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第10单元　生物技术与工程
第2课　传统发酵技术的应用与发酵工程
[复习目标]　1.运用结构与功能观分析和解释发酵工程相关技术的基本原理。(生命观念)　2.运用归纳法比较果酒、果醋和泡菜的制作原理和过程。(科学思维)　3.针对人类生产和生活的需求，尝试设计实验解决现实生活问题。(科学探究)　4.关注食品安全，倡导健康的生活方式。(社会责任)
考点一　传统发酵技术的应用
1．发酵与传统发酵技术
(1)发酵的概念：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
(2)传统发酵技术
2．腐乳制作
(1)豆腐中的蛋白质被微生物分解成小分子的肽和氨基酸。
(2)参与的微生物：如酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。
3．泡菜的制作
(1)菌种来源：附着在植物体表面的乳酸菌。
(2)发酵原理：在无氧条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成乳酸。
反应式：C6H12O62C3H6O3(乳酸)＋能量。
(3)制作流程
[教材深挖]
(选择性必修3 P6拓展)用盐过多时，制作的泡菜会“咸而不酸”，原因是什么？
提示：盐过多，抑制了乳酸菌发酵。
4．果酒和果醋的制作
(1)果酒制作
①菌种来源：新鲜水果果皮表面附着的酵母菌。
②发酵原理
a．在有氧条件下：C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量。
b．在无氧条件下：C6H12O62C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量。
③发酵条件
发酵条件 温度 一般控制在18～30 ℃
时间 10～12 d
氧气 初期需氧，后期不需氧
(2)果醋制作
①菌种来源：空气中的野生型醋酸菌或购买的醋酸菌菌种或从食醋中分离的醋酸菌。
②发酵原理
a．氧气、糖源都充足时：C6H12O6＋2O22CH3COOH(乙酸)＋2CO2＋2H2O＋能量。
b．缺少糖源时：C2H5OH＋O2CH3COOH(乙酸)＋H2O＋能量。
③发酵条件
发酵条件 温度 30～35 ℃
时间 7～8 d
氧气 始终需要氧
(3)果酒、果醋制作流程
[教材深挖]
(选择性必修3 P7探究·实践)果酒制作时，发酵瓶装入葡萄汁后留有1/3空间的目的是什么？
提示：先让酵母菌进行有氧呼吸快速繁殖，耗尽氧气后再进行酒精发酵；其次，防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液的溢出。
[易错辨析]
1．传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通常是家庭式或作坊式的。(√)
2．乳酸菌是在有氧条件下能将葡萄糖分解成乳酸的一类细菌的总称。(×)
3．酵母菌是厌氧微生物，在无氧条件下能进行酒精发酵。(×)
4．膳食中的亚硝酸盐一般不会危害人体健康，但如果人体摄入过量，会发生中毒，甚至死亡。(√)
1．泡菜腌制中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化
发酵时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐
发酵初期 少(有O2，乳酸菌活动受抑制) 少 增加(硝酸盐还原菌的作用)
发酵中期 最多(乳酸抑制其他菌活动) 积累、增多，pH下降 下降(硝酸盐还原菌受抑制，部分亚硝酸盐被分解)
发酵后期 减少(乳酸继续积累，pH继续下降，抑制其活动) 继续增多，pH继续下降 下降至相对稳定(硝酸盐还原菌被完全抑制)
变化曲线
注意 亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的，而不是硝化细菌氧化氨形成的
2.果酒制作中发酵装置及各部件的作用
3．发酵过程中关注“两个变化”
(1)果酒发酵过程中酵母菌数量和酒精含量的变化
①菌体数量的变化：发酵初期，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖。发酵中期形成无氧环境，酵母菌数量增加缓慢，最后达到稳定。发酵后期由于酒精含量较高，可能会导致酵母菌大量死亡。
②酒精含量的变化：发酵初期，酵母菌进行有氧呼吸，酒精含量很低。发酵中期，酵母菌进行无氧呼吸产生大量酒精，酒精含量增加。发酵后期，由于酒精含量升高，大量酵母菌死亡，酒精含量几乎不再增加。
(2)果酒、果醋制作过程中pH的变化
①果酒发酵时产生的部分CO2会溶于发酵液，使发酵液pH下降，最后趋于稳定。
②果醋发酵时产生的乙酸溶于发酵液，使发酵液pH下降，最后趋于稳定。
命题点1　围绕发酵及传统发酵技术考查生命观念及科学探究
1．下列有关传统发酵技术的叙述，不正确的是(　　)
A．传统发酵以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主
