第1章 第3节 发酵工程及其应用 讲义-（新教材）2019新人教版高中生物选择性必修三.doc

1、1/8第第 3 节节发酵工程及其应用发酵工程及其应用课标内容要求课标内容要求核心素养对接核心素养对接1.阐明发酵工程利用现代工程技术及微阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能生物的特定功能， 工业化生产人类所需工业化生产人类所需产品。产品。2举例说明发酵工程在医药、食品及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物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。及控制方法。2社会责任：认可发酵工程在生产上社会责任：认可发酵工程在生产上的重要

2、应用价值。的重要应用价值。一、发酵工程的基本环节一、发酵工程的基本环节发酵工程一般包括发酵工程一般包括菌种的选育菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、，扩大培养，培养基的配制、灭菌灭菌，接种，接种，发酵发酵，产品分离、提纯等方面。，产品分离、提纯等方面。1选育菌种选育菌种：性状优良的菌种可以从性状优良的菌种可以从自然界自然界中筛选出来中筛选出来，也可以通过也可以通过诱变诱变育种育种或或基因工程育种基因工程育种获得。获得。2扩大培养扩大培养：工业发酵罐的体积很大工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大接入的菌种总体积也较大，因此在因此在发酵之前还需要对菌种进行发酵之前还需要对菌种进行扩大培养扩

3、大培养。3配制培养基配制培养基：在菌种确定之后在菌种确定之后，要选择原料制备培养基要选择原料制备培养基。培养基的配方培养基的配方要经过要经过反复试验反复试验才能确定。才能确定。4灭菌灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染一旦有杂菌污染，可能可能导致产量大大下降。因此，导致产量大大下降。因此，培养基培养基和和发酵设备发酵设备都必须经过严格的灭菌。都必须经过严格的灭菌。5接种接种：扩大培养的菌种和灭菌后的扩大培养的菌种和灭菌后的培养基培养基加入发酵罐中加入发酵罐中。大型发酵罐有大型发酵罐有计算机控制系统计算机控制系统，能对发酵过程中的温度能对发酵

4、过程中的温度、pH、溶解氧溶解氧、罐压罐压、通气量通气量、搅拌搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。泡沫和营养等进行监测和控制。6发酵罐内发酵发酵罐内发酵：在发酵过程中在发酵过程中，要随时检测培养液中的要随时检测培养液中的微生物数量微生物数量、产产物浓度物浓度等等，以了解发酵进程以了解发酵进程。还要及时添加必需的还要及时添加必需的营养组分营养组分，要严格控制要严格控制温度温度、pH 和溶解氧等发酵条件。和溶解氧等发酵条件。7分离分离、提纯产物提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后可在发酵结束之后，采用采用过滤、沉淀过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产

5、品。如果产品是代谢物，可根等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化提取、分离和纯化措施来获得产品。措施来获得产品。二、发酵工程的应用二、发酵工程的应用2/81在食品工业上的应用在食品工业上的应用(1)生产传统的发酵产品，如生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类酱油、各种酒类。(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由发酵制得的柠檬酸，由谷氨谷氨酸棒状杆菌酸棒状杆菌发酵生产味精。发酵生产味精。(3)生产酶制剂，如生产酶制剂，如淀粉酶淀粉酶、淀粉酶淀粉酶、脂肪酶等。脂

6、肪酶等。2在医药工业上的应用在医药工业上的应用基因基因工程、工程、蛋白质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。劲动力。3在农牧业上的应用在农牧业上的应用(1)生产微生物肥料生产微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸有机酸、生物活性物质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，常见的有根根瘤菌肥瘤菌肥、固氮菌肥固氮菌肥等。等。(2)生产微生物农药生产微生物农药。微生物农药是利用微生物农药是利用微生

