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第3节　发酵工程及其应用
[学习目标]　1.说明发酵工程的基本环节和对发酵条件的控制。2.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。3.举例说明发酵工程在医药工业、食品工业及农牧业等许多领域有重要的应用价值。
一、发酵工程的基本环节
1.发酵工程的主要内容
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,产物的分离、提纯等方面。
2.发酵工程的基本环节
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,如各种酒类。
(2)生产各种各样的食品添加剂,如味精。
(3)生产酶制剂,如α-淀粉酶、β-淀粉酶。
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,如生产生长激素释放抑制激素、疫苗等。
3.在农牧业上的应用
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
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
生产微 生物饲料 通过发酵获得了大量的微生物菌体,即单细胞蛋白,并制作成微生物饲料
4.在其他方面的应用
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。
判断正误
(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯。(　　)
【答案】 ×
【提示】 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。(　　)
【答案】 √
(3)扩大培养的主要目的是获得数量足够多的菌种。(　　)
【答案】 √
(4)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。(　　)
【答案】 ×
【提示】 生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉,而不是乳酸菌。
(5)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。(　　)
【答案】 √
(6)单细胞蛋白是通过发酵产生的大量的微生物分泌蛋白。(　　)
【答案】 ×
【提示】 单细胞蛋白是通过发酵获得的大量微生物菌体。
任务一　分析发酵工程的基本环节
　　利用谷氨酸棒状杆菌经过发酵可以生产谷氨酸,进而获得味精。谷氨酸棒状杆菌是一种好氧细菌。下图为通过发酵工程生产谷氨酸的示意图。
(1)发酵过程中需要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件,原因是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。
(2)在发酵的过程中,需要不停地进行搅拌,并严格控制发酵条件,以提高谷氨酸的产量和品质。下列相关选项的叙述,不正确的是A。
A.发酵过程中添加新的营养液会改变培养条件,不利于增产
B.发酵过程中不停地搅拌可满足菌体对氧气需求和提高原料的利用率
C.发酵过程中应控制pH,中性和弱碱性条件下利于谷氨酸的生产和积累
D.从发酵液中分离、提纯谷氨酸,可采取适当的提取、分离和纯化的措施来获得产品
(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
【提示】 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;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。
(4)当细胞中谷氨酸积累过多时会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,从而减少谷氨酸的合成。谷氨酸棒状杆菌合成的生物素有助于磷脂分子的合成,减小细胞膜对谷氨酸的通透性。在生产上一般选用生物素合成缺陷型的谷氨酸棒状杆菌作为菌种,大量生产谷氨酸,请分析其
原因。
【提示】 生物素合成缺陷型谷氨酸棒状杆菌的细胞膜对谷氨酸的通透性增加,能使细胞产生的谷氨酸迅速排放到细胞外,从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的抑制,提高谷氨酸产量。
核心归纳
影响发酵过程的因素
温度 ①温度影响酶活性; ②温度影响生物合成的途径; ③温度影响发酵液的物理性质,以及菌种对营养物质的分解吸收等
pH ①pH能够影响酶的活性,以及细胞膜的带电荷状况; ②pH影响培养基中营养物质的分解等
溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说,是一个关键因素。必须向发酵液中连续补充大量的氧,并要不断地进行搅拌,这样可以提高氧在发酵液中的溶解度
营养物质 的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度,特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度,会直接影响菌体的生长和代谢物的积累
典型例题
1.(2025·济宁期末)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。发酵工程的基本环节如图所示。下列说法正确的是(　　)
[A]在发酵之前需要利用固体培养基对菌种进行扩大培养
[B]在酸性条件下可以利用谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸
[C]发酵结束后,可通过过滤、沉淀等方法分离出微生物细胞本身
[D]通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白,用来生产微生物饲料
【答案】 C
【解析】 在发酵之前需要利用液体培养基对菌种进行扩大培养;谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸需要在中性或弱碱性条件下,而不是酸性条件下;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;单细胞蛋白本身就是微生物菌体,而不是从微生物细胞中提取的,可直接作为微生物饲料。
2.(2025·榆林检测)发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等特点,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,使用如图中的发酵罐可进行相应产品的工业发酵。下列说法错误的是(　　)
[A]若发酵罐内正进行果酒发酵,则使用叶轮搅拌的目的是增加发酵液中的溶解氧
[B]在菌种选育过程中,可以利用诱变育种或基因工程育种等手段生产目的菌种
[C]培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降
[D]水在发酵罐夹层流动的作用是冷却,通过控制流速调节罐温
【答案】 A
【解析】 若图示发酵罐是果酒发酵,则需要无氧环境,故使用叶轮搅拌的目的是使发酵液与酵母菌充分混合;在菌种选育过程中,可以利用诱变育种、基因工程育种等手段生产目的菌种;培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降,如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解;在利用发酵罐进行发酵的过程中,由于微生物的呼吸作用以及搅拌等都能产生大量的热量,使发酵液温度升高,为防止温度过高降低酶的活性,采取了水在发酵罐夹层中流动而达到冷却降温的措施。
