2024-2025学年高二生物人教版选择性必修3 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[学习目标]1.掌握发酵工程的基本环节。2.理解发酵工程在农业、食品工业、医药工业及其他工业生产上有重要的应用价值。1．发酵工程的基本环节2．发酵罐3．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a．以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。b．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不仅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。a．柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得。b．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发酵工程可以生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。②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应用实例a．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。b．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。c．未来甚至还可能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a．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。b．类型：常见的有根瘤菌肥和固氮菌肥等。②生产微生物农药a．原理：微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害。b．实例：苏云金杆菌可以用来防治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a．单细胞蛋白：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。b．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极端微生物的利用，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。判断正误(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯()(2)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()(3)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()(4)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()(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌()答案(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×提示(1)发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。(3)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。(4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，且废弃物对环境污染小，容易处理。(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。任务：发酵工程基本环节分析及应用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：能在低成本的培养基上生长，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；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。2．需要控制发酵条件的原因：环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。3．在产物分离和提纯方面，与传统发酵技术相比，发酵工程的改进之处：传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，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。在发酵工程中，如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。4．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。5．与传统的手工发酵相比，在啤酒的工厂化生产中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？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。啤酒的工业化生产流程其中酵母菌的繁殖、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，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，才能形成澄清、成熟的啤酒。1．(多选)(2023·山东，20)果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产相比，共同点有()A．都利用了酵母菌无氧呼吸产生酒精的原理B．都需要一定的有氧环境供发酵菌种繁殖C．发酵前都需要对原料进行灭菌D．发酵结束后都必须进行消毒以延长保存期答案AB解析二者均利用了酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的原理，A符合题意；发酵前期，均需要一定的有氧环境，使酵母菌大量繁殖，B符合题意；果酒的家庭制作不需要对原料进行灭菌，C不符合题意；果酒的家庭制作结束后不需要进行消毒，D不符合题意。2．下列有关发酵工程的叙述，正确的是()A．单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质B．可通过诱变育种、基因工程等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养C．发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵D．通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等答案B解析单细胞蛋白是指利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，A错误；工程菌多为原核生物，可通过诱变育种、基因工程等方法，选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养，B正确；传统发酵技术和现代发酵工程最大的相同之处是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产，C错误；通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH等的控制，D错误。课时对点练[分值：100分]第1～12题，每题6分，共72分。题组一发酵工程的基本环节1．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．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径答案C解析发酵工程的基本环节包括菌种选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面，其中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细菌数目、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；在发酵工程的发酵环节中，发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径，D错误。2．(2023·沧州高二检测)通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下列有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是()A．配制高浓度营养物质的培养基，会使谷氨酸棒状杆菌大量繁殖B．用一般的过滤、沉淀等方法无法将谷氨酸从培养液中分离提取出来C．排出发酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和产量的提高D．