新教材適用2023-2024學(xué)年高中生物第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用學(xué)案新人教版選擇性必修3

第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用課標(biāo)要求1．概述發(fā)酵工程及其基本環(huán)節(jié)。2．說明發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價值。核心素養(yǎng)1．科學(xué)思維——發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析。2．社會責(zé)任——認(rèn)同發(fā)酵工程是在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵食品、藥物等的工業(yè)化生產(chǎn)，極大地改善了人們的生活。知識點(diǎn)一發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)基礎(chǔ)知識·雙基夯實(shí)發(fā)酵工程一般包括_菌種的選育__，擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、_滅菌__，接種，__發(fā)酵__，產(chǎn)品的分離、提純等方面。1．選育菌種：性狀優(yōu)良的菌種可以從_自然界__中篩選出來，也可以通過_誘變育種__或_基因工程育種__獲得。2．?dāng)U大培養(yǎng)：工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，因此在發(fā)酵之前還需要對菌種進(jìn)行_擴(kuò)大培養(yǎng)___。3．配制培養(yǎng)基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過_反復(fù)試驗(yàn)__才能確定。4．滅菌：發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，_培養(yǎng)基__和_發(fā)酵設(shè)備__都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。5．接種：擴(kuò)大培養(yǎng)的菌種和滅菌后的__培養(yǎng)基__加入發(fā)酵罐中。大型發(fā)酵罐有計算機(jī)控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測和控制。6．發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：在發(fā)酵過程中，要隨時檢測培養(yǎng)液中的_微生物數(shù)量__、_產(chǎn)物濃度__等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時添加必需的_營養(yǎng)組分__，要嚴(yán)格控制_溫度__、_pH__和溶解氧等發(fā)酵條件。7．分離、提純產(chǎn)物：如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用_過濾__、_沉淀__等方法將菌體分離和干燥得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)腳提取__、_分離__和_純化__措施來獲得產(chǎn)品?；顋學(xué)|巧|練1.發(fā)酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。(×)2．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是選育菌種。(×)3．發(fā)酵工程中要對培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，發(fā)酵設(shè)備不用滅菌。(×)合|作|探|究1.利用酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵過程中為什么要“先通氣后密封”？提示：“通氣”的目的是使酵母菌進(jìn)行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。2．啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎？提示：醋酸菌是一種好氧菌，若發(fā)酵罐密封不嚴(yán)，酒精就會在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)橐宜?。課內(nèi)探究·名師點(diǎn)睛1．對發(fā)酵工程概念的理解原理發(fā)酵原理和工程學(xué)原理所用生物常規(guī)菌種、基因工程改造的“工程菌”菌種、誘變育種獲得的菌種等過程實(shí)質(zhì)利用微生物進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)物通過微生物的大量繁殖獲得所需產(chǎn)品、次生代謝物和菌體本身2.發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析典例1某高校采用下圖所示的發(fā)酵罐進(jìn)行葡萄酒主發(fā)酵過程的研究，下列敘述錯誤的是(B)A．夏季生產(chǎn)果酒時，常需對罐體進(jìn)行降溫處理B．乙醇為揮發(fā)性物質(zhì)，故發(fā)酵過程中空氣的進(jìn)氣量不宜太大C．正常發(fā)酵過程中罐內(nèi)的壓力不會低于大氣壓D．可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵解析：A對：利用酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵時，一般將溫度控制在18～30℃，因此夏季生產(chǎn)果酒時，需要對發(fā)酵罐體進(jìn)行降溫處理。B錯：發(fā)酵過程中，進(jìn)氣口閥門應(yīng)該關(guān)閉，以保證發(fā)酵罐的無氧環(huán)境，使酵母菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精。C對：正常發(fā)酵過程中，由于酵母菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生CO2，所以發(fā)酵罐內(nèi)的壓力增大，高于大氣壓。D對：葡萄酒的發(fā)酵過程消耗葡萄糖，所以可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵。變式訓(xùn)練?發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，其生產(chǎn)流程如圖所示。結(jié)合賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實(shí)際，下列說法錯誤的是(D)A．①為誘變育種，②為提取、分離和純化等B．賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)過程中為使產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，可及時添加必需的營養(yǎng)組分C．由于賴氨酸或谷氨酸的發(fā)酵菌種為好氧菌，在生產(chǎn)過程中常需增加通氧量D．人工控制微生物代謝的唯一措施是控制生產(chǎn)過程中的各種條件解析：由題意分析可知，圖中①為誘變育種，②為提取、分離和純化，A正確；為了提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，可及時添加必需的營養(yǎng)組分，B正確；由于賴氨酸或谷氨酸的發(fā)酵菌種為好氧菌，因此在生產(chǎn)過程中常需增加通氧量，C正確；人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物遺傳特性(即選育菌種)、控制生產(chǎn)過程中的各種條件(即發(fā)酵條件)等，D錯誤。