任务二　结合实例分析发酵工程的应用
　　发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点,在食品工业、医药工业和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,思考并回答下列问题。
(1)分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些
①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素
③工厂化生产青霉素
【提示】 ①②③。
(2)酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的生产分别利用了哪种微生物的发酵
【提示】 酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌(如黑曲霉)、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。
(3)利用微生物进行纤维素发酵生产乙醇,然后和汽油按一定比例混合,可形成乙醇汽油。请结合乙醇的性质,分析乙醇汽油有哪些优点
【提示】 乙醇可通过纤维废料发酵制得,是可再生能源,可提高能量利用率;乙醇燃烧生成二氧化碳和水,能减少汽车尾气的污染等。
(4)分析与传统发酵相比,工业化啤酒发酵生产过程中的哪些措施使得啤酒的产量和质量明显提高
【提示】 接种单一高质量菌种、严格的消毒和灭菌措施、培养基中各营养物质比例适中、严格的发酵条件控制等,都使啤酒的产量和质量明显提高。
核心归纳
1.啤酒发酵的过程及内容
2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别
典型例题
3.下列有关发酵工程应用的叙述,错误的是(　　)
[A]利用发酵工程可以生产多种药物,但是不能生产疫苗
[B]用来延长食品保存期的乳酸链球菌素可通过发酵工程生产
[C]利用发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料
[D]果汁饮料中添加的柠檬酸可通过黑曲霉的发酵制得
【答案】 A
【解析】 利用发酵工程可以生产多种药物,也能生产疫苗,如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;在食品工业上,用来延长食品保存期的乳酸链球菌素、溶菌酶等食品添加剂可通过发酵工程生产;由发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料,该种饲料能使家畜、家禽增重快,产奶或产蛋量显著提高;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。
4.(2025·泰州检测)啤酒发酵流程一般都包含发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒、终止等。下列有关叙述错误的是(　　)
[A]焙烤过程通过加热杀死种子的胚细胞,从而使淀粉酶失活
[B]酵母菌繁殖及大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成
[C]发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味的要求不同而有所差异
[D]蒸煮过程中高温使淀粉酶失活,可以终止淀粉酶的进一步作用,并对糖浆灭菌
【答案】 A
【解析】 焙烤是加热杀死种子的胚,但不使淀粉酶失活;主发酵是主要的生产过程,酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都是在主发酵阶段完成;发酵温度和发酵时间随着啤酒品种和口味的要求不同而有所差异;蒸煮过程中高温使淀粉酶失活,终止淀粉酶的分解作用,并对糖浆灭菌。
随堂检测反馈
1.下列有关发酵工程的叙述,正确的是(　　)
[A]性状优良的菌种只能通过诱变育种或基因工程育种获得
[B]各种发酵产品的分离方法均是相同的
[C]分离、提纯产物是发酵工程的中心环节
[D]发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种
【答案】 D
【解析】 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;不同发酵产品的分离方法不同;发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
2.(2024·山东卷)在发酵过程中,多个黑曲霉菌体常聚集成团形成菌球体,菌球体大小仅由菌体数量决定。黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧。菌体内铵离子浓度升高时,可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制。下列说法错误的是(　　)
[A]相同菌体密度下,菌球体越大柠檬酸产生速率越慢
[B]发酵中期添加一定量的硫酸铵可提高柠檬酸产量
[C]发酵过程中pH下降可抑制大部分细菌的生长
[D]发酵结束后,将过滤所得的固体物质进行干燥即可获得柠檬酸产品
【答案】 D
【解析】 黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧,相同菌体密度下,菌球体越大越不利于菌体与氧气接触,柠檬酸产生速率越慢;菌体内铵离子浓度升高时,可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制,发酵中期添加一定量的硫酸铵,提高铵离子浓度,可提高柠檬酸产量;发酵过程中pH下降导致细菌生命活动所必需的酶失活,可抑制大部分细菌的生长;柠檬酸属于代谢物,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。
3.(2025·盐城检测)麦汁发酵是啤酒酿造的重要过程,可以分为接种酵母→充氧→前发酵→封罐→后发酵等重要步骤。下列相关叙述错误的是(　　)
[A]为避免杂菌污染,需对发酵罐、麦汁、接种仪器等进行灭菌
[B]前发酵阶段,葡萄糖在酵母菌中分解可生成二氧化碳
[C]后发酵阶段,酵母菌细胞主要进行无氧呼吸产生酒精
[D]发酵过程中会有较多热量释放,因此发酵罐需配有降温装置
【答案】 C
【解析】 在啤酒酿造过程中,杂菌污染会影响发酵过程和啤酒品质,对发酵罐、麦汁、接种仪器等进行灭菌处理能够有效避免杂菌污染,保证发酵顺利进行;前发酵阶段,发酵罐中含有氧气,葡萄糖在酵母菌有氧呼吸作用中分解生成二氧化碳;后发酵阶段,由于封罐后缺少氧气,酵母菌细胞不能进行有氧呼吸,只能进行无氧呼吸产生酒精和CO2;发酵过程中无论是有氧呼吸还是无氧呼吸,都会释放能量,其中大部分以热能形式散失,会使发酵罐内温度升高,所以发酵罐需配有降温装置来维持适宜的发酵温度。
4.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂。食品工业生产柠檬酸时,可以红薯粉为原料经黑曲霉发酵获得,下图为黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的简要流程图。下列叙述正确的是(　　)
[A]用X射线处理黑曲霉不能获得生产柠檬酸的优良菌种
[B]将菌种由A培养基转接至B培养基的目的是扩大培养
[C]加α-淀粉酶的作用是使红薯中淀粉水解,为菌种提供碳源和氮源
[D]利用黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的中心环节是产品的分离和提纯
