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第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
知识一 发酵工程的基本环节
1.概念
发酵工程是指利用 的特定功能， 生产人类所需产品的综合性生物工程。
2.基本环节
（1）选育菌种：
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，目的是杀死所有的微生物，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 、 、 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 、 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。
[例1]发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述，错误的是(　　)
A．首先要对发酵设备和培养基严格灭菌
B．要随时取样，检测培养液的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程
C．在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养成分
D．要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
[例2]下列有关发酵工程基本环节的叙述，错误的是(　　)
A．确定菌种之后，才能选择原料配制培养基
B．发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成都与搅拌速度无关
C．在发酵过程中，环境条件的变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成
D．现代发酵工程使用的大型发酵罐均具有计算机控制系统，能使发酵全过程处于最佳状态
知识二 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，如 、各种 类。
（2）生产各种各样的食品添加剂，如通过 发酵制得的柠檬酸；由 发酵生产味精。
（3）生产 ，如α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2.在医药工业上的应用
基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
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。
（2）生产疫苗：利用微生物发酵生产各种 ，如乙肝疫苗、流感疫苗等，用于预防传染病的发生。
（3）生产其他药物：如 、 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.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料。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，常见的有 、 等。
（2）生产微生物农药。微生物农药是利用 或其 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。
（3）生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质。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 。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。
4.在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料发酵生产 、 等能源物质。
（2）将极端微生物应用于生产实践： 、 可以用来生产洗涤剂， 有助于提高热敏性产品的产量。
（3）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。
[例1]下列对发酵工程内容的叙述，正确的是(　　)
A．单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质
B．用诱变育种、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
C．发酵工程中所用的菌种大多是混合菌种
D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
[例2]下列关于发酵工程的叙述，错误的是(　　)
A．由谷氨酸棒状杆菌发酵可得到谷氨酸，谷氨酸经一系列处理后可制成味精
B．利用发酵工程生产的微生物农药，可以作为生物防治的重要手段
C．从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质——单细胞蛋白，可作为食品添加剂
D．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
难点知识一 啤酒的工业化生产流程
(1)生产流程图
(2)生产流程中几个关键环节的作用
①焙烤：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
②糖化：淀粉分解，形成糖浆。
③蒸煮：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