知識點(diǎn)二發(fā)酵工程的應(yīng)用基礎(chǔ)知識·雙基夯實(shí)1．在食品工業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如_醬油、各種酒類__。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如通過_黑曲霉__發(fā)酵制得的檸檬酸，由_谷氨酸棒狀桿菌__發(fā)酵生產(chǎn)的味精。(3)生產(chǎn)酶制劑，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。2．在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用_基因__工程、__蛋白質(zhì)__工程等的廣泛應(yīng)用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力。3．在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的_有機(jī)酸__、_生物活性物質(zhì)__等來增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長，常見的有_根瘤菌肥__、_固氮菌肥__等。(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。微生物農(nóng)藥是利用_微生物__或_其代謝物__來防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為_生物防治__的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的_可持續(xù)發(fā)展__方面發(fā)揮越來越重要的作用。(3)生產(chǎn)微生物飼料。微生物含有豐富的_蛋白質(zhì)__。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即_單細(xì)胞蛋白__，用單細(xì)胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。4．在其他方面的應(yīng)用發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決_糧食__、_環(huán)境__、_健康__和_能源__等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻(xiàn)?；顋學(xué)|巧|練1.利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲害屬于化學(xué)防治。(×)2．微生物飼料主要是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)的微生物的菌體。(√)合|作|探|究1.微生物肥料使作物增產(chǎn)的原理是什么？提示：微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)能增進(jìn)土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物生長。2．微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林害蟲的原理是什么？提示：微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。課內(nèi)探究·名師點(diǎn)睛1．啤酒發(fā)酵的過程及內(nèi)容2．“精釀”啤酒與“工業(yè)”啤酒的區(qū)別典例2食品工業(yè)是微生物最早開發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域，利用發(fā)酵過程生產(chǎn)的食品比比皆是，下列有關(guān)敘述錯誤的是(B)A．黑霉菌產(chǎn)生的蛋白酶可以將大豆中的蛋白質(zhì)分解成肽和氨基酸B．利用谷物釀制白酒時，酵母菌只需要進(jìn)行無氧呼吸即可，所以整個發(fā)酵過程需要隔絕空氣進(jìn)行C．利用乳酸鏈球菌可以提取乳酸鏈球菌素制作防腐劑D．味精的生產(chǎn)需要谷氨酸棒狀桿菌經(jīng)過發(fā)酵先產(chǎn)生谷氨酸解析：酵母菌是兼性厭氧微生物，在發(fā)酵初期，需要向發(fā)酵罐內(nèi)通氣，促進(jìn)酵母菌大量繁殖，增加酵母菌菌種數(shù)量，之后再進(jìn)行密閉，有利于酵母菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精。變式訓(xùn)練?我國是世界上啤酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國。啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的。啤酒生產(chǎn)需經(jīng)過制麥、糖化、發(fā)酵等主要環(huán)節(jié)。糖化主要是將麥芽中的淀粉等有機(jī)物水解為小分子的過程。主要工藝流程如圖所示，下列關(guān)于啤酒發(fā)酵的敘述，錯誤的是(A)A．糖化采用的溫度越高，淀粉水解速度越快B．啤酒中的酒精是糖類經(jīng)酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物C．在釀造啤酒過程中，酵母菌進(jìn)行了有氧呼吸和無氧呼吸D．酵母不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等將淀粉轉(zhuǎn)化成酵母可利用的糖解析：糖化采用的溫度適宜，淀粉水解速度快，如果溫度過高，酶失活反應(yīng)速度下降，A錯誤；酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生酒精和二氧化碳，故啤酒中的酒精是糖類經(jīng)酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，B正確；在釀造啤酒過程中，酵母菌開始進(jìn)行有氧呼吸繁殖增加數(shù)量，后酵母菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精，C正確；酵母菌細(xì)胞呼吸的底物為葡萄糖，不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等將淀粉轉(zhuǎn)化成酵母菌可利用的糖，D正確。傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵在很多方面存在差異，總結(jié)如下：項(xiàng)目傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵概念直接利用原料中存在的天然微生物或前一次發(fā)酵保存下來的面團(tuán)、鹵汁等發(fā)酵物中的微生物進(jìn)行發(fā)酵、制作食品的技術(shù)利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品菌種來源來源于空氣、蔬菜、面團(tuán)發(fā)酵物等，菌種不純選育的純菌種，可從自然界中分離，也可利用工程技術(shù)改造獲得過程無菌種選育、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種，無嚴(yán)格的滅菌等菌種選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵、產(chǎn)品的分離和提純發(fā)酵條件控制通過微生物自身的代謝調(diào)節(jié)pH，通過充氣口、排氣口及其他人工措施調(diào)節(jié)溶解氧通過計算機(jī)控制系統(tǒng)，對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧等進(jìn)行監(jiān)測和控制應(yīng)用果酒、果醋的制作，腐乳、泡菜的制作等應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等典例3下列有關(guān)傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵的描述，正確的是(B)A．傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵都需要進(jìn)行嚴(yán)格的無菌操作，防止雜菌的污染，如都要進(jìn)行培養(yǎng)液的滅菌B．傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)對發(fā)酵條件的控制主要通過人工控制，而現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵對發(fā)酵條件的控制是通過計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)測和控制C．制作泡菜的菌種是人工接種的純的乳酸菌菌種D．果酒制作、果醋制作以及腐乳的制作等都屬于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵解析：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵都要進(jìn)行無菌操作，但傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)防止發(fā)酵液污染的措施主要是進(jìn)行有關(guān)發(fā)酵裝置的消毒，滅菌不是很嚴(yán)格，傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)利用的是原料中存在的微生物，培養(yǎng)液是不能滅菌的，A項(xiàng)錯誤；傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)對發(fā)酵條件的控制主要是通過人工控制的，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵對發(fā)酵條件的控制是通過計算機(jī)系統(tǒng)自動進(jìn)行監(jiān)測和控制的，B項(xiàng)正確；制作泡菜屬于傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用，菌種來源于附著在原材料上的天然的乳酸菌，不需要接種，C項(xiàng)錯誤；果酒制作、果醋制作以及腐乳制作屬于傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用，D項(xiàng)錯誤。學(xué)|霸|記|憶1.性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。2．發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一菌種。3．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵。4．如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物菌體可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥得到產(chǎn)品；如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物的代謝物可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產(chǎn)品。5．發(fā)酵工程的產(chǎn)品主要包括微生物的代謝產(chǎn)物、酶及微生物的菌體。1．下列關(guān)于通過發(fā)酵工程生產(chǎn)谷氨酸的敘述，正確的是(C)A．發(fā)酵時常采用的培養(yǎng)基為固體天然培養(yǎng)基B．從自然界分離的野生型菌株可直接用于生產(chǎn)C．當(dāng)菌體生長進(jìn)入穩(wěn)定期時，補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)可提高谷氨酸的產(chǎn)量D．酵母菌和谷氨酸棒狀桿菌在發(fā)酵產(chǎn)生產(chǎn)品時需提供空氣或氧氣解析：通過發(fā)酵工程生產(chǎn)谷氨酸時所用的培養(yǎng)基通常由豆餅的水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、氧化鉀、硫酸鎂、生物素等配制而成，呈液體狀態(tài)，因此是液體天然培養(yǎng)基，A錯誤；從自然界分離的野生型菌株產(chǎn)量一般都比較低，不能滿足工業(yè)上的需要，通常要用人工誘變的方法處理菌種，使其產(chǎn)生突變，再從中篩選出符合要求的優(yōu)良菌種才能用于生產(chǎn)，B錯誤；當(dāng)菌體生長進(jìn)入穩(wěn)定期時，要及時補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)(或循環(huán)培養(yǎng))以滿足菌體的營養(yǎng)需求，提高谷氨酸的產(chǎn)量，C正確；酵母菌在發(fā)酵產(chǎn)生酒精時為無氧條件，D錯誤。2．下列關(guān)于發(fā)酵工程的應(yīng)用的說法，正確的是(C)A．食品添加劑由于可以增加食品營養(yǎng)，改善食品的色、香、味，還可延長保存期，使用時應(yīng)盡量多添加B．加酶洗衣粉使用時用沸水洗滌效果最好C．在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，同時提高動物免疫力D．與使用化學(xué)農(nóng)藥相比，使用微生物農(nóng)藥具有成本高、見效快、無污染的特點(diǎn)解析：食品添加劑過量使用會對人體健康造成影響，甚至危及生命，不能過量使用，A項(xiàng)錯誤；加酶洗衣粉中酶制劑在最適溫度下活性最高，沸水條件使酶失活，洗滌效果較差，B項(xiàng)錯誤；在青貯飼料中添加乳酸菌，通過乳酸菌的發(fā)酵，可以提高飼料品質(zhì)，使飼料保鮮，同時提高動物免疫力，C項(xiàng)正確；與使用化學(xué)農(nóng)藥相比，使用微生物農(nóng)藥具有成本低、無污染、見效慢的特點(diǎn)，D項(xiàng)錯誤。3．檸檬酸是一種廣泛應(yīng)用的食品酸度調(diào)節(jié)劑，它可以通過黑曲霉發(fā)酵制得。如圖表示生產(chǎn)檸檬酸的連續(xù)發(fā)酵設(shè)置。(1)根據(jù)物理性質(zhì)，該發(fā)酵過程使用的培養(yǎng)基屬于_液體培養(yǎng)基__。根據(jù)工藝流程可知，黑曲霉的新陳代謝類型屬于_異養(yǎng)需氧__型。(2)從加料口輸入的培養(yǎng)基必須經(jīng)過嚴(yán)格的_滅菌__處理。根據(jù)圖示可知，發(fā)酵過程需要嚴(yán)格控制_溫度、pH、溶解氧、通氣量__和攪拌速度等條件。(3)在大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)中，需要將選育出的優(yōu)良菌種經(jīng)過多次的_擴(kuò)大培養(yǎng)__，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量后再接種。(4)此工藝流程(連續(xù)培養(yǎng))以一定的速度不斷添加新的培養(yǎng)基