【答案】 B
【解析】 用X射线处理黑曲霉的原理是诱变育种,优良菌种可以从自然界中筛选,也可以通过诱变育种、基因工程育种获得;B培养基是液体培养基,将菌种由A培养基转接至B培养基是进行菌种扩大培养,以增加黑曲霉菌种数量;加α-淀粉酶的作用是使红薯中淀粉水解,为菌种提供碳源;利用黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的中心环节是发酵罐内发酵。
5.下图为发酵工程生产产品的流程图,据图回答下列问题。
(1)若能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的,①应该是　　　　　　　;若高产青霉素菌种是通过②培育的,②应该是　　　　　　。
(2)整个过程的中心环节是　　　　　　　　　　　　,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,因为环境条件不仅会影响微生物的生长、繁殖,还会影响微生物　　　　的形成。
(3)在发酵过程中要不断搅拌的目的是　　　　　　　　　　 　　　　;
　 　 。
(4)发酵产品分离、提纯时要根据产品的类型选择合适的方法。如果发酵产品是菌体本身,常常采用　　　　　　　　等方法将菌体分离和干燥;如果发酵产品是微生物的代谢物,还要根据　　　　采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品。
【答案】 (1)基因工程育种　诱变育种　(2)发酵罐内发酵　微生物数量、产物浓度　溶解氧、pH和温度　代谢物　(3)增加溶氧量　使菌种与培养液充分接触,提高原料的利用率　(4)过滤、沉淀　产物的性质
【解析】 (略)
　　在用传统方法(记为方法一)生产啤酒时,大麦芽是不可缺少的原料。利用大麦芽,实质上是利用其中的α-淀粉酶,将其他谷物中的淀粉水解为麦芽糖(二糖),再在其他酶的催化下转化为葡萄糖,葡萄糖可被酵母菌(微生物)利用。请回答下列问题。
(1)糖化过程中,破碎的目的是有利于淀粉与α-淀粉酶充分接触,缩短糖化过程的时间。
(2)发酵过程中要适时往外排气,后发酵应延长(填“延长”或“缩短”)排气时间间隔,理由是后发酵时期由于糖类物质不充足,产生的气体减少,可以适当延长排气时间间隔。
(3)发酵过程中抽样检测活菌数量时,应采用稀释涂布平板法(填“稀释涂布平板法”或“显微镜直接计数法”),其原因是用稀释涂布平板法在培养基上看到的每一个菌落都来自活菌(通常一个菌落代表一个活菌),而显微镜直接计数法不能直接区分活菌和死菌。
(4)有人利用外源赤霉素(GA)处理大麦,则可以使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶,进而生产啤酒(记为方法二)。现某厂家有等量的大麦种子,欲采用方法一或方法二生产啤酒。理论上哪种方法生产的啤酒产量更高,并说明理由方法二。方法一中胚发芽会消耗部分葡萄糖,导致用于酒精发酵的底物减少,但方法二中胚无须发芽,用于酒精发酵的底物相对多,因此方法二的啤酒产量更高。
课时作业
(时间:30分钟　分值:57分)
第1～7题每题3分,第8～9题每题6分,共计33分。
基础对点练
知识点1　发酵工程的基本环节
1.下列关于发酵工程的说法,正确的是(　　)
[A]选育菌种是发酵工程的前提条件,该环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败
[B]培养基和发酵设备都必须灭菌,因为发酵工程中所用的菌种均是单一菌种
[C]发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节,生产青霉素过程必须关闭空气入口
[D]啤酒生产过程中,主发酵结束后即可过滤、调节、分装进行出售
【答案】 A
【解析】 在发酵工程中,菌种的性能直接决定了最终产品的质量和产量,故选育菌种是发酵工程的前提条件;发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种,为防止杂菌污染,培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌;青霉素是由霉菌产生的,而霉菌是需氧菌,其生长和代谢需要氧气,因此,在生产青霉素的过程中,应该保持发酵罐内的空气流通,而不是关闭空气入口;在啤酒生产过程中,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。
2.下列关于微生物发酵过程的说法,正确的是(　　)
[A]选育菌种是发酵工程的中心环节
[B]只要不断地向发酵罐中通入液体培养基,就能保证发酵的正常进行
[C]在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成
[D]在发酵工程的发酵环节中,发酵条件会影响微生物的生长繁殖,但是不影响微生物的代谢途径
【答案】 C
【解析】 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节;发酵过程中应随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行;在发酵工程的发酵环节中,发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。
3.(2025·邯郸检测)谷氨酸棒状杆菌生长的最适pH为7.0,通过以下代谢途径发酵生产
L谷氨酰胺。下列叙述正确的是(　　)
[A]提高谷氨酸脱氢酶和谷氨酸合成酶的活性有利于提高L谷氨酰胺产量
[B]发酵初期控制pH为7.0,后调为5.6,有利于提高L谷氨酰胺产量
[C]通过光学显微镜观察,可以判断发酵过程中是否发生球状细菌污染
[D]发酵结束后,采用过滤、沉淀的方法将菌体分离和干燥即可获得产品
【答案】 B
【解析】 由图可知,谷氨酸合成酶会使L谷氨酰胺再转化为L谷氨酸,降低L谷氨酰胺产量;谷氨酸棒状杆菌生长的最适pH为7.0,谷氨酰胺合成酶最适pH为5.6,因此发酵初期控制pH为7.0,有利于增加谷氨酸棒状杆菌的数量,后调为5.6,有利于提高谷氨酰胺合成酶的活性,进而提高L谷氨酰胺产量;虽然谷氨酸棒状杆菌呈杆状、而球状细菌为球状,但通过光学显微镜观察,不能判断发酵过程中是否发生球状细菌污染,可通过电子显微镜观察,判断是否发生球状细菌污染;L谷氨酰胺是细胞代谢物,对细胞代谢物可通过适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
4.从传统发酵技术到发酵工程,经历了漫长的历史过程。下列关于两者的比较,正确的是(　　)
[A]传统发酵技术大多为混合菌种,发酵工程大多为单一菌种
[B]传统发酵技术不需要控制发酵条件,发酵工程需严格控制发酵条件
[C]两者都需要对发酵原料和发酵装置进行严格灭菌,以防止杂菌污染
[D]传统发酵技术和发酵工程都不需要对发酵产物进行分离和提纯处理
【答案】 A
【解析】 传统发酵技术常用来自自然界中的混合菌种发酵,发酵工程通常接种经人工选育的较为单一的菌种;为了保证产品的品质,传统发酵技术也要控制发酵条件;传统发酵技术通常仅做简单消毒处理,未严格灭菌,发酵工程则需严格灭菌;传统发酵技术获得的发酵产物通常不需要处理,而发酵工程获得的产品通常需要经过一定的方法进行分离、提纯。
知识点2　发酵工程的应用
5.发酵食品是中国传统食品中的一个重要类别,承载了中华民族悠久的历史和丰富的文化内涵。下列叙述错误的是(　　)
[A]腐乳的制作离不开毛霉的作用
[B]当缺少糖源和氧气时,醋酸菌可将乙醇转化为乙醛,再将乙醛变为乙酸
[C]乳酸菌在无氧条件下可将葡萄糖分解成乳酸,可用于制作酸奶
[D]黑曲霉等产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质水解成小分子物质,可用于制作酱油
