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第3节 发酵工程及其应用教案
【教学目标】
课程标准与本节相对应的要求是：阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品；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。据此，结合教材内容，确定本节教学目标：
1.通过分析现代工业发酵的原理、它与传统发酵技术的区别及其用到的现代化的工程技术，建构发酵工程的概念
2.基于研学考察活动，概述发酵工程的基本环节
3.通过开展“高中生模拟创业答辩会”活动，进一步提升对发酵工程基本环节的认识，发展工程思维，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品
【教学重难点】
重点：发酵工程的基本环节，发酵工程的应用。
难点：发酵工程的基本环节。
【新课导入】
从社会中来
展示青霉素图片，介绍青霉素发现过程：亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming），英国微生物学家（1881.8.6 - 1955.3.11），二战”期间，青霉素成为战场上神奇的抗生素，大显神威，挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。1945年诺贝尔生理学医学奖。
青霉菌中提取青霉素少，随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素进入了产业化生产的道路。
提出问题：工业上，如何利用发酵工程生产青霉素？提出发酵工程的概念？
了解青霉素的发现和发展史，提出问题：工业上如何利用发酵工程生产青霉素
、通过青霉素的发现和发展，激发学生对发酵兴趣，展开课题
【新课讲解】
发酵工程的基本环节
教师让学生提前选取自己感兴趣的发酵产品，画出利用发酵工程生产该产品的流程图，并在课堂上进行展示和说明。教师结合教材中介绍发酵工程基本环节的内容，结合图1-9，分析和讨论教材第23页的“思考·讨论”
微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
（若生产的是微生物直接合成的产物，则可以从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程菌，从而达到生产相应产品的目的，同时还应注意温度、pH、溶解氧等对菌种的影响）
怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
（发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等）
在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
（传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法，若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯）
4. 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？
（不能，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些都可能会污染环境，对人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物也可能会污染水体、感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境中）
通过探讨教材中的问题，教师带领学生分析和完善自己画的流程图，并在这个过程中认识到工程的复杂性，掌握系统分析的方法
发酵工程的应用
1、在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵食品
①实例1——生产酱油
②实例2——酿酒
（2）生产食品添加剂
①食品添加剂优点
增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期
②实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；可以通过黑曲霉的有氧发酵制得；
③实例2——味精
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；由谷氨酸棒状杆菌经有氧发酵可以
得到谷氨酸；
（3）生产酶制剂
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制剂应用
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；
③酶制剂来源
少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产；
啤酒的工业化生产流程：
原料：大麦、酵母菌
过程：
1）发芽：大麦种子释放淀粉酶
2）焙烤：加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活，减少胚发育时有机物的消耗
3）碾磨：使麦芽磨碎，便于糖化
4）糖化：在淀粉酶的作用下，分解淀粉形成葡萄糖
5）蒸煮：加入啤酒花这种植物，改良啤酒风味、质量和防腐，同时高温灭菌、
终止酶的进一步作用
6）发酵：冷却后，加入酵母菌进行发酵，发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶
段，主发酵完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成；后
发酵阶段需要低温、密闭，以使二氧化碳溶于啤酒中。
7）消毒：杀死大多数微生物，但不是全部，因此，啤酒有保质期
8）终止：过滤、调节、分装啤酒出售
思考、讨论：
1、与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高
菌种的选育；对原材料的处理； 发酵过程的控制；产品的消毒等
2、“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别是什么？
2、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
例如利用微生物生产生长激素释放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前体等
化合物。
（3）将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用
例如乙型肝炎疫苗就是将乙肝病毒的抗原基因转入酵母菌，再发酵生产。
3、在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用
微生物肥料利用了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）生产微生物农药
①微生物农药的作用
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型：生物防治
（3）生产微生物饲料
①原理
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
许多国家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；单细胞蛋白应用——食品
添加剂、微生物饲料；
③实例2-乳酸菌
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）解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等
能源物质已取得成功
（2）将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高
温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
例如嗜热菌、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。
【板书】
发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
二、发酵工程的应用
(1) 在食品工业上的应用
(2) 在医药工业上的应用
(3) 在农牧业上的应用
(4) 在其他方面的应用

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