B．在制作腐乳的过程中，多种微生物参与了豆腐的发酵，其中起主要作用的是毛霉
C．腐乳味道鲜美的原因在于大分子蛋白质被分解成了小分子的肽和氨基酸
D．传统发酵技术都是直接利用天然原料中的微生物
解析：选D。传统发酵技术是指直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术，D错误。
2．(2022·济宁市一模)腐乳是我国传统发酵食品，具有很高的营养价值。某科研机构研究了腐乳生产过程中不同浓度的食盐对腐乳中氨基酸含量的影响。下列叙述正确的是(　　)
A．腐乳生产过程中发挥主要作用的微生物是酵母菌
B．时间和食盐浓度均可影响腐乳中氨基酸的含量
C．经过发酵，豆腐中的蛋白质全部分解为氨基酸
D．食盐浓度越高，对微生物抑制作用越强，对制作腐乳越有利
解析：选B。生产腐乳发挥主要作用的微生物是毛霉，A错误。本实验的自变量是时间和食盐浓度，从图中可以看到，在同一时间的不同食盐浓度，氨基酸含量不同；在同一食盐浓度的不同时间，氨基酸含量也不同，所以时间和食盐浓度均可影响腐乳中氨基酸的含量，B正确。经过发酵，豆腐中的蛋白质被分解为小分子肽和氨基酸，C错误。高浓度食盐能抑制微生物生长，同样会影响腐乳的口感，D错误。
命题点2　围绕泡菜的制作考查科学探究
3．(2021·浙江1月选考)用白萝卜制作泡菜的过程中，采用适当方法可缩短腌制时间。下列方法中错误的是(　　)
A．将白萝卜切成小块
B．向容器中通入无菌空气
C．添加已经腌制过的泡菜汁
D．用沸水短时处理白萝卜块
解析：选B。将白萝卜切成小块可以扩大白萝卜与腌料的接触面积，缩短腌制时间，A正确；泡菜制作所需菌种为乳酸菌，制作过程中应保持无氧环境，向容器中通入无菌空气不利于腌制，B错误；泡菜汁中含有一定量的发酵菌种，所以在腌制过程中，加入一些已经腌制过的泡菜汁可缩短腌制时间，C正确；用沸水短时处理白萝卜块，可抑制某些微生物的繁殖，提高泡菜品质，也可缩短腌制时间，D正确。
4．(2022·枣庄市二模)泡菜古称葅，是为了利于长时间存放而经过发酵的蔬菜，古法制作用瓷坛密封，安全卫生。泡菜制作时使用5%～20%的盐水，只要乳酸含量达到一定的浓度，并使产品隔绝空气，就可以达到久贮的目的。下列叙述正确的是(　　)
A．乳酸菌不具有耐盐特性，制作泡菜时尽量少放食盐
B．泡菜坛使用前需要清洗干净，并用70%酒精进行灭菌处理
C．正常乳酸发酵时，会有部分醋酸菌繁殖，以致发酵液pH下降
D．乳酸菌是一种原核生物，可以将糖类氧化成乳酸，无气体产生
解析：选D。泡菜制作时食盐浓度过低，可能导致杂菌大量繁殖，故泡菜制作时使用5%～20%的盐水为宜，A错误；70%酒精进行的是消毒处理而非灭菌处理，B错误；泡菜制作时需要密封隔绝空气，而醋酸菌属于好氧菌，故正常乳酸发酵时不会有醋酸菌繁殖，C错误；乳酸菌是一种原核生物，在无氧条件下可以将糖类氧化成乳酸，该过程无气体产生，D正确。
命题点3　围绕果酒、果醋制作考查科学探究
5．(2022·日照市一模)为研究甲、乙、丙、丁四种酵母菌酿制菠萝酒的效果，研究人员进行了有关实验，结果如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A．接种前，可以用干热灭菌法对菠萝汁进行灭菌
B．利用四种酵母菌酿制菠萝酒，效果最差的是丙
C．6～7 d，丁组酒精度不再上升可能是菠萝汁中的葡萄糖耗尽所致
D．利用菠萝果酒制作菠萝果醋，发酵过程中要始终保持有氧状态
解析：选A。菠萝汁不能用干热灭菌法灭菌，因为干热灭菌法针对于耐高温且需要保持干燥的物品，若选用干热灭菌法会使菠萝汁的水分蒸发，A错误；由图可知，四种酵母菌中，丙的酒精度最低，因此利用四种酵母菌酿制菠萝酒，效果最差的是丙，B正确；6～7 d，丁组酒精度不再上升的原因有：较高的酒精度对细胞有毒害作用，菠萝中的葡萄糖耗尽等，C正确；由于醋酸菌是好氧菌，因此利用菠萝果酒制作菠萝果醋时，发酵过程要始终保持有氧状态，D正确。
考点二　发酵工程及其应用
1．发酵工程的概念
利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
2．发酵工程的特点
(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、容易处理等。
3．发酵工程的基本环节
[教材深挖]
(选择性必修3 P22～23图1－9)某生产谷氨酸的发酵装置，在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，但在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，由此可知环境条件不仅影响微生物的生长繁殖，而且也会影响微生物代谢物的形成。
4．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。
②生产各种各样的食品添加剂。
③生产酶制剂。
(2)在医药工业上的应用
①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。
③利用基因工程，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，获得的表达产物可以作为疫苗使用。