【答案】 B
【解析】 醋酸菌是一种好氧细菌,当氧气充足、缺少糖源时,醋酸菌可将乙醇转化为乙醛,再将乙醛变为乙酸。
6.由于防腐、加工工艺和改善食品品质的需要,人们在食品中加入一些化学合成或天然物质,这类物质被称为食品添加剂。下列有关叙述错误的是(　　)
[A]食品工业中,常用的着色剂有β胡萝卜素、红曲黄色素等
[B]食品添加剂不具有增加食品营养的作用
[C]乳酸在食品工业中可用作酸度调节剂
[D]食品添加剂可通过发酵工程生产
【答案】 B
【解析】 有的食品添加剂具有增加食品营养的作用。
7.啤酒主要以麦芽、水、啤酒花为原料,经酵母菌酒精发酵而来,具体生产流程如下图。下列叙述错误的是(　　)
[A]啤酒发酵过程中大部分糖的分解和代谢物的生成都在后发酵阶段完成
[B]“精酿”啤酒发酵时间长,没有进行过滤和消毒处理,因此保质期较短
[C]糖化主要是将麦芽中的淀粉分解,碾磨有利于淀粉酶与淀粉充分接触
[D]为防止接种时酵母菌被杀死,应在麦汁冷却后再加入啤酒酵母发酵
【答案】 A
【解析】 在啤酒发酵过程中,大部分糖的分解和代谢物的生成是在主发酵阶段完成的,而不是后发酵阶段。
综合提升练
8.(2025·宜昌检测)啤酒、味精和胰岛素的工业化生产比传统发酵生产要复杂得多,需要通过发酵工程来实现。下列相关叙述错误的是(　　)
[A]利用酵母菌等发酵生产的单细胞蛋白,可作为微生物饲料
[B]以大豆为主要原料,利用黑曲霉水解其中的蛋白质,经淋洗、调制成酱油
[C]青贮饲料中添加酵母菌,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
[D]传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,发酵工程则以单一菌种的液体发酵为主
【答案】 C
【解析】 在青贮饲料中添加乳酸菌,通过乳酸菌的发酵,可以提高饲料品质,使饲料保鲜,同时动物食用后还能提高动物免疫力。
9.(2025·济宁检测)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。下图表示酱油发酵过程中主要微生物的数量变化。下列叙述错误的是(　　)
[A]米曲霉产生的蛋白酶能将蛋白质分解成小分子多肽及氨基酸
[B]在发酵初期乳酸菌含量逐渐升高,能抑制部分有害微生物的生长
[C]某些代谢物的抑制作用是后期酵母菌数量下降的原因之一
[D]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
【答案】 D
【解析】 发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵,而发酵工程通常利用单一菌种来进行发酵。
10.(12分)发酵工程在医药上的应用非常广泛,其中青霉素的发现和产业化生产进一步推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。产黄青霉菌是一种广泛存在于自然界中的霉菌,是生产青霉素的重要工业菌种。工业上生产青霉素的发酵工程流程如图所示。回答下列相关问题。
(1)整个发酵过程的中心环节是　　　　　　　　　　。在制备该培养基时,除了添加必要的营养成分,还需要将pH在灭菌　　　　(填“前”或“后”)调至　　　　性。对产黄青霉菌进行分离纯化并计数采用了　　　　　　法,其可以用来计数的原理为　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。除了可以使用该方法获得某菌种的纯培养物,还可使用　　　　法。
(2)欲从土壤中分离出能产生纤维素酶的纤维素分解菌,可用加入　　　　作为唯一碳源制成的选择培养基进行分离。若将样品接种到分离纤维素分解菌的培养基上,在该培养基中需要加入的特殊染料是　　　　,通过观察是否产生　　　　来筛选纤维素分解菌。
【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)发酵罐内发酵　前　酸　稀释涂布平板　当样品的稀释度足够高时,培养基表面生长的一个菌落,来源于样品稀释液中的一个活菌(2分)　平板划线
(2)纤维素　刚果红(2分)　透明圈(2分)
【解析】 (1)发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。在制备培养基时,需要在灭菌前调节pH,因为如果在灭菌后调节pH,可能会造成培养基被杂菌污染。在培养霉菌时,除了添加必要的营养成分,一般还需要将培养基调至酸性。对产黄青霉菌进行分离纯化并计数常采用稀释涂布平板法。稀释涂布平板法可以用来计数的原理是当样品的稀释度足够高时,培养基表面生长的一个菌落,来源于样品稀释液中的一个活菌,通过统计平板上的菌落数,就能推测出样品中大约含有多少活菌。除了稀释涂布平板法,还可使用平板划线法获得某菌种的纯培养物。
(2)欲从土壤中分离出能产生纤维素酶的纤维素分解菌,可用加入纤维素作为唯一碳源制成的选择培养基进行分离,这样能分解利用纤维素的细菌才能在该培养基上生长。在分离纤维素分解菌的培养基中需要加入的特殊染料是刚果红。刚果红能与纤维素形成红色复合物,当纤维素被纤维素酶分解后,刚果红—纤维素的复合物就无法形成,培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈,所以通过观察是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。
11.(12分)(2025·长沙检测)研究人员在某造纸厂附近土壤采样筛选出菌株H,以玉米芯(玉米棒脱粒后的剩余部分,含较多的木聚糖)为原料,在实验室发酵生产木寡糖等高附加值低聚糖,以期提高玉米的整体利用价值。
(1)生产实践中,常在碱性的条件下高温处理玉米芯以提取木聚糖。为筛选出能耐高温耐碱性的木聚糖分解菌H,首先制备以木聚糖为　　　　　　　　的固体培养基,调节培养基pH=10.0,然后将土壤加入含有　　　　的锥形瓶中稀释,用　　　　　　　法将菌种稀释液接种到培养基上,在50 ℃环境中培养以获得单菌落。
(2)基于菌株H的特性,研究人员设计了如图所示的发酵设备,该设备的控制系统需感应
　　　　　　　　等理化性质的变化,以保证良好的发酵环境。
(3)该设备以一定的速度在加料口不断添加新的培养基,同时又以同样速度在放料口放出旧的培养基,可大大提高生产效率,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出2点即可)。
(4)该设备处理玉米芯与将玉米芯进行焚烧处理相比,优点是　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　(答出2点即可)。
【答案】 (每空2分)
(1)唯一碳源　无菌水　稀释涂布平板
(2)温度、pH、O2浓度
(3)保证微生物对营养物质的需求;防止代谢物对菌株H发酵的影响
(4)减少污染,减少占用的土地资源,提高资源利用率
【解析】 (1)因为要筛选木聚糖分解菌,因此应该选择以木聚糖为唯一碳源的固体培养基;稀释土壤时应该用无菌水稀释;用稀释涂布平板法将菌种稀释液接种到培养基上。(2)由于筛选的是耐高温耐碱性的木聚糖分解菌。为了让该分解菌分解效率较高,因此要控制温度和pH。而木聚糖分解菌是好氧菌(由题图可知该设备需要通入无菌空气),因此该设备的控制系统还需要感应O2浓度的变化。(3)不断添加新的培养基可以保证微生物对营养物质的需求;放出旧的培养基可以防止代谢物对菌株H发酵的影响。(4)该设备充分利用了玉米芯,可以提高资源利用率,相比焚烧玉米芯该设备的处理方式可以减少污染;由于将反应局限在一个容器中进行处理,可以减少占用的土地资源。(共48张PPT)
第3节　发酵工程及其应用
