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1、第3节发酵工程及其应用素养要求学习目标.掌握发酵T程的基本环节。1 .理解发酵工程在食品工业、医药工业及其他工农业 生产上有重要的应用价值。1 .科学思维：分析发酵工程基本环节，讨论发酵工程 与传统发酵工程相比其改进之处。2 .社会责任：认同发酵工程的工业化生产极大地改善 了人们的生活。选育菌种一 扩大%养电动机生物传感器 装置口一空气入口温度传感器 和控制装置冷却水 进入u放料管冷却水排出口冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮一、发酵工程的基本环节r梳理教材知识-夯实基础ji.发酵工程的基本环节可以从自然界筛选,也可以通过诱变育种 或基因工程育种获得配制培养基一培养基的配方要经过反复试验才能确定灭菌一
2、培养基和发醛设备都必须严格灭菌现代发酵工程能对发酵过程中的温度、pH、 接种溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养|等进行监测和控制，还可以进行反应控制;发酵一在发酵过程中，要随时检测培养液中的微 生物数量、产物浓度等,还要及时添加必 需的营养组分,要严格控制温度、pH和遴 解氧等发酵条件微生物细胞:采用过速、沉淀等方法将菌体 别离、提纯别离和干燥产物 一代谢物:根降物的性质采取适当的提取、I I别离和纯化措施来获得产品获得产品一2.发酵罐培养物或营养 物质的加入口 观察孔取样管发酵罐示意图解析 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。18.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷
3、氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主 要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。回答以下问 题：我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，以下生物中 与这些菌种在结构上存在明显区别的是（填字母）。A.噬菌体B.人类免疫缺陷病毒（HIV）C.禽流感病毒D.肺炎链球菌E.酵母菌F.硝化细菌G.乳酸菌谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如下图。 某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看， 其原因很可能是 OF一 鲜霜菌气 新培无空F一 鲜霜菌气 新培无空流速控制阀流甘物微生物的
4、连续培养装置谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的，而且还有调 节培养液 的作用，所以应该分次加入。谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气 泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4： 1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3 ： 1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是,由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是答案（l）ABCE （2）通气量缺乏（3）氮源pH（4）异养兼性厌氧型 不断向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4
5、： 1培养一段时间 使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3 ： 1（改变细胞膜的通透性，使谷氨酸迅速排放 到细胞外）辨析易错易混练前清障生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌()谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行()谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N一乙酰谷氨酰胺()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()答案(1)X (2)X (3) J (4)Xr思考延伸拓展-强化素养.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：能在廉价原料制成的培 养基上生长,且大量高效地合成产物；发酵条件如温度、出、溶解氧等易控制;不产生任何 有害的生物活性物质和毒素；遗传
6、性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。1 .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。二、发酵工程的应用梳理教材知识-夯实基础.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,利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。以谷物或水果等为原料,利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。生产各种各样的食品添加剂食品添加剂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。柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得。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。生产酶制剂常用酶制剂有a-淀
7、粉酶、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。1 .在医药工业上的应用开展：置霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和开展。之后，发酵 工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等的生产领域。近些年来， 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开展注入了强劲动力。应用实例生长激素释放抑制激素最初从钿中提取，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。将乙型肝炎病毒的抗原