(3)在农牧业上的应用：生产微生物肥料、农药和饲料。
(4)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极端微生物的应用：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。
[易错辨析]
1．与传统发酵技术相比，发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等优点。(√)
2．可将新冠病毒的抗原基因转入某种微生物体内，再通过发酵工程大量生产新冠病毒疫苗。(√)
3．根据工程菌所需的营养精确地配制出合成培养基并进行严格的灭菌处理。(×)
4．用诱变育种、细胞工程、基因工程等方法选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养。(√)
5．发酵过程中必须严格地监测并控制发酵条件。(√)
1．啤酒发酵的工业化生产流程及操作目的
2．“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别
3．发酵罐示意图分析
(1)搅拌叶轮在发酵过程中的作用
①通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质；
②良好的搅拌有利于将微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质；
③搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。
(2)发酵罐中发酵条件的控制
①温度的控制：发酵过程中可以通过温度传感器和控制装置进行监测和由冷却水进、出口的水流来调整；
②溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度加以调节；
③pH的控制：可以通过pH计检测，并由加料装置添加酸和碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液等。
计算机应用的发酵工程中实现了对温度、酸碱度、通气量、转速的自动记录和自动控制。
命题点　围绕发酵工程及其应用考查科学探究及社会责任
1．(2022·湖北卷)废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．该生产过程中，一定有气体生成
B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质
D．沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
解析：选A。据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳，故该生产过程中，一定有气体生成，A正确；糖类是主要的能源物质，微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水，B错误；分析图示可知，该技术中有连续搅拌反应器的过程，该操作可以增加微生物与营养物质的接触面积，此外也可增大溶解氧含量，故据此推测该生产工艺利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质，C错误；沼气生产利用的是厌氧微生物，在连续搅拌反应器中厌氧微生物会被抑制，因此沼气池废料无需灭菌，D错误。
2．(2022·湖南卷，改编)黄酒源于中国，与啤酒、葡萄酒并称世界三大发酵酒。发酵酒的酿造过程中除了产生乙醇外，也产生不利于人体健康的氨基甲酸乙酯(EC)。EC主要由尿素与乙醇反应形成，各国对酒中的EC含量有严格的限量标准。回答下列问题：
(1)某黄酒酿制工艺流程如图所示，图中加入的菌种a是________，工艺b是________(填“消毒”或“灭菌”)，采用工艺b的目的是__________________。
(2)以尿素为唯一氮源的培养基中加入________指示剂，根据颜色变化，可以初步鉴定分解尿素的细菌。
(3)研究人员利用脲酶基因构建基因工程菌L，在不同条件下分批发酵生产脲酶，结果如图所示。推测________是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素，理由是_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
图1
图2
(4)某公司开发了一种新的黄酒产品，发现EC含量超标。简要写出利用微生物降低该黄酒中EC含量的思路_______________________________。