④发酵：酵母菌将糖转化为酒精和CO2。
⑤消毒：杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
巩固训练1
我国是啤酒生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成，其工业化生产的简要流程如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．大麦萌发时仅产生淀粉酶，几乎不产生蛋白酶
B．赤霉素处理大麦可诱导淀粉酶合成，促进糖化发生
C．酵母菌的发酵适宜在30～35 ℃、无氧的环境下进行
D．消毒过滤可杀死所有微生物，延长啤酒的保存期
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巩固训练2
如图为酱油的制作流程，其中米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油所需的蛋白酶、脂肪酶等，该过程需要提供营养物质、通入空气。下列说法错误的是(　　)
A．发酵罐发酵类型为有氧发酵，而发酵池发酵为无氧发酵
B．发酵池发酵过程中添加的食盐可以抑制杂菌的生长繁殖
C．发酵罐发酵需要将罐内的 pH 控制在中性或弱碱性条件下
D．发酵罐发酵与啤酒生产中的糖化都存在大分子降解的过程
一、选择题
1．下列关于发酵工程与传统发酵技术的相关叙述正确的是(　　)
A.人类对发酵原理的认识和密闭式发酵罐的成功设计,标志着发酵工程的诞生
B.发酵工程为厌氧发酵,而传统发酵为需氧发酵
C.传统发酵技术制作的泡菜品质不一,与食材上菌种的差异、杂菌不明等有关
D.发酵工程所用菌种都是经选育的单一菌种,可以明显提高产品的产量和质量
2．发酵工程广泛应用于农牧业,下图为通过发酵工程培养放线菌生产井冈霉素作为微生物农药的流程图。下列叙述错误的是(　　)
A.①可通过基因工程育种和诱变育种选育高产放线菌菌种
B.③可以用干热灭菌箱对培养基进行灭菌处理,防止杂菌污染
C.④主要用提取、分离和纯化等方法获得井冈霉素
D.可用高通量筛选技术对诱变处理的放线菌菌种进行筛选
3．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封式发酵罐的成功设计,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,发酵工程正在也将持续影响着人们的生活和生产实践。下列说法正确的是(　　)
A.在发酵罐中接种菌种量越高,其K值越大
B.为了防止杂菌污染,发酵工程的中心环节是灭菌
C.在发酵工程中,发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体干燥,并将菌体破碎后提取单细胞蛋白
D.啤酒发酵过程中大部分糖的分解和代谢物的生成在主发酵阶段完成
4．单细胞蛋白即微生物菌体,是一种新型的蛋白质来源,利用发酵工程能提高其产量和品质。下列工艺流程中不合理的是(　　)
A.可通过诱变育种等手段获得优良菌种
B.培养基和发酵设备均需高温消毒
C.发酵过程需控制合适的温度和pH
D.采用过滤、沉淀、干燥等方法获得菌体
5．青贮饲料是指将新鲜秸秆、青草等通过乳酸菌等微生物发酵而制成的饲料。它气味酸香、柔软多汁、营养丰富、保存期长,是家畜的优良饲料。下列相关叙述正确的是(　)
A.选择纤维素含量较高的植物作为青贮原料,保证乳酸菌生长所需的氮源
B.将青贮的原料适当切碎、搅拌并通入空气,利于乳酸菌充分发酵
C.发酵过程中乳酸菌生成NADH,使pH降低,抑制杂菌的生长
D.青贮饲料有利于植食性动物对饲料的消化吸收,提高能量利用率
6．废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产产生的废水和沼气池废料生产蛋白质，其技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
B．在连续搅拌反应器中，沼气池废料中微生物的生长被抑制
C．上述工厂化生产过程中需严格遵循无菌操作
D．该生产过程中，没有气体生成
7．中药双向发酵技术是以含有活性成分的中草药作为发酵的药性基质，以有益的药用真菌作为发酵的菌种。药用真菌在药性基质上的生长过程中，通过一系列复杂的代谢反应过程产生新的活性成分和生理功能。下列有关叙述错误的是(　　)
A．中药基质为真菌提供生长需要的碳源、氮源等养分
B．优良药用真菌可通过诱变育种或基因工程育种获得
C．发酵产品中新的活性成分可能是真菌的某代谢物
D．温度、通气状况等环境条件不影响发酵产品的药效
8．食品工业是微生物发酵应用最早、最广泛的领域,工业上常用微生物发酵产物生产味精,发酵的部分流程如下图所示,下列叙述正确的是(　　)
A.第①步碾磨前需对大米和酿造器具预先进行消毒处理
B.直接对微生物培养液沉淀、过滤来生产②所需的酶制剂
C.第③步发酵生产谷氨酸的过程中,发酵液的pH应维持在中性和弱碱性
D.第③步向发酵罐中补充尿素的主要目的是补充发酵液中的碳源
9．研究发现,给脐橙施用枯草芽孢杆菌液态微生物肥、接种丛枝菌根真菌均可提升土壤供肥能力,实现果实增产提质。下列叙述错误的是(　　)
A.获得微生物纯培养物是利用发酵工程大量生产微生物肥料的重要基础
B.培养枯草芽孢杆菌需将培养基调至酸性,培养丛枝菌根真菌需将培养基调至中性或弱碱性
C.微生物在固体培养基上生长时,可以形成肉眼可见的菌落
D.除微生物肥料外,还可利用其代谢物开发微生物农药,作为生物防治的重要手段
