1.3 发酵工程及其应用 课件(共37张PPT) 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3

(共37张PPT)
第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
1.基于发酵工程的基本环节和应用实例,阐明发酵工程的概念。(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.认可发酵工程在生产上重要的应用价值。(社会责任)
一、发酵工程的概念
发酵工程是指利用__________的特定功能,通过_______________,规模化生产对人类有用的产品。
微生物
现代工程技术
二、发酵工程的基本环节
1.基本环节
配置培养基
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
2.下列关于发酵工程基本环节的描述,正确的是__________。
①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。
②在进行发酵前,需要对选育的菌种进行扩大培养。
③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。
④发酵工程所用的培养基是液体培养基。
⑤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。
⑥发酵结束后即可得到发酵产品。
②④⑤
三、发酵工程的应用
1.特点
(1)________________。
(2)原料来源丰富且价格低廉。
(3)___________。
(4)废弃物对环境的污染小且容易处理。
生产条件温和
产物专一
2.在食品工业上的应用
(1)生产传统的___________。
①优点:能明显提高产品的____________。
②实例
a.大豆中的______________________________________ 酱油。
b.啤酒的工业化生产流程
蛋白质 小分子的肽和氨基酸
发酵产品
产量和质量
终止酶的进一步作用
不使淀粉酶失活
释放淀粉酶
酒精和CO2
低温
密闭
大多数微生物
(2)生产各种各样的食品添加剂:酸度调节剂、________、着色剂、________、防腐剂等。
(3)生产________:在食品工业中,经常用到一些酶制剂,如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
增味剂
增稠剂
酶制剂
3.在医药工业上的应用
(1)发酵工程可以生产抗生素、____________、激素和____________等。
多种氨基酸
免疫调节剂
(2)基因工程与___________相结合生产所需要的产品。
发酵技术
基因工程
基因工程
药物
疫苗
4.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料,如根瘤菌肥、_____________等。
(2)生产微生物农药,如苏云金杆菌、__________、井冈霉素等。
(3)生产______________,如单细胞蛋白等。
5.在其他方面的应用
(1)利用纤维废料发酵生产____________等能源物质。
(2)嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产__________,嗜低温菌有助于提高_______________的产量。
固氮菌肥
白僵菌
微生物饲料
酒精、乙烯
洗涤剂
热敏性产品
任务1 了解发酵工程的基本环节
活动1 阅读教材,思考发酵工程的基本环节
→接种→发酵罐内发酵→分离、提纯产物→获得产品
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
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　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;菌种遗传性能相对稳定,不易变异、退化等。
提示　在发酵过程中,要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程;要及时添加必需的营养组分,以满足微生物的营养需要;还要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
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　利用传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分,而是成分复杂的混合物,很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理,或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。而在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段,常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法;在进一步纯化阶段,会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程的产物无论是代谢物还是菌体本身,都需要进行质量检查,合格后才能成为正式产品。
4.发酵工程所用的菌种大多是单一菌种,整个发酵过程中不能混入杂菌,这是为什么 如何防止杂菌的污染 怎样才算灭菌彻底
提示　在发酵过程中,一旦有杂菌污染,可能导致产量大大下降。在发酵前对培养基和发酵设备进行严格的灭菌处理。用高温、高压的方式,杀死所有微生物,包括芽孢和孢子。