解析：(1)制造黄酒利用的是酵母菌的无氧呼吸，加入的菌种a是酵母菌。过滤能除去黄酒中部分微生物，工艺b是消毒，消毒能杀死黄酒中部分微生物，防止杂菌污染，延长其保存期。(2)由于细菌分解尿素的过程中合成脲酶，脲酶将尿素分解成氨，会使培养基碱性增强，pH升高，所以可以用检测pH变化的方法来判断尿素是否被分解，故在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂可以鉴别尿素分解菌。(3)对比两坐标曲线，随着培养时间延长，两图形中脲酶活力先增加后保持相对稳定，两者变化曲线基本一致，所以培养时间不是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素。图1中当pH从6.5降为4.5时，酶活力由1.6逐渐下降后保持相对稳定，图2中当pH为6.5时，酶活力可以达到5.0并保持不变，故pH是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素。(4)从坐标图形看，利用脲酶消除其前体物质尿素可降低该黄酒中EC含量。该实验的实验思路为：将分解尿素的细菌扩大培养后，经过酸性培养基的初筛后，在添加酚红指示剂的培养基上进行复筛，挑选目标菌株接种到发酵环节，使尿素被分解，EC不能形成，从而降低EC含量。
答案：(1)酵母菌　消毒　杀死黄酒中部分微生物，防止杂菌污染，延长其保存期　(2)酚红　(3)pH　随着培养时间延长，两图形中脲酶活力变化曲线基本一致，当pH从6.5降为4.5时，酶活力逐渐下降后保持相对稳定　(4)在发酵环节加入尿素分解菌，使尿素被分解，EC不能形成，从而降低EC含量
[真题演练]
1．(2022·湖北卷)关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　)
A．在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气
B．白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程
C．葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体
D．生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌
解析：选C。在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气，让酵母菌大量繁殖，再进行酒精发酵，A正确；白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程，如发酵初期酵母菌大量繁殖，B正确；酒精发酵利用的菌种是酵母菌，葡萄糖转化为乙醇所需的酶存在于细胞质基质，不存在于线粒体中，C错误，D正确。
2．(2022·山东卷)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是(　　)
A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖
B．可用深层通气液体发酵技术提高产量
C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中
D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌
解析：选D。青霉菌处于葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确。青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确。选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确。为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D错误。
3．(多选)(2022·山东卷)啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是(　　)
A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶
B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌
C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵
D．通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期
解析：选ACD。赤霉素能促进种子的萌发，据此可推测若用赤霉素处理大麦，可诱导α-淀粉酶相关基因的表达，促进α-淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶，A正确；焙烤可以杀死大麦种子胚，但不使淀粉酶失活，没有进行灭菌，B错误；糖浆经蒸煮(产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C正确；转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期，属于转基因技术在微生物领域的应用，D正确。
4．(2021·广东卷)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。工艺流程如图。
回答下列问题：
