1.3 发酵工程及其应用的学案

1.3发酵工程及其应用的学案
【学习目标】
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。
核心素养：1.文化基础：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。
2.自主发展：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。
3.社会参与：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。
【学习重难点】
【教学重点】发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。
【教学难点】发酵工程的基本环节。
【预习新知】
发酵工程的基本环节
1．发酵工程的定义
通过现代工程技术，利用微生物的特定功能，生产人类所需的产品的过程。发酵工程一般包括____________，扩大培养，培养基的配制、________，接种，________，产品的分离、提纯等方面。
2．发酵工程的基本环节
(1)选育菌种：性状优良的菌种可以从________中筛选出来，也可以通过________或____________获得。
(2)扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也要较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行________。
(3)配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过________才能确定。
(4)灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，________和________都必须经过严格的灭菌。
(5)接种：扩大培养的菌种和灭菌后的________加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。
(6)发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的____________、________等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的________，要严格控制________、________和溶解氧等发酵条件。
(7)分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用____________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____________措施来获得产品。
答案：
1．菌种的选育　灭菌　发酵
2．(1)自然界　诱变育种　基因工程育种　(2)扩大培养　(3)反复试验　(4)培养基　发酵设备　(5)培养基(6)微生物数量　产物浓度　营养组分　温度　pH　(7)过滤、沉淀　提取、分离和纯化
发酵工程的应用
发酵工程的特点：发酵工程有其生产条件 、原料来源 且价格 、产物 、废弃物对环境的污染 和 等特点
啤酒的工业化生产流程：啤酒的工业化生产流程主要分为 和 两个阶段。具体为 ，焙烤， ， ，蒸煮，发酵， ，终止环节。
发酵工程的具体应用
应用领域 应用成果 实例
在食品工业上的应用 生产传统发酵产品 、
增味剂、 、防腐剂等
生产酶制剂 加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶等
在医药工业上的应用 将动植物目的基因转移到 中，获得具有某种药物生产能力的微生物，通过发酵技术获得所需药物 胰岛素、干扰素、紫杉醇等
将 直接改造，通过发酵技术获得药物 生长激素释放抑制激素
将病原体的抗体基因转入微生物中，或得表达产物即可作为疫苗使用
在农牧业上的应用 生产微生物肥料 、
用苏云金杆菌防治农林害虫；用白僵菌防治 、 等
单细胞蛋白作为食品添加剂；单细胞蛋白制成生物饲料等
【易错提示】
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。
【深化探究】
探讨点一　发酵工程基本环节分析及应用：观察分析教材第22、23页图19，思考回答下列问题： 1.完善发酵基本环节的流程图。
