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1.3发酵工程及其应用同步练习 高二下学期生物人教版选择性必修3（文字版 | 含答案）
一、单选题
1．随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，发酵工程逐步形成。下列有关描述，错误的是（ ）
A．性状优良的菌种可以从自然界中筛选，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得
B．发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵
C．在发酵过程中，环境条件不仅会影响微生物的生长和繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成
D．发酵产品可以是微生物细胞本身，也可以是代谢物
2．发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。下面有关叙述不正确的是（ ）
A．优良性状的菌种可以从自然界中筛选，也可以通过诱变育种或基因工程育种来获得
B．扩大培养的目的是增大接种时发酵罐中菌种的数目
C．发酵工程的中心环节是灭菌，特别是培养基和发酵罐必须进行严格灭菌
D．进行发酵操作时，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理
3．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
4．测定链霉素对3种细菌的抗生素效应，用3种细菌在事先准备好的琼脂平板上画3条等长的平行线（3条线均与图中的链霉素带接触），将平板置于37 ℃条件下恒温培养三天，结果如图所示。从实验结果分析，以下叙述不正确的是（ ）
A．链霉素能阻止结核杆菌的生长
B．链霉素不可以用于治疗伤寒病人
C．链霉素对霍乱菌比对伤寒菌更有效
D．链霉素对霍乱菌比对结核杆菌更有效
5．幽门螺杆菌是一种能生长在强酸环境下的胃部疾病重大致病细菌。C-13呼气试验检测被公认为检测幽门螺杆菌的有效方法。受试者通过口服C-13尿素胶囊，进入胃部后，幽门螺杆菌就会分泌尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO2随血液进入肺部并以气体排出。根据以上信息，下列叙述中错误的是（ ）
A．幽门螺旋杆菌的细胞膜由双层磷脂分子组成，有一定的流动性
B．幽门螺旋杆菌感染者吹出气体中的CO2是其细胞有氧呼吸产生的
C．如果受试者呼出的气体中有被标记的C-13，代表存在幽门螺杆菌
D．幽门螺旋杆菌产生的脲酶适宜在酸性条件下发挥作用
6．发酵工程一般包括菌种的选育、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品的分离、提纯等方面。下列相关说法正确的是（ ）
A．工业发酵的菌种都直接从环境筛选而来，使用时需进行扩大培养
B．传统发酵技术与发酵工程相比，前者发酵过程中通常有多种微生物起作用
C．只有发酵工程的中心环节结束时才需要检测培养液中的微生物数量、产品浓度等
D．可以通过过滤、沉淀从发酵液中分离获得微生物的代谢产物
7．发酵工程能够在严格控制环境条件的情况下大规模生产发酵产品，下列说法正确的是（ ）
A．选育菌种是发酵工程的中心环节，所用菌种一般较单一
B．环境条件不仅影响菌种的繁殖，也会影响代谢产物的种类
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．发酵工程可以生产多种药物，但不能生产疫苗
8．在利用传统发酵技术制作发酵食品的过程中，控制发酵条件至关重要。下列相关叙述正确的是（ ）
①传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主
②制作果酒的葡萄汁不宜超过发酵瓶体积的2/3
③制作泡菜的盐水要淹没全部菜料
④向泡菜坛盖边沿的水槽中注满水，以形成内部无菌环境
⑤制作醋时经常翻动发酵物的主要目的是控制发酵温度
A．①②③ B．②③④ C．②③⑤ D．①②③④⑤
9．培养基是指供给微生物、植物或动物细胞（或组织）生长繁殖的，由不同物质组合配制而成的营养基质。针对下表中的三组培养基，下列叙述错误的是（　　）
组别 培养基成分
a 蛋白胨、酵母提取物、甘露醇、水
b 葡萄糖、尿素、NaCl、K2HPO4、酚红、琼脂糖
c 矿质元素、蔗糖、维生素、甘氨酸、水、琼脂
A．a组培养基可用于醋化醋杆菌的扩大培养，该培养过程需用到磁力搅拌器和摇床
B．b组培养基可用于分离含脲酶的微生物，该实验中需用全营养LB固体培养基作对照
C．c组培养基可用于诱导植物愈伤组织再分化，添加的植物生长调节剂需事先过滤灭菌
D．上述培养基不仅要为相应的细胞提供营养物质还要为其生存和繁殖提供适宜的环境
10．发酵工程与食品工业、医药工业及其他工农业生产有着密切的联系。下列关于发酵工程及其应用的叙述，正确的是（ ）
A．发酵工程的产品可以是微生物的代谢物、酶以及菌体本身
B．啤酒发酵的过程中大部分糖的分解发生在后发酵阶段
C．以大麦为主要原料，利用霉菌（如黑菌霉）发酵生产酱油
D．微生物菌体中提取的蛋白质叫作单细胞蛋白
11．下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是（ ）
A．生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油
B．生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养
C．生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过曲霉的发酵制得
D．生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产
12．随着微生物纯培养技术的建立，人们可以从自然界中选择所需微生物通过发酵工程应用于生产生活中。下列关于微生物纯培养与发酵工程的说法正确的是（ ）
A．微生物的纯培养物就是不含有代谢废物的微生物培养物
B．平板划线法既可以用于微生物的纯培养，又可用于微生物计数
C．利用酵母菌发酵产生的单细胞蛋白属于分泌蛋白，可制成微生物饲料
D．在农牧业中，利用发酵工程生产的微生物肥料一般是微生物的代谢产物
二、多选题
13．扩展青霉常见于腐烂苹果中，其分泌的展青霉素（Pat）是一种具有致突变作用的毒素。为研究腐烂苹果中Pat的分布，进行了如图实验，其中“病健交界处”为病斑与正常部位的交界处，依据与病斑的距离不同将苹果划分为①~⑤号部位，其中⑤为剩余部分。测定病斑直径为1、2、3cm的苹果中①~⑤号部位的Pat含量，结果如下。下列说法正确的是（ ）
A．该实验自变量是腐烂苹果中的病斑大小和离病斑距离大小
B．可向扩展青霉培养液中加入青霉素以防止杂菌污染
C．病斑越大，靠近腐烂部位的果肉中Pat含量越高
D．由实验结果可知，苹果去除腐烂部位后可放心食用
14．与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列有关叙述不正确的是（ ）
A．与传统发酵技术相同，发酵工程也是利用微生物进行发酵
B．通过发酵工程获得大量的单细胞蛋白可以制成微生物饲料
C．生产谷氨酸的发酵过程中，pH的变化不影响谷氨酸的产量
D．利用放线菌通过发酵工程产生的井冈霉素防治水稻枯纹病属于化学防治
15．聚羟基脂肪酸酯（PHA）是某些细菌以蔗糖为原料合成的一种胞内聚酯，具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性。PHA进入海洋后，可以被动物食用，约1 ~3年完全自然降解。下图为PHA的生产工艺流程，有关分析正确的是（　　）
A．培养基A需添加蔗糖，为选择培养基
B．菌株M用血细胞计数板进行直接计数
C．发酵罐内应严格控制温度、pH等条件
D．采用过滤、沉淀的方法得到PHA产品
16．四环素（C22H24N2O8）是一种广谱抗生素，既可以用来进行动物疾病的治疗，又可以作为饲料的添加剂促进动物的生长。然而，四环素的化学结构稳定，在动物体内并不能被完全吸收转化，易在环境中积累，造成污染。研究人员从养鸡场粪便堆肥中分离得到两种对四环素具有降解能力的菌种A和B。为研究不同碳源和氮源对两种菌降解四环素的能力的影响，在含等量适宜浓度的四环素的培养基中分别加入不同碳源和氮源作为实验组，不加碳源或氮源的作为对照组，其他条件相同且适宜，6d后测定四环素残留量的结果如图所示。下列叙述正确的是（ ）