(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(指培养一段时间后，将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。培养过程中定期取样并用__________________的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。此外，选育优良菌株的方法还有________________________等(答出两种方法即可)。
(2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60 g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60 d以上。该系统不需要灭菌的原因是_________________(答出两点即可)。
(3)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中____________可能是高密度培养的限制因素。
(4)菌株H还能通过分解餐厨垃圾(主要含蛋白质、淀粉、油脂等)来生产PHA，说明其能分泌_________________________________________________。
解析：(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，在液体培养基中，可将蔗糖作为碳源。培养过程中可定期取样并采用稀释涂布平板法(血细胞计数法)进行菌落计数，评估菌株增殖状况。除了上述方法选育能耐受高浓度蔗糖的菌株H外，还可通过诱变育种、基因工程育种来选育优良菌株。(2)由题意可知，菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强的特性，在该系统中，其他杂菌会因盐浓度过高或pH不适宜而死亡，故不用灭菌。(3)由于产物中产生了少量乙醇，说明发酵液缺氧导致菌株H进行了无氧呼吸，最终菌株H由于能量供应不足而使得其细胞增殖和PHA的产量均未达到预期，所以发酵条件中氧气可能是高密度培养的限制因素。(4)餐厨垃圾主要含有蛋白质、淀粉、油脂等，菌株H能利用餐厨垃圾来生产PHA，说明其能分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶，还有与PHA合成相关的酶。
答案：(1)碳源　稀释涂布平板法(血细胞计数法)　诱变育种、基因工程育种　(2)培养基是高盐浓度的液体环境，杂菌会由于渗透失水而死亡；培养基的液体环境是碱性的，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制　(3)氧气　(4)蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和与PHA合成相关的酶
[长句特训]
(2022·邯郸市一模)我国的酿酒技术已经有4000多年的历史。早在几千年前，人们就开始进行酒、酱、醋、奶酪等的发酵生产，并积累了许多关于发酵的经验。回答下列与发酵生产有关的问题：
设问形式1　实验分析类命题
(1)用果汁制作果酒时，以果汁为原料，加入一定比例蔗糖的目的是______________________。最后倒入酵母悬液中，混匀，加盖。发酵开始时，微生物的有氧呼吸会使发酵瓶内出现负压，原因可能是______________。在发酵过程中，当出现__________________的现象时，即表示发酵停止。
设问形式2　原因分析类命题
(2)果汁饮料要求细菌总数≤100个/mL，大肠杆菌<3个/mL。家庭在果酒、果醋和泡菜的生产过程中没有进行严格灭菌也能制作成功，主要原因是_________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
设问形式3　实验探究类命题
(3)为测得某受污染的果汁中细菌的情况，科研人员分离、培养细菌的流程如图所示。
ⅰ.细菌可以葡萄糖作为碳源，进入细菌体内的葡萄糖的主要作用是_________________________________________________________________。
用移液管吸取1 mL样液后，注入①号试管中，使样本与稀释液充分混匀，依次操作后，④号试管中的细胞浓度稀释了______________倍。
ⅱ.在培养过程中，单个细菌在平板上会形成菌落，研究人员通常可根据菌落的形状、大小、颜色等特征来初步区分不同种的微生物，原因是_____________。
解析：(1)酵母菌可以利用蔗糖进行酒精发酵，一定比例的蔗糖可以提高果酒的酒精和糖含量；有氧呼吸消耗O2而且产生的CO2少或溶于水，因此有氧呼吸会使发酵瓶内出现负压；发酵产生CO2会出现气泡，当气泡停止产生，即表明发酵停止。(2)发酵菌种在短时间内大量繁殖，并产生大量代谢产物，抑制杂菌的生长繁殖，因此果醋和泡菜的生产过程中没有进行严格灭菌也能制作成功。(3)葡萄糖能为细胞生物的生命活动提供能量(呼吸作用将葡萄糖中的化学能转变为热能及ATP中的化学能)、为其他有机物的合成提供原料(中间产物如丙酮酸等)；用移液管吸取1 mL样液后，注入①号试管中，使样本与稀释液充分混匀，即稀释了10倍，依次操作后，④号试管中的细胞浓度稀释了104倍；在一定的培养条件下，不同种微生物表现出各自稳定的菌落特征，可根据菌落的形状、大小、颜色等特征来初步区分不同种的微生物。