1.说明发酵工程的基本环节和对发酵条件的控制。2.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。3.举例说明发酵工程在医药工业、食品工业及农牧业等许多领域有重要的应用价值。
[学习目标]
预习案·自主学习
一、发酵工程的基本环节
1.发酵工程的主要内容
发酵工程一般包括 , ,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产物的 等方面。
菌种的选育
扩大培养
分离、提纯
2.发酵工程的基本环节
诱变育种
基因工
程
产物浓度
溶解氧
过滤
干燥
纯化
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,如各种酒类。
(2)生产各种各样的 ,如味精。
(3)生产 ,如α-淀粉酶、β-淀粉酶。
2.在医药工业上的应用
工程、 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,如生产生长激素释放抑制激素、疫苗等。
食品添加剂
酶制剂
基因
蛋白质
3.在农牧业上的应用
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
生产微 生物农药 微生物农药是利用 来防治病虫害的
生产微 生物饲料 通过发酵获得了大量的微生物菌体,即 ,并制作成微生物饲料
有机酸、
生物活性物质
微生物或其代谢物
单细胞蛋白
4.在其他方面的应用
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域,在助力解决
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
和能源
判断正误
(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯。
(　　)
×
【提示】 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
(　　)
√
(3)扩大培养的主要目的是获得数量足够多的菌种。(　　)
√
(4)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。(　　)
【提示】 生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉,而不是乳酸菌。
×
(5)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。(　　)
√
(6)单细胞蛋白是通过发酵产生的大量的微生物分泌蛋白。(　　)
【提示】 单细胞蛋白是通过发酵获得的大量微生物菌体。
×
探究案·互动探究
任务一　分析发酵工程的基本环节
利用谷氨酸棒状杆菌经过发酵可以生产谷氨酸,进而获得味精。谷氨酸棒状杆菌是一种好氧细菌。下图为通过发酵工程生产谷氨酸的示意图。
(1)发酵过程中需要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件,原因是
。
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
(2)在发酵的过程中,需要不停地进行搅拌,并严格控制发酵条件,以提高谷氨酸的产量和品质。下列相关选项的叙述,不正确的是 。
A.发酵过程中添加新的营养液会改变培养条件,不利于增产
B.发酵过程中不停地搅拌可满足菌体对氧气需求和提高原料的利用率
C.发酵过程中应控制pH,中性和弱碱性条件下利于谷氨酸的生产和积累
D.从发酵液中分离、提纯谷氨酸,可采取适当的提取、分离和纯化的措施来获得产品
A
(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
【提示】 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;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。
(4)当细胞中谷氨酸积累过多时会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,从而减少谷氨酸的合成。谷氨酸棒状杆菌合成的生物素有助于磷脂分子的合成,减小细胞膜对谷氨酸的通透性。在生产上一般选用生物素合成缺陷型的谷氨酸棒状杆菌作为菌种,大量生产谷氨酸,请分析其原因。
【提示】 生物素合成缺陷型谷氨酸棒状杆菌的细胞膜对谷氨酸的通透性增加,能使细胞产生的谷氨酸迅速排放到细胞外,从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的抑制,提高谷氨酸产量。
「核心归纳」
影响发酵过程的因素
温度 ①温度影响酶活性;
②温度影响生物合成的途径;
③温度影响发酵液的物理性质,以及菌种对营养物质的分解吸收等
pH ①pH能够影响酶的活性,以及细胞膜的带电荷状况;
②pH影响培养基中营养物质的分解等
溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说,是一个关键因素。必须向发酵液中连续补充大量的氧,并要不断地进行搅拌,这样可以提高氧在发酵液中的溶解度
营养物质 的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度,特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度,会直接影响菌体的生长和代谢物的积累
「典型例题」
1.(2025·济宁期末)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。发酵工程的基本环节如图所示。下列说法正确的是(　　)
[A]在发酵之前需要利用固体培养基对菌种进行扩大培养
[B]在酸性条件下可以利用谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸
[C]发酵结束后,可通过过滤、沉淀等方法分离出微生物细胞本身
[D]通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白,用来生产微生物饲料
C
【解析】 在发酵之前需要利用液体培养基对菌种进行扩大培养;谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸需要在中性或弱碱性条件下,而不是酸性条件下;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;单细胞蛋白本身就是微生物菌体,而不是从微生物细胞中提取的,可直接作为微生物饲料。
2.(2025·榆林检测)发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等特点,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,使用如图中的发酵罐可进行相应产品的工业发酵。下列说法错误的是(　　)
[A]若发酵罐内正进行果酒发酵,则使用叶轮搅拌的目的是增加发酵液中的溶解氧
[B]在菌种选育过程中,可以利用诱变育种或基因工程育种等手段生产目的菌种
[C]培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降
[D]水在发酵罐夹层流动的作用是冷却,通过控制流速调节罐温
A
【解析】 若图示发酵罐是果酒发酵,则需要无氧环境,故使用叶轮搅拌的目的是使发酵液与酵母菌充分混合;在菌种选育过程中,可以利用诱变育种、基因工程育种等手段生产目的菌种;培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,若被杂菌污染将会导致产量下降,如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解;在利用发酵罐进行发酵的过程中,由于微生物的呼吸作用以及搅拌等都能产生大量的热量,使发酵液温度升高,为防止温度过高降低酶的活性,采取了水在发酵罐夹层中流动而达到冷却降温的措施。
