浙科版高三生物一轮复习选择性必修3专题十七第2讲发酵工程及其应用课件

专题十七微生物的培养及发酵工程第2讲发酵工程及其应用选择性必修3

生物技术与工程精读课本盘点基础知识一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的1．发酵与传统发酵技术(1)发酵的概念：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的____转化为人类所需要的产物的过程。(2)传统发酵食品：利用有益微生物来酿造自己喜爱的风味食品、饮料和调味品，例如，干酪、泡菜、酱、醋等。最早制成的发酵饮料大概要算在游牧社会出现的____，我国是____生产最早的国家。代谢奶酒酱油(3)发酵食品的不同风味由多种因素造成的①微生物的种类：不同微生物或同种微生物在____________下进行的代谢活动，所形成的________不同，制成的发酵食品的风味也就不同。②代谢特点：不同的微生物、不同的菌株能够分泌的酶种类不同，分解大分子有机物后形成的产物也就不同。③遗传特性：菌株______的差异会造成发酵产品的风味不同。④种间关系：________也影响发酵食品的风味。不同环境条件代谢产物遗传上混菌发酵2．活动：体验传统发酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋(1)原理和条件项目果酒制作果醋制作发酵菌种酵母菌醋酸菌生物学分类单细胞，真核生物单细胞，原核生物代谢方式异养________型异养____型菌种来源附着在葡萄皮上的野生型酵母菌或干酵母空气中发酵产物______________醋酸、水发酵条件温度一般控制在25℃左右温度比乙醇发酵要高一点(30～35℃)时间7～10天24小时氧气初期____，后期______始终需要氧兼性厌氧需氧乙醇、二氧化碳需氧不需氧项目果酒制作果醋制作发酵原理产物检测闻气味、品尝、酸性条件下的重铬酸钾(橙色→灰绿色)酸碱指示剂(pH试纸)、闻气味、品尝问题与思考1．制作果酒时，哪些措施保证了无氧条件？[提示]

在矿泉水瓶盖上戳一个小洞，将可弯折吸管的短臂插入小洞，再用凡士林密封吸管与小洞的连接处。待装入葡萄、盖好盖子后，再将吸管长臂插入水中阻止氧气进入。2．在制作果酒的过程中，为什么发酵装置中放入的葡萄体积不要超过总体积的1/2?[提示]

一是提供部分氧气促进酵母菌的需氧呼吸，进而促进酵母菌的大量繁殖，提供更多的菌种；二是保证发酵过程中不会有葡萄汁溢出。3．在制作果酒的过程中，不需要严格的消毒过程也能完成发酵，原因是什么？[提示]

在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制。(2)果酒和果醋发酵装置的改进及其分析关闭CO2防止空气中微生物的污染3．活动：体验传统发酵——利用乳酸菌发酵制作泡菜(1)菌种来源：附生在蔬菜表面的植物______、________和明串珠菌等。(2)制作原理：乳杆菌、短乳杆菌和明串珠菌等一般为____、________或微好氧菌，它们的发酵产物不仅有____，还有______等，因而使泡菜具有特殊的风味。(3)方法步骤盐水配制：用______和食盐配制质量分数为____的盐水

↓菜料加工：将新鲜蔬菜洗净，切成________长的小块

↓洗净泡菜坛：用开水清洗坛子内壁2次，确保无油脂附着

↓乳杆菌短乳杆菌厌氧兼性厌氧乳酸醇、酯冷开水6%3～4cm装坛：将菜料装入泡菜坛内，放入八角、花椒、白酒及其他香辛料，装坛至八成满

↓密封：将盐水加入坛中，没过____，基本装满泡菜坛，盖好坛盖

↓发酵：用水封住坛口，防止_________进入，在腌制过程中须随时加满水蔬菜外界空气(4)关键操作6%杂菌问题与思考4．乳酸菌是厌氧菌，发酵时需控制严格的无氧环境。尝试说出泡菜制作过程中制造无氧环境的措施。[提示]