答案：(1)提高果酒的酒精和糖含量　有氧呼吸消耗O2而且产生的CO2少或溶于水　停止产生气泡　(2)发酵菌种在短时间内大量繁殖，并产生大量代谢产物，抑制杂菌的生长繁殖
(3)ⅰ.为细胞生物的生命活动提供能量、为其他有机物的合成提供原料　104　ⅱ.在一定的培养条件下，不同种微生物表现出各自稳定的菌落特征
第2课　传统发酵技术的应用与发酵工程
[基础练透]
1．(2022·沈阳市重点高中联合体一模)下列关于传统发酵技术的说法，错误的是(　　)
A．果酒的制作离不开酵母菌，酵母菌属于兼性厌氧微生物，在有氧条件下大量繁殖
B．制作果醋需要醋酸菌，它是一种严格厌氧的微生物，可将葡萄中的糖分解为醋酸
C．多种微生物参与了腐乳的制作，如酵母菌、毛霉、曲霉等
D．制作泡菜利用的乳酸菌是一种厌氧微生物，可以通过无氧呼吸产生乳酸
解析：选B。果酒的制作原理是酵母菌无氧呼吸产生酒精，酵母菌属于兼性厌氧微生物，在有氧条件下大量繁殖，A正确。醋酸菌是好氧细菌，当O2、糖源都充足时能将糖分解成乙酸；当缺少糖源时则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为乙酸，B错误。多种微生物参与了腐乳的制作，如酵母菌、毛霉、曲霉等，其中起主要作用的是毛霉，C正确。制作泡菜利用的乳酸菌是一种厌氧微生物，可以通过无氧呼吸产生乳酸，D正确。
2．下列关于泡菜制作的叙述中，正确的是(　　)
A．主要菌种是真菌
B．制作过程不必严格执行无菌操作
C．所用装置不需要密封
D．所用菌种需要人工接种
解析：选B。制作泡菜的主要菌种是乳酸菌，不是真菌，A错误；乳酸菌耐酸性环境，其产生的乳酸可以抑制其他微生物的生长，泡菜制作过程不必严格执行无菌操作，B正确；乳酸菌是厌氧细菌，泡菜制作的过程需要密封，C错误；泡菜制作过程所用的菌种来源于蔬菜表面，D错误。
3．(2022·如皋市一模)红酸汤是苗族的传统食品，它颜色鲜红、气味清香、味道酸爽，其制作过程类似于泡菜的制作。下列是以番茄和辣椒为原料的红酸汤制作流程图，相关叙述中正确的是(　　)
→→→→
A．红酸汤制作过程中用到的微生物主要是醋酸菌
B．装坛时加入成品红酸汤是为了增加发酵菌种的数量
C．装坛时不装满的原因是为了促进微生物繁殖
D．红酸汤的制作中随着发酵时间延长，亚硝酸盐的含量一直增加
解析：选B。红酸汤制作过程中用到的微生物主要是乳酸菌，A错误；装坛时加入成品红酸汤是为了增加发酵菌种的数量，B正确；装坛时坛口留有一点空间而不装满的目的是防止番茄发酵后液体膨胀外溢，C错误；亚硝酸盐的含量随着发酵时间的延长先增加后减少，D错误。
4．(2022·辽宁一轮联考)啤酒是以麦芽汁为原料，经酿酒酵母发酵制得。传统啤酒酿造过程中，发酵在敞开式发酵池中进行，麦芽汁中接入酿酒酵母后通入大量无菌空气，之后会产生大量气体翻腾逸出，在麦芽汁表面形成25～30 cm厚的气泡层(泡盖)，然后停止通气，进入静止发酵阶段。下列说法正确的是(　　)
A．传统啤酒酿造过程中需要严格灭菌，以防杂菌污染
B．制作麦芽汁之前用含有脱落酸的溶液浸泡大麦种子，增加可发酵糖的含量
C．泡盖产生的原因是酿酒酵母有氧呼吸产生CO2，泡盖的形成可以促进酒精的产生
D．欲增加啤酒中的酒精浓度，可增加接种量、延长发酵时间
解析：选C。传统啤酒酿造过程中利用的菌种来自自然界中的酵母菌，不能严格灭菌，A错误；制作麦芽汁之前用含有赤霉素的溶液浸泡大麦种子，可促使种子发芽，增加可发酵糖的含量，脱落酸可以抑制种子发芽，B错误；泡盖产生的原因是酿酒酵母有氧呼吸产生CO2，泡盖的形成可以在麦芽汁表面起到隔绝空气的作用，从而促进酒精的产生，C正确；发酵过程中酒精具有一定的抑菌作用，当酒精达到一定浓度后，酵母菌的代谢受到抑制，酒精浓度不再上升，因此不能通过增加接种量、延长发酵时间等措施来提升酒精的浓度，D错误。
5．(2022·辽宁模考)唐诗云“葡萄美酒夜光杯，欲饮琵琶马上催”，可见果酒的制作在我国源远流长。下列关于家庭制作果酒、果醋的叙述，正确的是(　　)
A．果酒制作过程中为防止杂菌污染，不能拧松发酵瓶盖
B．若最终获得的果酒偏酸，可能原因是醋酸菌无氧发酵产生了醋酸
C．果酒制成后只需要将装置移至温度略高的环境中就能酿成果醋
D．果酒不易变质的原因是在酸性、缺氧及含酒精的酒液中，微生物的繁殖受到抑制
解析：选D。果酒制作过程中需定时拧松发酵瓶盖，以释放发酵产生的CO2，A错误；果酒偏酸，可能原因是醋酸菌有氧发酵产生了醋酸，B错误；参与果醋制作的醋酸菌是好氧菌和嗜温菌，果酒制成后需要将装置移至温度略高的环境中，同时制造有氧环境，才能酿成果醋，C错误；随着酒精发酵的进行，发酵液呈酸性、缺氧及含酒精，各种微生物的繁殖受到抑制，D正确。
6．(2022·沈阳市一模)我国是名副其实的发酵大国，发酵工程在食品工业、医药工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是(　　)