A．四环素可能为菌种A、B提供碳源，从而作为菌种A、B合成其他物质的原料
B．分析可知，在碳源和氮源分别为蔗糖和蛋白胨时，菌种A降解四环素的能力最高
C．添加葡萄糖后对菌种A降解四环素的过程具有促进作用，对菌种B降解四环素的过程具有抑制作用
D．为保证严谨性还需要再添加一组设置为不添加碳源、氮源和四环素降解菌的对照实验
三、非选择题
17．酵母的蛋白质含量可达自身干重的一半，可作为饲料蛋白的来源，有些酵母可以利用工业废甲醇作为碳源进行培养，这样即可减少污染又可以降低生产成本。研究人员拟从土壤样品中分离该类酵母，并进行大量培养。图为操作流程，请回答下列问题：
(1)配置培养基时，按照培养基配方准确称量各组分，将其溶解，定容后分装前，需要 ，分装后对培养基进行 灭菌。
(2)取步骤②中不同梯度的稀释液加入标记好的无菌培养皿中，在步骤③中将温度约 （选填“25°C” “50°C”或“80°C”）的培养基导入培养皿混匀，冷凝后 培养。
(3)挑选平板中长出的单菌落，按步骤④进行划线，下列叙述合理的有_________（多选）
A．为保证无菌操作，接种环使用前必须灭菌
B．划线时应避免划破培养基表面，以免不能形成正常菌落。
C．可以通过逐步提高培养基中甲醇的浓度，获得甲醇高耐受株
D．挑选菌落时，应挑选多个菌落，分别测定酵母细胞中甲醇的含量
传统发酵技术大大丰富了食物的品种，充分体现了劳动人们的智慧。酵母菌，醋酸菌，乳酸菌等都是传统发酵技术中重要的菌种。
(4)下列关于传统发酵技术应用的叙述，正确的时_____
A．利用乳酸菌制作酸奶过程中，先通气培养，后密封发酵
B．利用酵母菌发酵制造果酒时应将发酵瓶装满发酵液，可以产生更多果酒
C．果酒发酵时要不断通气氧气
D．制造果醋时应将发酵瓶的进气口和出气口均打开，保证充足氧气
(5)微生物参与发酵过程的有关叙述正确的是_________（多选）
A．酵母菌，醋酸菌，乳酸菌都属于原核生物
B．在糖源不充足时，醋酸菌可以利用乙醇在氧气充足条件下生产醋酸
C．制作果酒，果醋和酸奶所需时间基本相同
D．果酒发酵瓶内留有一定空间有利于酵母菌的繁殖
(6)某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列有关叙述错误的是
A．发酵罐中的发酵是发酵工程的中心环节
B．发酵罐在发酵前要进行灭菌，避免杂菌污染
C．正常发酵过程中需要调控发酵罐内的温度，PH,营养物质浓度等指标
D．发酵过程中要控制搅拌速度，不断增加溶解氧浓度，提高发酵效率，获得更多产物
18．秸秆中纤维素可在特定微生物产生的纤维素酶的催化下分解为葡萄糖。图甲为纤维单胞菌（能产生纤维素酶）的获取过程，图乙为利用秸秆制备生物燃料的过程。请回答下列问题。
(1)纤维素酶至少包括 、 和葡萄糖苷酶，葡萄糖苷酶能将 分解成葡萄糖。
(2)在培养皿中接种微生物时，除图甲所示方法外，还有 。从土壤中筛选纤维单胞菌时，应在培养基中添加 作为唯一碳源。并利用 染料筛选，筛选的标准是出现 。
(3)平板划线操作的第一步灼烧接种环是为了避免接种环上可能存在的微生物 ；划线操作结束后灼烧接种环，能及时杀死接种环上残留的菌种，避免细菌 。
(4)从土壤中分离纯化纤维素分解菌，应选择 的环境采集土样，鉴别纤维素分解菌常用 法。
19．产脂肪酶酵母可用于含油废水处理。为筛选产脂肪酶酵母菌株，科研人员开展了相关研究如图，据图回答下列问题：

(1)图中I号培养基称为 培养基（按功能分）；图1③过程采用的接种方法是 。③过程所用的接种方法统计菌落数目会比实际数目 (选填“多”或“少”)。
(2)该培养基中除了加入脂肪外，还需加入另一种重要的营养成分_____。
A．琼脂 B．葡萄糖 C．硝酸铵 D．碳酸氢钠
(3)在培养基的配制过程中，操作方法包括以下步骤，其正确顺序为 。
①溶解 ②调整pH ③培养基的分装 ④称量 ⑤灭菌 ⑥倒平板
A．①②⑤④⑥③ B．④①②③⑤⑥
C．⑤①②④③⑥ D．①②④③⑤⑥
(4)可用于判断培养基上生长菌落种类的依据是菌落的__________
A．形态特征 B．DNA序列 C．数量 D．分布状况
(5)为提高酵母菌产酶能力，在图的①过程采用射线辐照育种，培养纯化获得A、B两突变菌株，该育种方法是_____。
A．杂交育种 B．诱变育种
C．单倍体育种 D．多倍体育种
(6)在处理含油废水的同时，可获得蛋白质，实现污染物资源化。为评价A、B两菌株的相关性能，进行了培养研究，结果如下图，据图分析，应选择菌株 进行后续相关研究，理由是 。

(7)根据下图结果，计算每克土壤样品约含细菌 个。

(8)以下微生物发酵生产特定产物时，所利用的主要微生物的细胞结构与大肠杆菌较相似的有______________
A．制作果酒 B．由果酒制作果醋 C．制作酸奶 D．生产青霉素
20．微生物连续培养时，一部分旧的培养基以一定的速度流出，同时不断有等量的新鲜培养基流入，以保证微生物对营养物质的需要。研究人员将大肠杆菌JA122菌株接种到葡萄糖含量受到限制的培养基中，连续培养多代，然后取样分析其中存在的新菌株，请回答下列问题：
(1)用于连续培养JA122大肠杆菌的培养基从物理性质看属于 。培养基中除了含作为 的葡萄糖外，还应该含有 等。
(2)样品中共发现CV 101、CV 103、CV 116三种新菌株，产生新菌株的原因是JA122大肠杆菌发生了 ，产生三种不同类型的新菌株说明 。
(3)对三种菌株的代谢差异进行分析发现，CV103对葡萄糖吸收率最高，代谢终产物是乙酸盐。进一步研究表明，CV101可以在已过滤的培养过CV103的培养基（不含CV103菌株）中生长，据此作出的推测是： 。
(4)请设计并完成下列实验步骤，来验证你的观点。
①配制 的固体培养基（A组）和不含碳源的固体培养基（B组）；
②将等量的适量稀释的CV101菌液分别接种到A、B培养基中培养一段时间，并观察记录菌株的生长情况。实验操作过程应注意在 条件下进行；
③预期实验结果： 。
21．回答下列（一）（二）小题：
（一）有文章称单位面积手机表面的细菌比马桶按钮上的多。某校甲、乙两研究性学习小组通过如图所示实验展示调查结果。
(1)实验使用的培养基，含有营养物质和 。制备培养基时，应将pH调至 。图中继续实验中可能包含的实验操作有 、 、 。
(2)通过观察菌落的特征可知，手机屏幕和马桶按钮上都存在多种微生物。两研究性学习小组实验操作均正确且完全一致，但结果截然不同。你认为可能的原因是 。
(3)实验中，两研究性学习小组采用的接种方法是 。按图示操作取样固定实验员欲测定某手机屏幕的细菌数量，将10mL细菌悬液进行梯度稀释，分别取0.1mL稀释倍数为102的样品液接种到三个培养基上培养一段时间后，统计菌落数分别为38、40、42，则该手机屏幕的细菌数为 个/cm2。
（二）回答下列有关基因工程的问题：
I．研究人员将某细菌的抗虫基因C转入棉花细胞内，成功获得了抗虫转基因棉花，在一定程度上减少了杀虫剂的使用，减少了环境污染，提高了作物的产量和质量。
(4)提取某细菌总RNA，经逆转录形成互补的DNA（cDNA），再利用PCR技术选择性扩增C基因的cDNA，PCR过程中DNA先后经历高温变性→复性→延伸过程，故反应体系中需加入 酶。
(5)常用农杆菌与经 后的外植体共培养一段时间完成转化，需先将C基因的cDNA插入到T质粒的T-DNA上并导入农杆菌，有利于 。若要检测目的基因是否反向插入， （填“能”或“不能”）根据带标记的目的基因单链作探针的核酸分子杂交结果判断。
II．基因编辑技术（CRISPR/Cas9技术）是一种对靶向基因进行特定DNA修饰的技术，其原理是由一个向导RNA（sgRNA）分子引导Cas9蛋白到一个特定的基因位点进行切割（如图）。请据图回答：
(6)从CRISPR/Cas9系统作用示意图看，能够行使特异性识别DNA序列并切割特定位点功能的分子是 。一般来说，在使用基因编辑工具对不同DNA进行编辑时，应使用Cas9和 （填“相同”或“不同”）的向导RNA进行基因的相关编辑。
(7)CCR5基因是人体的正常基因，其编码的细胞膜通道蛋白CCR5是HIV入侵辅助性T淋巴细胞的主要辅助受体之一。科研人员依据 的部分序列设计sgRNA序列，导入骨髓造血干细胞中，构建sgRNA-Cas9复合体，以实现对CCR5基因的定向切割，变异的CCR5蛋白无法装配到细胞膜上，即可有效阻止HIV侵染新分化生成的 从而有效减缓病症。
参考答案：
1．B