10．透明质酸(HA)又称玻尿酸,是一种可在外科整形手术中充当皮下填充物的多糖类物质,微生物发酵法是大规模生产HA的主要方法。实验室扩大培养微生物时,常需要将装有培养液的锥形瓶置于摇床上振荡培养。为提高HA的产量,科研人员以HA高产菌株ZV1为研究对象,分别探究了发酵过程中摇床转速(图1)、锥形瓶装液量(图2)等条件对瓶中HA产量和ZV1菌体含量(通过离心收集培养液中的所有菌体来测定)的影响。下列说法错误的是(　　)
图1
图2
A.HA可能存在于某些微生物的荚膜中
B.装液量在60~120 mL时,ZV1菌体含量和HA产量的变化趋势相同
C.摇床转速和装液量都会对培养液中的氧气含量造成影响
D.采用150 r/min的摇床转速和120 mL的装液量是提高HA产量的有效措施
二、非选择题
11.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,其工业化生产的简要流程如图1所示,图2为啤酒发酵所用的发酵罐结构示意图。回答下列问题。
图1
图2
(1)制麦过程中常利用发芽的大麦种子产生的淀粉酶完成糖化过程,形成糖浆,淀粉糖化后啤酒酵母才能充分发酵的原因是 　。
(2)大麦发芽会消耗部分有机物,影响产量,利用　　　　(填植物激素)处理大麦可省略制麦环节,原因是　 　。
(3)整个过程的中心阶段是　　　　,在该时期要随时取样检测培养基中的　　　　等,同时,要严格控制　　　　等发酵条件。
(4)图2所示的发酵罐常常利用　　　　　　　对发酵过程中的各种指标进行监测和控制;发酵过程中,微生物代谢产生的热量和搅拌叶轮搅拌产生的热量达到一定的数值时,可以通过　　　　　　感受并控制冷却水从进水口进入。
12．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,在实验室发酵生产聚羟基脂肪酸酯(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,工艺流程如图所示。回答下列问题。
开放式发酵系统
(1)发酵工程一般包括菌种的选育,　　　　,培养基的配制、灭菌,接种,　　　　　　　,产品的分离、提纯等方面,其中的中心环节是　　　　　　　。
(2)为获得对蔗糖耐受能力和利用效率高的菌株H,可将蔗糖作为液体培养基的　　　,并不断提高其浓度,多代培养选择。从功能上看,所用培养基为　　　　　　。培养过程中定期取样并用　　　　　　　法进行菌落计数,评估菌株增殖状况。
(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等条件下发酵,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,并产生了少量的乙醇等物质,说明发酵条件中　　　　可能是高密度培养的限制因素。
(4)若发酵产品是单细胞蛋白,则往往采用　　　　、　　　　等方法将其分离和干燥,即可获得产品。
13．部分白酒厂的常见白酒酿造工艺流程可简化为图1。浓发酵是指在高浓度的原料中发酵，在规模化生产中，发酵原料浓度的提高能增加生产能力，并具有降低能耗、节约水资源等优点。研究者不断探索能进一步提高发酵原料浓度的发酵工艺，以实现真正意义上的“浓”发酵。回答下列问题：
玉米是东北地区酿制白酒的常用原料，作为培养基的主料主要提供酵母菌所需的碳源。玉米经碾磨后，在“拌料”环节中，除加水外，还应加入其他类型的营养物质如 和
以满足酵母菌的代谢需求，提高发酵效率。
(2)“蒸煮”可以改变淀粉分子结构，有利于淀粉的分解，此外，蒸煮还具有 的作用。
(3)“糖化”环节可以加入黑曲霉菌等菌种，也可以直接加入酶，该环节的目的是
。
(4)发酵原料浓度升高，提高了发酵难度，常导致酒精转化效率降低，研究者对此展开了模拟实验：对照组一次性添加27 g/mL浓度的葡萄糖，实验组在酒精发酵的前24 h内分批次每3 h添加3 g/mL浓度的葡萄糖，最终保持两组添加的葡萄糖量相等，定期抽样检测，测定各组葡萄糖、酒精浓度。实验数据如图2所示。
①结果表明，在葡萄糖供应量相等的条件下，分批次添加能提高发酵效率，使酒精产量提高，从培养基理化性质的角度分析，一次性添加过多葡萄糖不利于酒精发酵的原因可能与
有关。
②为实现浓醪发酵并提高产量，研究者提出了优化发酵工艺环节的建议：将玉米粒研磨颗粒适当增大、将糖化环节与发酵环节合并为一个环节。根据上述实验结果分析，这些措施能
，从而在原料浓度高的情况下提高酒精产量。第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
知识一 发酵工程的基本环节
1.概念
发酵工程是指利用微生物的特定功能，规模化生产人类所需产品的综合性生物工程。
2.基本环节
（1）选育菌种：
自然选育：从自然界中筛选出具有特定性能的微生物。例如，从土壤中筛选能产生特定酶的微生物。
诱变育种：通过物理或化学因素处理微生物，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：将外源基因导入微生物细胞中，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，配制含有合适的碳源、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维生素，以满足其特殊营养需求；培养霉菌时，需将培养基的 pH 调至酸性，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，目的是杀死所有的微生物，防止杂菌污染发酵过程，影响发酵产品的质量和产量。常用的灭菌方法有温热灭菌、干热灭菌、灼烧灭菌等。
（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。扩大培养一般在无菌条件下进行，以保证菌种的纯净和活力。