2．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：选择发酵工程用的菌种时需考虑：能够利用廉价的 ，简单的 ，大量高效地合成产物；菌种改造的可操作性要强；遗传性能要相对 ；生长速度 ，不易感染其他微生物或噬菌体等。
3．怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
4．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 等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
5．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？
探讨点二 啤酒的工业化生产流程2．观察分析教材第24～25“思考·讨论”
1.完成图示变式训练。
(1)将下列啤酒的工业化生产流程按照正确的顺序排列 。
①发芽　②碾磨　③糖化　④发酵　⑤消毒　⑥焙烤　⑦蒸煮　⑧终止
(2)将啤酒的工业化生产流程各环节和对应的作用连线。
与传统的手工发酵相比，在啤酒的工厂化生产中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
【巩固训练】
（一）巩固训练
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，下列叙述错误的是( )
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
2.下列与果酒、果醋和腐乳制作相关的叙述，正确的是( )
A.腐乳制作所需要的适宜温度最高
B.果醋发酵包括无氧发酵和有氧发酵
C.使用的菌种分别是酵母菌、醋酸菌、乳酸菌
D.使用的菌种都具有细胞壁、核糖体、DNA和RNA
3.下列有关发酵工程实验操作正确的是( )
A.在暴露于空气的无氮培养基上生长出的都是固氮微生物
B.泡菜制作时盐水浸没菜料的主要目的是杀死菜料中的杂菌
C.血细胞计数板适用于酵母菌但不适用于细菌的数量测定
D.家庭制果酒和工业化啤酒生产都要严格对原料进行灭菌
4.山西老陈醋是中国四大名醋之一，素有“天下第一醋”的盛誉。为满足食醋产量需求、缩短发酵周期，现代工业制醋一般采用人工选育的纯培养的高产醋酸菌进行醋酸发酵，下列有关描述错误的是( )
A.纯培养物是指由单一个体繁殖所获得的微生物群体
B.细菌能在固体培养基上形成肉眼可见的有一定形态结构的菌落
C.通过检测发酵液中的醋酸含量，筛选出高产醋酸菌并进行纯化
D.为防止杂菌污染，醋酸菌的纯化培养需要在密闭无菌条件下进行
5.啤酒是以麦芽汁为原料，经酿酒酵母发酵所得。根据发酵温度和酵母菌种类的不同，分成了艾尔（Ale）和拉格（Lager）。上发酵（Ale）啤酒酵母在发酵罐顶端工作，温度在10-20度，下发酵（Lager）啤酒酵母在发酵罐底部工作，温度在10度以下。发酵流程一般都包含发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒、终止等流程。下列表述正确的是( )
A.用适量细胞分裂素溶液浸泡大麦种子可以有效促进大麦种子发芽
B.艾尔和拉格的酿酒酵母最适温度不同，不同啤酒的风味组分与蒸煮时加入的啤酒花有关
C.焙烤是加热杀死种子的胚，终止淀粉酶分解淀粉
D.麦芽汁为酿酒酵母提供碳源、氮源、水、无机盐
6.在发酵工程诞生之前，葡萄酒、醋、泡菜等都是人们运用传统的发酵技术制作而成的。下列有关传统发酵技术的叙述正确的是( )
A.葡萄酒酿制过程必须不断通入无菌空气以保证酵母菌的活性
B.在果酒基础上的果醋发酵过程中，可观察到有大量气泡产生
C.泡菜装坛时应尽可能装满容器以保证乳酸菌无氧呼吸产生乳酸
D.传统发酵产品均利用微生物的天然发酵能力，但需防止杂菌污染
7.“厕污一体化”治理模式目前在部分农村推广，每户配备污水收集桶。盥洗“灰水”收集沉淀后，可以冲洗厕所、浇花，厕污“黑水”通过化粪池沉淀、发酵处理后，用作农肥进行综合利用，利用有机农家肥种植的黄瓜，产量更高，品质更好。下列说法错误的是( )
A.土壤中的微生物可以分解有机肥提高作物的光合速率
B.有机农家肥为黄瓜的生长提供了无机盐和能源
C.沉淀、发酵处理能减少水体污染和疾病传播
D.该治污模式能够实现物质的良性循环，从而减少了废物
8.米酒旧时称酒酿，其乙醇含量极少，口味香甜醇美，深受人们喜爱。其现代工艺流程如图所示，下列说法错误的是( )
