高中生物 第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 第1節(jié) 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用導(dǎo)學(xué)案(新人教版)選修2

1、第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 第1節(jié) 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用核心解讀1.制作饅頭時(shí)，面團(tuán)放置時(shí)間長(zhǎng)，做出的饅頭有酸味的原因大規(guī)模生產(chǎn)的饅頭是采用活性干酵母為發(fā)酵菌種。首先將活性干酵母與適當(dāng)?shù)乃旌希瞥删鷳腋∫?，再與面粉混合形成面團(tuán)，放置一定時(shí)間使酵母增殖發(fā)酵，然后制成小面團(tuán)蒸制成饅頭。利用活性干酵母進(jìn)行面團(tuán)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)是：因加入的面包酵母在面團(tuán)中占有菌種優(yōu)勢(shì)，其他微生物占有很少的比例，可以保證發(fā)酵的質(zhì)量。如果發(fā)酵面團(tuán)放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，被其他微生物，如乳酸菌或其他產(chǎn)酸菌污染，面團(tuán)就會(huì)變酸，使蒸制的饅頭有酸味。家庭發(fā)面蒸制饅頭采用的是自然發(fā)酵，在和面時(shí)沒(méi)有加入菌種，而是利用在面粉和水中存在的微生物進(jìn)行發(fā)酵。在面

2、團(tuán)中能夠自然生長(zhǎng)繁殖的微生物很多，因此，自然面團(tuán)發(fā)酵是混合菌發(fā)酵。在這些微生物中就有產(chǎn)酸微生物，面團(tuán)發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生酸，因此需要加入堿進(jìn)行中和，再蒸制成饅頭。如果發(fā)酵面團(tuán)留下一些，作為下一次發(fā)酵的“面引子”，經(jīng)過(guò)多次的這樣接種式發(fā)酵，面團(tuán)中的微生物會(huì)因生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)而逐漸“純化”，雜菌逐漸減少，使面團(tuán)中的微生物主要成為乳酸菌。因?yàn)槿樗峋l(fā)酵產(chǎn)酸，因此，如果放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)再蒸，就可能帶酸味。2.食品與經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑的關(guān)系喜蛋、糖果、餅干、果凍等添加了紅曲色素，以調(diào)節(jié)色澤；果汁、餅干、面包、點(diǎn)心、方便面等添加了黃原膠，起懸浮、穩(wěn)定、增稠、改善口感、防止粘牙、延長(zhǎng)儲(chǔ)存期等作用；各類罐頭，包括蔬菜、水果、蘑

3、菇、魚類、肉類、蛋類罐頭，香腸，包裝奶等添加了乳鏈桿菌肽，以保鮮、防腐，降低殺菌強(qiáng)度，保存營(yíng)養(yǎng)和改善口感等；各種果汁、啤酒和飲料中均需使用檸檬酸或乳酸作為酸味劑調(diào)節(jié)口味、口感；飯店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鮮味。可以說(shuō)市場(chǎng)上出售的各類食品均加有各種食品添加劑，其中約70%80%的食品添加劑是用發(fā)酵法或發(fā)酵產(chǎn)生的酶加工生產(chǎn)的。3.發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，有哪些因素會(huì)影響發(fā)酵效果？菌種直接從自然界分離到的微生物不一定具有生產(chǎn)特定產(chǎn)物的能力，需要在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)幾百株、數(shù)千株微生物進(jìn)行篩選。即使得到了產(chǎn)生特定產(chǎn)物能力的菌株，其生產(chǎn)能力和性能也不見得能夠滿足生產(chǎn)的需要，還需要經(jīng)過(guò)誘變選育得到高

4、產(chǎn)、性能優(yōu)良的菌種。即使利用基因工程構(gòu)建的具有特殊生產(chǎn)能力的工程菌，都還要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)研究，全面了解產(chǎn)生產(chǎn)物的規(guī)律、影響菌株產(chǎn)生產(chǎn)物的各種因素和它們之間的關(guān)系以及控制的辦法，并在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行驗(yàn)證和擴(kuò)大規(guī)模的驗(yàn)證，才能夠用于生產(chǎn)。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上有了優(yōu)良的生產(chǎn)菌種還不夠，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧┨峁┳銐蛄康姆N子。發(fā)酵培養(yǎng)基現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，多采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖的需要，因?yàn)闆](méi)有大量的細(xì)胞就不可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)物；但是細(xì)胞的過(guò)分生長(zhǎng)會(huì)消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物，有時(shí)又會(huì)影響細(xì)胞的生產(chǎn)能力，會(huì)使產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產(chǎn)