发酵液pH呈碱性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺答案B解析谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，培养基中营养物质的浓度要合适，若浓度过高，不利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，A错误；谷氨酸是小分子物质，单纯的过滤、沉淀等方法不能将谷氨酸从培养液中分离提取出来，B正确；谷氨酸发酵过程中，当谷氨酸合成量过多时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而使谷氨酸的合成过程中断，因此需要及时地排出谷氨酸，才可以解除此抑制作用，有利于谷氨酸的合成和产量的提高，C错误；谷氨酸发酵过程中，当发酵液的pH为酸性时，谷氨酸棒状杆菌易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，D错误。3．(2023·苏州高二月考)下列有关发酵工程基本环节的叙述中，不合理的是()A．由于工业发酵罐所需接入的菌种总体积一般都比较大，所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养B．在菌种确定之前，要先制备好培养基C．发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种D．如果发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品答案B解析培养基要在菌种确定之后，再选择原料制备。而且在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。4．(2024·石家庄高二期中)发酵工程可实现发酵产品的大规模生产，如图为发酵工程的基本环节，下列相关叙述正确的是()A．①②可以是诱变育种或基因工程育种B．开始发酵后就不能再往发酵罐内添加营养物质，避免杂菌污染C．产物浓度的检测必须在发酵结束后进行D．发酵条件为室温和近中性的pH等答案A解析在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，同时要严格控制发酵条件，B、C错误；不同微生物的最适温度和pH有所不同，因此不同发酵过程需控制的温度和pH也有所不同，D错误。题组二发酵工程的应用5．与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列叙述错误的是()A．传统发酵技术多是混合菌种发酵，发酵工程一般为纯种发酵B．通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白C．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身D．发酵工程通常可以采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的产品答案B解析单细胞蛋白是指以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废料等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，而并非微生物的代谢物，B错误。6．(2024·南京高二检测)下列关于发酵工程在食品工业上的应用的叙述，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B解析食品添加剂不仅可以改善食品的口味，还能增加食品的营养，B错误。7．近年来，在农牧业生产上，微生物肥料、微生物农药和微生物饲料得到广泛应用。下列相关叙述错误的是()A．微生物肥料是利用微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等发挥作用B．微生物农药指的是微生物的代谢物，而不是微生物本身C．微生物饲料主要是利用微生物大量繁殖产生的高蛋白菌体来生产饲料的D．单细胞蛋白被作为饲料使用，是因为微生物的蛋白质含量高，繁殖快答案B解析微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，B错误。8．(2024·衡水高二期中)下列关于发酵工程应用的说法，正确的是()A．食品添加剂可以改善食品的色、香、味，使用时应尽量多添加B．利用放线菌产生的井冈霉素防治水稻枯纹病是化学防治的有效手段C．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，同时提高动物免疫力D．一些极端微生物已应用于生产实践，例如，嗜热菌有助于提高热敏性产品的产量答案C解析食品添加剂过量使用会对人体健康造成影响，甚至危及生命，不能过量使用，A错误；利用放线菌通过发酵工程产生的井冈霉素防治水稻枯纹病，属于生物防治，B错误；自然界中还存在着一定数量的极端微生物，其中一些极端微生物已应用于生产实践，例如，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，D错误。9．(2022·山东，14)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是()A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖B．可用深层通气液体发酵技术提高产量C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌答案D解析青霉菌处于葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确；青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确；选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确；为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D错误。10．(多选)某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述正确的是()A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大C．正常发酵过程中罐内的压力会低于大气压D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵答案AD解析果酒发酵的适宜温度为18～30℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此发酵过程中不需要通入空气，B错误；无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C错误；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。11．(多选)(2022·山东，20改编)啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是()A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵D．在菌种选育上，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短发酵周期答案ACD解析焙烤是为了加热杀死大麦种子胚，但不使淀粉酶失活，不是利用高温进行灭菌，B错误。12．(多选)(2024·邯郸高二期中)下列对发酵工程应用的叙述，错误的是()A．发酵工程的产品只能是微生物的代谢物B．谷氨酸发酵生产中，要将pH严格控制在中性或弱酸性C．从某些微生物中分离出的抗生素，可以作为微生物农药用于防治作物疾病D．发酵工程生产的微生物肥料可能抑制土壤中病原微生物的生长答案AB解析发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，产品不同，分离的方法也不同，A错误；谷氨酸发酵生产中，在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，B错误；有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生，D正确。13．(14分)(2023·镇江高二检测)青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如图所示。请据图分析回答下列问题：(1)培育青霉素高产菌株的育种方法是__________，过程①②属于发酵工程的____________环节，其主要目的是_______________________________________________________________。(2)过程③不能用化学药物进行灭菌处理，原因是_____________________________________。(3)发酵过程中必须严格控制好______________________________(至少答出3点)等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测______________________(至少答出2点)等，以了解发酵进程。(4)过程④常用的方法是________。答案(1)诱变育种扩大培养快速增加菌种的数量(2)残留在培养基中的化学药物会抑制青霉菌的生长繁殖(3)温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质微生物数量、产物浓度(4)过滤14．(14分)(2024·南阳高二联考)啤酒是以大