5. 进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗 为什么
提示　不能。因为在进行发酵生产时,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进行二次清洁或灭菌处理。
例1 (2023·广东深圳)青霉素是常用的抗生素,是青霉菌发酵的产物。目前已实现青霉素的工业化生产,关于该生产过程,下列说法错误的是(　　)。
A.青霉素具有杀菌作用,因此发酵罐不需要严格灭菌
B.选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中
C.发酵过程中要严格控制温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等
D.发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离
A
[解析] 为了防止杂菌污染,获得纯净的青霉素,发酵罐仍需要严格灭菌,A错误;青霉素高产菌种是经诱变育种产生的,选育出的高产菌株经扩大培养后能增加其自身的浓度和纯度,再接种到发酵罐中能提高发酵的效率,B正确;发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等都会影响青霉菌发酵的效率,因此发酵过程中需要严格控制温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等条件,C正确;发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥,D正确。
1.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高压蒸汽灭菌(湿热灭菌),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,应该从通气口通入无菌空气。
(3)搅拌的作用
①使空气和发酵液充分混合,增加培养液中的溶解氧。
②使菌种与培养液充分接触,提高原料利用率。
2.微生物菌种资源丰富,能产生某种特定产物的菌种很多,挑选对营养物质、培养条件要求较低的微生物作菌种,可大大降低生产成本。
3.温度、pH、溶解氧是影响微生物代谢途径的重要因素。应根据微生物代谢途径控制发酵条件,如谷氨酸的发酵过程中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。
4.通过传统发酵技术得到的产品一般不进行分离、提纯,而通过发酵工程得到的产品需要根据发酵产品类型进行分离、提纯。

对点练1 (改编)某醋厂和啤酒厂的工艺流程如图所示。酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌;醋醅含有醋酸菌;糖化即淀粉水解过程。下列相关叙述错误的是(　　)。
A.糯米“蒸熟”与大米“蒸煮”的目的是利于糖化和灭菌
B.发酵原理是利用真菌的无氧呼吸与细菌的有氧呼吸
C.醋酸发酵过程中经常翻动发酵物,可控制发酵温度和改善通气状况
D.啤酒酿造流程中适当增加溶解氧可缩短发酵时间

[解析] 糯米“蒸熟”与大米“蒸煮”均有利于灭菌和糖化过程,A正确。图中制酒用到了酒曲,酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌,其中,霉菌属于需氧型真菌,霉菌产生的淀粉酶可以将糯米中的淀粉分解;乳酸菌进行的是无氧呼吸;在酿酒过程中酵母菌主要进行无氧呼吸;醋酸发酵过程中主要利用了醋酸菌的有氧呼吸,B错误。在醋酸发酵过程中经常翻动发酵物,目的是控制发酵温度和改善通气状况,C正确。啤酒酿造流程中,若前期适当增加溶解氧,有利于酵母菌进行有氧呼吸,使酵母菌大量繁殖,因而可缩短发酵时间,D正确。
活动2 阅读教材,列举发酵工程的应用
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、废弃物对环境的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许多领域得到了广泛的应用,形成了规模庞大的发酵工业。思考回答下列问题:
任务2 了解发酵工程的应用
2.酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产分别利用了哪种微生物的发酵
提示　酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌(如黑曲霉)、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。
1.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利用工程菌生产胰岛素　③工厂化生产青霉素
提示　①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术。
提示　利用微生物或其代谢物进行防治;成本低、无污染。
3.微生物农药防治害虫与化学农药防治害虫相比较,前者的原理、优点各是什么
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。
认知生成
1.发酵工程在食品工业上的应用包括生产传统的发酵产品、食品添加剂、酶制剂等。
2.发酵工程在医药工业上的应用包括抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂等生产领域,以及基因工程和蛋白质工程制药领域。
3.发酵工程在农牧业上的应用包括生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等。
4.发酵工程在其他方面的应用包括在极端条件下的生产实践等。