（5）接种：在无菌条件下，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温度、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18 - 25℃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，可采用离心、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，可采用蒸馏的方法；对于非挥发性的产物，可通过萃取、离子交换等方法进行分离提纯。
[例1]发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述，错误的是(　　)
A．首先要对发酵设备和培养基严格灭菌
B．要随时取样，检测培养液的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程
C．在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养成分
D．要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
【答案】C
【详解】A、发酵前，要对发酵设备和培养基严格灭菌，防止杂菌的污染，A正确；B、发酵过程中要随时取样，检测培养液的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，B正确；
随着发酵的进行，必需的营养成分减少，因此在发酵过程中需要向装置中再添加必需的营养成分，C错误；
微生物生长过程中需要一定的环境条件如温度、pH和氧气等，所以发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，D正确。
故选C。
[例2]下列有关发酵工程基本环节的叙述，错误的是(　　)
A．确定菌种之后，才能选择原料配制培养基
B．发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成都与搅拌速度无关
C．在发酵过程中，环境条件的变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物代谢物的形成
D．现代发酵工程使用的大型发酵罐均具有计算机控制系统，能使发酵全过程处于最佳状态
【答案】B
【解析】A、不同微生物对营养要求不一样，所以确定菌种之后，才能选择原料配制培养基，A正确；
搅拌速度会引起发酵液中的溶氧量不同，从而影响发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成，B错误；
发酵过程需要适宜的温度和pH，所以环境条件的变化会对微生物的生长繁殖和代谢物的形成产生一定的影响，C正确；
计算机控制系统可以通过负反馈机制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态，D正确。
故选B。
知识二 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，如酱油、各种酒类。
（2）生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸；由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。
（3）生产酶制剂，如α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2.在医药工业上的应用
基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
（1）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。青霉素是由青霉菌发酵产生的，它能抑制细菌细胞壁的合成，从而起到杀菌作用。
（2）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。
（3）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大肠杆菌中，经发酵后提取得到。
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料。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，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
（2）生产微生物农药。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。
（3）生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质。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。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。
4.在其他方面的应用
（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。
（2）将极端微生物应用于生产实践：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。
（3）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。