【分析】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。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
【详解】A、现代发酵工程中，性状优良的菌种可以来自天然菌种、也可以是诱变育种或基因工程育种获得的，A正确；
B、传统发酵技术和发酵工程都是利用微生物进行发酵，B错误；
C、发酵过程需要适宜的温度和pH等条件，环境条件的变化会对微生物的生长繁殖和微生物代谢物的形成产生一定的影响，C正确；
D、发酵工程是指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，主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身，D正确。
故选B。
2．C
【分析】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技术。发酵工程的内容包括菌种选育、培养基的配制、灭菌、种子扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯（生物分离工程）等方面。
【详解】A、用于发酵的菌种可以从自然界中筛选，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得，A正确；
B、扩大培养的目的是增大接种时发酵罐中菌种的数目，以提高发酵效率，B正确；
C、发酵工程的中心环节是发酵过程，C错误；
D、进行发酵操作时，为避免对环境造成污染，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理，D正确。
故选C。
3．C
【分析】图中分析底物通过酶①和②的催化才能生产氨基酸A和B。但是氨基酸A和B过量时会抑制酶①的作用。
【详解】A、改变面包霉的细胞膜通透性，这样氨基酸A和B都可以及时排出，提高氨基酸A和B的产生量，不是最佳措施，A错误；
B、高温高压不利于面包霉的代谢活动，B错误；
C、面包霉被诱变成不能合成酶③的新菌种，这样中间产物只能通过酶②催化为氨基酸A，可以大量生产氨基酸A的量，C正确；
D、人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉，可以使中间产物不能生成氨基酸A，D错误。
故选C。
4．D
【解析】抗生素能够杀灭细菌，但是不同的细菌对同种抗生素的敏感性不同。图中链霉素带中的链霉素会扩散进入周围环境，对链霉素敏感的细菌无法生长。根据图示结果可知，结核杆菌对链霉素最敏感，其次是霍乱菌，伤寒菌对链霉素具有耐药性。
【详解】因为结核杆菌对链霉素最敏感，其次是霍乱菌，伤寒菌对链霉素具有耐药性，所以链霉素可以阻止结核杆菌的生长，不能用于治疗伤寒病人，而且链霉素对霍乱菌比对伤寒菌更有效，但效果不如对结核杆菌，A、B、C正确，D不正确。
故选D。
5．B
【分析】根据题干信息分析，幽门螺杆菌为原核生物，其结构上最大的特点是没有核膜包被的成形的细胞核；幽门螺杆菌能够生长在强酸环境下的胃部，受试者口服C-13尿素胶囊后，幽门螺杆菌能够分泌尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO2随血液进入肺部并以气体排出，因此可以通过C-13呼气试验检测幽门螺杆菌。
【详解】A、所有细胞膜的基本骨架都是由双层磷脂分子组成，且具有一定的流动性，A正确；
B、感染者吹出气体中的CO2是幽门螺旋杆菌细胞有氧呼吸产生的，B错误；
C、幽门螺杆菌能够分泌尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO2随血液进入肺部并以气体排出，因此如果受试者呼出的气体中有被标记的C-13，代表存在幽门螺杆菌，C正确；
D、幽门螺杆菌能够生长在强酸环境下的胃部，其产生的脲酶适宜在酸性条件下发挥作用，D正确。
故选B。
6．B
【分析】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技术。
【详解】A、工业发酵的菌种可直接从环境筛选而来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得，工业发酵罐体积较大，必须接种足量的菌种才能保证其产量，需要的菌种数量较多，通常在发酵之前需要对菌种进行扩大培养，A错误；
B、传统发酵技术和发酵工程相比，前者利用的是天然的混合菌种，发酵过程中通常有多种微生物起作用，B正确；
C、发酵工程过程中需要隔一段时间取样，不断检测培养液中的微生物数量、产品浓度等，C错误；
D、发酵产品不同，分离提纯的方法一般不同， 如果产品是菌体，可采用过滤，沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来，而微生物代谢产物的提取，采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行，D错误。
故选B。
7．B
【分析】发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。
【详解】A、发酵罐内发酵才是发酵工程的中心环节，A错误；
B、环境条件不仅影响菌种的繁殖，也会影响代谢产物的种类，如酵母菌在有氧、无氧环境下代谢产物不同，B正确；
C、在发酵过程中，装置内的营养组分会被消耗，需要适时向装置中再添加必需的营养组分，C错误；
D、发酵工程结合基因工程等技术，可以进行疫苗生产，D错误。
故选B。
8．A
【分析】1、参与腐乳制作的微生物主要是毛霉，其新陈代谢类型是异养需氧型。
2、腐乳制作的原理：毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸；脂肪酶可将脂肪分解成甘油和脂肪酸。
【详解】①传统发酵以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主，①正确；
②制作果酒的葡萄汁不宜超过发酵瓶体积的2/3，是为了发酵初期让酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，同时为了防止发酵过程中发酵液溢出，②正确；
③制作泡菜的盐水要淹没全部菜料，以保证乳酸菌进行无氧呼吸，③正确；
④向泡莱坛盖边沿的水槽中注满水形成内部无氧环境，不能创造无菌环境，④错误；
⑤醋酸发酵过程中利用了醋酸菌的有氧呼吸，在发酵过程中经常翻动发酵物，有利于散热，但不能控制发酵温度，⑤错误；
①②③正确，即A正确。
故选A。
9．C
【分析】1.培养基一般含有水、碳源、氮源、无机盐等。
2.常用的接种方法：平板划线法和稀释涂布平板法。
3.常用的灭菌方法：干热灭菌法、灼烧灭菌法、高压蒸汽灭菌法。
4.筛选目的微生物时应该使用只有目的微生物能够生存，而其他微生物不能生存的选择培养基。选择培养基是指通过培养混合的微生物，仅得到或筛选出所需要的微生物，其他不需要的种类在这种培养基上是不能生存的。
5.从土壤中分离以尿素为氮源的细菌的实验流程：土壤取样→样品的稀释→将稀释液涂布到以尿素为唯一氮源的培养基上→挑选能生长的菌落→鉴定。
6.分解尿素的细菌的鉴定细菌合成的脲酶将尿素分解成氨，氨会使培养基的碱性增强.在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红。
【详解】A、a组培养基可用于醋化醋杆菌的扩大培养，磁力搅拌器和摇床都是扩大菌落与其所需要的营养物质的接触面积，利于菌落的培养，A正确；
B、b组培养基以尿素作为唯一氮源，含脲酶的微生物在该培养基上能生长，其它微生物在该培养基上因缺乏氮源而不能生长，可用于分离含脲酶的微生物，该实验中需用全营养LB固体培养基作对照，通过对照可以判断选择培养基的选择作用，B正确；
C、c组培养基可以用来诱导植物愈伤组织再分化，添加的植物生长调节剂不能过滤灭菌，易被分解，C错误；
D、上述培养基不仅要为相应的细胞提供营养物质，还要为其生存和繁殖提供适宜的环境，D正确。
故选C。
10．A
【分析】微生物含有丰富的蛋白质。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。
【详解】A、发酵工程的产品可以是微生物的代谢物、酶以及菌体本身，A正确；
B、啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，但酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，B错误；
