第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用學習目標學習目標1.理解發(fā)酵工程是利用微生物的生命活動進行物質轉化的過程，形成生物技術與生產(chǎn)生活密切相關的生命觀念。（生命觀念）2.能夠通過對比傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代發(fā)酵工程的流程，運用邏輯推理分析不同發(fā)酵條件對產(chǎn)物產(chǎn)量和質量的影響，提出優(yōu)化發(fā)酵條件的科學建議，提升批判性思維能力。（科學思維）3.通過小組合作探究酸奶發(fā)酵實驗，親歷科學探究的完整過程，包括提出問題、設計實驗、收集數(shù)據(jù)、分析結果和形成結論，提升科學探究能力。（科學探究）4.關注發(fā)酵工程在多領域的應用，認識其對社會發(fā)展的貢獻，思考產(chǎn)業(yè)發(fā)展與可持續(xù)性問題。（社會責任）自主預習自主預習一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)發(fā)酵工程一般包括，擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、，接種，，產(chǎn)品的分離、提純等方面。

1.選育菌種：發(fā)酵工程中的性狀優(yōu)良的菌種可以來自哪里？為什么現(xiàn)代發(fā)酵工程中多采用單一菌種，而不是傳統(tǒng)的混合菌種？2.擴大培養(yǎng)的目的是什么？3.配制培養(yǎng)基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產(chǎn)實踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過才能確定。

4.滅菌：發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。舉例說明培養(yǎng)基和發(fā)酵設備為什么都需要經(jīng)過嚴格的滅菌。5.接種：將擴大培養(yǎng)的菌種和滅菌后的加入發(fā)酵罐中。

6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：大型發(fā)酵罐有計算機控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進行監(jiān)測和控制。在發(fā)酵過程中，要隨時檢測培養(yǎng)液中的、等，以了解發(fā)酵進程。還要及時添加必需的，要嚴格控制、和溶解氧等發(fā)酵條件。

7.分離、提純產(chǎn)物：如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結束之后，采用、等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質采取適當?shù)?、和措施來獲得產(chǎn)品。

