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1.3 发酵工程及其应用 导学案
一、核心素养
1.生命观念：理解发酵工程的原理，认识微生物代谢与发酵过程的内在联系，以及发酵工程在不同领域应用所体现的生命科学价值。
2.科学思维：通过分析发酵工程的流程，培养逻辑推理、批判性思维能力，能够对发酵条件优化等问题进行理性思考和科学分析。
3.科学探究：尝试设计简单的发酵实验，学会控制变量、收集数据和分析结果，提升科学探究能力和实践操作技能。
4.社会责任：关注发酵工程在工业生产、食品加工、环境保护等方面的应用，认识其对社会发展和人类生活的重要影响，增强对生物技术安全性和可持续发展的关注。
二、教学重难点
1.发酵工程的基本原理和流程。
2.发酵工程在食品、医药、农业等领域的应用。
3.发酵过程中菌种选育、培养基配制、发酵条件控制等关键环节。
三、自主预习
（一）发酵工程的基本原理
1.发酵的概念：人们利用______，在适宜的条件下，将原料通过微生物的______转化为人类所需要的产物的过程。例如，酿酒利用酵母菌在无氧条件下将______转化为酒精；制作泡菜利用乳酸菌将______转化为乳酸。
2.发酵的类型：根据是否需要氧气，发酵可分为______发酵和______发酵。
需氧发酵：如醋酸发酵，醋酸菌在氧气充足的条件下，将______氧化为醋酸。
厌氧发酵：如酒精发酵、乳酸发酵等，相关微生物在______的条件下进行代谢活动产生相应产物。
3.微生物的代谢特点：微生物具有______、代谢能力强等特点。它们能利用简单的营养物质快速生长和繁殖，并产生各种代谢产物。不同微生物的代谢类型______，这决定了它们可以用于生产不同的发酵产品。
参考答案：
1.微生物；代谢活动；葡萄糖；葡萄糖
2.需氧；厌氧；酒精；无氧
3.生长繁殖快；多样
（二）发酵工程的基本流程
1.菌种的选育：
自然选育：从自然界中筛选出具有______的微生物。例如，从土壤中筛选能产生特定酶的微生物。
诱变育种：通过______处理微生物，使其发生基因突变，从中筛选出符合要求的突变体。如用紫外线照射青霉菌，选育出高产青霉素的菌株。
基因工程育种：将______导入微生物细胞中，使其获得新的遗传特性，从而生产出人类所需的产物。如将人胰岛素基因导入大肠杆菌，使其能生产人胰岛素。
2.培养基的配制：
原则：根据微生物的营养需求，配制含有合适的______、氮源、无机盐、生长因子和水等营养成分的培养基。
实例：培养乳酸菌时，需要在培养基中添加______，以满足其特殊营养需求；培养霉菌时，需将培养基的 pH 调至______，因为霉菌适宜在酸性环境中生长。
3.灭菌：对培养基、发酵设备等进行严格的灭菌处理，目的是______，防止杂菌污染发酵过程，影响发酵产品的质量和产量。常用的灭菌方法有______灭菌、干热灭菌、______灭菌等。
4.扩大培养：将选育出的优良菌种进行大量培养，以获得足够数量的微生物细胞，满足发酵生产的需要。扩大培养一般在______条件下进行，以保证菌种的纯净和活力。
5.接种：在______条件下，将扩大培养后的菌种接入发酵罐中，开始发酵过程。
6.发酵过程：
条件控制：发酵过程中需要严格控制______、pH、溶解氧等条件，以满足微生物生长和代谢产物合成的需求。例如，酒精发酵过程中，温度一般控制在______℃左右，因为此温度是酵母菌发酵的适宜温度。
监测：实时监测发酵过程中的参数，如微生物数量、代谢产物浓度、pH 等，以便及时调整发酵条件，保证发酵过程的顺利进行。
7.产品的分离和提纯：
菌体的分离：如果发酵产品是微生物菌体本身，可采用______、过滤等方法将菌体从发酵液中分离出来。
代谢产物的分离提纯：若发酵产品是代谢产物，可根据产物的性质采用不同的方法进行分离提纯。如对于挥发性的产物，可采用______的方法；对于非挥发性的产物，可通过______、离子交换等方法进行分离提纯。
参考答案：
1.特定性能;物理或化学因素;外源基因