(1)选择气密性好的泡菜坛。(2)盐水煮沸后冷却待用。(3)装坛时压实，盐水没过全部菜料。(4)盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满水；发酵期间不宜开盖，并注意在发酵过程中经常向水槽中补充水。二、发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品1．微生物工业发酵(1)基本过程灭菌接种离心萃取(2)发酵工程中心环节(3)发酵过程中的注意事项①发酵工业菌种需满足条件：a.应选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少；b.培养基来源充足且廉价，被____的效率高；c.菌种发酵产物易于____；d.菌种对环境没有__________的危害；e.菌种的遗传特性和生产能力____。②选育__________的菌种是发酵工业的前提条件：要得到符合要求的菌种，需要筛选并不断地__________菌种，以保持菌种健壮旺盛的生命力。减少菌种的________能减小菌种发生自发突变的概率。对于已出现衰退迹象的菌种要进行________，保留高产的菌株。③菌种的扩大培养：将菌种____扩大培养，达到一定数量再接种，才能满足大规模生产的需要，可以____菌种在发酵罐中发酵的时间。④控制发酵过程：控制发酵过程是保证发酵生产高效顺利进行的重要措施，监控发酵过程的营养供给、____、____、___等变化。转化分离明显或潜在稳定高产、优质选育或改良传代次数分离筛选多次缩短氧气温度pH[注意点]培养基中营养物质的浓度及比例都会影响微生物的生长(1)过高的蔗糖浓度会抑制微生物的生长，过低的蔗糖浓度又不能满足微生物生长的需要。(2)在利用微生物发酵生产谷氨酸时，培养基中的C/N为4∶1时菌体大量繁殖，当比值降为3∶1时，菌体繁殖减缓。(3)培养基中不同的N/P也会影响微生物的生长繁殖。(4)菌种在不同的发酵阶段要求的环境条件是不同的①初生代谢产物：当菌种进入新鲜的培养基后，细胞吸收各种营养物质，代谢产生____________的氨基酸、核苷酸、多糖、脂类等各种物质。这些物质的积累与转化使微生物细胞具备________的能力，使微生物群体进入一段____生长和繁殖的阶段。②次生代谢产物：在微生物生长到一定的阶段后，会在细胞代谢的基础上进一步合成一些结构比较复杂的______、______、____等化合物。这些物质对微生物自身的生命活动________的功能，却正是人类需要的微生物________。维持生命活动细胞分裂快速生物碱抗生素毒素没有明确发酵产物(5)分离或提纯发酵产品是工业发酵制取产品必经的步骤①如果发酵的产品是菌体本身，可采用__________等方法将菌体从培养液中分离出来。②如果发酵产品是微生物的代谢产物，则可采用真空发酵、吸附发酵、萃取发酵等方法进行提取。过滤、沉淀提取方法具体操作实例真空发酵对发酵灌减压，使易挥发的发酵产物从发酵液中分离出来的技术在发酵罐上施以负压，使____从发酵液中挥发出来吸附发酵在发酵过程中加入对发酵产物具有特异性或非特异性吸附作用的吸附剂，从而使产物从发酵液中分离出来的技术利用离子交换树脂分离____萃取发酵当两种水溶性高分子聚合物在同一水溶液中各自达到一定浓度后，会互不相溶形成两相系统，不同的生物产物会分配在不同的相中，通过相的分离就可以实现对发酵产物的分离采用双水相萃取发酵产物_________酒精乳酸α-淀粉酶2．发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值应用产品类型具体实例食品工业上的应用食品、____面包、乳酪、味精等酿造工业上的应用各种酒类、调味品酱油、食用醋、啤酒、黄酒等医药工业上的应用________、免疫调节剂、______、抗氧化剂、生物表面活性剂和抗辐射药物各类抗生素、环孢菌素A、青蒿素等工业化生产的应用多种酶制剂耐高温的Taq酶制剂等饮料酶抑制剂类激素内化知识突破重点难点一、泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化发酵时期乳酸菌乳酸亚硝酸盐发酵初期少(有O2，乳酸菌活动受抑制)少增加(硝酸盐还原菌的作用)发酵中期最多(乳酸抑制其他菌活动)积累、增多、pH下降下降(硝酸盐还原菌受抑制，部分亚硝酸盐被分解)发酵后期减少(乳酸继续积累，pH继续下降，抑制其活动)继续增多，pH继续下降下降至相对稳定(硝酸盐还原菌被完全抑制)发酵时期乳酸菌乳酸亚硝酸盐变化曲线注意亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的，而不是硝化细菌氧化氨形成的例1

(2023·山东等级考)以下是以泡菜坛为容器制作泡菜时的4个处理：①沸盐水冷却后再倒入坛中；②盐水需要浸没全部菜料；③盖好坛盖后，向坛盖边沿的水槽中注满水；④检测泡菜中亚硝酸盐的含量。下列说法正确的是(

)A．①主要是为了防止菜料表面的醋酸杆菌被杀死B．②的主要目的是用盐水杀死菜料表面的杂菌C．③是为了使气体只能从泡菜坛排出而不能进入D．④可检测到完整发酵过程中亚硝酸盐含量逐渐降低[解析]