[例1]下列对发酵工程内容的叙述，正确的是(　　)
A．单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质
B．用诱变育种、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
C．发酵工程中所用的菌种大多是混合菌种
D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
【答案】B
【解析】A、单细胞蛋白是人工培养的微生物菌体，A错误；
用诱变育种、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，B正确；
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降，C错误；
人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件等，D错误。
故选B。
[例2]下列关于发酵工程的叙述，错误的是(　　)
A．由谷氨酸棒状杆菌发酵可得到谷氨酸，谷氨酸经一系列处理后可制成味精
B．利用发酵工程生产的微生物农药，可以作为生物防治的重要手段
C．从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质——单细胞蛋白，可作为食品添加剂
D．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
【答案】C
【解析】A、由谷氨酸棒状杆菌发酵可得到谷氨酸，谷氨酸经一系列处理后可制成味精，A正确；
B、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，B正确；C、单细胞蛋白指的是微生物菌体本身，C错误；
D、一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产，可以大大提高生成效率，D正确。
故选C。
难点知识一 啤酒的工业化生产流程
(1)生产流程图
(2)生产流程中几个关键环节的作用
①焙烤：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
②糖化：淀粉分解，形成糖浆。
③蒸煮：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
④发酵：酵母菌将糖转化为酒精和CO2。
⑤消毒：杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
巩固训练1
我国是啤酒生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成，其工业化生产的简要流程如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．大麦萌发时仅产生淀粉酶，几乎不产生蛋白酶
B．赤霉素处理大麦可诱导淀粉酶合成，促进糖化发生
C．酵母菌的发酵适宜在30～35 ℃、无氧的环境下进行
D．消毒过滤可杀死所有微生物，延长啤酒的保存期
试卷第1页，共3页
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【答案】B
【详解】A、大麦萌发时不仅产生淀粉酶，还会产生其他蛋白酶，A错误；
赤霉素处理大麦可诱导淀粉酶合成，淀粉酶催化淀粉分解，促进糖化发生，B正确；
酵母菌的发酵适宜在18～30 ℃、无氧的环境下进行，C错误；
D、消毒过滤只能杀死部分微生物，对发酵后的啤酒进行消毒，可以延长啤酒保质期，D错误。
故选B。
巩固训练2
如图为酱油的制作流程，其中米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油所需的蛋白酶、脂肪酶等，该过程需要提供营养物质、通入空气。下列说法错误的是(　　)
A．发酵罐发酵类型为有氧发酵，而发酵池发酵为无氧发酵
B．发酵池发酵过程中添加的食盐可以抑制杂菌的生长繁殖
C．发酵罐发酵需要将罐内的 pH 控制在中性或弱碱性条件下
D．发酵罐发酵与啤酒生产中的糖化都存在大分子降解的过程
【答案】C
【详解】A、发酵罐发酵主要是米曲霉起作用，类型为有氧发酵，而发酵池发酵是乳酸菌和酵母菌起作用，为无氧发酵，A正确；
高浓度的盐可以使细菌失水，发酵池发酵过程中添加的食盐可以抑制杂菌的生长繁殖，B正确；
培养霉菌时，一般需要将培养基调至酸性，C错误；
发酵罐发酵过程中，大豆、小麦、麦麸中的大分子降解，啤酒生产中的糖化过程，淀粉转化为麦芽糖，都存在大分子降解的过程，D正确。
故选C。
一、选择题
1．下列关于发酵工程与传统发酵技术的相关叙述正确的是(　　)
A.人类对发酵原理的认识和密闭式发酵罐的成功设计,标志着发酵工程的诞生
B.发酵工程为厌氧发酵,而传统发酵为需氧发酵
C.传统发酵技术制作的泡菜品质不一,与食材上菌种的差异、杂菌不明等有关
D.发酵工程所用菌种都是经选育的单一菌种,可以明显提高产品的产量和质量
【答案】C
【解析】A、人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,发酵工程逐步形成,A错误;
B、发酵工程和传统发酵均既有需氧发酵又有厌氧发酵,主要由菌种代谢类型决定其是否需氧,B错误;
C、传统发酵技术并未进行严格的无菌操作，菌种来源于发酵材料，故泡菜品质不一，C正确；
D、发酵工程所用菌种大多是经选育的单一菌种,可以明显提高产品的产量和质量,D错误。
故选C。
2．发酵工程广泛应用于农牧业,下图为通过发酵工程培养放线菌生产井冈霉素作为微生物农药的流程图。下列叙述错误的是(　　)