C、以大豆为主要原料，利用霉菌（如黑菌霉）发酵生产酱油，C错误；
D、单细胞蛋白即微生物菌体，不需要从微生物细胞中提取，D错误。
故选A。
11．B
【分析】利用微生物的作用制取的食品都可称为发酵产品。发酵产品在加工过程中需要有微生物的参与。
【详解】A、酱油是一种传统发酵产品，一般是利用米曲霉这样的霉菌，产生的蛋白酶等酶来进行生产，A正确；
B、食品添加剂，不仅可以改善食品的口味，还能增加食品的营养，B错误；
C、常见的食品添加剂柠檬酸可以通过曲霉的发酵制得，C正确；
D、常用的酶制剂绝大多数通过发酵工程生产，少数由动植物生产，D正确。
故选B。
12．D
【分析】微生物常见的接种的方法①平板划线法：将已经熔化的培养基倒入培养皿制成平板，接种，划线，在恒温箱里培养。在划线的开始部分，微生物往往连在一起生长，随着线的延伸，菌数逐渐减少，最后可能形成单个菌落。②稀释涂布平板法：将待分离的菌液经过大量稀释后，均匀涂布在培养皿表面，经培养后可形成单个菌落。
发酵工程的应用在食品工业上的应用，第一，生产传统的发酵产品；第二，生产各种各样的食品添加剂；第三，生产酶制剂。
在农牧业上的应用，第一，生产微生物肥料，第二，生产微生物农药，第三，生产微生物饲料。
【详解】A、微生物的纯培养物就是由单一个体繁殖所获得的微生物群体，A错误；
B、平板划线法可以用于微生物的纯培养，不可用于微生物计数，B错误；
C、利用酵母菌发酵产生的单细胞蛋白属于微生物菌体，可制成微生物饲料，C错误；
D、在农牧业中，利用发酵工程生产的微生物肥料一般是微生物的代谢产物，D正确。
故选D。
13．ABC
【分析】1、据图分析可知，①号部位为病斑区域，即腐烂部位，①与②交界处为“病键交界处”，是腐烂部位与未腐烂部位交界的地方，②③④⑤均为未腐烂部位，且距离腐烂部位依次变远。
2、在曲线图中，病班部位的Pat含量最高，而距离病班部位越来越远，Pat含量就会越来越少。
【详解】A、由曲线图可知，该实验自变量是腐烂苹果中的病斑大小和离病斑距离大小，A正确；
B、青霉素可以抑制细菌生长，可向扩展青霉培养液中加入青霉素以防止杂菌污染，B正确；
C、病斑越大，说明病斑中扩展青霉素的密度就越大，产生的Pat就越多，C正确；
D、如果只去除腐烂部位，那么未腐烂部位中的Pat仍然会对人体造成伤害， 存在健康风险，故窝烂苹果去除腐烂部位后不能食用，D错误。
故选ABC。
14．CD
【分析】1、发酵工程生产的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。
2、产品不同，分离提纯的方法一般不同。（1）如果产品是菌体，可采用过滤，沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；（2）如果产品是代谢产物，可用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行提取。
3、发酵过程中要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。4、发酵过程一般来说都是在常温常压下进行，条件温和、反应安全，原料简单、污染小，反应专一性强，因而可以得到较为专一的产物。
【详解】A、发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵，A正确；
B、单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体，可作为食品添加剂，例如用酵母菌生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料，例如在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，动物食用后能提高免疫力，B正确；
C、中性和弱碱性条件下利于谷氨酸的积累，酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，生产谷氨酸的发酵过程中，pH的变化会影响谷氨酸的产量，C错误；
D、利用放线菌通过发酵工程产生的井冈霉素可以用来防治水稻枯纹病，这种治理不会对环境造成影响，属于生物防治，D错误。
故选CD。
15．AC
【分析】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。
如果发酵产物是微生物本身可在发酵结束之后，采用过滤沉淀的方法，将菌体分离和干燥即可得到产品，如果产品是代谢物可根据产物的性质，采取适当的提取分离和纯化措施来获得产品
【详解】A、由题干信息“聚羟基脂肪酸酯是细菌以蔗糖为原料合成的胞内聚酯”可知：生产聚羟基脂肪酸酯需要以蔗糖为原料，故培养基中需添加蔗糖，在盐浓度60g／L，PH为10的培养基中，只有耐盐碱的微生物才能生存，其他微生物因无法适应这一环境而被淘汰，所以该培养基是选择培养基，A正确；
B、血细胞计数板比细菌计数板厚，常用于相对大的真菌等的计数，菌株M属于细菌个体较小，应用细菌计数板进行直接计数，B错误；
C、在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量产物浓度，以了解发酵进程，还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度PH和溶解氧等发酵条件，因为环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成，C正确；
D、结合题意和分析可知，PHA是细菌的代谢物，应采用提取、分离、纯化措施来获取产品，D错误。
故选AC。
16．ABD
【分析】凡能为微生物提供所需碳元素的营养物质称为碳源；对许多微生物来说，既可利用无机含氮化合物作为氮源，也可利用有机含氮化合物作为氮源。
【详解】A、四环素（C22H24N2O8）可为能降解四环素的菌种A、B提供碳源，碳源可为微生物的生长提供能量和合成其他物质的原料，A正确；
B、由图分析可知，在碳源和氮源分别为蔗糖和蛋白胨时，菌种A处理的四环素的残留量最低，故A菌降解四环素的能力最高，B正确；
C、添加葡萄糖后，菌种A处理的四环素的残留量高于菌种B处理的四环素的残留量，与对照组相比，说明添加葡萄糖对菌种A降解四环素的过程具有抑制作用，对菌种B降解四环素具有促进作用，C错误；
D、由题干信息分析可知，实验组都加入了四环素降解菌，还缺少一组不加四环素降解菌的实验组，为保证实验的严谨性，本实验还添加一组对照实验，实验设置为不添加碳源、氮源和四环素降解菌，D正确。
故选ABD。
17．(1) 调节PH 高压蒸气
(2) 50°C 倒置培养
(3)ABC
(4)D
(5)BD
(6)D
【分析】1、配制培养基的操作步骤为称量→溶化→定容→调pH→培养基的分装→包扎→灭菌，因此微生物的培养基配制好后应该先调节pH，再分装。常见的灭菌方法有：干热灭菌、高压蒸汽灭菌、灼烧灭菌。培养基适宜用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。
2、参与果醋制作的是醋酸菌，醋酸菌是一种好氧菌，只有当氧气充足的时候才能进行旺盛的生理活动。醋酸菌在糖源和氧气充足时，能将葡萄糖分解成醋酸；当糖源不足时，醋酸菌可将酒精变成乙醛，再将乙醛最终转变成醋酸。
【详解】（1）配制培养基的操作步骤为称量→溶化→定容→调pH→培养基的分装→包扎→灭菌，因此微生物的培养基配制好后应该先调节pH，再分装。常见的灭菌方法有：干热灭菌、高压蒸汽灭菌、灼烧灭菌。培养基适宜用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。
（2）步骤③的平板浇注法是将灭菌后的培养基冷却至45~50℃，倒入含有不同稀释液的无菌培养皿中，混匀，凝固，冷凝后倒置培养。
（3）A、在划线过程中，接种针、接种环使用前都必须灭菌，以防止杂菌污染，A正确；
B、划线时应避免划破培养基表面，否则将不能形成正常菌落，B正确；
C、培养基中的甲醇浓度越高，此种培养基中得以生存的酵母菌利用甲醇的能力越强，因此可以通过逐步提高培养基中甲醇的浓度，获得甲醇高耐受株，C正确；
D、该实验的目的是获得利用工业废甲醇作为碳源的酵母菌，不需要测定酵母菌中的甲醇含量，D错误。
故选ABC。
（4）A、乳酸菌是一种严格的厌氧菌，有氧气存在时，其发酵会受到抑制，因此利用乳酸菌制作酸奶的过程中，应一直处于密闭状态，否则会导致发酵失败，A错误；
B、酵母菌是兼性厌氧菌，果酒发酵瓶内留有一定空间有利于酵母菌的繁殖，B错误；