5、物。因此，培養(yǎng)基的組成十分關(guān)鍵。純種發(fā)酵與滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用純種發(fā)酵，可以保證高產(chǎn)及生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵，它會(huì)使發(fā)酵失敗，造成巨大損失。因此，滅菌和無(wú)菌操作成為發(fā)酵工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響溫度主要是通過(guò)影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性來(lái)影響微生物的生命活動(dòng)。一方面，隨著溫度的升高，細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)速度加快；另一方面，隨著溫度的進(jìn)一步增高，生物活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸等）發(fā)生變性，細(xì)胞功能下降，甚至死亡。所以，每種微生物都有個(gè)最適生長(zhǎng)溫度。pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響培養(yǎng)基的pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響主要是引起細(xì)胞膜電荷變化，以及影響營(yíng)養(yǎng)物離子化程度，從而影響

6、微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收；pH也會(huì)影響生物活性物質(zhì)，如酶的活性。溶解氧的影響工業(yè)上大部分為好氧發(fā)酵，如抗生素、氨基酸、維生素、多糖、有機(jī)酸（細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸例外）等發(fā)酵均需要往發(fā)酵液中通入無(wú)菌空氣，以滿足微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程對(duì)氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細(xì)菌發(fā)酵為厭氧發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程不需要氧。微生物在不同發(fā)酵階段，因其生長(zhǎng)、代謝水平的變化，對(duì)氧的需求量也有變化，因此，控制發(fā)酵液的溶氧可以達(dá)到提高生產(chǎn)水平的目的。發(fā)酵液中溶解氧濃度可以通過(guò)控制通氣量、罐壓、攪拌速度等控制氧的溶解速度和濃度。可以看出，發(fā)酵過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境的物理和化學(xué)條件十分敏感，任何一種微生物發(fā)酵均需要適當(dāng)?shù)臏囟?、pH、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)

7、物等，保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功獲得高產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵。題例領(lǐng)悟題型一發(fā)酵過(guò)程應(yīng)控制的條件【例題1】發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程中，使溫度升高的熱量來(lái)源于（）冷卻水供應(yīng)不足微生物代謝培養(yǎng)基不新鮮攪拌放料口排出產(chǎn)物A.B.C.D.解析：首先從題目要求來(lái)分析，要求找出使發(fā)酵罐溫度升高的熱量來(lái)源，其來(lái)源有兩個(gè)：一是微生物代謝產(chǎn)生的（呼吸作用）熱量；二是攪拌器不斷地?cái)嚢璁a(chǎn)生的熱量。散熱的途徑主要是冷卻水。答案：D反思感悟微生物的呼吸作用產(chǎn)生微生物生命活動(dòng)所必需的能量ATP，同時(shí)也釋放了大量的熱能，使發(fā)酵罐溫度升高，再就是攪拌器不斷地?cái)嚢枘Σ辽鸁?。發(fā)酵過(guò)程應(yīng)該控制溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沬和營(yíng)養(yǎng)等。題

8、型二發(fā)酵工程的產(chǎn)品【例題2】下列不需要利用發(fā)酵工程的是（）A.生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料B.通過(guò)生物技術(shù)培育可移植的皮膚C.利用工程菌生產(chǎn)胰島素D.工廠化生產(chǎn)青霉素解析：生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)微生物菌體本身的過(guò)程。利用工程菌生產(chǎn)胰島素是利用發(fā)酵工程大量生產(chǎn)胰島素。工廠化生產(chǎn)青霉素也是利用發(fā)酵工程大量生產(chǎn)。生物技術(shù)培育可移植的皮膚是利用細(xì)胞工程的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生可移植的皮膚。答案：B反思感悟發(fā)酵工程應(yīng)用已非常廣泛，現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸等，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物。隨堂訓(xùn)練1.發(fā)酵工程的中心階段是（）A.菌種的選育B.擴(kuò)大培養(yǎng)的接種C.發(fā)酵

9、過(guò)程D.分離提純答案：C2.在谷氨酸培養(yǎng)過(guò)程中，必須不斷地調(diào)整培養(yǎng)液的pH，原因是（）谷氨酸發(fā)酵的最適pH是7.08.0在發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液pH會(huì)發(fā)生變化當(dāng)pH呈酸性時(shí)，谷氨酸的產(chǎn)量會(huì)下降不調(diào)節(jié)pH，培養(yǎng)液中生成的谷氨酸會(huì)變成其他物質(zhì)A.B.C.D.答案：B3.溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響，不正確的是（）A.溫度過(guò)高，發(fā)酵周縮短，產(chǎn)量降低B.溫度不影響生物合成的途徑C.溫度能影響菌種對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收D.菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同解析：解答此題需從如下四方面分析：第一，發(fā)酵過(guò)程需要適宜的溫度，如果溫度過(guò)高，酶很快失活，菌體衰老，發(fā)酵周期就會(huì)縮短，產(chǎn)量也會(huì)降低；第二，溫度能影響生物合成的途徑，這是因?yàn)樯锖铣蛇^(guò)程需要酶，不同酶的活性與溫度有關(guān)；第三，菌種吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，多數(shù)是主動(dòng)運(yùn)輸需要呼吸作用提供能量，這與溫度有關(guān)；第四，菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成，體內(nèi)旺盛的代謝作基礎(chǔ)，而用于生長(zhǎng)繁殖和代謝產(chǎn)物生