A.①可通过基因工程育种和诱变育种选育高产放线菌菌种
B.③可以用干热灭菌箱对培养基进行灭菌处理,防止杂菌污染
C.④主要用提取、分离和纯化等方法获得井冈霉素
D.可用高通量筛选技术对诱变处理的放线菌菌种进行筛选
【答案】B
【解析】A、在发酵工程中,为了提高产物的产量,常常需要对菌种进行改良。基因工程育种和诱变育种是两种常用的育种方法。基因工程育种可以通过定向改造菌种的遗传物质,使其具有高产、抗逆等优良性状。诱变育种则是利用物理、化学等因素诱导菌种发生基因突变,从中筛选出高产突变体,A正确；
B、常用湿热灭菌法(高压蒸汽灭菌法)对培养基进行灭菌,B错误；
C、井冈霉素为代谢物,主要通过提取、分离、纯化等方法获得,C正确；
D、高通量筛选技术是一种高效的筛选方法,可以在短时间内对大量的样品进行筛选。在发酵工程中,高通量筛选技术可以用于对诱变处理的放线菌菌种进行筛选,从中快速筛选出高产井冈霉素的突变体,D正确。
故选B。
3．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封式发酵罐的成功设计,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,发酵工程正在也将持续影响着人们的生活和生产实践。下列说法正确的是(　　)
A.在发酵罐中接种菌种量越高,其K值越大
B.为了防止杂菌污染,发酵工程的中心环节是灭菌
C.在发酵工程中,发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体干燥,并将菌体破碎后提取单细胞蛋白
D.啤酒发酵过程中大部分糖的分解和代谢物的生成在主发酵阶段完成
【答案】D
【解析】A、 K值表示环境容纳量,发酵罐的K值与空间大小、营养物质多少有关,与接种量无关,A错误；
B、发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节,B错误；
C、单细胞蛋白是微生物菌体,并不是通过发酵工程从微生物细胞中提取获得的,C错误；
D、啤酒发酵的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,D正确。
故选D。
4．单细胞蛋白即微生物菌体,是一种新型的蛋白质来源,利用发酵工程能提高其产量和品质。下列工艺流程中不合理的是(　　)
A.可通过诱变育种等手段获得优良菌种
B.培养基和发酵设备均需高温消毒
C.发酵过程需控制合适的温度和pH
D.采用过滤、沉淀、干燥等方法获得菌体
【答案】B
【解析】A、诱变育种可以通过物理、化学等因素诱导微生物发生基因突变,从而可能获得优良菌种,提高单细胞蛋白的产量和品质,A正确；
B、培养基和发酵设备应该进行灭菌处理,而不是高温消毒,B错误；
C、不同的微生物发酵需要适宜的温度和pH环境,控制合适的温度和pH有利于微生物的生长和代谢,从而提高单细胞蛋白的产量和品质,C正确；
D、采用过滤、沉淀等方法可以将发酵后的微生物菌体从发酵液等体系中分离出来并进行干燥处理,从而获得单细胞蛋白,D正确。
故选B。
5．青贮饲料是指将新鲜秸秆、青草等通过乳酸菌等微生物发酵而制成的饲料。它气味酸香、柔软多汁、营养丰富、保存期长,是家畜的优良饲料。下列相关叙述正确的是(　)
A.选择纤维素含量较高的植物作为青贮原料,保证乳酸菌生长所需的氮源
B.将青贮的原料适当切碎、搅拌并通入空气,利于乳酸菌充分发酵
C.发酵过程中乳酸菌生成NADH,使pH降低,抑制杂菌的生长
D.青贮饲料有利于植食性动物对饲料的消化吸收,提高能量利用率
【答案】D
【解析】A、纤维素的元素组成为C、H、O,不能为乳酸菌生长提供氮源,A错误；
B、乳酸菌是厌氧微生物,在培养的过程中不能通入空气,否则会影响乳酸菌的发酵,B错误；
C、发酵过程中乳酸菌发酵生成的产物是乳酸,使培养液的pH降低,会抑制其他微生物的生长,C错误；
D、青贮饲料是指将新鲜秸秆、青草等通过乳酸菌等微生物发酵而制成的饲料,由此可知,青贮饲料有利于植食性动物对饲料的消化吸收,提高能量利用率,D正确。
故选D。
6．废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产产生的废水和沼气池废料生产蛋白质，其技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
B．在连续搅拌反应器中，沼气池废料中微生物的生长被抑制
C．上述工厂化生产过程中需严格遵循无菌操作
D．该生产过程中，没有气体生成
【答案】B
【解析】A、微生物生长所需碳源主要来源于果糖生产产生的废水，而非沼气池废料，A错误；
B、在连续搅拌反应器中，连续搅拌有利于物质交换和微生物的生长，但沼气池废料中的微生物为厌氧微生物，连续搅拌会抑制其生长，B正确；
C、工厂化生产过程中，并非所有环节都需要无菌条件，如加入反应器之前不需要无菌操作，C错误；
D、据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，其呼吸作用会产生CO2，故该生产过程中一定有气体生成，D错误。
故选B。
7．中药双向发酵技术是以含有活性成分的中草药作为发酵的药性基质，以有益的药用真菌作为发酵的菌种。药用真菌在药性基质上的生长过程中，通过一系列复杂的代谢反应过程产生新的活性成分和生理功能。下列有关叙述错误的是(　　)
A．中药基质为真菌提供生长需要的碳源、氮源等养分
B．优良药用真菌可通过诱变育种或基因工程育种获得
C．发酵产品中新的活性成分可能是真菌的某代谢物
D．温度、通气状况等环境条件不影响发酵产品的药效
【答案】D
【解析】A、中药基质作为药用真菌生长的培养基，为其生长提供水、无机盐、碳源和氮源等，A正确；