C、果酒发酵时刚开始要通氧气使酵母菌大量繁殖，后续进行无氧发酵，C错误；
D、参与果醋制作的是醋酸菌，醋酸菌是一种好氧菌，只有当氧气充足的时候才能进行旺盛的生理活动，同时会产生二氧化碳，所以制造果醋时应将发酵瓶的进气口和出气口均打开，D正确。
故选D。
（5）A、酵母菌是真核生物，A错误；
B、在糖源不充足时，醋酸菌可以利用乙醇在有氧条件下生产醋酸，B正确；
C、制作果酒的时间一般为10～12d，制作果醋的时间一般为7～8d，而制作腐乳的时间较长，C错误；
D、酵母菌是兼性厌氧菌，果酒发酵瓶内留有一定空间有利于酵母菌的繁殖，D正确。
故选BD。
（6）A、发酵工程的中心环节为发酵罐中的发酵，A正确；
B、发酵要避免杂菌污染，严格进行无菌操作，所以发酵前发酵罐要进行灭菌，B正确；
C、发酵过程中需要调控发酵罐内的温度，PH，营养物质浓度等发酵条件，C正确；
D、乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要通入空气，D错误。
故选D。
18．(1) C1酶 CX酶 纤维二糖
(2) 稀释涂布平板法 纤维素 刚果红 透明圈
(3) 污染培养物 污染环境和感染操作者
(4) 富含纤维素 刚果红染色
【分析】分解纤维素的微生物的分离：（1）实验原理：①土壤中存在着大量纤维素分解菌，包括真菌、细菌和放线菌等，它们可以产生纤维素酶。纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括三种组分，即C1酶、Cx酶和葡萄糖苷酶，前两种酶使纤维素分解成纤维二糖，第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖。故在用纤维素作为唯一碳源的培养基中，纤维素分解菌能够很好地生长，其他微生物则不能生长。②在培养基中加入刚果红，可与培养基中的纤维素形成红色复合物，当纤维素被分解后，红色复合物不能形成，培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈，从而可筛选纤维素分解菌。
（2）实验过程：土壤取样：采集土样时，应选择富含纤维素的环境。梯度稀释：用选择培养基培养，以增加纤维素分解菌的浓度。涂布平板：将样品涂布于含刚果红的鉴别纤维素分解菌的固体培养基上。挑选产生透明圈的菌落：产生纤维素酶的菌落周围出现透明圈，从产生明显的透明圈的菌落上挑取部分细菌，并接种到纤维素分解菌的选择培养基上，在30～37℃条件下培养，可获得较纯的菌种。
(1)
由分析可知，纤维素酶至少包括C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，葡萄糖苷酶能将纤维二糖分解成葡萄糖。
(2)
在培养皿中接种微生物时，常采用平板划线法和稀释涂布平板法，图甲所示方法是平板划线法。从土壤中筛选纤维单胞菌时，应在培养基中添加纤维素作为唯一碳源。在培养基中加入刚果红，可与培养基中的纤维素形成红色复合物，当纤维素被分解后，红色复合物不能形成，培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈，从而可筛选纤维素分解菌。
(3)
平板划线操作的第一步灼烧接种环是为了避免接种环上可能存在的微生物污染培养物；划线操作结束后灼烧接种环，能及时杀死接种环上残留的菌种，避免细菌污染环境和感染操作者。
(4)
从土壤中分离纯化纤维素分解菌，应选择富含纤维素的环境采集土样，鉴别纤维素分解菌常用刚果红染色法。
19．(1) 选择 稀释涂布平板法 少
(2)C
(3)B
(4)AD
(5)B
(6) B 与菌株A比较，B菌株增殖速度快，蛋白产量高，降解脂肪能力强，净化效果好。
(7)1.7×109
(8)BC
【分析】微生物常见的接种的方法：（1）平板划线法：将已经熔化的培养基倒入培养皿制成平板，接种，划线，在恒温箱里培养。在线的开始部分，微生物往往连在一起生长，随着线的延伸，菌数逐渐减少，最后可能形成单个菌落。（2）稀释涂布平板法：将待分离的菌液经过大量稀释后，均匀涂布在培养皿表面，经培养后可形成单个菌落。
【详解】（1）本实验的目的是筛选产脂肪酶酵母菌株，因此需要配制以脂肪为唯一碳源的培养基进行选择，即图中1号是选择培养基，图中③过程采用的接种方法是平板涂布法。使用该方法时统计菌落数目会比实际数目少，因为当两个或多个细胞连在一起时平板上观察到的只是1个菌落。
（2）培养基的基本成分包括碳源、氮源、水分和无机盐，脂肪作为提供碳源的物质，因此在该培养基中除了加入脂肪外，还需加入另一种重要的营养成分氮源，这里应该选择硝酸铵，即C正确 。
故选C。
（3）在培养基的配制过程中操作顺序是： ④称量 、①溶解、②调整pH 、 ③培养基的分装 、⑤灭菌、 ⑥倒平板，故选B。
（4）可用于判断培养基上生长菌落种类的依据是菌落的形态、大小、颜色、隆起程度、分布状况等。
故选AD。
（5）为提高酵母菌产酶能力，在图的①过程采用射线辐照育种，其目的是诱发基因突变，获得高效产生脂肪酶的突变菌株，通过培养纯化获得A、B两突变菌株，该育种方法原理是基因突变，所用的育种方法是诱变育种，即B正确。
故选B。
（6）根据曲线图可知，与菌株A比较，菌株B的增殖速度快，单细胞蛋白产量高，有利于实现污染物资源化。而且其降解脂肪能力强，则净化效果好，因此应选择菌株B进行后续相关研究。
（7）计算每克土壤样品约含细菌个数=C÷V×M=（168+167+175）÷3÷0.1×106个=1.7×109个。
（8）大肠杆菌是原核细胞，果酒发酵用的是酵母菌是真核，果醋发酵用的是醋酸菌是原核细胞，酸奶用的是乳酸菌是原核细胞，生产青霉素用的是青霉菌是真核。
故选BC。
20．(1) 液体培养基 碳源 氮源、无机盐、水
(2) 基因突变 基因突变的不定向性
(3)CV101 菌株能以CV103菌株产生的乙酸盐为碳源
(4) 以乙酸盐为唯一碳源 无菌 A 组菌株生长，B组菌株不能生长
【分析】1.微生物的扩大培养选用液体培养基；2.原核生物细胞中只有DNA没有染色体，可遗传变异来源只有基因突变；3.根据实验探究的目的，先找到自变量，设置对照组和实验组，控制无关变量，并对实验结果进行预测。
(1)
根据题意，微生物连续培养时，一部分旧的培养基以一定的速度流出，同时不断有等量的新鲜培养基流入以保证微生物对营养物质的需要，因此该培养基一定为液体培养基；大肠杆菌是细菌，可以利用葡萄糖作为碳源；培养基中还应含有氮源、无机盐、水等营养物质。
(2)
根据题意，JA122大肠杆菌连续培养后，共发现CV101、CV103、CV116三种新菌株，因为大肠杆菌是原核生物，其可遗传变异来源只有基因突变，同时可以说明基因突变是不定向的。
(3)
CV103的代谢产物是乙酸盐，且CV101可以在已过滤的培养过CV103的培养基（不含CV103菌株）中生长，可以推测出CV101 菌株能以CV103菌株产生的乙酸盐为碳源。
(4)
若要验证CV101菌株能以CV103菌株产生的醋酸盐为碳源这一推论，就要配制以醋酸盐为唯一碳源的培养基，将CV101菌株分别接种到以醋酸盐为唯一碳源的培养基（A组）和不含碳源培养基（B组）中培养一段时间，并观察记录菌株的生长状况；微生物培养要求在无菌条件下进行；如果A组菌株生长（形成菌落），B组菌株不能生长（无菌落）可以证明这一结论。
21．(1) 凝固剂（琼脂） 中性或微碱性 稀释 涂布 接种
(2)取样部位不同
(3) 稀释涂布平板法 1.6×104
(4)（逆转录酶）和耐高温的DNA聚合酶（Taq酶）
(5) 消毒 吸引农杆菌对受体细胞进行侵染 不能
(6) 向导RNA（sgRNA）分子和Cas9蛋白 不同
(7) CCR5基因 T淋巴细胞
【分析】1、、培养基的营养构成：各种培养基一般都含有水、碳源、氮源、无机盐，此外还要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。例如，培养乳酸杆菌时需要在培养基中添加维生素，培养霉菌时需将培养基的pH调至酸性，培养细菌时需将pH调至中性或微碱性，培养厌氧微生物时则需要提供无氧的条件。
2、基因工程技术的基本步骤：（1）目的基因的获取：方法有从基因文库中获取、利用PCR技术扩增和人工合成。（2）基因表达载体的构建：是基因工程的核心步骤，基因表达载体包括目的基因、启动子、终止子和标记基因等。（3）将目的基因导入受体细胞：根据受体细胞不同，导入的方法也不一样。（4）目的基因的检测与鉴定。
(1)
培养基中的营养物质主要有碳源、氮源、生长因子、水分、无机盐等，此外还需加入凝固剂如琼脂等；培养细菌时需将pH调至中性或微碱性；图中继续试验的步骤包括稀释、涂布、接种等。