A.蒸米和淋冷有利于根霉菌的糖化过程
B.根霉菌在细胞内利用淀粉酶分解淀粉
C.加酵母曲后需要控制通气条件，以利于发酵
D.对发酵液进行灭菌有利于米酒的保存
9.四川产的郫县豆瓣是中国顶尖调味料之一，有“川菜之魂”之称，深受消费者喜爱，其制作技艺列入第二批国家级非物质文化遗产名录。其制作流程如下：
回答下面相关问题：
（1）作郫县豆瓣时，精选上等蚕豆，经沸水漂烫后放入冷水中浸泡冷却一下，捞起滤掉水分。沸水漂烫、冷却的目的分别是_____________、_____________。
（2）制曲时在米曲霉中按比例加入精面粉，拌合均匀。加入精面粉主要是为米曲霉的生长提供更多的_____________，加速制曲进程。然后将米曲霉与蚕豆瓣混合，搅拌均匀，放入竹篓，送入制曲房，使之发酵。大规模工业生产时，制曲房需要用排气扇，使用排气扇的目的是_____________（答出2点）。
（3）发酵形成的甜瓣子味鲜美，这是因为米曲霉大量分泌的蛋白酶将蛋白质分解为_____________。
（4）袋装豆瓣酱在夏季气温高时容易发生胀袋，给产品品质造成巨大影响。引起胀袋的原因是_____________。
参考答案
1.答案：B
解析：生产果酒是利用酵母菌的无氧呼吸产生酒精的过程，酒精发酵时一般将温度控制在18~30℃(18~25℃)，夏季温度高，且发酵过程有热量产生，故夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A项正确；在发酵产酒精过程中需保持无氧状态，B项错误；酵母菌的呼吸过程会产生CO2，故正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压，C项正确；可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度决定何时终止发酵，D项正确。
2.答案：D
解析：果酒制作需要的温度是18~30 ℃,果醋制作需要的温度是30~35 ℃,腐乳制作需要的温度是15~18 ℃,所以果醋发酵所需要的温度最高,A错误;醋酸菌为需氧型细菌,因此进行的是有氧发酵,B错误;果酒、果醋和腐乳制作所使用的菌种分别是酵母菌(真菌)、醋酸菌(细菌)和毛霉(真菌),它们均有细胞结构,都具有细胞壁、核糖体、DNA和RNA,C错误,D正确。
3.答案：C
解析：A、无氮培养基只能筛选出自生固氮微生物，因为自生固氮微生物能够利用空气中的氮气作为氮源，但在无氮培养基上生长的微生物并不一定都是固氮微生物，A错误;
B、在泡菜制作过程中，盐水需要浸没全部菜料，主要目的是创造一个无氧的环境，有利于乳酸菌的发酵，B错误;
C、血细胞计数板适用于测定酵母菌等个体较大细胞，而不适用于细菌等个体较小的细胞的测定，C正确;
D、家庭制果酒利用的是葡萄表面附着的野生酵母菌，所以不能灭菌，D错误。
4.答案：D
解析：A、在微生物的培养过程中，由单一个体繁殖所获得的微生物群体称为纯培养物，A正确；
B、细菌十分微小，必须借助光学显微镜或电子显微镜才能看清其形态和结构。要想用肉眼观察到，必须培养成菌落。一个细菌繁殖后形成的肉眼可见的集合体——细菌菌落，B正确；
C、醋酸发酵的产物是醋酸，通过检测发酵液中的醋酸含量，能够筛选出高产醋酸菌并进行纯化，C正确；
D、醋酸菌是好氧菌，纯化培养需要在有氧无菌条件下进行，D错误。
故选D。
5.答案：B
解析：
6.答案：D
解析：葡萄酒酿制过程主要利用酵母菌的无氧呼吸，无需不断通入空气，A错误。醋酸菌利用酒精进行的果醋发酵过程中，一般无气泡产生，B错误。泡菜装坛时不能装满容器，防止发酵液等溢出，防止杂菌污染，C错误。
7.答案：B
解析：土壤微生物分解有机物产生CO2和无机盐，为光合作用提供原料，可以提高作物光合速率，A正确。有机肥分解后可以为黄瓜的生长提供无机盐，但是不能提供能源，B错误。污水物理沉淀可以提升水质，通过发酵可以杀死病原体，如寄生虫、虫卵等，减少疾病传播，C正确。该治污模式用收集沉淀后的盥洗“灰水”浇花，将经沉淀、发酵处理的厕污“黑水”用作农肥，实现了物质的良性循环，从而减少了废物，D正确。
8.答案：B
解析：据图可知，加根霉曲使糯米糖化，蒸米和淋冷有利于根霉菌代谢，有利于糖化过程，A正确。根霉菌分泌的淀粉酶在细胞外将淀粉分解，B错误。加酵母曲后需要先通气使酵母菌扩大繁殖，再提供无氧条件，使酵母菌进行酒精发酵， C正确。对发酵液进行灭菌有利于米酒的保存，D正确。
9.答案：（1）鉴别；将蛋白胨改成尿素；酚红
（2）灭菌；消毒
（3）显微镜直接计数法
（4）BC