B、优良药用真菌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正确；C、药用真菌在药性基质上的生长过程中，通过一系列复杂的代谢反应过程产生新的活性成分，新的活性成分为真菌代谢过程中产生的物质，C正确；
D、在发酵过程中，温度、pH和溶解氧等发酵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，D错误。
故选D。
8．食品工业是微生物发酵应用最早、最广泛的领域,工业上常用微生物发酵产物生产味精,发酵的部分流程如下图所示,下列叙述正确的是(　　)
A.第①步碾磨前需对大米和酿造器具预先进行消毒处理
B.直接对微生物培养液沉淀、过滤来生产②所需的酶制剂
C.第③步发酵生产谷氨酸的过程中,发酵液的pH应维持在中性和弱碱性
D.第③步向发酵罐中补充尿素的主要目的是补充发酵液中的碳源
【答案】C
【解析】A、第①步碾磨前需要对酿造器具进行灭菌处理,A错误；
B、酶制剂属于细胞代谢物,需要分离、提纯培养液来获取酶制剂,B错误；
C、谷氨酸棒状杆菌在中性和弱碱性条件下才能产生谷氨酸,C项正确；
D、发酵液中已有大量糖,补充尿素的主要目的是补充氮源,D项错误。
故选C。
9．研究发现,给脐橙施用枯草芽孢杆菌液态微生物肥、接种丛枝菌根真菌均可提升土壤供肥能力,实现果实增产提质。下列叙述错误的是(　　)
A.获得微生物纯培养物是利用发酵工程大量生产微生物肥料的重要基础
B.培养枯草芽孢杆菌需将培养基调至酸性,培养丛枝菌根真菌需将培养基调至中性或弱碱性
C.微生物在固体培养基上生长时,可以形成肉眼可见的菌落
D.除微生物肥料外,还可利用其代谢物开发微生物农药,作为生物防治的重要手段
【答案】B
【解析】A、要利用发酵工程大量生产微生物肥料,首先需要获得微生物纯培养物,这样才能保证生产过程中微生物的纯度和特性,进而稳定地大量生产目标微生物肥料,A正确；
B、细菌通常在中性偏碱的环境中生长,真菌一般在中性偏酸的环境中生长,因此培养枯草芽孢杆菌需将培养基调至中性或弱碱性,培养丛枝菌根真菌需将培养基调至酸性,B错误；
C、微生物在固体培养基上生长时,可以形成肉眼可见的菌落,C正确；
D、利用微生物的代谢物开发微生物农药,作为生物防治的重要手段,D正确。
故选B。
10．透明质酸(HA)又称玻尿酸,是一种可在外科整形手术中充当皮下填充物的多糖类物质,微生物发酵法是大规模生产HA的主要方法。实验室扩大培养微生物时,常需要将装有培养液的锥形瓶置于摇床上振荡培养。为提高HA的产量,科研人员以HA高产菌株ZV1为研究对象,分别探究了发酵过程中摇床转速(图1)、锥形瓶装液量(图2)等条件对瓶中HA产量和ZV1菌体含量(通过离心收集培养液中的所有菌体来测定)的影响。下列说法错误的是(　　)
图1
图2
A.HA可能存在于某些微生物的荚膜中
B.装液量在60~120 mL时,ZV1菌体含量和HA产量的变化趋势相同
C.摇床转速和装液量都会对培养液中的氧气含量造成影响
D.采用150 r/min的摇床转速和120 mL的装液量是提高HA产量的有效措施
【答案】B
【解析】A、HA是一种多糖,荚膜中含有多糖,因此HA可能参与构成了某些微生物的荚膜,A正确；
B、图2显示,装液量在60~120 mL内,HA产量持续上升,而菌体含量先上升后下降,二者趋势不同,B错误；
C、过多的装液量会导致培养液与空气接触面积过小,不利于氧气充分溶解,造成培养液中氧气不足,加快摇床转速可以加快氧气溶解,二者都影响培养液中的氧气含量,C正确；
D、图1中150 r/ min的转速下HA产量最高,图2中装液量为120 mL时HA产量最高,因此采用150 r/min的摇床转速和120 mL的装液量是提高HA产量的有效措施,D正确。
故选B。
二、非选择题
11.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,其工业化生产的简要流程如图1所示,图2为啤酒发酵所用的发酵罐结构示意图。回答下列问题。
图1
图2
(1)制麦过程中常利用发芽的大麦种子产生的淀粉酶完成糖化过程,形成糖浆,淀粉糖化后啤酒酵母才能充分发酵的原因是 　。
(2)大麦发芽会消耗部分有机物,影响产量,利用　　　　(填植物激素)处理大麦可省略制麦环节,原因是　 　。
(3)整个过程的中心阶段是　　　　,在该时期要随时取样检测培养基中的　　　　等,同时,要严格控制　　　　等发酵条件。
(4)图2所示的发酵罐常常利用　　　　　　　对发酵过程中的各种指标进行监测和控制;发酵过程中,微生物代谢产生的热量和搅拌叶轮搅拌产生的热量达到一定的数值时,可以通过　　　　　　感受并控制冷却水从进水口进入。
【答案】
(1)酵母菌不能直接利用淀粉,淀粉糖化后才能被酵母菌吸收利用
(2)赤霉素　赤霉素可促进淀粉酶合成,使大麦无需发芽就能产生淀粉酶
(3)发酵　酒精含量　糖分、pH
(4)生物传感器装置　温度传感器
解析 (1)酵母菌不能直接利用淀粉,淀粉糖化后才能被酵母菌吸收利用,因此在利用酵母菌制作啤酒的过程中,需要首先利用发芽的大麦种子产生的淀粉酶完成糖化过程,形成糖浆,而后再进行发酵。
（2）大麦发芽会消耗部分有机物,影响产量,利用赤霉素处理大麦可省略制麦环节,因为赤霉素能促进种子萌发,且种子萌发过程中会产生淀粉酶,淀粉酶会催化淀粉分解成麦芽糖用于制作啤酒,即赤霉素可促进淀粉酶合成,使大麦无需发芽就能产生淀粉酶,进而催化淀粉的分解。
(3)发酵罐内发酵是整个过程的中心环节,在该时期要随时取样检测培养液中的酒精含量,以了解发酵的进程,还要及时添加必需的营养成分,同时,要严格控制糖分、pH等发酵条件。