例2 (2022·汕头期中)我国是名副其实的发酵大国,发酵工程在食品工业、医药工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是(　　)。
A.发酵工程的产品主要包括微生物代谢物、酶及菌体本身
B.利用酵母菌等菌种的发酵工程生产的单细胞蛋白,可作为食品添加剂
C.将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌,再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗
D.利用发酵工程生产的微生物农药,作为化学防治的重要手段,可用于防治病虫害
D
[解析]　发酵工程是指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,产品主要包括微生物代谢物、酶及菌体本身,A正确;用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂,B正确;可以将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌,通过发酵工程制备乙型肝炎疫苗,C正确;微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的,微生物农药作为生物防治的重要手段,将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用,D错误。
1.繁殖快、易培养、成本低等特点是发酵工程能够迅猛发展的主要原因。
2.发酵工程往往和其他生物工程相结合,如借助基因工程培育工程菌来改变原有菌种的遗传特性,生产所需产品。
A.在青贮饲料中添加乳酸菌,可以提高饲料的品质,使饲料保鲜,动物食用后还能提高免疫力
B.使用加酶洗衣粉时用沸水洗涤效果最好
C.食品添加剂可以增加食品的营养,改善食品的口味、色泽和品质,有时还可以延长保存期,使用时应尽量多添加
D.与使用化学农药相比,使用微生物农药具有成本高、见效快、无污染的特点
对点练2 (不定项)下列关于发酵工程的应用的说法,错误的是(　　)。
BCD
[解析]　在青贮饲料中添加乳酸菌,通过乳酸菌的发酵,可以提高饲料的品质,使饲料保鲜,动物食用后还能提高免疫力,A正确;酶的作用条件温和,沸水会导致酶因高温而变性失活,洗涤效果变差,B错误;食品添加剂过量使用会对人体健康造成影响,甚至危及生命,C错误;微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治虫害的,与使用化学农药相比,微生物农药成本低、见效慢,D错误。
素能提升 运用发酵工程原理分析生产生活中的实例
1. (2023·盐城期中)普洱茶分为生普和熟普,其中熟普以云南大叶种晒青茶为原料,经后发酵(人为加水提温,加速茶叶熟化去除生茶苦涩以达到入口纯和汤色红浓的独特品性)加工形成。熟普的汤色红浓明亮,香气独特陈香,滋味醇厚回甘,叶底红褐均匀。熟普的香味会随着陈化时间的延长而变得越来越柔顺、浓郁。下列相关叙述错误的是(　　)。
A.人为加水提温可以促进微生物繁殖,进而缩短原料发酵的时间
B.熟普发酵过程中环境条件变化会影响微生物的生长、繁殖和代谢
C.熟普发酵一段时间后进行灭菌并密封,有利于茶的长期保存
D.饮用熟普后回甘,可能是因为发酵后茶叶中单糖、二糖的含量增加
C
[解析]　温度适当提高可以提高相应酶的活性以促进微生物繁殖,缩短原料发酵的时间,A正确;发酵过程需要适宜的温度和pH,所以环境条件的变化会对微生物的生长、繁殖和代谢产生一定的影响,B正确;熟普的香味会随着陈化时间的延长而变得越来越柔顺、浓郁,说明熟普保存过程中仍在发酵,因此新茶发酵完成后进行灭菌并密封不利于进一步发酵,C错误;饮用熟普后回甘,可能是因为发酵后茶叶中单糖、二糖的含量增加,导致甜味增加,D正确。
2. (2023·德州三模)桑黄是生物治癌效率较高的药用真菌之一,人工栽培难度较大,利用发酵罐进行发酵培养具有广阔前景。科研人员研究发现,发酵罐中蔗糖为70 g/L、氯化铵为10 g/L、搅拌转速为150 r/min、28 ℃下发酵120 h,产生的菌丝量最大。下列说法错误的是(　　)。
A.蔗糖、氯化铵分别为桑黄生长提供碳源和氮源
B.控制温度、营养等都可提高桑黄的种群数量
C.适当提高搅拌转速可增加培养液的溶氧量,提高菌丝产量
D.发酵120 h后,发酵环境改变会导致菌丝量下降
C
[解析]　蔗糖为糖类,能为桑黄生长提供碳源,氯化铵含有N,能为桑黄生长提供氮源,A正确;发酵工程中,适当控制温度、营养等都为桑黄的生存、增殖提供适宜条件,可提高桑黄的种群数量,B正确;据题干可知,搅拌转速为150 r/min时,菌丝的产量最大,因此再提高搅拌转速不能提高菌丝产量,C错误;发酵120 h后,发酵环境内营养物质减少、代谢物增加等改变会导致菌丝量下降,D正确。
课堂小结
1.发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 ( )
2.分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白,可采用过滤、沉淀等方法。( )
3.果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产在发酵前都需要对原料进行灭菌。( )
4.啤酒的工业化生产中,糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵。( )
5.利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。( )
6.微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物菌体。( )
7.单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的。( )
课堂小测
×
×
√
×
√
√
×