8、基因转入酵母菌,再通过发酵生产乙型肝炎疫苗。未来甚至还可能利用微生物来生产过去只能从植物中别离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化 合物。2 .在农牧业上的应用生产微生物肥料作用：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。类型：常见的有根瘤菌肥和固氮菌肥等。生产微生物农药原理：微生物农药利用微生物或其代谢产物来防治病虫害。实例：苏云金杆菌可用来防治跄多种农林虫害，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一井冈霉素可以用于防治水稻枯纹病。生产微生物饲料以淀粉
9、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， 即单细胞蛋白。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；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。另外，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。3 .在其他方面的应用利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。极端微生物利用，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。I辨析易错易混练前清障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()目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的()现在已经可以
10、通过微生物生产紫杉醇()(4)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体()发酵工程在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面作出了越来越大的贡献()答案(l)x (2)X (3)X (4)7 (5) J梳理网络要语必备选育苗种1I扩大培养I配制培养基传统发酵产品食品工业上食品添加剂-醐制剂菌种,灭接发酵工程基本环节医药工业上，一抗生素 氨基酸 激素一免疫调节剂 微生物肥料发酵I别离、提纯产物I获得产品J其他方面农牧业上微生物农药I微生物饲料纤维废料的利用极端微生物的应用1 .发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。2 .发酵工程中使用的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
11、种获得。3 .发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染 小和容易处理等特点。4 .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, 即单细胞蛋白。5 .发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的 重大问题上，作出了越来越大的贡献。随堂演练知识落实1 .发酵工程中关于菌种的选育不正确的选项是（）A.自然界中筛选菌种B.通过诱变育种C.通过有性杂交育种D.采用基因工程育种答案C解析 发酵工程中使用的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 .发酵工程灭菌
12、的目的是（）A.杀死细菌B.杀死真菌C.杀死所有微生物D.加大氮源、碳源的比例答案c解析灭菌是使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物，包括芽施和抱子。3 .别离、提纯产物是制取发酵产品不可缺少的阶段。产品不同，别离、提纯的方法也不同, 对产品的代谢物常采用的措施是（）过滤沉淀 提取别离纯化A.B.C.D.答案D解析 发酵工程的代谢产品可根据产物的性质采取适当的提取、别离和纯化措施来获得产品。4 .以下不属于发酵工程在应用领域的特点是（）A.本钱低B.污染小C.产量高D.产物多样化答案D5 .以下不属于发酵工程在农牧业上的应用的是（）A.生产微生物肥料B.生产微生物农药C.生产微生物饲料D.
13、生产微生物饮料答案D6 .回答以下发酵工程的相关问题：配制好的培养基必须经过灭菌，灭菌是指杀死物体内外所有的微生物，包括 和O常用的方法是 O发酵过程的产物有两类，一类是代谢物，另一类是微生物细胞本身。产品不同，别离、提 纯的方法也不同，对于前者，可根据产物的 采取适当的提取、别离和纯化措施来获得产品；对于后者常用、等方法将菌体别离和。（3）微生物在生命科学研究实践中有着广泛的用途，如作为人类健康第三大杀手的糖尿病的治 疗往往需要大量胰岛素，但是人体胰岛素含量很低，所以其生产中，一般通过基因工程手段, 将化学方法人工合成的胰岛素基因通过载体导入大肠杆菌细胞中，然后通过发酵工程快速生 产大量的胰
14、岛素，以下有关表达不正确的选项是（填字母）。A.快速生产的原因可能是因为大肠杆菌作为微生物，体积小，相对面积大，物质交换速度 快，代谢速率快，生产胰岛素速度也快B.快速生产的原因可能是因为大肠杆菌作为原核生物可以边转录边翻译C.快速生产的原因可能是因为大肠杆菌在繁殖时为无性生殖，繁殖速度快，短时间内可以 培养出大量有产生胰岛素能力的菌种D.大肠杆菌发酵生产的胰岛素无需加工，可以直接应用于临床治疗糖尿病答案胞子芽胞湿热灭菌（2）性质过滤沉淀干燥（3）D课时对点练A组基础对点练】题组一发酵工程的基本环节.以下物质或设备不需要灭菌的是（A.培养基B.发酵设备C.发酵液D.菌种答案D1 .现代发酵工程
15、使用的大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程的一些指标进行监测和控制，以下指标无法监测的是（）A.菌体大小B. pHC.溶解氧D.温度答案A.以下关于发酵工程的说法不正确的选项是（）A.发酵产品是微生物细胞本身时，可采用过滤、沉淀等方法将菌体别离和干燥B.谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下容易形成谷氨酰胺C.发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、别离和纯化措施获得产品D.生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉答案B解析 谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下会容易形成谷 氨酰胺和N一乙酰谷氮酰胺。2 .发酵工程的正确操作过程是（）发酵培养基的配制灭菌产品的别