(4)图2所示的发酵罐常常利用生物传感器装置对发酵过程中的各种指标进行随时监测和控制;发酵过程中,微生物代谢产生的热量和搅拌叶轮搅拌产生的热量达到一定的数值时,可以通过温度传感器感受并控制冷却水从进水口进入,进而保证发酵罐内的温度,避免对发酵过程造成影响。
12．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,在实验室发酵生产聚羟基脂肪酸酯(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,工艺流程如图所示。回答下列问题。
开放式发酵系统
(1)发酵工程一般包括菌种的选育,　　　　,培养基的配制、灭菌,接种,　　　　　　　,产品的分离、提纯等方面,其中的中心环节是　　　　　　　。
(2)为获得对蔗糖耐受能力和利用效率高的菌株H,可将蔗糖作为液体培养基的　　　,并不断提高其浓度,多代培养选择。从功能上看,所用培养基为　　　　　　。培养过程中定期取样并用　　　　　　　法进行菌落计数,评估菌株增殖状况。
(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等条件下发酵,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,并产生了少量的乙醇等物质,说明发酵条件中　　　　可能是高密度培养的限制因素。
(4)若发酵产品是单细胞蛋白,则往往采用　　　　、　　　　等方法将其分离和干燥,即可获得产品。
【答案】
(1)扩大培养　发酵罐内发酵　发酵罐内发酵
(2)唯一碳源　选择培养基　稀释涂布平板
(3)氧气
(4)过滤　沉淀
【解析】
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,发酵罐内发酵,产品的分离、提纯等方面,其中的中心环节是发酵罐内发酵。
由题意可知,该实验的目的是提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率,结合微生物的代谢需求,其液体培养基应该以蔗糖作为唯一碳源,并不断提高其浓度,经多代培养可筛选出目标菌株;选择培养基是指允许特定种类的微生物生长,同时抑制或阻止其他微生物生长的培养基,从功能上看,能进行筛选的培养基是选择培养基;稀释涂布平板法常用来统计样品中活菌的数目,评估菌株增殖状况。
由题意可知,扩大培养时,在适宜的营养物浓度、温度、pH等条件下,发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期,并产生了少量的乙醇等物质,说明发酵过程中氧气不足,菌种进行无氧呼吸产生了乙醇,即发酵条件中氧气可能是限制高密度培养的重要因素。
(4)单细胞蛋白是微生物菌体,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、沉淀等方法将其分离和干燥,即可获得产品。
13．部分白酒厂的常见白酒酿造工艺流程可简化为图1。浓发酵是指在高浓度的原料中发酵，在规模化生产中，发酵原料浓度的提高能增加生产能力，并具有降低能耗、节约水资源等优点。研究者不断探索能进一步提高发酵原料浓度的发酵工艺，以实现真正意义上的“浓”发酵。回答下列问题：
玉米是东北地区酿制白酒的常用原料，作为培养基的主料主要提供酵母菌所需的碳源。玉米经碾磨后，在“拌料”环节中，除加水外，还应加入其他类型的营养物质如 和
以满足酵母菌的代谢需求，提高发酵效率。
(2)“蒸煮”可以改变淀粉分子结构，有利于淀粉的分解，此外，蒸煮还具有 的作用。
(3)“糖化”环节可以加入黑曲霉菌等菌种，也可以直接加入酶，该环节的目的是
。
(4)发酵原料浓度升高，提高了发酵难度，常导致酒精转化效率降低，研究者对此展开了模拟实验：对照组一次性添加27 g/mL浓度的葡萄糖，实验组在酒精发酵的前24 h内分批次每3 h添加3 g/mL浓度的葡萄糖，最终保持两组添加的葡萄糖量相等，定期抽样检测，测定各组葡萄糖、酒精浓度。实验数据如图2所示。
①结果表明，在葡萄糖供应量相等的条件下，分批次添加能提高发酵效率，使酒精产量提高，从培养基理化性质的角度分析，一次性添加过多葡萄糖不利于酒精发酵的原因可能与
有关。
②为实现浓醪发酵并提高产量，研究者提出了优化发酵工艺环节的建议：将玉米粒研磨颗粒适当增大、将糖化环节与发酵环节合并为一个环节。根据上述实验结果分析，这些措施能
，从而在原料浓度高的情况下提高酒精产量。
【答案】
(1)氮源、无机盐
(2)使原料在高温下灭菌
(3)使淀粉分解成葡萄糖，为酵母菌发酵提供底物
(4)①液体培养基渗透压过高
②降低淀粉的分解速度，边糖化边发酵，相当于分批次补料，使培养液的渗透压不至于太高，有利于发酵
【详解】
酵母菌代谢时需要水、碳源、氮源及无机盐，玉米含有大量糖类，可以提供碳源，因此在“拌料”环节中，除添加水外，还要添加氮源和无机盐，以满足酵母菌的代谢需求，提高发酵效率。
由于蒸煮过程进行高温处理，因此蒸煮还具有灭菌的作用。
“糖化”环节加入黑曲霉菌等菌种，或直接加入酶，都是为了把原料中的淀粉分解成葡萄糖，为酵母菌发酵提供底物。
①酿酒时使用的培养基是液体培养基，据图2可知，一次性添加过多葡萄糖时，培养基中葡萄糖浓度很高，使培养基的渗透压也高。这会导致酵母菌吸水减少而影响代谢过程，或者会导致部分酵母菌失水死亡，进而不利于酒精发酵。
②将玉米粒研磨颗粒适当增大，则玉米中淀粉与淀粉酶接触概率减小，降低淀粉的分解速度，进而降低发酵液中葡萄糖的浓度。将糖化环节与发酵环节合并为一个环节，边糖化边发酵相当于分批次补料，使培养液的渗透压不至于太高，有利于发酵。

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