任务二　结合实例分析发酵工程的应用
发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点,在食品工业、医药工业和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,思考并回答下列问题。
(1)分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些
①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素 ③工厂化生产青霉素
【提示】 ①②③。
(2)酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的生产分别利用了哪种微生物的发酵
【提示】 酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌(如黑曲霉)、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。
(3)利用微生物进行纤维素发酵生产乙醇,然后和汽油按一定比例混合,可形成乙醇汽油。请结合乙醇的性质,分析乙醇汽油有哪些优点
【提示】 乙醇可通过纤维废料发酵制得,是可再生能源,可提高能量利用率;乙醇燃烧生成二氧化碳和水,能减少汽车尾气的污染等。
(4)分析与传统发酵相比,工业化啤酒发酵生产过程中的哪些措施使得啤酒的产量和质量明显提高
【提示】 接种单一高质量菌种、严格的消毒和灭菌措施、培养基中各营养物质比例适中、严格的发酵条件控制等,都使啤酒的产量和质量明显提高。
「核心归纳」
1.啤酒发酵的过程及内容
2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别
「典型例题」
3.下列有关发酵工程应用的叙述,错误的是(　　)
[A]利用发酵工程可以生产多种药物,但是不能生产疫苗
[B]用来延长食品保存期的乳酸链球菌素可通过发酵工程生产
[C]利用发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料
[D]果汁饮料中添加的柠檬酸可通过黑曲霉的发酵制得
A
【解析】 利用发酵工程可以生产多种药物,也能生产疫苗,如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;在食品工业上,用来延长食品保存期的乳酸链球菌素、溶菌酶等食品添加剂可通过发酵工程生产;由发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料,该种饲料能使家畜、家禽增重快,产奶或产蛋量显著提高;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。
4.(2025·泰州检测)啤酒发酵流程一般都包含发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒、终止等。下列有关叙述错误的是(　　)
[A]焙烤过程通过加热杀死种子的胚细胞,从而使淀粉酶失活
[B]酵母菌繁殖及大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成
[C]发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味的要求不同而有所差异
[D]蒸煮过程中高温使淀粉酶失活,可以终止淀粉酶的进一步作用,并对糖浆灭菌
A
【解析】 焙烤是加热杀死种子的胚,但不使淀粉酶失活;主发酵是主要的生产过程,酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都是在主发酵阶段完成;发酵温度和发酵时间随着啤酒品种和口味的要求不同而有所差异;蒸煮过程中高温使淀粉酶失活,终止淀粉酶的分解作用,并对糖浆灭菌。
思维导图
随堂检测反馈
1.下列有关发酵工程的叙述,正确的是(　　)
[A]性状优良的菌种只能通过诱变育种或基因工程育种获得
[B]各种发酵产品的分离方法均是相同的
[C]分离、提纯产物是发酵工程的中心环节
[D]发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种
D
【解析】 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;不同发酵产品的分离方法不同;发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
2.(2024·山东卷)在发酵过程中,多个黑曲霉菌体常聚集成团形成菌球体,菌球体大小仅由菌体数量决定。黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧。菌体内铵离子浓度升高时,可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制。下列说法错误的是(　　)
[A]相同菌体密度下,菌球体越大柠檬酸产生速率越慢
[B]发酵中期添加一定量的硫酸铵可提高柠檬酸产量
[C]发酵过程中pH下降可抑制大部分细菌的生长
[D]发酵结束后,将过滤所得的固体物质进行干燥即可获得柠檬酸产品
D
【解析】 黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧,相同菌体密度下,菌球体越大越不利于菌体与氧气接触,柠檬酸产生速率越慢;菌体内铵离子浓度升高时,可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制,发酵中期添加一定量的硫酸铵,提高铵离子浓度,可提高柠檬酸产量;发酵过程中pH下降导致细菌生命活动所必需的酶失活,可抑制大部分细菌的生长;柠檬酸属于代谢物,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。
3.(2025·盐城检测)麦汁发酵是啤酒酿造的重要过程,可以分为接种酵母→充氧→前发酵→封罐→后发酵等重要步骤。下列相关叙述错误的是(　　)
[A]为避免杂菌污染,需对发酵罐、麦汁、接种仪器等进行灭菌
[B]前发酵阶段,葡萄糖在酵母菌中分解可生成二氧化碳
[C]后发酵阶段,酵母菌细胞主要进行无氧呼吸产生酒精
[D]发酵过程中会有较多热量释放,因此发酵罐需配有降温装置
C
【解析】 在啤酒酿造过程中,杂菌污染会影响发酵过程和啤酒品质,对发酵罐、麦汁、接种仪器等进行灭菌处理能够有效避免杂菌污染,保证发酵顺利进行;前发酵阶段,发酵罐中含有氧气,葡萄糖在酵母菌有氧呼吸作用中分解生成二氧化碳;后发酵阶段,由于封罐后缺少氧气,酵母菌细胞不能进行有氧呼吸,只能进行无氧呼吸产生酒精和CO2;发酵过程中无论是有氧呼吸还是无氧呼吸,都会释放能量,其中大部分以热能形式散失,会使发酵罐内温度升高,所以发酵罐需配有降温装置来维持适宜的发酵温度。
4.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂。食品工业生产柠檬酸时,可以红薯粉为原料经黑曲霉发酵获得,下图为黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的简要流程图。下列叙述正确的是(　　)
B
[A]用X射线处理黑曲霉不能获得生产柠檬酸的优良菌种
[B]将菌种由A培养基转接至B培养基的目的是扩大培养
[C]加α-淀粉酶的作用是使红薯中淀粉水解,为菌种提供碳源和氮源
