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类、适宜的温度和pH，D项正确。指点迷津•拨云见日

传统发酵技术与现代工业发酵在很多方面存在差异，总结如下：项目传统发酵技术现代工业发酵概念直接利用原料中存在的天然微生物或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菌种来源来源于空气、蔬菜、面团发酵物等，菌种不纯选育的纯菌种，可从自然界中分离，也可利用工程技术改造获得项目传统发酵技术现代工业发酵过程无菌种选育、扩大培养和接种，无严格的灭菌等菌种选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵、产品的分离和提纯发酵条件控制通过微生物自身的代谢调节pH，通过充气口、排气口及其他人工措施调节溶解氧通过计算机控制系统，对发酵过程中的温度、pH、溶解氧等进行监测和控制应用果酒、果醋的制作，腐乳、泡菜的制作等应用于食品工业、医药工业、农牧业等

下列有关传统发酵技术与现代工业发酵的描述，正确的是 (

)A．传统发酵技术与现代工业发酵都需要进行严格的无菌操作，防止杂菌的污染，如都要进行培养液的灭菌B．传统发酵技术对发酵条件的控制主要通过人工控制，而现代工业发酵对发酵条件的控制是通过计算机系统进行全面的监测和控制C．制作泡菜的菌种是人工接种的纯的乳酸菌菌种D．果酒制作、果醋制作以及腐乳的制作等都属于现代工业发酵B

典例3典例剖析解析：传统发酵技术与现代工业发酵都要进行无菌操作，但传统发酵技术防止发酵液污染的措施主要是进行有关发酵装置的消毒，灭菌不是很严格，传统发酵技术利用的是原料中存在的微生物，培养液是不能灭菌的，A项错误；传统发酵技术对发酵条件的控制主要是通过人工控制的，现代工业发酵对发酵条件的控制是通过计算机系统自动进行监测和控制的，B项正确；制作泡菜属于传统发酵技术的应用，菌种来源于附着在原材料上的天然的乳酸菌，不需要接种，C项错误；果酒制作、果醋制作以及腐乳制作属于传统发酵技术的应用，D项错误。解疑答惑

从社会中来⇨P22提示：工业上，青霉素的生产按照发酵工程的基本环节进行，首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育，然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基并进行灭菌，在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵，发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可得到大量青霉素。

旁栏思考1⇨P22提示：我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。

思考·讨论⇨P231．提示：需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。2．提示：发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷却水来调控。pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。溶解氧需根据微生物的代谢类型来调控，若微生物是好氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧；若微生物是厌氧型的，需封闭充气口，建立厌氧环境等。3．提示：传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。4．提示：不能，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些可能会污染环境，对人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物可能也会污染水体，感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境。

思考·讨论2⇨P241．提示：菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。2．提示：应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。

旁栏思考2⇨P26提示：加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶；探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶；探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶；探究果胶酶在果汁生产中应用的实验中的果胶酶等。

到社会中去⇨P281．提示：每天的食谱中直接由微生物发酵生产的有馒头、酸奶、酱油、醋、泡菜等。食品中添加了经发酵生产的食品添加剂的有方便面、火腿肠、饼干、橙汁等。2．略。

练习与应用⇨P28一、

概念检测1．(1)×

提示：发酵工程与传统发酵技术都要利用微生物来进行发酵。(2)√(3)√(3)×

提示：通过发酵工程获得的大量的微生物菌体是单细胞蛋白。二、拓展应用1．(1)提示：利用基因工程将血红蛋白基因转移至青霉菌细胞内，使青霉菌细胞内合成血红蛋白，增加其携带O2的能力，从而保证在发酵过程中给青霉菌持续高效地供氧。(2)提示：通过改造青霉素生产菌，使产生青霉素或头孢霉素的酶的基因不能表达，这样就能使其只生产青霉素或只生产头孢霉素了。2．提示：通过查找资料可以知道，这一风险是存在的。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。训练巩固•课堂达标1．下列关于菌种的选育的叙述，不正确的是 (

)A．自然选育菌种费时且盲目性大B．诱变育种的原理是基因突变C．采用基因工程的方法可构建工程菌D．传统发酵技术和现代工业发酵都需要选育菌种解析：自然选育菌种要到相应的环境从众多的微生物中进行筛选，所以费时且盲目性大，A项正确；菌种的选育可以采