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1、2020-2021学年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用学案 新人教版选择性必修32020-2021学年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用学案 新人教版选择性必修3年级：姓名：- 14 -第3节发酵工程及其应用 必备知识素养奠基一、发酵工程的概念和基本环节1.发酵工程的概念:(1)过程:利用微生物的特定功能,通过现代工程技术,规模化生产对人类有用的产品。(2)范围:它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。2.发酵工程的基本环节:(1)基本环节:(2)选一选:下列关于发酵工程基本环节的描述正确的是用于发酵工程的菌种应该具备优良性状,并且只能从自然界中筛选。在进
2、行发酵前,需要对选育的菌种进行扩大培养。发酵工程所用的菌种大多是单一菌种,所以没有必要进行严格的灭菌。发酵工程所用的培养基是液体培养基。在发酵过程中要随时进行检测,还需要对发酵条件进行严格的控制。发酵结束后即可得到发酵产品。现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么差异?提示:传统发酵技术用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种,而现代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。3.发酵装置:二、发酵工程的应用1.特点:(1)生产条件温和。(2)原料来源丰富且价格低廉。(3)产物专一。(4)废弃物对环境的污染小和容易处理。为什么发酵工程的生产条件比较温和?提示:发酵是利用微生物的代
3、谢将原料进行转化,而微生物细胞代谢是在常温常压条件下进行的,因此发酵工程的生产条件比较温和。2.在食品工业上的应用:(1)生产传统的发酵产品。优点:能明显提高产品的产量和质量。实例:a.大豆中的蛋白质肽和氨基酸酱油b.啤酒的工业化生产流程:(2)生产各种各样的食品添加剂:酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂等。(3)生产酶制剂:在食品工业中,经常用到一些酶制剂,如-淀粉酶、-淀粉酶、氨基肽酶和脂肪酶等。有人认为食品添加剂都是有害的,这种想法对吗?为什么?提示:不对。食品添加剂可以增加食品的营养,改善食物的口味等,只要符合国家标准,并不会对人体产生伤害。3.在医药工业上的应用:(1)发酵工
4、程可以生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。(2)基因工程与发酵技术相结合生产所需要的产品。4.在农牧业上的应用:主要表现在生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等方面。5.在其他方面的应用:(1)对解决资源与环境污染问题具有重要意义。(2)极端微生物的应用。(3)发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。关键能力素养形成知识点一发酵工程的基本环节1.选育菌种:(1)常用菌种:主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。(2)菌种特点:对周围环境的温度、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。有极强的消化能力。有极强的繁殖能力。(3)选育方法:从自然界中筛选出优良菌种。利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌
5、种。利用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造,构建出能生产相应产品的菌种。2.扩大培养:在进行接种前,要进行扩大培养。(1)目的:增加菌种的数量,缩短生产周期。(2)方法:将培养到生长速度最快时期的菌体分开,再进行培养。3.配制培养基:(1)类型:发酵工程一般使用液体培养基。(2)要求:根据不同的菌种,选择不同的材料配制培养基。培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求,并为微生物提供适宜的pH,以利于产物的合成。应尽量降低生产成本,以得到更高的经济效益。4.灭菌和接种:在发酵前对培养基和发酵设备进行严格的灭菌处理,接种过程中要注意防止杂菌污染。5.发
6、酵罐内发酵发酵工程的中心环节:【特别提醒】通过发酵罐对发酵条件进行控制(1)温度:通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。(2)溶解氧:通过通气量和搅拌速度加以调节。(3)pH:通过加料装置添加酸或碱进行调节,也可以在培养基中添加pH缓冲液。6.分离、提纯产物,获得发酵产品:发酵产品分离提纯方法微生物细胞过滤、沉淀将菌体分离和干燥代谢物蒸馏、萃取、离子交换等方法【特别提醒】关于发酵罐使用的三点提醒(1)发酵罐在使用前要进行灭菌,培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌,空气采用过滤的方法除菌。(2)对于需氧发酵,为了防止杂菌污染,应该从空气入口通入无菌空气。(3)搅拌的作用:a.使空气和发酵液
7、充分混合,增加培养液中的溶解氧;b.使菌种与培养液充分接触,提高原料利用率。如图所示是发酵工程生产产品的流程图,据图回答下列问题:(1)发酵工程中,选育优良性状的菌种,至关重要。高产青霉素菌种是通过_育种获得的,啤酒酵母菌是通过_改造的。 (2)图中表示_,这样做的目的是_。(3)表示_,是整个过程的中心环节,在此阶段需随时取样、检测_、_等,以了解发酵进程,还要及时添加_,同时严格控制_等发酵条件。(4)表示_,发酵结束后可采用_等方法获得产品。【解题导引】解答本题的两个关键点:(1)发酵工程的基本环节:菌种的选育和扩大培养,培养基的配制,灭菌,接种,发酵,产品的分离提纯。(2)发酵工程的中