(2)
两小组的实验操作均正确且完全一致，但结果截然不同，可能是因为手机的取样和马桶的取样部位不相同。
(3)
据图可知，培养基中的菌落均匀分布，所用接种方法是稀释涂布平板法；稀释涂布平板法统计菌落数目时应统计菌落数在30-300之间的，故手机屏幕的细菌数为（38+40+42）÷3÷0.1×102×10÷（5×5）=1.6×104个/cm2。
(4)
提取某细菌总RNA，经逆转录形成互补的DNA，该过程需要逆转录酶；PCR过程中需要达到90℃以上的高温，需要耐高温的DNA聚合酶。
(5)
植物组织培养的关键是无菌操作，故常用农杆菌与经消毒后的外植体共培养一段时间完成转化；利用农杆菌转化法将C基因导入受体细胞，需先将C基因插入到质粒的T-DNA中，原因是农杆菌的Ti质粒上的T-DNA能进入受体细胞并整合到染色体DNA上，吸引农杆菌对受体细胞进行侵染，需要将农杆菌与经过消毒后的外植体共同培养一段时间后完成转化；目的基因只要插入，即可与探针产生杂交带，故若要检测目的基因是否反向插入，不能根据带标记的目的基因单链作探针的核酸分子杂交结果判断。
(6)
根据题干信息“由一个向导RNA（sgRNA）分子引导Cas9蛋白到一个特定的基因位点进行切割”，再结合图解可知能够行使特异性识别DNA序列并切割特定位点功能的分子是向导RNA（sgRNA）分子和Cas9蛋白，其类似于基因工程中限制酶；一般来说，在使用 CRISPR/Cas9系统对不同目标DNA进行编辑时，由于向导RNA能识别并结合特定的DNA序列，所以应使用Cas9蛋白和不同向导RNA进行基因编辑。
(7)
CCR5基因是人体的正常基因，其编码的细胞膜通道蛋白CCR5是HIV入侵T淋巴细胞的主要辅助受体之一，由于T细胞是由造血干细胞分化形成的，因此，可依据CCR5基因的部分序列设计sgRNA序列，导入骨髓造血干细胞中，构建sgRNA-Cas9复合体，以实现对CCR5基因的定向切割，变异的CCR5蛋白无法装配到细胞膜上，即可有效阻止HIV侵染新分化生成的T淋巴细胞。
【点睛】本题考查微生物的培养和接种、基因工程等知识，解答此题需要掌握微生物的分离和培养的相关知识，能明确基因工程的流程，能挖掘题干信息，然后分析题干情境准确作答。(共40张PPT)
第3节 发酵工程及其应用
第1章 发酵工程
学习目标 核心素养
1.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。 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。 1.科学探究：根据发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。
2．社会责任：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。
问题探讨
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
讨论：那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
青霉素
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？
我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。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，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
发酵工程的形成
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
人们对发酵原理的认识
发酵工程形成
那么发酵工程的基本环节是什么呢？应用发酵工程能够生成哪些产品呢？
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节和发酵罐示意图
一、发酵工程的基本环节
1.选育菌种
（1）目的:获得性状优良的菌种。
（2）菌种来源：自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。
（3）菌种选育的重要性（意义）：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。
（4）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。
一、发酵工程的基本环节
自然筛选优点：经济实惠。
缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。
诱变育种或基因工程育种优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物。
缺点：技术要求高
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较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。
（3）扩大培养的培养基：一般为液体培养基。
一、发酵工程的基本环节
扩大培养
工业发酵罐体积
几十 ~ 几百m3
几 ~ 几十m3
接入的菌种总体积
思考
怎样对菌种进行扩大培养？
将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。
3.培养基的配制、灭菌
（1）配制要求
①在菌种确定之后，（结合菌种代谢特点）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（即不断优化培养基）；
（2）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。
（3）灭菌目的：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
*培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌；
一、发酵工程的基本环节
4.接种：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
一、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
装置编号 主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热
4.接种：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
一、发酵工程的基本环节
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
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。
5.发酵罐内发酵
（1）地位：发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
（2）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。
（3）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。
一、发酵工程的基本环节
5.发酵罐内发酵
一、发酵工程的基本环节
（4）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在条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
补充内容：①谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌；
②谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上；
③C:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程：
C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；
C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。