A．利用黑曲霉将大豆原料中的蛋白质水解，经淋洗后可调制成酱油
B．利用酵母菌等菌种的发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为食品添加剂
C．将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗
D．利用发酵工程生产的微生物农药，作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害
解析：选D。以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉)，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制可以制成酱油产品，A正确；用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用，B正确；可以将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌通过发酵工程制备乙型肝炎疫苗，C正确；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用，D错误。
7．(多选)发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．通过有性杂交可形成工程细胞，也可采用基因工程的方法构建工程菌
B．单细胞蛋白是从微生物细胞中提取的蛋白质，可作为食品添加剂、微生物饲料等
C．如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用提取、分离、纯化等措施来获得产品
D．啤酒生产的后发酵阶段需要在低温和密闭环境下进行
解析：选ABC。细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术，属于无性杂交，因此不能通过有性杂交获得工程细胞，A错误；单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工厂的废液等为原料，通过发酵工程生产的微生物菌体，B错误；如果发酵产品是微生物细胞本身，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得到产品，C错误；啤酒生产的后发酵阶段，酵母菌主要进行无氧呼吸，需要在低温和密闭环境下进行，D正确。
8．如图是利用山楂制作果酒果醋的流程：
→→→→→→
回答下列问题：
(1)酒精发酵主要利用酵母菌的____________呼吸，酵母菌与醋酸菌在结构上的本质区别是____________________________________________________。
(2)如图表示白砂糖的添加量对酒精生成量的影响，白砂糖的添加量为______________左右最为合理。
(3)醋酸发酵前，需要加入纯净水对山楂果酒进行稀释，原因是_________________________________________________________________。
(4)将发酵好的山楂果醋在80 ℃左右的温度下热处理8～10 min，目的是________________，以及防止杂菌污染。
解析：(1)酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸，可把葡萄糖分解为酒精和二氧化碳；酵母菌为真核细胞，醋酸菌为原核细胞，二者最根本的区别是酵母菌有以核膜为界限的细胞核。(2)据图可知，酒精含量达到最高值时的白砂糖添加量为15%左右，此时的白砂糖浓度既有利于酒精的产生，也可以避免物质的浪费。(3)酒精发酵后得到的果酒酒精浓度过高，对醋酸菌的生长不利，会抑制醋酸菌的发酵，因此醋酸发酵前需要加入纯净水对山楂果酒进行稀释。(4)将发酵好的山楂果醋在80 ℃左右的温度下热处理8～10 min，可以杀死醋酸菌，防止醋酸菌继续发酵，破坏果醋的营养物质，同时也可以防止杂菌污染。
答案：(1)无氧　酵母菌具有以核膜为界限的细胞核　(2)15%　(3)酒精浓度过高会抑制醋酸菌的发酵　(4)防止醋酸菌继续发酵(或杀死醋酸菌或防止果醋的营养物质被破坏)
[能力提升]
9．(2022·邯郸市一模)黄酒是中国特产，为世界三大古酒之一。关于黄酒的酿造方法，古遗六法中描述道：秫稻必齐，曲蘖必时，湛炽必洁，水泉必香，陶器必良，火齐必得(注：曲蘖主要指酒曲，湛炽是指浸泡和蒸煮)。下列叙述错误的是(　　)
A．黄酒中的酒精是酵母菌利用“秫稻”在无氧条件下的代谢产物
B．曲蘖必时，可能是酵母菌的生长繁殖受适宜的温度等的影响
C．湛炽必洁，起到消毒的作用，一定程度上可避免杂菌对发酵的影响
D．黄酒酿造过程中发酵液出现的气体都是在酵母菌细胞质基质中产生的