二、發(fā)酵工程的應用閱讀教材P24~27，總結概括發(fā)酵工程的應用主要體現(xiàn)在哪些方面。課堂探究課堂探究任務一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)資料1：某大型谷氨酸發(fā)酵工廠生產(chǎn)過程中，首先，科研人員從土壤中篩選出優(yōu)良的谷氨酸棒狀桿菌菌種，對其進行基因改造。接著，將玉米漿、豆餅水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培養(yǎng)基，經(jīng)過高溫高壓滅菌處理之后，在種子罐中對菌種進行擴大培養(yǎng)，達到一定菌體量后，接入發(fā)酵罐。不斷通入無菌空氣并攪拌，保證菌體充分接觸營養(yǎng)物質和氧氣。發(fā)酵結束后，通過離子交換樹脂法等技術分離提取谷氨酸。結合資料回答下列問題：思考1.為什么要對菌種進行篩選和改造？和傳統(tǒng)發(fā)酵技術所用的菌種從來源方面看有什么不同？思考2.為什么發(fā)酵工程的生產(chǎn)條件比較溫和？思考3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？思考4.在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？【歸納總結】請用箭頭和文字歸納概述現(xiàn)代發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)?！竞献鹘涣鳌克崮淌谴蠹胰粘Ｉ钪蟹浅Ｏ矚g的飲品。請結合發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)，利用老師提供的實驗材料，設計實驗室制作酸奶的流程，并在課堂上進行展示和說明。原料：新鮮純牛奶500mL、市售原味酸奶50mL（含保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌等活性乳酸菌，作為菌種）。儀器與器材：1000mL潔凈不銹鋼鍋、玻璃棒、精密溫度計、500mL帶密封蓋的玻璃廣口瓶、高壓蒸汽滅菌鍋、記號筆、pH試紙、恒溫培養(yǎng)箱（溫度可精準控制在38~42℃）。任務二、發(fā)酵工程的應用資料2：啤酒是以大麥為主要材料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。思考1.酵母菌酒精發(fā)酵過程中為什么要先通氣后密封？思考2.啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果發(fā)酵罐密封不嚴會使啤酒變酸，這是發(fā)生了什么變化？思考3.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在上面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質量明顯提高?【合作交流】現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？【歸納總結】發(fā)酵工程的應用應用領域具體應用成果在食品工業(yè)上的應用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品利用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)醬油，利用釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒類生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑利用黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，利用谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸生產(chǎn)酶制劑利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等在醫(yī)藥工業(yè)上的應用通過工程菌生產(chǎn)藥物利用工程菌發(fā)酵生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素通過改造菌種生產(chǎn)藥物通過誘變的青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素在農(nóng)牧業(yè)上的應用生產(chǎn)微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生產(chǎn)根瘤菌肥、固氮菌肥生產(chǎn)微生物農(nóng)藥利用蘇云金桿菌防治多種農(nóng)林蟲害，利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲等蟲害生產(chǎn)微生物飼料以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得大量微生物菌體用于飼料生產(chǎn)在其他方面的應用解決資源短缺和環(huán)境污染問題利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯對極端微生物的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑【合作探究】結合任務一中同學們設計完善的實驗室制作酸奶的流程，小組合作，開展實驗室中酸奶的發(fā)酵制作。小組內(nèi)明確分工，設置“實驗操作員”“數(shù)據(jù)記錄員”“分析報告員”“安全監(jiān)督員”等角色，確保每個學生都有具體的任務。注意事項：①嚴格遵守無菌操作原則，防止雜菌污染。②精準控制溫度，過高或過低都會影響乳酸菌活性與發(fā)酵效果。③若發(fā)酵后的酸奶出現(xiàn)異味、分層、大量氣泡等異常，則說明發(fā)酵失敗，不可食用。④實驗結束后，整理實驗臺面，清洗并妥善保管實驗器材。1.青霉菌處在葡萄糖濃度不足的環(huán)境中時，會通過分泌青霉素殺死細菌，以保證自身生存所需的能量供應。目前已實現(xiàn)青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，關于該生產(chǎn)過程，下列說法錯誤的是（）A.發(fā)酵液中的碳源不宜使用葡萄糖B.可用深層通氣液體發(fā)酵技術提高產(chǎn)量C.選育出的高產(chǎn)菌株經(jīng)擴大培養(yǎng)后才可接種到發(fā)酵罐中D.青霉素具有殺菌作用，因此發(fā)酵罐不需嚴格滅菌2.某高校采用如圖所示的發(fā)酵罐進行葡萄酒發(fā)酵過程的研究，下列敘述錯誤的是（）A.夏季生產(chǎn)果酒時，常需對罐體進行降溫處理B.乙醇為揮發(fā)性物質，故發(fā)酵過程中空氣的進氣量不宜太大C.正常發(fā)酵過程中罐內(nèi)的壓力不會低于大氣壓D.可以通過檢測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵3.下列有關發(fā)酵工程的敘述，正確的是（）A.單細胞蛋白就是從人工培養(yǎng)的微生物菌體中提取的蛋白質B.可通過誘變育種、基因工程育種等方法選育出性狀優(yōu)良的菌種進行擴大培養(yǎng)C.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵D.通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧、pH和酶的控制等4.（不定項）啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)中，大麥經(jīng)發(fā)芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發(fā)酵、消毒等工序后，最終過濾、調(diào)節(jié)、分裝。下列說法正確的是（）A.用赤霉素處理大麥，可使大麥種子無須發(fā)芽就能產(chǎn)生α淀粉酶B.焙烤是為了利用高溫殺死大麥種子胚并進行滅菌C.糖漿經(jīng)蒸煮、冷卻后需接種酵母菌進行發(fā)酵D.在菌種選育上，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發(fā)酵過程，縮短發(fā)酵周期5.運用發(fā)酵法生產(chǎn)酒精后的廢液（pH=4.3）含有大量有機物，可用于培養(yǎng)、獲得白地霉菌體，生產(chǎn)高蛋白飼料。培養(yǎng)、制取白地霉菌體的實驗過程示意圖如下。請據(jù)圖回答下列問題。（1）實驗過程中培養(yǎng)白地霉的培養(yǎng)基是。培養(yǎng)基定量分裝前，先調(diào)節(jié)，分裝后用棉塞封瓶口，最后處理。

（2）圖中①過程稱為，從甲到丁的培養(yǎng)過程是為了。白地霉的代謝類型為。

（3）為確定菌體產(chǎn)量，圖中②操作之前，應先稱量的質量。過濾后需反復烘干稱量，直至。所獲菌體干重等于。

【課堂小結】結合本節(jié)所學，自主構建知識框架。參考答案參考答案自主預習一、菌種的選育滅菌發(fā)酵1.性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得?，F(xiàn)代發(fā)酵工程中多采用單一菌種，主要是因為其能夠保證發(fā)酵過程的可控性、產(chǎn)物的穩(wěn)定性和安全性，同時便于菌種的選育和改良，符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。相比之下，傳統(tǒng)發(fā)酵雖然歷史悠久，但在效率、穩(wěn)定性和安全性方面存在不足，難以滿足現(xiàn)代生物技術的需求。2.擴大培養(yǎng)的目的是獲得數(shù)量足夠多的菌種3.反復試驗4.因為一旦有雜菌污染，可能導致產(chǎn)量大大下降，如在青霉素生產(chǎn)過程中如果污染了雜菌，某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉。5.培養(yǎng)基6.微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度營養(yǎng)成分溫度pH7.過濾沉淀提取分離純化二、1.在食品工業(yè)上的應用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品。（2）生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑。（3）生產(chǎn)酶制劑。2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應用（1）生產(chǎn)微生物肥料。（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。（3）生產(chǎn)微生物飼料。