[D]利用黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的中心环节是产品的分离和提纯
【解析】 用X射线处理黑曲霉的原理是诱变育种,优良菌种可以从自然界中筛选,也可以通过诱变育种、基因工程育种获得;B培养基是液体培养基,将菌种由A培养基转接至B培养基是进行菌种扩大培养,以增加黑曲霉菌种数量;加α-淀粉酶的作用是使红薯中淀粉水解,为菌种提供碳源;利用黑曲霉发酵工程生产柠檬酸的中心环节是发酵罐内发酵。
5.下图为发酵工程生产产品的流程图,据图回答下列问题。
(1)若能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的,①应该是　 　　　　 ;
若高产青霉素菌种是通过②培育的,②应该是　　　　 　　。
基因工程育种
诱变育种
(2)整个过程的中心环节是　　　　　　　　　　　　,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,因为环境条件不仅会影响微生物的生长、繁殖,还会影响微生物　　　 　的形成。
发酵罐内发酵
微生物数量、产物浓度
溶解氧、pH和温度
(3)在发酵过程中要不断搅拌的目的是　　　　　　　　　　　　　　;
　 　 。
(4)发酵产品分离、提纯时要根据产品的类型选择合适的方法。如果发酵产品是菌体本身,常常采用　　　　　　　　等方法将菌体分离和干燥;如果发酵产品是微生物的代谢物,还要根据　　　　 采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品。
增加溶氧量
使菌种与培养液充分接触,提高原料的利用率
过滤、沉淀
产物的性质
联系实际 迁移应用
在用传统方法(记为方法一)生产啤酒时,大麦芽是不可缺少的原料。利用大麦芽,实质上是利用其中的α-淀粉酶,将其他谷物中的淀粉水解为麦芽糖(二糖),再在其他酶的催化下转化为葡萄糖,葡萄糖可被酵母菌(微生物)利用。请回答下列问题。
(1)糖化过程中,破碎的目的是
。
有利于淀粉与α-淀粉酶充分接触,缩短糖化
过程的时间
(2)发酵过程中要适时往外排气,后发酵应 (填“延长”或“缩短”)排气时间间隔,理由是
。
(3)发酵过程中抽样检测活菌数量时,应采用 (填“稀释涂布平板法”或“显微镜直接计数法”),其原因是
。
延长
后发酵时期由于糖类物质不充足,产生的气体减少,可以
适当延长排气时间间隔
稀释涂布平板法
用稀释涂布平板法在培养基上
看到的每一个菌落都来自活菌(通常一个菌落代表一个活菌),而显微镜直接计数法不能直接区分活菌和死菌
(4)有人利用外源赤霉素(GA)处理大麦,则可以使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶,进而生产啤酒(记为方法二)。现某厂家有等量的大麦种子,欲采用方法一或方法二生产啤酒。理论上哪种方法生产的啤酒产量更高,并说明理由
。
方法二。方法一中胚发芽会消耗部分葡萄糖,导致用于酒精发酵的底物减少,但方法二中胚无须发芽,用于酒精发酵的底物相对多,因此方法二的啤酒产量更高第3节　发酵工程及其应用
课时作业
(时间:30分钟　分值:57分)
第1～7题每题3分,第8～9题每题6分,共计33分。
基础对点练
知识点1　发酵工程的基本环节
1.下列关于发酵工程的说法,正确的是(　　)
[A]选育菌种是发酵工程的前提条件,该环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败
[B]培养基和发酵设备都必须灭菌,因为发酵工程中所用的菌种均是单一菌种
[C]发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节,生产青霉素过程必须关闭空气入口
[D]啤酒生产过程中,主发酵结束后即可过滤、调节、分装进行出售
【答案】 A
【解析】 在发酵工程中,菌种的性能直接决定了最终产品的质量和产量,故选育菌种是发酵工程的前提条件;发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种,为防止杂菌污染,培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌;青霉素是由霉菌产生的,而霉菌是需氧菌,其生长和代谢需要氧气,因此,在生产青霉素的过程中,应该保持发酵罐内的空气流通,而不是关闭空气入口;在啤酒生产过程中,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。
2.下列关于微生物发酵过程的说法,正确的是(　　)
[A]选育菌种是发酵工程的中心环节
[B]只要不断地向发酵罐中通入液体培养基,就能保证发酵的正常进行
[C]在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成
[D]在发酵工程的发酵环节中,发酵条件会影响微生物的生长繁殖,但是不影响微生物的代谢途径
【答案】 C
【解析】 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节;发酵过程中应随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,同时应对发酵过程中的一些条件进行控制才能保证发酵的正常进行;在发酵工程的发酵环节中,发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。
3.(2025·邯郸检测)谷氨酸棒状杆菌生长的最适pH为7.0,通过以下代谢途径发酵生产
L谷氨酰胺。下列叙述正确的是(　　)
[A]提高谷氨酸脱氢酶和谷氨酸合成酶的活性有利于提高L谷氨酰胺产量
[B]发酵初期控制pH为7.0,后调为5.6,有利于提高L谷氨酰胺产量
[C]通过光学显微镜观察,可以判断发酵过程中是否发生球状细菌污染
[D]发酵结束后,采用过滤、沉淀的方法将菌体分离和干燥即可获得产品
【答案】 B
【解析】 由图可知,谷氨酸合成酶会使L谷氨酰胺再转化为L谷氨酸,降低L谷氨酰胺产量;谷氨酸棒状杆菌生长的最适pH为7.0,谷氨酰胺合成酶最适pH为5.6,因此发酵初期控制pH为7.0,有利于增加谷氨酸棒状杆菌的数量,后调为5.6,有利于提高谷氨酰胺合成酶的活性,进而提高L谷氨酰胺产量;虽然谷氨酸棒状杆菌呈杆状、而球状细菌为球状,但通过光学显微镜观察,不能判断发酵过程中是否发生球状细菌污染,可通过电子显微镜观察,判断是否发生球状细菌污染;L谷氨酰胺是细胞代谢物,对细胞代谢物可通过适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
4.从传统发酵技术到发酵工程,经历了漫长的历史过程。下列关于两者的比较,正确的是(　　)
[A]传统发酵技术大多为混合菌种,发酵工程大多为单一菌种
[B]传统发酵技术不需要控制发酵条件,发酵工程需严格控制发酵条件
[C]两者都需要对发酵原料和发酵装置进行严格灭菌,以防止杂菌污染
[D]传统发酵技术和发酵工程都不需要对发酵产物进行分离和提纯处理
【答案】 A
【解析】 传统发酵技术常用来自自然界中的混合菌种发酵,发酵工程通常接种经人工选育的较为单一的菌种;为了保证产品的品质,传统发酵技术也要控制发酵条件;传统发酵技术通常仅做简单消毒处理,未严格灭菌,发酵工程则需严格灭菌;传统发酵技术获得的发酵产物通常不需要处理,而发酵工程获得的产品通常需要经过一定的方法进行分离、提纯。
知识点2　发酵工程的应用
5.发酵食品是中国传统食品中的一个重要类别,承载了中华民族悠久的历史和丰富的文化内涵。下列叙述错误的是(　　)
[A]腐乳的制作离不开毛霉的作用
[B]当缺少糖源和氧气时,醋酸菌可将乙醇转化为乙醛,再将乙醛变为乙酸
[C]乳酸菌在无氧条件下可将葡萄糖分解成乳酸,可用于制作酸奶
[D]黑曲霉等产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质水解成小分子物质,可用于制作酱油