7、物微生物或或其代谢物其代谢物来防治病虫害的来防治病虫害的。微生物农药作为微生物农药作为生物防治生物防治的重要手段，将在农业的的重要手段，将在农业的可持续发展可持续发展方面发挥越来越方面发挥越来越重要的作用。重要的作用。(3)生产微生物饲料生产微生物饲料。微生物含有丰富的微生物含有丰富的蛋白质蛋白质。以淀粉或纤维素的水解液以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的通过发酵获得了大量的微生物菌体微生物菌体，即单细胞蛋白即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，

8、产奶或产蛋量显著提高。提高。4在其他方面的应用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、健康粮食、环境、健康和和能源能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。判断对错判断对错(正确的打正确的打“”“”，错误的打，错误的打“”“”)1发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。()提示提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种和基因工程育种获得。发酵工程的菌种也可以通过诱变育种和基因工程育种获得。2发酵工程的中心环节是选育菌种。发

9、酵工程的中心环节是选育菌种。()提示提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。3发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。()提示提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。3/84利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。()提示提示：利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。5微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。()发酵工

10、程中发酵条件的控制发酵工程中发酵条件的控制1微生物发酵生产的水平最基本的条件取决于生产菌种的性能微生物发酵生产的水平最基本的条件取决于生产菌种的性能，但有了优但有了优良的菌种之后，还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产良的菌种之后，还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分表现出来能力充分表现出来。因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求如营养要求、培养温度培养温度、pH 条件条件、对氧的需求等对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处使生产菌种处于最佳的产物合成条件下，才能取得优

11、质高产的效果。于最佳的产物合成条件下，才能取得优质高产的效果。2由于微生物发酵是多达数十步甚至数百步的生物化学反应由于微生物发酵是多达数十步甚至数百步的生物化学反应，其过程远比其过程远比化学反应过程复杂，往往环境条件的微小变化，就会对微生物的生产能力产生化学反应过程复杂，往往环境条件的微小变化，就会对微生物的生产能力产生明显影响。所以，为了控制整个发酵过程，必须了解微生物在发酵过程中的代明显影响。所以，为了控制整个发酵过程，必须了解微生物在发酵过程中的代谢变化规律，这是通过各种检测方法，测定各种发酵参数如细胞浓度、碳氮源谢变化规律，这是通过各种检测方法，测定各种发酵参数如细胞浓度、碳氮源等物质

12、的消耗、产物浓度等随时间变化的情况，以便能够控制发酵过程，使生等物质的消耗、产物浓度等随时间变化的情况，以便能够控制发酵过程，使生产菌种的生产能力得到充分发挥。产菌种的生产能力得到充分发挥。应用实践：应用实践：(1)利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密先通气后密封封”？提示：提示：“通气通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封密封”的目的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。(2)啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变啤酒生产中，发酵是重要环节

13、，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？酸，你知道这是发生了什么变化吗？提示：提示：醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。1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，下列叙述下列叙述错误的是错误的是()4/8A夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理B乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大乙醇为挥发性物质，故发酵

14、过程中空气的进气量不宜太大C正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压D可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵B果酒发酵的适宜温度为果酒发酵的适宜温度为 1825 ，因此夏季生产果酒时，常需对罐体，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理进行降温处理，A 正确正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要因此分解过程中不需要通入空气通入空气，B 错误错误；无氧呼吸产生了二氧化碳无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气但是没有消耗氧气，因此发酵罐因此发酵罐中的气

15、压不会低于大气压中的气压不会低于大气压，C 正确正确；葡萄酒发酵的原料是糖类葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D 正确。正确。2发酵工程在工业生产上得到广泛应用发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示其生产流程如下图所示。结合赖结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。(1)图中图中表示的育种方法是表示的育种方法是_。(2)人工控制微生物代谢的措施包括人工控制微生物代谢的措施包括_和和_。(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地

16、产生，这说明该生产采在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了用了_的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为或谷氨酸发酵菌种为_菌。菌。(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用_等分离提纯的方法等分离提纯的方法进行提取。进行提取。解析解析基因工程基因工程、细胞工程和诱变育种是发酵工程菌种的来源细胞工程和诱变育种是发酵工程菌种的来源。控制微生控制微生5/8物代谢的措施包括两个方面：一方面是改变微生物的遗传特性，另一方面是控物代谢的措施包括两个

