1.3发酵工程及其应用课件-2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第3节发酵工程及其应用学习目标素养定位1.概述发酵工程及其基本环节2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值1.分析发酵工程基本环节,讨论发酵工程与传统发酵工程的区别。(科学思维)2.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及控制方法。(科学探究)3.认同发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的,它实现了发酵食品、药物等的工业化生产,极大地改善了人们的生活。(社会责任)预习案·自主学习梳理必备知识,储备素养根基1一、发酵工程的基本环节自然界诱变育种基因工程扩大培养选择原料培养基发酵设备微生物数量、产物浓度营养成分溶解氧过滤、沉淀产物的性质纯化二、发酵工程的应用温和丰富污染小食品添加剂酶制剂有机酸、生物活性物质微生物或其代谢物微生物菌体嗜热菌、嗜盐菌嗜低温菌(1)在进行发酵前,需对选育的菌种进行扩大培养。(

)(2)发酵工程中要对培养基进行灭菌,发酵设备不用灭菌。(

)提示:培养基和发酵设备都需要灭菌。(3)柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产。(

)(4)乳酸菌可以代替酵母菌用于乙醇的生产。(

)提示:乳酸菌不能产生乙醇。√×√×(5)利用发酵工程生产的食品添加剂,可以改善食品的口味、色泽和品质,还可以延长食品的保存期,但不能增加食品的营养。(

)提示:利用发酵工程生产的食品添加剂,也可以增加食品的营养。(6)科学家借助发酵工程技术,通过微生物可以生产出过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。(

)提示:通过微生物生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物可能在未来能实现。××探究案·互动探究逐点击破疑难,提升关键能力2资料:发酵工程由三部分组成:上游工程、中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良菌株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶解氧和营养成分)的确定,营养物质的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下,在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢物的工艺技术。这需要有严格的无菌环境,包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术;在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术;新知探究一发酵工程的基本环节在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术;还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术,包括固液分离技术(离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺)、细胞破壁技术(超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等)、蛋白质纯化技术(沉淀法、色谱分离法和超滤法等),最后还有产品的包装处理技术(真空干燥等)。发酵罐示意图(1)微生物菌种资源丰富,选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素?提示:在低成本的培养基上能迅速生长繁殖;生产所需代谢物的产量高;发酵条件容易控制;菌种不易变异、退化等。(2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要?提示:要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制,使其最适合微生物的生长繁殖,同时及时添加必要的营养成分。(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:传统发酵技术获得的产物很多时候不再对其进行分离和提纯处理,或仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物,因此一般不是单一的组分,而是成分复杂的混合物。在发酵工程中使用多种分离和提纯产物的方法,如果发酵产品是微生物细胞本身,可在发酵结束后,采用过滤、沉淀、离心等方法将菌体从发酵液中分离出来;如果产品是代谢物,可根据产物性质,采用萃取、蒸馏、色谱分离等方法获取。(4)在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么?提示:不能。在进行发酵生产时,微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质,为了减少或避免污染物的产生和排放,实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液等进行二次清洁或灭菌处理。发酵过程中的主要影响因素及相应的控制方法提醒:发酵过程中应根据代谢途径控制发酵条件,如谷氨酸发酵过程需要充足的氧气供应,在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸;在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。1.下列关于发酵工程基本环节的叙述,错误的是(

)A.发酵工程的主要环节包括选育菌种、扩大培养、配制培养基和灭菌、接种、发酵罐内发酵、产物的分离提纯B.扩大培养是发酵工程的中心环节C.性状优良的菌种可以通过基因工程育种或诱变育种获得D.对于获得的产品菌种,可以采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥√解析:发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。2.木聚糖酶可以将木聚糖(植物细胞壁的成分之一)降解为木糖,在酿造、饲料生产中有广泛应用。木聚糖酶可以用黑曲霉发酵生产,如图是生产该酶的连续发酵装置。下列有关叙述错误的是(

)A.发酵所用的黑曲霉可以在落叶丰富的环境中筛选B.在发酵生产中,选育出的优良菌种可以直接接种到发酵液中C.发酵液和发酵装置在接种前需进行严格灭菌处理D.通过改变通气量和搅拌速度可以调节发酵液的溶氧量√解析:木聚糖酶可以用黑曲霉发酵生产,该酶可以分解植物细胞壁中的木聚糖,故可以在落叶丰富的环境中筛选所用的黑曲霉;在发酵生产中,选育出的优良菌种应该经过扩大培养之后再进行接种发酵;发酵液和发酵装置在接种前需进行严格灭菌处理,以防杂菌污染;黑曲霉发酵需要有氧条件,通过改变通气量和搅拌速度可以调节发酵液的溶氧量。资料: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领域得到了广泛的应用,形成了规模庞大的发酵工业。新知探究二发酵工程的应用思考回答下列问题。(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花药离体培养获得大量单倍体植株③利用工程菌生产胰岛素④工厂化生产青霉素提示:①③④。(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、柠檬酸和谷氨酸的生产利用的微生物分别是霉菌、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。(3)抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产?这与微生物的生长和代谢特点有什么关系?提示:微生物在代谢过程中会产生抗生素、氨基酸、酶等物质。微生物生长繁殖速度快,有特定的代谢途径,因此产物的生产易于控制。(4)微生物肥料使作物增产的原理是什么?提示:微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等能增进土壤肥力、改良土壤结构,促进植株生长。(5)微生物农药防治农林害虫的原理是什么?提示:微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。活动:阅读教材“思考·讨论:啤酒的工业化生产流程”,回答下列问题。(6)与传统的手工发酵相比,啤酒的工业发酵生产过程中,哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高?提示:菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等,都有助于提高啤酒的产量和质量。(7)在糖化阶段,温度低影响啤酒品质,温度高会使麦芽产生的淀粉酶等失活,你能想到什么方法解决?提示:可以在此阶段使用发酵工程生产的耐高温的淀粉酶制剂。(8)现在市面上流行一种“精酿”啤酒,它的制作工艺与普通啤酒有所不同,如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康,你怎么看待这个问题?提示:应该辩证地看待这一产品。一方面,这类产品具有多样化的特点,能够满足一些人对独特口感的需求,或满足一些人的时尚追求。另一方面,这类产品是手工作坊式生产的,存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。1.发酵工程和传统发酵技术的比较项目发酵工程传统发酵技术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,产物专一,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①都是利用了微生物的作用②发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的2.“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等是否添加食品添加剂不添加添加麦芽汁浓度较高,口味浓郁较低,口味清淡发酵时间发酵时间长发酵时间短特点产量低、价格高产量高、价格低3.啤酒的工厂化生产流程中,涉及发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒和终止等若干工艺流程。下列相关说法错误的是(