4.在其他方面的應用在助力解決糧食、環(huán)境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。課堂探究任務一思考1.改造菌種能增強其合成目標產(chǎn)物的能力，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。傳統(tǒng)發(fā)酵技術所用的菌種一般是原材料中天然存在的多種菌種，而現(xiàn)代發(fā)酵工程用的菌種大多是單一菌種。思考2.發(fā)酵是利用微生物的代謝將原料進行轉化，而微生物代謝是在常溫常壓下進行的，因此發(fā)酵工程的生產(chǎn)條件比較溫和。思考3.傳統(tǒng)發(fā)酵技術獲得的產(chǎn)物一般不是單一組分，而是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產(chǎn)物進行分離和提純處理。在發(fā)酵工程中，如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品；如果發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產(chǎn)品。思考4.不能。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體和廢棄培養(yǎng)液需經(jīng)過相應的凈化設備，達到國家排放要求后才能排放到外界環(huán)境中。因為發(fā)酵過程中產(chǎn)生的某些氣體和廢棄培養(yǎng)液可能對人及其他生物或環(huán)境有害?！練w納總結】【合作交流】發(fā)酵環(huán)節(jié)：實驗流程：1.消毒及滅菌：將不銹鋼鍋、玻璃棒、玻璃廣口瓶等器具清洗干凈后，放入高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌，牛奶采用巴氏消毒法消毒。2.接種：冷卻牛奶至40~42℃，加入50mL市售原味酸奶并用玻璃棒攪拌。3.密封發(fā)酵：標記好接種時間，然后將廣口瓶密封，放入恒溫培養(yǎng)箱，設置溫度為40~42℃，發(fā)酵4~6小時。4.收獲產(chǎn)品：每間隔1小時，觀察并記錄酸奶狀態(tài)，當酸奶達到合適凝固狀態(tài)時，放入冰箱冷藏室（4℃左右）冷藏2~4小時，使酸奶口感更細膩、風味更濃郁。任務二思考1.“通氣”的目的是使酵母菌進行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。思考2.酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)橐宜?。思?.菌種的選育；對原材料的處理；發(fā)酵過程的控制；產(chǎn)品的消毒等。【合作交流】應該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。當堂訓練1.D解析葡萄糖雖然能被青霉菌迅速利用，但不利于青霉菌合成青霉素，在青霉素發(fā)酵時，一般選擇乳糖作為碳源，A正確；用深層通氣液體發(fā)酵技術能提高溶解氧的濃度，有利于青霉菌的發(fā)酵，從而提高產(chǎn)量，B正確；青霉素高產(chǎn)菌種是經(jīng)誘變育種產(chǎn)生的，選育出的高產(chǎn)菌株經(jīng)擴大培養(yǎng)后能增加其自身的濃度和純度，接種到發(fā)酵罐后能提高發(fā)酵的效率，C正確；由于雜菌能分泌青霉素酶，從而分解青霉素，為防止雜菌生長，發(fā)酵罐需要嚴格滅菌，D錯誤。2.B解析果酒制作是利用了酵母菌的無氧呼吸，而酵母菌適宜生存的溫度為18~30℃,夏天溫度較高，因此夏季生產(chǎn)果酒時，常需對罐體進行降溫處理，A正確；產(chǎn)生酒精表明此時已經(jīng)進行無氧呼吸，無氧呼吸過程中不能充氣，否則會抑制酵母菌的無氧呼吸，B錯誤；正常發(fā)酵過程中，酵母菌無氧呼吸不消耗氣體，但是不斷產(chǎn)生二氧化碳，因此罐內(nèi)的壓力不會低于大氣壓，C正確；可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵，D正確。3.B解析單細胞蛋白是指利用淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得的大量的微生物菌體，A錯誤；工程菌多為原核生物，可通過誘變育種、基因工程育種等方法，選育出性狀優(yōu)良的工程菌并進行擴大培養(yǎng)，B正確；傳統(tǒng)發(fā)酵技術和現(xiàn)代發(fā)酵工程最大的相同之處是利用各種微生物的代謝來實現(xiàn)相關產(chǎn)品的生產(chǎn)，C錯誤；通常所指的發(fā)酵條件包括溫度控制、溶解氧控制、pH控制等，D錯誤。4.ACD解析用赤霉素處理大麥，可誘導α淀粉酶相關基因的表達,促進α淀粉酶的合成，進而使大麥種子無須發(fā)芽就能產(chǎn)生α淀粉酶，A正確；焙烤是為了利用加熱殺死大麥種子胚，防止其繼續(xù)萌發(fā)，同時保持淀粉酶活性，便于后續(xù)糖化操作，B錯誤；糖漿經(jīng)蒸煮(產(chǎn)生風味組分、終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌)、冷卻后再接種酵母菌進行發(fā)酵，防止高溫殺死菌種，C正確；轉基因技術已被用來改造啤酒酵母，縮短啤酒的發(fā)酵周期，加速發(fā)酵過程，屬于轉基因技術在微生物領域的應用，D正確。5.(1）廢液上清液pH滅菌(2）接種擴大培養(yǎng)異養(yǎng)需氧型(3）濾紙恒重（質量基本不變）恒重時的質量與濾紙質量之差（答案合理即可）解析（1）從題干可知，該