17、方面：一方面是改变微生物的遗传特性，另一方面是控制微生物的生长繁殖条件。在发酵生产中，产物源源不断地产生，因此发酵过制微生物的生长繁殖条件。在发酵生产中，产物源源不断地产生，因此发酵过程是连续的。发酵生产的产品是代谢产物，分离提取产物的方法有萃取、蒸馏程是连续的。发酵生产的产品是代谢产物，分离提取产物的方法有萃取、蒸馏和离子交换等。和离子交换等。答案答案(1)诱变育种诱变育种(2)改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条控制生产过程中的各种条件件(3)连续培养连续培养好氧好氧(4)萃取萃取(或蒸馏或离子交换等或蒸馏或离子交换等)发酵工程的应用发酵工程的应用发酵工程的应用发酵工

18、程的应用具体应用具体应用成果成果在食品工业在食品工业上的应用上的应用生产传统的发酵产品生产传统的发酵产品利用霉菌发酵生产酱油利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母利用酿酒酵母生产各种酒类生产各种酒类生产各种各样的食品生产各种各样的食品添加剂添加剂利用黑曲霉发酵生产柠檬酸利用黑曲霉发酵生产柠檬酸、利用谷氨利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸生产酶制剂生产酶制剂利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等脂肪酶和氨基肽酶等在医药工业在医药工业上的应用上的应用通过工程菌生产药物通过工程菌生产药物利用工程菌发酵生产生长激素释放抑利用工程菌发酵生产

19、生长激素释放抑制激素制激素通过改造菌种生产药通过改造菌种生产药物物通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素在农牧业上在农牧业上的应用的应用生产微生物肥料生产微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥固氮菌肥生产微生物农药生产微生物农药利用苏云金杆菌防治多种农林虫害利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫用白僵菌防治玉米螟和松毛虫在农牧业上在农牧业上的应用的应用生产微生物饲料生产微生物饲料利用淀粉或纤维素的水解液利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体的废液通过发酵获得大量微生物

20、菌体用于饲料生产用于饲料生产在其他方面在其他方面的应用的应用解决资源短缺和环境解决资源短缺和环境污染问题污染问题利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯对极端微生物的利用对极端微生物的利用利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂6/8应用实践：应用实践：1.微生物肥料使作物增产的原理是什么？微生物肥料使作物增产的原理是什么？提示提示：微生物在代谢过程中产生的有机酸微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。改良土壤结构，促进植物生长。2微生物农药防治农林害虫的原理是什么？微生物农药防治农林

21、害虫的原理是什么？提示：提示：微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治病虫害的。微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治病虫害的。关于发酵工程应用的说法错误的是关于发酵工程应用的说法错误的是()A发酵工程的产品可以是微生物的代谢产物发酵工程的产品可以是微生物的代谢产物B通过发酵工程可以从微生物中提取一些酶通过发酵工程可以从微生物中提取一些酶C通过发酵工程可以从微生物中提取单细胞蛋白通过发酵工程可以从微生物中提取单细胞蛋白D发酵工程的产品可以是微生物的菌体发酵工程的产品可以是微生物的菌体C单细胞蛋白是通过发酵工程获得的微生物菌体，单细胞蛋白是通过发酵工程获得的微生物菌体，而而不是从微生物中提不是

22、从微生物中提取单细胞蛋白。取单细胞蛋白。课堂小结课堂小结知知 识识 网网 络络 构构 建建核核 心心 语语 句句 背背 诵诵1.性状优良的菌种可以从自然界中筛选性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来出来， 也可以通过诱变育种或基因工程也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。育种获得。2.发酵工程所用的菌种大多是单一菌发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。种。3.发酵工程的中心环节是发酵罐内发发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。酵。4.如果发酵产品是微生物菌体可采用过如果发酵产品是微生物菌体可采用过滤滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品产品； 如果发酵产品是微生物的代谢物如