)A.焙烤可以杀死大麦种子的胚,并使淀粉酶变性失活B.糖化过程中淀粉酶将淀粉分解成为糖浆C.蒸煮可以杀死糖浆中的微生物,避免杂菌污染D.消毒可以杀死啤酒中的大多数微生物,从而延长其保存期√解析:焙烤可以杀死大麦种子的胚,但不使淀粉酶失活。4.为了改善食品品质和防腐与加工工艺的需要,人们在食品中加入一些化学合成的或天然的物质,这类物质被称为食品添加剂,下列有关叙述错误的是(

)A.许多食品添加剂可以通过发酵工程生产,如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得B.食品工业中,常用的着色剂有β-胡萝卜素、红曲黄色素等C.食品工业中,用来延长食品保质期的乳酸链球菌素、溶菌酶可通过发酵工程生产D.单细胞蛋白是从酵母菌等细胞中提取的蛋白质,不仅能作为食品添加剂,还可制成微生物饲料√解析:单细胞蛋白本身就是一种菌体,不是菌体细胞中的提取物。联系实际·迁移应用3日常生活中,维生素C常用于医疗保健、食品添加。传统的生产方法是化学合成法,其成本高,原料浪费严重,产生大量易燃、易爆或有毒的化学物质。我国科研人员改用生物合成法——“二步发酵法”生产,该方法的操作步骤及相关原理如下:探究:(1)图中第一步发酵培养液中几乎没有杂菌,原因是什么?提示:培养液呈酸性,抑制杂菌生长。(2)第二步是由两种菌参与的混合发酵,可以通过什么方法估算这两种菌的比例?提示:利用稀释涂布平板法,根据获得的不同菌种的菌落特征和数量进行估算。(3)若从培养基中筛选出高效产酸的醋酸杆菌,基本思路是什么?提示:测定培养液pH,pH越低,所得醋酸杆菌越高效。(4)生产中还可以利用射线诱变处理选出高效菌株,这种育种方法的优点是什么?提示:提高突变率,且变异类型多;能大幅度改良某些性状。课堂小结1.发酵工程的第一个重要工作是选育性状优良的纯种微生物。消灭杂菌、获得纯种的方法不包括(

)A.根据微生物对碳源需要的差别,使用含不同碳源的培养基B.根据微生物所需特殊营养物质的种类,在培养基中相应增减C.根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸D.根据微生物对抗生素敏感性的差异,在培养基中加入不同的抗生素√随堂检测解析:培养基中的核酸不会影响微生物的遗传组成,另外微生物利用核酸时,需将其分解为核苷酸后才能吸收到细胞内,所以培养基中加入不同比例的核酸,不会对微生物起选择作用。2.发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用,在发酵过程中,发酵条件的控制至关重要,下列关于发酵条件的控制的叙述,不正确的是(

)A.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,因此发酵过程要严格控制发酵条件B.发酵过程中微生物代谢产热和机械搅拌产热,会使发酵温度升高,因此要及时调节发酵罐温度C.培养基中营养物质的利用和代谢物的积累,可能会导致发酵液pH发生改变,如工业酿酒会导致发酵液pH上升D.现代工业发酵对发酵条件的监测和控制是通过计算机控制系统实现的,有利于使发酵过程处于最佳状态√解析:酿酒过程中不仅会产生酒精,还会产生大量的二氧化碳,因此利用酵母菌酿酒的过程中,发酵液的pH会下降。3.青霉素是一种常用的抗生素,通常由青霉菌发酵获得,其工业化生产流程如图所示。下列相关叙述错误的是(

)A.过程①②③都使用了液体培养基B.过程④可以用青霉素进行灭菌处理,防止杂菌污染C.过程⑤常用的方法是过滤和沉淀,分离出的菌种检测合格后可以再使用D.发酵工程还可以生产疫苗、激素、免疫调节剂等产品√解析:过程①②为菌种扩大培养,③是接种发酵,都使用了液体培养基;用青霉素处理培养基,理论上所有抗青霉素的微生物都能存活,会出现杂菌污染,对培养基灭菌应采用湿热灭菌法;过程⑤是获得菌种,即微生物本身,常采用过滤和沉淀等方法将菌体从发酵液中分离,分离出的菌种检测合格后可以再使用;发酵工程在医药工业上的应用包括生产疫苗、激素、免疫调节剂等。4.下图所示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培育的,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解析:(1)发酵工程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。能生产人生长激素的工程菌是通过①基因工程育种获得的;高