【答案】 B
【解析】 醋酸菌是一种好氧细菌,当氧气充足、缺少糖源时,醋酸菌可将乙醇转化为乙醛,再将乙醛变为乙酸。
6.由于防腐、加工工艺和改善食品品质的需要,人们在食品中加入一些化学合成或天然物质,这类物质被称为食品添加剂。下列有关叙述错误的是(　　)
[A]食品工业中,常用的着色剂有β胡萝卜素、红曲黄色素等
[B]食品添加剂不具有增加食品营养的作用
[C]乳酸在食品工业中可用作酸度调节剂
[D]食品添加剂可通过发酵工程生产
【答案】 B
【解析】 有的食品添加剂具有增加食品营养的作用。
7.啤酒主要以麦芽、水、啤酒花为原料,经酵母菌酒精发酵而来,具体生产流程如下图。下列叙述错误的是(　　)
[A]啤酒发酵过程中大部分糖的分解和代谢物的生成都在后发酵阶段完成
[B]“精酿”啤酒发酵时间长,没有进行过滤和消毒处理,因此保质期较短
[C]糖化主要是将麦芽中的淀粉分解,碾磨有利于淀粉酶与淀粉充分接触
[D]为防止接种时酵母菌被杀死,应在麦汁冷却后再加入啤酒酵母发酵
【答案】 A
【解析】 在啤酒发酵过程中,大部分糖的分解和代谢物的生成是在主发酵阶段完成的,而不是后发酵阶段。
综合提升练
8.(2025·宜昌检测)啤酒、味精和胰岛素的工业化生产比传统发酵生产要复杂得多,需要通过发酵工程来实现。下列相关叙述错误的是(　　)
[A]利用酵母菌等发酵生产的单细胞蛋白,可作为微生物饲料
[B]以大豆为主要原料,利用黑曲霉水解其中的蛋白质,经淋洗、调制成酱油
[C]青贮饲料中添加酵母菌,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
[D]传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,发酵工程则以单一菌种的液体发酵为主
【答案】 C
【解析】 在青贮饲料中添加乳酸菌,通过乳酸菌的发酵,可以提高饲料品质,使饲料保鲜,同时动物食用后还能提高动物免疫力。
9.(2025·济宁检测)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。下图表示酱油发酵过程中主要微生物的数量变化。下列叙述错误的是(　　)
[A]米曲霉产生的蛋白酶能将蛋白质分解成小分子多肽及氨基酸
[B]在发酵初期乳酸菌含量逐渐升高,能抑制部分有害微生物的生长
[C]某些代谢物的抑制作用是后期酵母菌数量下降的原因之一
[D]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
【答案】 D
【解析】 发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵,而发酵工程通常利用单一菌种来进行发酵。
10.(12分)发酵工程在医药上的应用非常广泛,其中青霉素的发现和产业化生产进一步推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。产黄青霉菌是一种广泛存在于自然界中的霉菌,是生产青霉素的重要工业菌种。工业上生产青霉素的发酵工程流程如图所示。回答下列相关问题。
(1)整个发酵过程的中心环节是　　　　　　　　　　。在制备该培养基时,除了添加必要的营养成分,还需要将pH在灭菌　　　　(填“前”或“后”)调至　　　　性。对产黄青霉菌进行分离纯化并计数采用了　　　　　　法,其可以用来计数的原理为　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。除了可以使用该方法获得某菌种的纯培养物,还可使用　　　　法。
(2)欲从土壤中分离出能产生纤维素酶的纤维素分解菌,可用加入　　　　作为唯一碳源制成的选择培养基进行分离。若将样品接种到分离纤维素分解菌的培养基上,在该培养基中需要加入的特殊染料是　　　　,通过观察是否产生　　　　来筛选纤维素分解菌。
【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)发酵罐内发酵　前　酸　稀释涂布平板　当样品的稀释度足够高时,培养基表面生长的一个菌落,来源于样品稀释液中的一个活菌(2分)　平板划线
(2)纤维素　刚果红(2分)　透明圈(2分)
【解析】 (1)发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。在制备培养基时,需要在灭菌前调节pH,因为如果在灭菌后调节pH,可能会造成培养基被杂菌污染。在培养霉菌时,除了添加必要的营养成分,一般还需要将培养基调至酸性。对产黄青霉菌进行分离纯化并计数常采用稀释涂布平板法。稀释涂布平板法可以用来计数的原理是当样品的稀释度足够高时,培养基表面生长的一个菌落,来源于样品稀释液中的一个活菌,通过统计平板上的菌落数,就能推测出样品中大约含有多少活菌。除了稀释涂布平板法,还可使用平板划线法获得某菌种的纯培养物。
(2)欲从土壤中分离出能产生纤维素酶的纤维素分解菌,可用加入纤维素作为唯一碳源制成的选择培养基进行分离,这样能分解利用纤维素的细菌才能在该培养基上生长。在分离纤维素分解菌的培养基中需要加入的特殊染料是刚果红。刚果红能与纤维素形成红色复合物,当纤维素被纤维素酶分解后,刚果红—纤维素的复合物就无法形成,培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈,所以通过观察是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。
11.(12分)(2025·长沙检测)研究人员在某造纸厂附近土壤采样筛选出菌株H,以玉米芯(玉米棒脱粒后的剩余部分,含较多的木聚糖)为原料,在实验室发酵生产木寡糖等高附加值低聚糖,以期提高玉米的整体利用价值。
(1)生产实践中,常在碱性的条件下高温处理玉米芯以提取木聚糖。为筛选出能耐高温耐碱性的木聚糖分解菌H,首先制备以木聚糖为　　　　　　　　的固体培养基,调节培养基pH=10.0,然后将土壤加入含有　　　　的锥形瓶中稀释,用　　　　　　　法将菌种稀释液接种到培养基上,在50 ℃环境中培养以获得单菌落。
(2)基于菌株H的特性,研究人员设计了如图所示的发酵设备,该设备的控制系统需感应
　　　　　　　　等理化性质的变化,以保证良好的发酵环境。
(3)该设备以一定的速度在加料口不断添加新的培养基,同时又以同样速度在放料口放出旧的培养基,可大大提高生产效率,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出2点即可)。
(4)该设备处理玉米芯与将玉米芯进行焚烧处理相比,优点是　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　(答出2点即可)。
【答案】 (每空2分)
(1)唯一碳源　无菌水　稀释涂布平板
(2)温度、pH、O2浓度
(3)保证微生物对营养物质的需求;防止代谢物对菌株H发酵的影响
(4)减少污染,减少占用的土地资源,提高资源利用率
【解析】 (1)因为要筛选木聚糖分解菌,因此应该选择以木聚糖为唯一碳源的固体培养基;稀释土壤时应该用无菌水稀释;用稀释涂布平板法将菌种稀释液接种到培养基上。(2)由于筛选的是耐高温耐碱性的木聚糖分解菌。为了让该分解菌分解效率较高,因此要控制温度和pH。而木聚糖分解菌是好氧菌(由题图可知该设备需要通入无菌空气),因此该设备的控制系统还需要感应O2浓度的变化。(3)不断添加新的培养基可以保证微生物对营养物质的需求;放出旧的培养基可以防止代谢物对菌株H发酵的影响。(4)该设备充分利用了玉米芯,可以提高资源利用率,相比焚烧玉米芯该设备的处理方式可以减少污染;由于将反应局限在一个容器中进行处理,可以减少占用的土地资源。

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