23、果发酵产品是微生物的代谢物可根据产物的性质采取适当的提取可根据产物的性质采取适当的提取、 分分离和纯化措施来获得产品。离和纯化措施来获得产品。5.发酵工程的产品主要包括微生物的代发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。谢产物、酶及微生物的菌体。7/81关于发酵工程说法错误的是关于发酵工程说法错误的是()A依赖微生物纯培养技术的建立依赖微生物纯培养技术的建立B发酵设备都是密封的发酵设备都是密封的C食品、医药工业离不开发酵工程食品、医药工业离不开发酵工程D发酵工程与工农业生产也有密切关系发酵工程与工农业生产也有密切关系B发酵设备是密闭的，不是密封的。发酵设备是密闭的，不是密封的。

24、2关于发酵工程的菌种说法错误的是关于发酵工程的菌种说法错误的是()A发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来B发酵工程可以利用原材料中含有的菌种发酵工程可以利用原材料中含有的菌种C发酵工程的菌种可以来自基因工程发酵工程的菌种可以来自基因工程D发酵工程的菌种可以来自诱变育种发酵工程的菌种可以来自诱变育种B传统发酵技术利用的是原材料中的菌种，发酵工程利用的是经过筛选传统发酵技术利用的是原材料中的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种或培育的菌种中含有中含有。3关于啤酒生产的流程说法错误的是关于啤酒生产的流程说法错误的是()A让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶让大麦

25、种子发芽的目的是释放淀粉酶B焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性C糖化的目的是让淀粉分解糖化的目的是让淀粉分解D蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌B焙烤发芽的大麦种子是杀死大麦种子，但不能使淀粉酶丧失活性。焙烤发芽的大麦种子是杀死大麦种子，但不能使淀粉酶丧失活性。4啤酒是发酵工程的主要产品，关于啤酒发酵的说法错误的是啤酒是发酵工程的主要产品，关于啤酒发酵的说法错误的是()A啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的B酵母菌的大量繁殖在啤酒发酵主发酵阶段酵母菌的大量繁殖在啤酒发酵主

26、发酵阶段C啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行有氧呼吸啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行有氧呼吸D啤酒生产的后发酵阶段是在低温度和密闭环境下进行的啤酒生产的后发酵阶段是在低温度和密闭环境下进行的C啤酒生产的主发酵阶段，大部分糖分解和代谢产物生成，此时酵母菌啤酒生产的主发酵阶段，大部分糖分解和代谢产物生成，此时酵母菌主要进行无氧呼吸。主要进行无氧呼吸。5发酵法生产酒精后的废液发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体白地霉菌体，生产高蛋白饲料生产高蛋白饲料。培养培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下制取白地霉菌体的实验过程示意

27、图如下。8/8请据图回答下列问题请据图回答下列问题：(1)实验过程中培养白地霉的培养基是实验过程中培养白地霉的培养基是_ 。培养基定量分装前。培养基定量分装前，先调节先调节_ ，分装后用棉塞封瓶口，最后，分装后用棉塞封瓶口，最后_处理。处理。(2)图中图中过程称为过程称为_ ，从甲到丁的培养过程是为了从甲到丁的培养过程是为了_ 。白地霉菌的代谢类型为白地霉菌的代谢类型为_ 。(3)为确定菌体产量为确定菌体产量，图中图中操作之前操作之前，应先称量应先称量_ 的质量的质量。过滤过滤后需反复烘干称量，直至后需反复烘干称量，直至_。所获菌体干重等于。所获菌体干重等于_。答案答案(1)废液上清液废液上清液pH灭菌灭菌(2)接种接种扩大培养扩大培养异养需氧型异养需氧型(3)滤纸滤纸恒重恒重(质量基本不变质量基本不变)恒重时的质量与滤纸质量之差恒重时的质量与滤纸质量之差(答案合理即可答案合理即可)