解析：选D。在无氧条件下酵母菌能进行无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，所以黄酒中的酒精是酵母菌利用“秫稻”在无氧条件下的代谢产物，A正确；曲蘖主要指酒曲，其中含有酵母菌，28 ℃左右最适合酵母菌生长，所以曲蘖必时，可能是酵母菌的生长繁殖受适宜的温度等的影响，B正确；湛炽是指浸泡和蒸煮，经过高温，起到消毒的作用，一定程度上可避免杂菌对发酵的影响，C正确；参与黄酒酿造的酵母菌是兼性厌氧型真核生物，有氧呼吸产生二氧化碳的场所是线粒体基质，而无氧呼吸产生二氧化碳的场所是细胞质基质，D错误。
10．(2022·淄博市一模)酱油起源于我国，至今已有数千年历史。参与酱油酿造过程的微生物主要有米曲霉、酵母菌和乳酸菌等，在众多微生物及其酶系的作用下，分解大豆、小麦中的蛋白质、脂肪等有机物，最终形成具有特殊色泽和良好风味的酱油。如图是酱油发酵过程中主要微生物的数量变化。下列说法错误的是(　　)
A．米曲霉产生的蛋白酶能将蛋白质分解成小分子肽和氨基酸
B．在发酵初期乳酸菌含量较高，能抑制部分有害微生物的生长
C．在酱油发酵过程中，乳酸菌和酵母菌的关系表现为相互促进
D．某些代谢产物的抑制作用是后期酵母菌数量下降的原因之一
解析：选C。制作酱油时，米曲霉等微生物产生的蛋白酶能将蛋白质分解成小分子肽和氨基酸，A正确；由题图可知，在发酵初期乳酸菌含量较高，乳酸菌产生的乳酸可以抑制其他微生物的生长，B正确；分析题图可知，发酵过程中，乳酸菌含量减少时，酵母菌的数量增加，由此可知乳酸菌和酵母菌的关系不是相互促进，C错误；随着发酵的进行，由于营养物质的消耗和代谢产物的积累，某些代谢产物会抑制酵母菌的生长繁殖，D正确。
11．(多选)啤酒发酵依赖于发酵工程，产品质检可应用“电子舌”，“电子舌”可根据不同滋味信号传感器呈现的响应值对啤酒风味进行评价，结果如图。下列相关叙述，不正确的是(　　)
A．啤酒主要经酵母菌和乳酸菌发酵制成
B．发酵原料应含有糖类作为发酵菌种的碳源
C．发酵液L1和L2口味相似，而L3涩味较弱
D．菌种选育可依赖于突变筛选或转基因技术等
解析：选AC。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌无氧呼吸将糖类分解为酒精而制成的，A错误；酒精发酵的原材料是糖类，B正确；由题图可知，发酵液L1和L2口味相似，而L3涩味较强，C错误；菌种选育可依赖于突变筛选(诱变育种)或转基因技术(基因工程)等，D正确。
12．(2022·北京西城区二模)乳酸在食品、化工等行业用途广泛。与乳酸菌相比，重组大肠杆菌生产乳酸效率更高。
(1)大肠杆菌以培养基中的葡萄糖为________，通过图1所示细胞呼吸的第一阶段将其分解为[A]__________(填A的名称)，进而发酵产生乳酸，同时还有乙酸、琥珀酸等副产物。
图1
(2)研究人员从野生型大肠杆菌中筛选到菌株甲，利用重组片段和特定技术敲除甲拟核上的F酶基因，进一步获得菌株乙，过程如图2所示(图中只显示与基因敲除有关的片段)。
图2
重组片段上庆大霉素抗性基因(Gmr)的作用是_____________________。实际发酵使用的菌株乙要将引入的Gmr去除，试分析原因_____________________。
(3)用相同方法获得敲除F酶、T酶双基因的菌株丙。将等量乙、丙分别接种于7 L的发酵罐中，当菌体浓度在600 nm的吸光度达到30时，调整发酵条件，使体系从好氧生长阶段进入厌氧发酵阶段。
①两阶段发酵过程需调整发酵罐的__________(填字母)。
A．通气量　　　 B．搅拌叶轮的转速
C．pH D．温度
②当发酵罐葡萄糖耗尽时结束发酵，乙、丙菌株两阶段发酵过程各产物的变化如图3所示。实践生产中进入厌氧发酵阶段后，随时监测并及时添加营养物质保证连续发酵。综合图3结果和生产实践，你认为哪种菌株更适合做生产菌种并阐述理由______________________________________________________。
图3
解析：(1)葡萄糖常为呼吸的底物，能为大肠杆菌提供营养和能量，可作为培养基的碳源(提供碳元素的物质)；细胞呼吸的第一阶段为葡萄糖产生丙酮酸和[H]的过程，无氧呼吸的第二阶段可以是丙酮酸和[H]生成乳酸，故A是丙酮酸。(2)重组片段上庆大霉素抗性基因(Gmr)，可以使得含有重组质粒的大肠杆菌在含有庆大霉素的培养基上生长，而筛选得到含有重组质粒的大肠杆菌，即敲除F基因的突变株；Gmr是抗生素抗性基因，只是用于筛选，且菌珠乙中Gmr基因表达需要消耗物质和能量，造成浪费，若发酵产品中含有抗生素会引发安全性问题，因此实际发酵使用的菌株乙要将引入的Gmr去除。(3)菌株乙的发酵产物有乙酸和乳酸，丙的发酵产物只有乳酸，要使发酵体系从好氧生长阶段进入厌氧发酵阶段，需调整发酵罐的通气量(降低通气量)、搅拌叶轮的转速(降低转速)、pH(不同的酶有不同的适宜pH)、温度(不同的酶有不同的适宜温度)，故选A、B、C、D；结合图3，随着发酵时间的延长，菌株丙的厌氧发酵阶段生产乳酸的速率快，琥珀酸和乙酸的产量低，更适合用作生产菌种。
答案：(1)碳源　丙酮酸　(2)作为标记基因，用于筛选出敲除F基因的突变菌株　菌株的Gmr基因表达需要消耗物质和能量，造成浪费(发酵产品中含有抗生素会引发安全性问题)　(3) ①A、B、C、D　②菌株丙；厌氧发酵阶段生产乳酸的速率快，琥珀酸和乙酸的产量低

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