8、心环节:发酵罐内发酵。【解析】(1)高产青霉素菌种是通过诱变育种获得的,啤酒酵母菌是通过基因工程改造的。(2)图中表示扩大培养,目的是增加菌种的数量,缩短生产周期。(3)是整个过程的中心环节发酵罐内发酵,在此阶段需随时取样、检测微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程。随着发酵进行,培养基中的营养物质减少,还要及时添加必需的营养组分,同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。(4)是发酵工程产品微生物细胞(菌体),发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。答案:(1)诱变基因工程(2)扩大培养增加菌种的数量,可以缩短生产周期(3)发酵罐内发酵微生物数量产物浓度必需的营养组分温度、pH和溶
9、解氧(4)微生物细胞(菌体)过滤、沉淀【误区警示】菌种的选育和培养常见误区(1)误认为高产青霉素菌种是通过基因工程获得的:高产青霉素菌种是通过诱变育种获得的。(2)易弄错增加菌种数量的方法:获得优良菌种后,为了缩短生产周期,要进行扩大培养来增加菌种数量。【素养探究母题追问】 (1)科学思维分析与推理发酵过程中为什么要控制发酵条件?提示:发酵条件会影响微生物的生长繁殖和代谢物的形成。(2)科学探究结果评价在谷氨酸发酵中产物是什么?它属于代谢物吗?提示:谷氨酸发酵产物是谷氨酸棒状杆菌产生的谷氨酸,是细胞代谢物。【素养迁移】(2018江苏高考)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
10、列叙述错误的是()A.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C.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【解析】选B。果酒发酵过程中会放出热量使罐体温度上升,故需对发酵罐进行降温处理,A项正确;乙醇虽然为挥发性物质,但其能溶于水,而且酒精发酵为无氧呼吸,发酵过程中不需进气,B项错误;发酵过程中有CO2产生,所以罐内压力不会低于大气压,C项正确;发酵程度可以通过监测发酵液中残余糖的浓度来确定,D项正确。知识点二发酵工程的应用1.发酵工程的应用:发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。(1)在食
11、品工业上的应用:生产传统的发酵产品、食品添加剂和酶制剂。(2)在医药工业上的应用:生产抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂和疫苗等。(3)在农牧业上的应用:生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等。【特别提醒】啤酒的工业化生产的五点提醒(1)啤酒酵母菌:通过微生物培养技术筛选出的优良菌种,在接种前进行扩大培养,缩短生产周期。(2)焙烤温度不能过高,防止淀粉酶失活。(3)蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种,防止高温杀死酵母菌。(4)发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。(5)接种前要对发酵罐进行灭菌,接种时要进行无菌操作,防止杂菌污染。2.发酵工程与传统发酵技术的比较:发酵工程传统发酵技术
12、不同点菌种通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种,大多是单一菌种原材料中天然存在的混合菌种发酵方式液体发酵为主固体发酵或半固体发酵为主对发酵条件的控制严格无菌操作,防止杂菌污染。通过现代工程技术对发酵条件精确地控制,使发酵条件处于最佳状态不是无菌操作,容易受到杂菌污染。对发酵条件不能严格控制,易受外界条件影响生产规模和产品生产规模大,实现了工业化生产。原料来源丰富,成本低,产物多样,产量高通常是家庭式或作坊式的,产量低,生产往往受季节和原料限制,产品风味品种比较单一,质量不稳定相同点都是利用了微生物的作用发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的啤酒是以粮食作物大麦为主要原料酿造的,
13、如图是某种啤酒的生产流程,回答下列问题。(1)在酿造过程中需要将大麦种子进行发芽处理,此过程的目的是_,麦芽经过焙烤、碾磨成_。(2)经过糖化阶段,麦芽中的淀粉、蛋白质等大分子被分解成酵母菌可利用的可溶性小分子物质。糖化时温度的变化通常是由低温逐步升至高温,以防止_。(3)在蒸煮阶段,要将糖浆中加入啤酒花煮沸一定时间,不仅可以蒸发掉多余的水分,还可以起到_作用。(4)在主发酵初期,往往先通入无菌空气,目的是_,之后进行密封发酵。酒精就是在密封发酵期间产生的,写出反应简式_。(5)经过一段时间的后发酵,才能形成澄清、成熟的啤酒。后发酵期间糖类继续发酵,促进啤酒风味的成熟。影响啤酒风味的因素有_、_等。【解题导引】解答本题需掌握以下三个关键知识:(1)大麦种子发芽的目的:产生淀粉酶等。(2)糖化的实质:大分子物质在酶的作用下,被分解成小分子物质。(3)酵母菌发酵的过程:前期有氧条件酵母菌的数量增加,后期无氧条件酵母菌进行酒精发酵。【解析】(1)大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶、蛋白酶等多种酶。麦芽经过焙烤、碾磨成麦芽粉。(2)糖化时由低温逐步升至高温,以防止麦芽中淀粉酶等因高温而变性失活。(3)在蒸煮阶段,不仅可以蒸发掉多余的水分,还可以起到灭菌作用。(4)在主发酵初期,需要通入无菌空气,目的是增加酵母菌的数量,有利于密闭时获得更多的酒精产物,反应简式见答案。(5)影响啤酒风