盐水煮沸是为了杀灭杂菌，冷却之后使用是为了保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响，A错误；②盐水需要浸没全部菜料，造成无氧环境，有利于乳酸菌厌氧呼吸，B错误；③盖好坛盖后，向坛盖边沿的水槽中注满水，能排气减压、隔绝空气、防止杂菌污染等，C正确；④检测泡菜中亚硝酸盐的含量，腌制泡菜过程中亚硝酸盐的含量先增多后减少，D错误。√二、工业发酵罐在发酵工程中的作用1．结构与控制装置示意图2．发酵过程的影响因素及控制影响因素具体影响控制过程温度发酵温度会影响微生物的代谢途径和方向，从而对发酵产物的生成产生影响。例如，灰色链霉菌的一种嗜冷突变菌株在其他条件相同，发酵温度不同时，会产生完全不同的抗生素：在12℃条件下发酵产物为冷霉素，在28℃条件下发酵产物为抗生素M-81发酵过程中可以通过温度监测器、控制装置进行检测和由冷却水进、出口水流来调整影响因素具体影响控制过程pHpH发生变化的主要原因是培养液中营养成分的利用和代谢物的积累。例如，啤酒酵母在中性和酸性发酵条件下，可将葡萄糖发酵产生乙醇和二氧化碳，而在碱性条件下的发酵产物则是甘油可以通过pH检测及控制装置，并由加料装置添加酸和碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液等溶解氧通气状况会影响生成的发酵产物种类。例如，在谷氨酸发酵中，适量通气条件下菌种发酵生成谷氨酸，通气不足则发酵生成乳酸或琥珀酸由发酵罐的溶解氧探测器和通气口来控制通气量；高压空气分布器将无菌空气分散成极小的气泡，使氧从气泡中进入发酵液，增加溶氧；叶轮的搅拌使气泡与发酵液混合3．叶轮在发酵过程中的作用(1)通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分地混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质。(2)良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质。(3)搅拌能使发酵液充分混合，使发酵液中的固型物质保持悬浮状态。4．与传统的容器相比，工业发酵罐发酵具有最明显的优势，发酵罐能实现大规模连续生产，最大限度地利用原料和设备，获得高产量和高效率。具体体现在以下几点：(1)进行严格灭菌，能使空气按需要流通，从而提供良好的发酵环境。(2)实施搅拌、振荡以促进微生物生长。(3)对温度、压力、空气流量实行自动控制。(4)通过各种生物传感器测定发酵罐内菌体浓度、营养成分、产品浓度等，并用电脑随时调节发酵进程。例2

(2024·宁波模拟)谷氨酸棒状杆菌是异养需氧型微生物，常用于基因工程。乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)广泛用于抗氧化衰老、骨关节炎治疗等领域。科研人员利用基因重组技术将氨基葡萄糖合成酶(glms)基因、氨基葡萄糖乙酰转移酶(Scgnal)基因导入谷氨酸棒状杆菌，获得了GlcNAc工程菌。GlcNAc工程菌部分代谢途径如图1，ldhA基因和pta-ackA基因编码的蛋白质分别催化乳酸和乙酸的生成。请回答下列问题：(1)科研人员利用目的基因、链霉素抗性基因以及_________________________________________等序列构建重组表达载体，导入________态谷氨酸棒状杆菌，构建GlcNAc发酵工程菌。配制谷氨酸棒状杆菌培养基时，按照培养基配方准确称量各组分，将其溶解、定容、调节pH至_________后再进行高压蒸汽灭菌。灭菌锅开始加热时，要打开排气阀，使水沸腾一段时间后再关闭排气阀，这样操作的目的是________________。(2)筛选含目的基因的细菌时，首先利用含________的培养基进行初筛，然后根据__________________________________设计引物，利用PCR技术进行扩增，完成后再采用__________技术鉴定PCR产物。启动子、终止子、复制原点、限制酶识别序列感受中性偏碱排尽锅内冷空气链霉素目的基因两端已知的特定核苷酸序列凝胶电泳(3)筛选出合格菌种进行大规模生产需要利用的发酵罐如图2，搅拌器可以加快谷氨酸棒状杆菌的代谢速率，其原理是____________________________________________________________________________________________________。发酵过程中需定期从发酵罐________采样，采用______________法检测活菌密度，以确定发酵进程。(4)为了提高产物GlcNAc产量，科研人员提出来几个进一步改造GlcNAc工程菌的方案：方案一，利用_________技术使ldhA基因和pta-ackA基因失活，从而抑制6-磷酸果糖生成丙酮酸的过程；方案二，利用________工程提高glms、Scgnal这两种酶的催化效率，促进生成GlcNAc；方案三，提高细胞膜的________，促进代谢产物的运输。谷氨酸棒状杆菌为需氧型微生物，搅拌能增加发酵液中的溶解氧，同时使其与营养物质充分接触，利于该菌代谢放料口稀释涂布平板基因敲除蛋白质通透性延伸迁移实现融会贯通考向1围绕传统发酵技术，考查生命观念与科学思维素养1．(2021·浙江1月选考)用白萝卜制作泡菜的过程中，采用适当方法可缩短腌制时间。下列方法中错误的是(