6.产品的分离、提纯
（1）目的：获得产品。
（2）产品的两种形式
①微生物细胞本身；
②代谢物。
（3）采取手段
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。
7.获得产品
一、发酵工程的基本环节
各环节需要注意的地方
环节 目的
菌种选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
产品的分离、提纯
性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。
工业发酵罐体积大，接种菌种总体积大。发酵前需对菌种扩大培养。
选原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。
发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌
现代发酵工程的大型发酵罐有计算机控制系统，能对温度、PH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养进行监测和控制。还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵工程的中心环节，发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离纯化措施来获得产品。
接种
发酵罐发酵
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
1.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？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
①反复试验确定培养基的配方；
②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；
③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；
④及时添加必需的营养组分；
⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
3.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？
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
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；
因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。
为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
思考·讨论 发酵工程基本环节分析
二、发酵工程的应用
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。
因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
酱油
大豆(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
各种酒类的生产
1.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
二、发酵工程的应用
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦
水
糖化罐
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
1、啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
1、啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
具体为发芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，发酵，消毒，终止环节。
啤酒花的作用？
1.使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。
2.形成啤酒优良的泡沫。
3.有利于麦芽汁的澄清。
4.平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵:
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5~10d
主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。一般1~2个月。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
讨论1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；
“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
讨论2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵:
消毒
终止
后发酵:
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。一般5~10d
主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下 储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。一般1~2个月。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
讨论3.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。
4.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
思考-讨论
啤酒的工业化生产流程
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；
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；
柠檬酸
淀粉
淀粉酶
葡萄糖
黑曲霉
柠檬酸合成酶
谷氨酸棒状杆菌
发酵
谷氨酸
味精
处理
氧气
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂。
二、发酵工程的应用
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶
④常见的食品添加剂
1.在食品工业上的应用
（2）生产食品添加剂。
二、发酵工程的应用
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。
（3）生产酶制剂
1.在食品工业上的应用
二、发酵工程的应用
请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。
淀粉酶等。
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。
例：利用微生物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。
（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：利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
二、发酵工程的应用
发酵工程生产的药物的方法
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
2.在医药工业上的应用
二、发酵工程的应用
科学家还利用基因工程，将病原体的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。
（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.