16、离与提纯菌种的选育接种扩大 培养A.B.C.D.答案B.传统发酵技术和现代发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，以下 微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是（）酵母菌醋酸菌乳酸菌毛霉谷氨酸棒状杆菌A.B.C.D.答案D解析 酿酒是利用酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵的原理，发酵过程不需提供氧气；醋酸 菌是好氧细菌，在氧气充足条件下才能进行醋酸发酵，故需提供氧气；乳酸菌为厌氧菌，无 氧条件下生成乳酸，不需氧气；毛霉为需氧型真核生物，发酵过程需要提供空气或氧气；谷 氨酸棒状杆菌为需氧菌，在生产谷氨酸过程中要不断充入无菌空气。故D正确。题组二发酵工程的应用.单细胞蛋白是指（
17、）A.单个植物细胞培养得到的高纯度蛋白质B.通过发酵获得的大量微生物菌体C.单个细菌细胞分泌的蛋白质D.单个动物细胞培养得到的高纯度蛋白质答案B.目前发酵工程在医药工业上的应用还没有实现的是（）A.生产抗生素B.生产免疫调节剂C.生产激素D.生产紫杉醇答案D解析 紫杉醇、青蒿素前体等化合物目前只能从植物体中别离提取，还不能用微生物来生产。3 .以下属于酶制剂的应用的是（）改进生产工艺 简化生产过程 改善产品品质和口味 延长食品储存期 提高产 品产量增加动物免疫力A.B.C.D.答案C.以下关于发酵工程在食品工业上应用的表达，错误的选项是（）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
18、.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.青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产 品。（注：冷冻干燥抱子：在极低温度（-70 左右）、真空干燥状态下保藏的菌种。米抱子： 生长在小米或大米培养基上的泡子）冷冻干燥抱子-琼脂斜面一米抱子葡萄糖等补料培养基制备种子罐1和2无菌空气据图回答以下问题：（1）目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过 方法选育的。据图可以判断青霉菌的代谢类型是，生殖方式为 O配制培养基
19、时需要将其调节至（填“酸性”“碱性”或“中性”）。种子罐2又叫 繁殖罐，可推测属于发酵工程中的 阶段。发酵罐接种（填“前”或“后”），必须进行灭菌处理。答案（1）诱变育种（人工诱变）异养需氧型他子生殖（2）酸性扩大培养前解析（1）青霉素高产菌株是通过诱变育种获得的，原理是基因突变。青霉菌是需氧型生物， 不能自己制造有机物，故代谢类型为异养需氧型。由图可知，青霉菌的生殖方式为匏子生殖。 （2）培养霉菌时需要将培养基调至酸性。发酵工程包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩 大培养和接种、发酵、产品的别离和提纯等，种子罐又叫繁殖罐，推测属于发酵工程中的 扩大培养阶段。为了防止杂菌污染，发酵罐接种前需
20、要进行灭菌处理。【B组综合强化练】.以下关于发酵工程的说法不正确的选项是（）A.发酵过程中要随时检测培养液的微生物数量B.发酵过程中要随时检测培养液的产物浓度C.发酵过程中不需要再添加营养组分D.发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等答案C解析发酵过程中需要及时添加必需的营养组分。4 .发酵工程中菌种扩大培养的目的是（）A.提供优良菌种B.生产代谢物C.提供足够菌种D.接种的必经程序答案c5 .发酵工程的一项关键措施是灭菌，以下关于灭菌的表达正确的选项是（）A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌B.灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌C.通入无菌空气可以到达灭菌的目的D. pH调到7左右灭菌效果最
21、好答案A解析 培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物，故B错误；为防止杂菌污染，通入的空 气也要是无菌的，但不是通入无菌空气就可以到达灭菌的目的，故C错误；灭菌效果与pH 无直接关系，故D错误。14.以下不属于发酵工程应用的是（）A.生产抗生素、维生素、动物激素、胰岛素、重组乙型肝炎疫苗等B.生产防腐剂、增味剂、着色剂、增稠剂等食品添加剂C.生产用作饲料或食品添加剂的单细胞蛋白D.获取用于产生抗体的动物细胞答案D15 .如下图为面包霉体内合成氨基酸的途径。假设在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基 酸A,应采取的最正确措施是（）砥介酶竺氨基酸A底物些一中间产物二， 彘、氨基酸B 抑制都过量|A.
22、改变面包霉的细胞膜通透性B.在高温高压下进行发酵C.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶的菌种D.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶的菌种答案c16 .以下关于微生物饲料的表达不正确的选项是（不定项X）A.酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂B.用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快C.青贮饲料中添加酵母菌可以提高饲料的品质，使饲料保鲜D.微生物饲料可以抑制病原微生物的生长，减少病害的发生答案CD解析 青贮饲料中添加乳酸菌可以提高饲料的品质，使饲料保鲜；有些微生物肥料可以抑制 土壤中病原微生物的生长，减少病害的发生，微生物饲料没有这方面的作用。17.以下关于发酵工程在其他方面的应用，表达正确的选项是（不定项X）A.利用纤维蛋白废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功B.发酵原料的改变对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义C.嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂D.嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量答案BCD