2.碳源;维生素;酸性
3.杀死所有的微生物；高压蒸汽；灼烧
4.无菌
5.无菌
6.温度；18 - 25
7.离心;蒸馏;萃取
（三）发酵工程的应用
1.在食品工业中的应用：
生产传统发酵食品：如制作______、醋、腐乳、泡菜等，丰富了人们的饮食种类。
生产食品添加剂：利用发酵工程生产______、柠檬酸、食用色素等食品添加剂，用于改善食品的色、香、味等品质。例如，______是一种常用的鲜味剂，由谷氨酸棒状杆菌发酵生产。
2.在医药工业中的应用：
生产抗生素：许多抗生素如青霉素、链霉素等都是通过发酵工程生产的。青霉素是由______发酵产生的，它能抑制细菌细胞壁的合成，从而起到杀菌作用。
生产疫苗：利用微生物发酵生产各种疫苗，如乙肝疫苗、流感疫苗等，用于预防传染病的发生。
生产其他药物：如胰岛素、干扰素等药物也可通过发酵工程生产。胰岛素是治疗糖尿病的重要药物，通过基因工程技术将人胰岛素基因导入______中，经发酵后提取得到。
3.在农牧业中的应用：
生产微生物肥料：如根瘤菌肥、固氮菌肥等，这些微生物肥料能提高土壤肥力，促进植物生长。根瘤菌与豆科植物共生，能将空气中的______转化为氨，供植物利用。
生产微生物饲料：通过发酵将农作物秸秆等转化为富含蛋白质、维生素等营养成分的饲料，提高饲料的营养价值。同时，利用发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为动物饲料的蛋白质来源。
生产生物农药：一些微生物如苏云金芽孢杆菌能产生对害虫有毒杀作用的物质，通过发酵生产的生物农药可用于农业害虫防治，减少化学农药的使用，降低环境污染。
4.在其他领域的应用：
在能源领域：利用发酵工程生产______等生物燃料，可作为传统化石燃料的替代品，缓解能源危机，减少环境污染。
在环境保护领域：通过微生物发酵处理有机废水、废气等，将有害物质转化为无害物质，实现环境的净化。例如，利用______处理生活污水中的有机物，降低污水的化学需氧量（COD）。
参考答案：
1.酒;味精;味精
2.青霉菌;大肠杆菌
3.氮气
4.乙醇;活性污泥中的微生物
四、习题巩固
1.下列关于发酵工程的叙述，错误的是（ ）
A. 发酵工程利用了微生物的代谢活动
B. 发酵过程中微生物的生长和代谢受多种条件的影响
C. 发酵工程的产品都是微生物的代谢产物
D. 发酵工程在食品、医药等领域有广泛应用
2.以下不属于发酵工程中菌种选育方法的是（ ）
A. 自然选育
B. 杂交育种
C. 诱变育种
D. 基因工程育种
3.在发酵工程中，对培养基进行灭菌的主要目的是（ ）
A. 除去培养基中的水分
B. 杀死培养基中的所有微生物
C. 使培养基中的营养成分更易被微生物吸收
D. 提高培养基的 pH
4.酒精发酵过程中，需要控制的条件不包括（ ）
A. 温度
B. pH
C. 溶解氧
D. 光照
5.下列利用发酵工程生产的产品中，属于食品添加剂的是（ ）
A. 青霉素
B. 胰岛素
C. 柠檬酸
D. 乙肝疫苗
6.生产青霉素的菌种最初是从自然界中筛选出来的，这种选育方法属于（ ）
A. 自然选育
B. 诱变育种
C. 基因工程育种
D. 杂交育种
7.利用发酵工程生产微生物肥料的主要作用是（ ）
A. 杀死土壤中的害虫
B. 提高土壤肥力
C. 改善土壤的酸碱度
D. 增加土壤中的微生物数量
8.下列关于发酵工程在医药工业中应用的叙述，错误的是（ ）
A. 发酵工程可用于生产抗生素
B. 利用发酵工程生产的疫苗都需要经过减毒或灭活处理
C. 胰岛素可以通过发酵工程生产
D. 发酵工程生产的药物纯度高、成本低
9.在发酵工程中，将菌种进行扩大培养的目的是（ ）
A. 使菌种适应发酵环境
B. 增加菌种的变异率
C. 获得足够数量的微生物细胞
D. 筛选出优良菌种
10.利用微生物发酵处理有机废水，主要是利用微生物的（ ）
A. 光合作用
B. 呼吸作用
C. 化能合成作用
D. 固氮作用
习题巩固参考答案及解析
1.答案：C
