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第3节
发酵工程及其应用
第1章　发酵工程
人教版高中生物 选择性必修3
1
概述发酵工程及其基本环节(重、难点)。
2
举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值(重点)。
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。
那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
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目标一
发酵工程及其应用
1.1 发酵工程的基本环节
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒状杆菌
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
现代发酵工程使用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、　　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵罐内发酵
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。
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。
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。
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、　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
排气管
排出口
温度
进入口
空气
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、　　　　等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的　 ，要严格控制温度、pH和　 __ 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。
产物浓度
营养组分
溶解氧
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用　　　、沉淀等方法将菌体分离和　　　，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的　　　采取适当的提取、分离和　　措施来获得产品。
溶解氧
营养
反馈
过滤
干燥
性质
纯化
1.1 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的因素：能在低成本的　　　上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如　　、　　 、　　等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。
培养基
温度
pH
溶解氧
一边阅读，一边完成学案上的表格
活动1
发酵工程基本环节分析
2.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。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。
产物专一
生产条件温和
原料来源丰富且价格低廉
废弃物对环境污染小且容易处理
发酵工程的特点
在食品工业上的应用
在医药工业上的应用
在农牧业上的应用
在其他方面的应用
发酵工程的应用
1.2 发酵工程的应用
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类：
生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
大豆中蛋白
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
在食品工业上的应用
1.2 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
1.2 发酵工程的应用
生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
在食品工业上的应用
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，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。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。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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
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。
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。
啤酒的工业化流程
活动2
思考·讨论
活动2
思考·讨论
1.与传统的手工发酵相比，在啤酒的工厂化生产中，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。
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。
活动2
思考·讨论
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
通过发酵技术大量生产所需要的产品
直接对菌种进行改造
基因工程
将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物作为疫苗
可能用微生物来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
未来
在医药工业上的应用
1.2 发酵工程的应用
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
有机酸
生物活性物质
微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的　　　、　　　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
在农牧业上的应用
1.2 发酵工程的应用
微生物农药是利用　　　或　　　 来防治病虫害的。
微生物农药作为　　　　的重要手段
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
微生物
其代谢物
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
在农牧业上的应用
1.2 发酵工程的应用
微生物含有丰富的　　　。
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
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 ，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
微生物菌体
在农牧业上的应用
1.2 发酵工程的应用
对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
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。
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决 和
　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
粮食、环境、健康
能源
在其他方面的应用
1.2 发酵工程的应用
随着科技的进步，人们可以利用优良酵母菌种在大型发酵罐中工业化生产酒精。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？
回归情境
提示：随时检查培养液中的酵母菌数量；产物浓度；及时添加必需的营养组分；严格控制发酵温度、发酵时间、pH、溶解氧含量、罐压和搅拌速率等发酵条件。
反馈评价
1.(2025·福建三明高二期末)下列关于发酵工程的叙述，正确的是
A.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
B.确定菌种之后，才能选择原料配制培养基
C.分离、提纯产物是发酵工程的中心环节
D.如果发酵产品是代谢物，可采用过滤、沉淀等方法加以分离
√
解析　筛选出能高产柠檬酸的黑曲霉菌种后还需要进一步扩大培养才能接种到发酵罐中进行发酵生产，A错误；
发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，C错误；
发酵工程生产的产品如果是代谢产物，可用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行提取，D错误。
2.青霉素是青霉菌分泌的一种抗生素。随着高产菌种的选育，发酵技术的发展，青霉素已经步入产业化生产的道路。下列叙述不正确的是
A.经过不断诱变、筛选获得生产用高产青霉菌株
B.发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌
C.发酵过程要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度、溶解氧等
D.用过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥即可获得青霉素
√
解析　高产青霉菌株是通过诱变育种获得的，A正确；
发酵工程所用培养基和设备必须严格控制无菌，避免杂菌污染，B正确；
发酵过程要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度、溶解氧等，以保证发酵过程的顺利进行，C正确；
仅通过过滤、沉淀等方法将青霉菌体分离、干燥，不能获得青霉素，还需经过萃取、脱色等，D错误。
3、泡菜制作中，确保无氧环境的操作是（　　）
A. 沸盐水冷却后倒入坛中
B. 盐水浸没全部菜料
C. 坛盖边沿水槽注满水
D. 检测亚硝酸盐含量
答案：B
解析：盐水浸没菜料可隔绝氧气，促进乳酸菌无氧发酵，而水槽注满水主要用于密封防杂菌。
练习与应用
B
4、与传统发酵技术相比，发酵工程的突出优势是（　　）
A. 依赖自然环境
B. 产物无需提纯
C. 产物种类丰富且质量稳定
D. 仅使用单一菌种
答案：C
解析：发酵工程通过现代技术（如基因工程育种、计算机控制）实现产物多样化、高产且质量可控。
练习与应用
C
5、发酵工程生产柠檬酸时，为提高产量可采取的措施是（　　）
A. 提高培养基pH
B. 添加硫酸铵增加铵离子浓度
C. 减少溶氧量
D. 使用小型发酵罐
答案：B
解析：铵离子浓度升高可解除柠檬酸合成途径的反馈抑制，黑曲霉产酸需充足氧气。
练习与应用
B

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