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选择性必修三 第1章 发酵工程及其应用
一、你从教材上找到的关键性语句：
Ⅰ、发酵工程的基本环节
选育菌种
（1）目的：获得_性状优良的菌种__
（2）菌种来源：从自然界中筛选、_诱变育种__或__基因工程育种__。
（3）实例：筛选产酸量高的黑曲霉 用来生产柠檬酸 ；使用基因工程改造的啤酒酵母 ，加速发酵、缩短生产周期。
2.扩大培养
（1）目的：获得_更多的菌种_。
（2）原因：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行 扩大培养 。
3.配制培养基
①在菌种确定之后，要_选择原料__制备培养基。
②在生产实践中，培养基的配方要经过_反复试验__才能确定。
4.灭菌
（1）灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是_单一菌种_，一旦有杂菌污染，可能导致_产量大大降低_。
（2）_培养基和发酵设备__都必须经过严格的灭菌；
5.接种：将_扩大培养后_的菌种投放到_发酵罐_中。
6.发酵罐内发酵——（发酵工程的中心环节）
（1）要求：
①发酵过程中，要_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__；
②要及时添加_必需的营养物质_，要严格控制_温度_、__pH_和__溶氧量_等发酵条件。
（2）严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖 ，而且影响微生物代谢物的形成 ；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于 最佳 状态。
（3）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在_中性_和__弱碱性__条件下会积累谷氨酸；②在_酸性__条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
（4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
均有_计算机控制系统__，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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__反馈控制_，使发酵全过程处于__最佳状态_；
7.分离、提纯产物
①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用_过滤_、__沉淀_等方法将菌体_分离_和_干燥_；
②发酵产品是代谢物时，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。
8.获得产品
单细胞蛋白、味精等。
Ⅱ、发酵工程的应用
1. 发酵工程的优点：
①生产条件温和 ；②原料来源丰富且价格低廉 ；③产物专一；④废弃物对环境的污染小 和容易处理 。
在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵食品：生产酱油 、酿酒
（2）生产食品添加剂：产酱产产酱酱产酱、增味剂、产酱产酱、增稠剂、防腐剂。
（3）生产酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 。
3.在医药工业上的应用
（1）采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。
（2）直接对菌种进行改造，再通过 发酵技术 大量生产所需要的产品。
4.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥
（2）生产微生物农药：利用 微生物或其代谢物 来防治病虫害。
（3）生产微生物饲料：乳酸菌 饲料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 。
5.在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料 发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
（2）将极端微生物应用于生产实践：极端微生物：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。
二、判断训练：
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。(　　)
谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸应在酸性条件下进行。(　　)
单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。(　　)
如果发酵工程生产的产品是菌体，则菌体分离可采用萃取的方法。(　　)
制作啤酒时，使大麦种子发芽是为了让种子释放淀粉酶。(　　)
通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。( )
发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。( )
发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。( )
在发酵过程中，通过加料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量。( )
发酵工程可以利用原材料中含有的菌种。( )
发酵工程的菌种可以来自诱变育种。( )
三、边练边讲
练习1：发酵工程及其应用
1．发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述错误的是(　　)
A．发酵设备和培养基需要严格灭菌
B．要随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程
C．在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养组分
D．要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
2．(多选)下列关于发酵工程的说法，错误的是(　　)
A．环境条件中只有温度、pH的变化影响微生物的代谢途径
B．发酵罐中代谢产物的形成与搅拌速度有关
C．培养液中溶解氧量的变化会影响酵母菌的繁殖和代谢途径
D．菌种扩大培养的目的是使菌种优化