)A．将白萝卜切成小块B．向容器中通入无菌空气C．添加已经腌制过的泡菜汁D．用沸水短时处理白萝卜块B

[将白萝卜切成小块可以扩大白萝卜与腌料的接触面积，缩短腌制时间，A正确；泡菜制作所需菌种为乳酸菌，制作过程中应保持无氧环境，向容器中通入无菌空气不利于腌制，B错误；泡菜汁中含有一定量的发酵菌种，所以在腌制过程中，加入一些已经腌制过的泡菜汁可缩短腌制时间，C正确；用沸水短时处理，可抑制某些微生物的繁殖，提高泡菜品质，也可缩短腌制时间，D正确。]243题号165√243题号1652．(2021·山东等级考)葡萄酒的制作离不开酵母菌。下列说法错误的是(

)A．无氧条件下酵母菌能存活但不能大量繁殖B．自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是野生型酵母菌C．葡萄酒的颜色是葡萄皮中的色素进入发酵液形成的D．制作过程中随着发酵的进行发酵液中糖含量增加D

[酵母菌进行需氧呼吸获得能量大量繁殖，无氧条件下，发酵产生乙醇，故无氧条件下酵母菌能进行厌氧呼吸存活但不能大量繁殖，A正确；自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是葡萄皮上的野生型酵母菌，B正确；葡萄皮中的色素进入发酵液使葡萄酒呈现颜色，C正确；制作过程中随着发酵的进行发酵液中糖含量减少，D错误。]√243题号653．(2024·诸暨高三诊断性考试)关于果酒、果醋和泡菜等传统发酵食品的制作，下列叙述正确的是(

)A．果酒制作过程中，随着发酵的进行，发酵液中糖含量增加B．果醋制作过程中，用重铬酸钾测定醋酸含量变化，溶液灰绿色逐日加深C．泡菜制作时，盐水要没过菜料2/3体积D．果酒、果醋和泡菜发酵后形成的溶液都呈酸性D

[果酒制作时，利用的是酵母菌，酵母菌是异养微生物，发酵过程中需要消耗糖，将糖分解为二氧化碳和酒精，故随着发酵的进行，发酵液中糖含量减少，A错误；重铬酸钾可用于检测酒精，果醋发酵时，由于乙醇(酒精)逐渐转变为醋酸，因此溶液灰绿色逐渐变浅，B错误；腌制泡菜时盐水没过全部菜料，基本装满泡菜坛，盖上坛盖再用水密封泡菜坛，可利用水隔绝空气，从而创造无氧条件，C错误；果酒制作过程中会产生二氧化碳，导致溶液呈酸性，果醋制作过程中产生的醋酸和泡菜制作过程中产生的乳酸都会使溶液呈酸性，D正确。]√1243题号65考向2围绕发酵工程的应用，考查科学思维和社会责任素养4．(2023·杭州高三教学测试)在工业发酵中广泛应用补料分批发酵。补料分批发酵是指在微生物发酵时向发酵罐补加新鲜培养基的发酵方式。下列叙述正确的是(

)A．与分批发酵相比，补料分批发酵过程中微生物体内的酶种类变化较小B．与分批发酵相比，补料分批发酵杂菌污染的概率更小C．若采用补料分批发酵生产抗生素，补料量和补料频率越大，则产量越高D．由于发酵罐中可以补料，发酵初期只需加入不经扩大培养的菌种√1243题号65A

[补料分批发酵过程中微生物可以处于某一代谢阶段，而不是像分批发酵细胞会完成一个完整的周期，因此微生物体内的酶种类变化较小，A正确。补料分批发酵存在一定的非生产时间，和分批发酵比，中途要补加新鲜培养基，杂菌污染的概率更大，B错误。若采用补料分批发酵生产抗生素，补料量和补料频率越大，其产量并不一定越高，还需考虑微生物的繁殖和代谢情况，C错误。补料使发酵系统中维持很低的基质浓度，和连续发酵相比，不需要严格的无菌环境，不产生菌种老化、变异等问题，但是在发酵初期仍需加入经扩大培养的菌种，D错误。]1243题号655．(2024·杭州学军中学生物测试)青霉素具有高效、低毒的特点，是人类发现的第一种抗生素，可利用现代生物发酵技术进行规模化生产。下列叙述错误的是(

)A．青霉素的发酵生产多采用好氧、液体深层培养的方式进行B．培养基的原料选择时，来源充足且廉价即可用于大规模发酵生产C．可通过诱变、转基因、原生质体融合等方法培育高产菌种D．可通过吸附、萃取等方法分离目标产物青霉素B

[青霉菌属于好氧型真菌，进行青霉素发酵生产多采用好氧、液体深层培养的方式进行，可充分利用培养基中的原料，A正确；培养基的原料选择时应考虑是否适合微生物的生长、来源是否充足等，B错误；可通过诱变、