解析：A 选项：发酵工程正是利用微生物的代谢活动将原料转化为人类所需产物，该选项正确。
B 选项：发酵过程中温度、pH、溶解氧等多种条件会影响微生物的生长和代谢，该选项正确。
C 选项：发酵工程的产品可以是微生物菌体本身，也可以是微生物的代谢产物，该选项错误。
D 选项：发酵工程在食品工业生产传统发酵食品和食品添加剂，在医药工业生产抗生素、疫苗等，有广泛应用，该选项正确。
2.答案：B
解析：A 选项：自然选育是从自然界筛选具有特定性能的微生物，是发酵工程菌种选育方法之一，该选项正确。
B 选项：杂交育种一般用于有性生殖的生物，微生物多数进行无性生殖，杂交育种不适用于微生物菌种选育，该选项错误。
C 选项：诱变育种通过物理或化学因素处理微生物使其突变，筛选符合要求的突变体，是常用的菌种选育方法，该选项正确。
D 选项：基因工程育种将外源基因导入微生物细胞使其获得新特性，可用于菌种选育，该选项正确。
3.答案：B
解析：A 选项：灭菌不是为了除去培养基中的水分，该选项错误。
B 选项：对培养基进行灭菌主要目的是杀死培养基中的所有微生物，防止杂菌污染，保证发酵顺利进行，该选项正确。
C 选项：灭菌与培养基营养成分是否易被微生物吸收无关，该选项错误。
D 选项：灭菌不是为了提高培养基的 pH，该选项错误。
4.答案：D
解析：
A 选项：酒精发酵过程中温度影响酵母菌的活性，需要控制适宜温度，该选项正确。
B 选项：pH 会影响酵母菌的代谢，需要控制合适的 pH，该选项正确。
C 选项：酒精发酵是酵母菌在无氧条件下进行，需要控制溶解氧，该选项正确。
D 选项：酵母菌发酵不需要光照，光照不是酒精发酵需要控制的条件，该选项错误。
5.答案：C
解析：A 选项：青霉素是抗生素，属于医药产品，不是食品添加剂，该选项错误。
B 选项：胰岛素是治疗糖尿病的药物，不是食品添加剂，该选项错误。
C 选项：柠檬酸可作为食品添加剂用于改善食品的风味等，该选项正确。
D 选项：乙肝疫苗用于预防乙肝，属于医药产品，不是食品添加剂，该选项错误。
6.答案：A
解析：
A 选项：从自然界中直接筛选出生产青霉素的菌种，这种方法属于自然选育，该选项正确。
B 选项：诱变育种需要物理或化学因素处理微生物，题干未提及，该选项错误。
C 选项：基因工程育种需导入外源基因，题干未涉及，该选项错误。
D 选项：杂交育种不适用于微生物，且题干未体现，该选项错误。
7.答案：B
解析：A 选项：微生物肥料不能杀死土壤中的害虫，该选项错误。
B 选项：生产微生物肥料如根瘤菌肥、固氮菌肥等，主要作用是提高土壤肥力，促进植物生长，该选项正确。
C 选项：微生物肥料一般不是用于改善土壤酸碱度，该选项错误。
D 选项：增加土壤中的微生物数量不是生产微生物肥料的主要目的，该选项错误。
8.答案：B
解析：A 选项：发酵工程可用于生产青霉素等多种抗生素，该选项正确。
B 选项：并非所有利用发酵工程生产的疫苗都需要减毒或灭活处理，如重组蛋白疫苗等不需要，该选项错误。
C 选项：胰岛素可通过基因工程将人胰岛素基因导入大肠杆菌等微生物，经发酵生产，该选项正确。
D 选项：发酵工程生产药物具有纯度高、成本低等优点，该选项正确。
9.答案：C
解析：A 选项：扩大培养不是为了使菌种适应发酵环境，该选项错误。
B 选项：扩大培养不会增加菌种的变异率，该选项错误。
C 选项：将菌种进行扩大培养是为了获得足够数量的微生物细胞，满足发酵生产的需要，该选项正确。
D 选项：筛选优良菌种在扩大培养之前，扩大培养不是为了筛选优良菌种，该选项错误。
10.答案：B
解析：A 选项：利用微生物发酵处理有机废水，微生物一般不进行光合作用，该选项错误。
B 选项：微生物通过呼吸作用分解有机废水中的有机物，将其转化为无害物质，达到处理废水的目的，该选项正确。
C 选项：化能合成作用与处理有机废水无关，该选项错误。
D 选项：固氮作用是将氮气转化为含氮化合物，与处理有机废水无关，该选项错误。

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