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（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
属于生物防治
③实例
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林害虫
白僵菌 玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（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。
单细胞蛋白
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（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（如高温、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。
4.在其他方面的应用
二、发酵工程的应用
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
发酵工程应用
生产酶制剂
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
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
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
小结：
1.下列不是发酵过程中要完成的是(　　)
A.随时取样检测培养液中的微生物数量及产物浓度
B.不断添加菌种
C.及时添加必需的营养组分
D.严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等条件
2.发酵过程中，不会直接引起pH变化的是(　　)
A.营养物质的消耗 B.微生物释放出的CO2
C.微生物细胞数目的增加 D.代谢产物的积累
B
课堂练习
C
4.下列不属于发酵工程应用的是( )
A.利用工程菌生产人生长激素释放抑制激素
B.利用啤酒酵母酿造啤酒
C.用培养的人细胞构建人造皮肤
D.用酵母菌生产作为食品添加剂的单细胞蛋白
C
课堂练习
3.发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于(　　)
①冷却水供应不足　②微生物代谢旺盛　③培养基不新鲜　④搅拌　
⑤放料口排出产物
A.①②③④⑤　　　 B.②③④ C.①④ D.②④
D(共41张PPT)
第一章 发酵工程
1.3发酵工程及其应用
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
01
02
本节聚焦
基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。
根据发酵产品和利用微生物的不同，讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。
（测定微生物数量的常用方法有哪些？
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量，价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。
在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
01发酵工程的基本环节
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐成功设计
严格控制环境条件（温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等）
大规模生产发酵产品
现代化工程技术
微生物的
特定功能
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。
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产青霉素
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
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
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、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。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
发酵工程的基本环节
实例——谷氨酸发酵：
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；
②加快O2的溶解以及散热。
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
发酵罐内发酵
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节
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，即可得到产品。如果产品是代谢物，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。
01发酵工程的基本环节
1.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？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
思考讨论
④实例——谷氨酸发酵：
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
01发酵工程的基本环节
思考讨论
3.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？
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。
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。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
发酵工程
原理
概念
基本环节
实质
产物
发酵原理和工程学原理
通过微生物的大量繁殖获得所需产品
代谢物或微生物细胞本身
小 结
02发酵工程的应用
(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且容易处理。
优 点
应 用
发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
02发酵工程的应用
食品工业
（1）生产传统的发酵产品：
（2）生产食品添加剂
（3）生产酶制剂
如酱油各种酒类等
如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
如淀粉酶、果胶酶等。
食品工业是微生物最早开发和应用的领域
02发酵工程的应用
食品工业
（1）生产传统的发酵产品：
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母发酵生产各种酒类：
大豆中蛋白质
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
（主要原料）
02发酵工程的应用
食品工业
（2）生产食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5'-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶
增加食品的营养;
改善食品的口味、色泽和品质;
延长食品的保存。
食品添加剂的作用
①利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；柠檬酸是一种食品酸度调节剂
②利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
02发酵工程的应用
食品工业
（3）生产酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶
脂肪酶、氨基肽酶
种类
作用
可以用于食品直接生产；改进生产工艺；简化生产过程；改善产品的品质；延长食品储存期；提高产品产量。
02发酵工程的应用
食品工业
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。
工业流程
发芽
1
2
焙烤
大麦种子发芽，
释放 。
淀粉酶
加热 ， 但 。
3
碾磨
糖化罐
4
糖化
杀死种子胚
不使淀粉酶失活
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
蒸煮
5
糖浆
啤酒花
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
冷却
6
发酵
过滤
7
消毒
装瓶
装罐
储存罐
8
终止
将糖转化为 和CO2
酵母菌
酒精
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
过滤、调节、
分装啤酒进行出售。
啤酒的发酵过程分：为_______和_______两个阶段；
主发酵阶段完成______________________________________；
后发酵的条件__________________________________________；
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
不适合饮用
才能形成澄清、成熟的啤酒
产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌
加啤酒花
主发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
后发酵
冷却
过滤
接种
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
1.与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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，都有助于提高啤酒的产量和品质。
02发酵工程的应用
食品工业
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
讨 论
2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面,这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
02发酵工程的应用
02发酵工程的应用
医药工业
（1）发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素，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。
（2）基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
例：生产生长激素释放抑制激素。
治疗肢端肥大症
例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
例：生产乙肝疫苗的方法。
02发酵工程的应用
农牧业
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类：
②微生物肥料的作用：
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.
根瘤菌肥、固氮菌肥。
02发酵工程的应用
农牧业
（2）生产微生物农药
①作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②实例：
③防治类型：
生物防治
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林害虫
白僵菌 玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病
02发酵工程的应用
农牧业
（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
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；
应用：
生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
成分：
不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
③实例2——乳酸菌
单细胞蛋白
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
还需要铁、锌等微量元素
02发酵工程的应用
其他方面
②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）的利用
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
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂，
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
发酵工程应用
生产酶制剂
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
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
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
小 结
1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。
(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ）
(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ）
(3)在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。（ ）
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
×
√
练习与应用
（2）在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产青霉素，或者只生产头孢霉素呢？
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
（1）青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？（提示：血红蛋口具有携带O2的能力）
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
2.通过微生物发酵，可以将粮食（如玉米、 小麦等）及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调査显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、 CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。
在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食（如陈化的稻谷等）或者非粮食生物材料（如秸秆等）。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
3.发酵工程广泛应用于农牧业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是( )
A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计
B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产
C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低
D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料
B
核心归纳
生产传统发酵食品
生产食品添加剂
发酵工程的基本环节
生产酶制剂
采用基因工程的方法
直接对菌种进行改造
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
发酵工程的应用
食品工业
医药工业
农牧业
其他方面
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
核心归纳
1.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，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
2.菌种选育：自然界筛选、诱变育种、基因工程育种
3.发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
4.发酵工程的产品：微生物细胞本身或微生物的代谢物。
5.发酵实质：通过微生物的大量繁殖获得所需产品。
6.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且容易处理。
7.微生物农药的作用：生物防治的重要手段
8.微生物饲料实例：单细胞蛋白（微生物菌体）（注意：单细胞蛋白不是蛋白质，而是通过发酵获得的大量的微生物菌体，即微生物菌体本身）
核心归纳
9.在我们的日常生活中，利用发酵工程生产的食品以及与食品有关的产品比比皆是，主要包括以下三个方面。第一，生产传统的发酵产品。第二，生产各种各样的食品添加剂。第三，生产酶制剂。（P24）
10.例如，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、调制成的酱油产品；以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产的各种酒类。（P24）
11.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，它可以通过黑曲霉的发酵制得；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。（P25）
12.啤酒的工业化生产流程：分为主发酵和后发酵（酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，后发酵需要在低温、密闭的环境中进行。）
第一章 发酵工程
复习与提高
1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌（目的菌）。实验的主要步骤如下图所示，请分析冋答问题。
（1）在培养基中加入化合物A的目的是 ，这种培养基属于 培养基。
（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量 的
培养液，接入新的培养液中连续培养，使目的菌的数量 。
（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落
进行液体培养，再采用 方法进行
计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。
（4）将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决？
（5）有人提出，可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌，请分析这种方法是否可行。
筛选出可以降解化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
细菌计数板计数
目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖；是否会产生对环境有害的代谢物；降解化合物A后是否会产生二次污染等问题。
可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。
S形增长
2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅，他们提出了如下实验设计思路。
立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红
—亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10mL刚融化的冰激凌作为原液， 然后进行梯度稀释，稀释倍数为1×10~1×105；取每个浓度的冰激凌液各0.1mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板；在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。
（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。
①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？
不同意。只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。
②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准，1mL自来水检出的菌落总数不可以超过100个（37℃培养48h），不得检出总大肠杆菌群】
没有必要。 根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。
2.③他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组，所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？
（2） 下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是 。
需要。
一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板，说明培养基是否被污染；
另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。说明该培养基能否培养出大肠杆菌。
B
2.（3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏大还是偏小？为什么？
（4）如果实验结果显示，检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么？
说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个菌落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。
核心归纳
生产传统发酵食品
生产食品添加剂
发酵工程的基本环节
生产酶制剂
采用基因工程的方法
直接对菌种进行改造
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
发酵工程的应用
食品工业
医药工业
农牧业
其他方面
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
核心归纳
1.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，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
2.菌种选育：自然界筛选、诱变育种、基因工程育种
3.发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
4.发酵工程的产品：微生物细胞本身或微生物的代谢物。
5.发酵实质：通过微生物的大量繁殖获得所需产品。
6.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且容易处理。
7.微生物农药的作用：生物防治的重要手段
8.微生物饲料实例：单细胞蛋白（微生物菌体）（注意：单细胞蛋白不是蛋白质，而是通过发酵获得的大量的微生物菌体，即微生物菌体本身）
核心归纳
9.在我们的日常生活中，利用发酵工程生产的食品以及与食品有关的产品比比皆是，主要包括以下三个方面。第一，生产传统的发酵产品。第二，生产各种各样的食品添加剂。第三，生产酶制剂。（P24）
10.例如，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、调制成的酱油产品；以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产的各种酒类。（P24）
11.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，它可以通过黑曲霉的发酵制得；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。（P25）
12.啤酒的工业化生产流程：分为主发酵和后发酵（酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成，后发酵需要在低温、密闭的环境中进行。）

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