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第2课时　发酵工程
[学习目标]　1.概述发酵工程的基本过程。2.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。
[素养要求]　1.科学探究：基于对“物质与能量观”的理解，结合恰当的技术和方法，设计和优化发酵流程并展开实践。2.社会责任：关注发酵食品安全等社会议题。
◆ 教材梳理
一．发酵工程的基本过程
核心归纳　发酵工程的基本环节
基本环节 主要方法及目的
选育菌种 选育方法：从自然界中筛选；诱变育种；基因工程育种
扩大培养 快速增加菌种数量
发酵培养基的配制 结合菌种的代谢特点配制培养基，同时考虑取材成本
灭菌 避免因杂菌污染而影响产品品质和产量
接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中
发酵罐内发酵 ①监测并控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；②随时检测培养液中微生物数量、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等
分离、提纯产物 ①若发酵产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；②若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、萃取发酵等方法提取
二 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
①以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌生产酱油。
②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。
① 柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得。
② 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）发展：青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发展。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发展注入了强劲动力。
（2）应用实例
①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。
②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。
③未来甚至还可能利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
①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。
②类型：常见的有根瘤菌肥和固氮菌肥等。
（2）生产微生物农药
①原理：微生物农药利用微生物或其代谢产物来防治病虫害。
②实例：苏云金杆菌可用来防治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
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。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。
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（　　）F
（2）菌种扩大培养时，常将菌种接种到固体培养基中培养（　）F
（3）发酵过程中的pH、氧气、温度等影响发酵产物 （　）T
（4）发酵过程中，发酵初期与中晚期，微生物合成的产物是有差别的（ ）T
（5）目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的（　　）F
（6）单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体（　）T
（7）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（　）T
◆习题
题组一　发酵工程的基本过程
1．现代发酵工程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。下列指标无法监测的是（　　）
A．菌体大小 B．pH
C．溶解氧 D．温度
2．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
3．发酵工程的正确操作过程是（　　）
①大型发酵　②发酵培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　⑤菌种的选育　⑥扩大培养　⑦接种
A．⑤②⑥⑦①③④ B．⑤⑥②③⑦①④
C．②⑤③⑦①⑥④ D．⑦⑥⑤②③①④
4．发酵工程的一项关键措施是灭菌，下列关于灭菌的叙述正确的是(　　)
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．通入无菌空气可以达到灭菌的目的 D．pH调到7左右灭菌效果最好
5．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，下列微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是（　　）
①酵母菌　②醋酸菌　③乳酸菌　④谷氨酸棒状杆菌
A．③④ B．①②④
C．①②③ D．②④
6．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究。下列叙述正确的是（　　）
A．为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温
B．给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间
C．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．若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用稀释涂布平板法
题组二　发酵工程的应用
7．下列不属于发酵工程的应用的是（　　）
A．生产抗生素、维生素、药用氨基酸等 B．生产啤酒、果酒和食醋等
C．化学检测和水质监测 D．生产各种各样的食品添加剂
8．单细胞蛋白是指(　　)
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
9．下列关于发酵工程应用的叙述，不正确的是（　　）
A．所有抗生素都是微生物发酵的产物
B．微生物发酵的食品和饮料在生活中比比皆是，其产品的品种多、数量大、产值高
C．近年来，在医药领域开发的酶抑制剂、免疫调节剂等也是微生物发酵的产物或衍生物
D．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
10．以下属于酶制剂的应用的是（　　）
①改进生产工艺　②简化生产过程　③改善产品品质和口味　④延长食品储存期　⑤提高产品产量　⑥增加动物免疫力
A．②③④⑤⑥ B．①②③④⑥
C．①②③④⑤ D．①②③⑤⑥
11．下列关于发酵环境对微生物代谢产物的影响的叙述，不正确的是（　　）
A．酿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
B．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
C．发酵温度不会影响发酵产物
D．酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无氧条件下进行酒精发酵
12．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
13．如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是（　　）
A．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③的菌种
D．对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶②的菌种
14．发酵工程是重要的生物工程技术，可以为人类提供多样的生物产品。发酵工程主要利用的是哪类生物的细胞（　　）
A．动物 B．植物
C．细菌 D．微生物
15．利用农作物秸秆等纤维质原料生产的乙醇，经加工可制成燃料乙醇，从而减少了对石油资源的依赖。下图为生产燃料乙醇的简要流程，据图分析，下列叙述不正确的是（　　）
A．要得到微生物A，最好选择富含纤维素的土壤采集土样
B．图中②过程常用的微生物B是酵母菌
C．微生物A和微生物B可利用的碳源相同
D．可用纤维素酶制剂代替微生物A起作用
16．下列关于发酵工程的叙述，错误的是（　　）
A．发酵工程中的菌种在不同的发酵阶段要求的环境条件是不同的
B．分离或提纯发酵产品是工业发酵制取产品必经的步骤
C．分离后的生物产品还需要进一步提纯，经过质检合格后才能成为产品
D．传统发酵与发酵工业所用菌种、生产技术完全相同
17．下列关于发酵工程的说法不正确的是（　　）
A．发酵过程中要随时检测培养液中的微生物数量
B．发酵过程中要随时检测培养液中的产物浓度
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
18．谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，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。回答下列问题：
（1）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，下列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
（2）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，发酵装置如图所示。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
。
（3）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。
（4）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
。
18答案　（1）ABCE　（2）通气量不足　（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∶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）

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