E．发酵工程产品主要是指微生物的代谢物和菌体本身
F．可以通过人工诱变选育新菌株
G．培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌
H．环境条件的变化既影响菌种的生长繁殖又影响菌体代谢物的形成
3．在发酵过程中，可以通过下列哪一组方法实现对溶解氧的控制(　　)
①添加酸或碱 ②调节通气量 ③调节搅拌速度 ④添加缓冲剂
A．①② B．①④ C．②③ D．①②④
4．如图为谷氨酸发酵装置图。请据图回答下列问题：
(1)图中3、6是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动的作用是__________。
(2)谷氨酸发酵液的pH应控制在7～8，随着代谢产物的积累，发酵液pH变化趋势是________，控制办法是________。
(3)如果在4处直接通入空气，谷氨酸产量会________，原因是________________________________。
(4)若利用此发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是(　　)
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不会低于大气压
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
5．(多选)为了改善食品品质和色、香、味及防腐与加工工艺的需要，人们在食品中加入一些化学合成或天然物质，这类物质被称为食品添加剂，下列有关叙述正确的是(　　)
A．许多食品添加剂可以通过发酵工程生产，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得
B．食品工业中，常用的着色剂有β－胡萝卜素、红曲黄色素等
C．食品工业中，用来延长食品保质期的乳酸链球菌素、溶菌酶可通过发酵工程生产
D．食品添加剂不能增加食品的营养
6．如图为某啤酒厂的生产工艺流程，回答下列问题：
(1)过程①的目的有两个，一是破坏细胞结构释放出________，从而增加可溶性糖的含量；二是杀死胚，从而减少可溶性糖的消耗。
(2)过程②的目的是__________________。
(3)酒花可使啤酒具有独特的苦味和香气，并具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有____________________________(至少答出2点)。
(4)过程④控制的气体条件是________。该过程可通过检测______________ ________________________________________________________________来了解发酵进程。
(5)未经过程⑤分装的啤酒称为“生啤”或“鲜啤”，经过程⑤并且过滤、消毒、调制后的啤酒为“熟啤”。你认为保质期较长的是________(填“生啤”或“熟啤”)，更容易引起部分人发生肠道过敏反应的是________(填“生啤”或“熟啤”)，原因是__________________________________________________ ___________________________________________________________________。
讲解1：发酵工程及其应用
1、发酵罐示意图及各结构的主要用途
装置编号 主要用途
A1、A2、A3 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
A4 控制溶解氧(无菌、根据微生物代谢类型调控)
B1、B2、B3、 B4、B5 通过肉眼观察、仪器监测等监控发酵条件以及发酵进程，B2处抽取样本进行进一步监测
C1、C2 通过控制冷水流速调节罐温
C3 调节罐压
D1、D2 电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气的溶解以及散热
2、影响发酵过程的因素及相应的调节和控制方法
(1)温度
①影响因素：微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。
②方法：用冷却水进行温度的调节。
(2)pH
①影响因素：pH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。
②方法：在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。
(3)溶解氧
①对于需氧型微生物，发酵过程要保证充足的溶解氧；对于厌氧型微生物，要保证严格的无氧环境。
②方法：利用发酵罐的空气入口控制氧气的量。
(4)菌种：
①每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。
②方法：进行筛选，或通过诱变、基因工程等手段获得。
③优良的菌种不仅具有健壮，不易退化 ，其发酵产品的 产量高、质量稳定 等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此 菌种选育 环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
(5)纯种发酵与灭菌：
①现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。
②方法：灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。
(6)发酵培养基：
①现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基除了满足微生物细胞生长、繁殖的需要，还必须有利于微生物大量合成所需的产物。
②方法：培养基的合理组成十分关键。
3、选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
⑴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；
⑵遗传性能要相对稳定；
⑶菌种改造的可操作性要强；
⑷抗噬菌体及杂菌污染能力强；
⑸发酵条件如温度、pH、溶解氧、泡沫等易控制。
4、对发酵工程基本环节的几点分析
(1)扩大培养过程：
生产用菌种种子培养罐……―→足够菌种
(反复多次)
(2)接种：将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中。
(3)分离、提纯产物在产物的初分离阶段，常采取沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。

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