第3节 发酵工程及其应用
1．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。
2．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。
知识点1 发酵工程的基本环节
1．发酵工程的基本环节
发酵工程的中心环节是______________。
2．发酵罐装置
发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是什么？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
基于对发酵工程基本环节的认识，判断下列表述是否正确。
1．发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 ( )
2．发酵工程的中心环节是选育菌种。 ( )
3．发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。 ( )
4．现代发酵工程所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率。 ( )
阅读教材对发酵工程基本环节的介绍，思考回答下列问题。
1．现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么不同？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2．与化工生产相比，为什么发酵工程的生产条件比较温和？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3．发酵过程中需要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件，原因是什么？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5．在进行发酵生产时，排出的气体和废弃的培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1．选育菌种
(1)常用菌种：主要是细菌、酵母菌和霉菌等。
(2)选育方法
①从自然界中筛选出优良菌种。
②利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。
③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，要对菌种进行扩大培养。
(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
①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
②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。
③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．发酵罐内发酵条件的控制
(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：通过控制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、沉淀等方法将菌体分离和干燥
代谢物 蒸馏、萃取、离子交换等方法
1．味精是以粮食等为原料经发酵制成的一种调味料，发酵中所用的谷氨酸棒状杆菌菌种大都从自然界筛选获得，下图是以小麦为原料生产味精的工艺流程图。下列分析正确的是( )
A．发酵前将菌种接种到摇瓶培养是为了进一步选育和纯化菌种
B．发酵前调整好温度、pH等条件，发酵过程中需关闭发酵罐通气阀门，同时需不断搅拌
C．通过基因工程育种可以对谷氨酸棒状杆菌进行定向改造，以获取性状优良的菌种
D．发酵结束后，可采用过滤、沉淀和纯化等方法获取菌体，并将菌体破碎后提取单细胞蛋白
2．(2022·山东等级考)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。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．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖
B．可用深层通气液体发酵技术提高产量
C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中
D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌
知识点2 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和容易处理。
2．在食品工业上的应用
(1)生产传统的__________。
①优点：产品的____________明显提高。
②实例：
a．大豆中的____________________________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、________、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。
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。
(2)基因工程与__________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____________、微生物农药、____________等方面。
单细胞蛋白可以作为食品添加剂。单细胞蛋白是微生物产生的单一纯净的蛋白质吗？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5．在其他方面的应用
(1)CO2资源化利用。
(2)______微生物的应用。
(3)发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域。
基于对发酵工程的应用的认识，判断下列表述是否正确。
1．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 ( )
2．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。 ( )
3．发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理。 ( )
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。
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利用工程菌生产胰岛素
③工厂化生产青霉素 ④工业生产尿素
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3．与传统的手工发酵相比，在啤酒的工业化生产中，哪些工程技术使啤酒的产量和品质明显提高？
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1．发酵工程生产的相关产品及所用的微生物
2．啤酒的工业化生产流程
1．下列对发酵工程应用的描述，错误的是( )
A．微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力
B．微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的
C．微生物饲料主要利用的是微生物菌体
D．发酵工程和基因工程结合，能生产自然界不存在的蛋白质
2．(2022·山东等级考改编)啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法错误的是( )
A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶
B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌
C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵
D．通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期
1．核心概念
发酵工程：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产人类需要的产品的技术。
2．结论语句
(1)性状优良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。
(2)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。
(3)发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
(4)如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品；如果发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
(5)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及微生物菌体。
1．下列有关发酵工程的菌种的说法，错误的是( )
A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来
B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种
C．发酵工程的菌种可以来自基因工程
D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种
2．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括( )
A．温度控制 B．溶解氧控制
C．pH控制 D．酶的控制
3．下列有关啤酒生产流程的说法，错误的是( )
A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶
B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性
C．糖化的目的是让淀粉分解
D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌
4．如图所示是发酵工程生产产品的流程图，请据图回答下列问题。
(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①表示________，这样做的目的是________________________________ ____________________________________________________________________。
(3)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)④表示____________，发酵结束后可采用______________等方法获得产品。
第3节 发酵工程及其应用
知识点1
自主梳理
1．自然界中 诱变育种或基因工程育种 培养基的配方 培养基和发酵设备 微生物数量、产物浓度 温度、pH和溶解氧 分离和纯化 过滤、沉淀 发酵罐内发酵 2．冷却水进入口 排气管 发酵液 搅拌叶轮 空气入口
微思考
提示：使菌种与发酵底物能充分接触，提高发酵效率。
基础诊断
1．× 提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
2．× 提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
3．× 提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
4．× 提示：发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。
合作探究
1．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大多是通过微生物培养技术获得的单一菌种。
2．提示：发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，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。
3．提示：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。
4．提示：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
5．提示：不能。要防止排出的气体和废弃培养液中的微生物或活性物质污染环境。
对点练习
1．C [发酵前将菌种接种到摇瓶培养是为了扩大培养，获取更多菌种，A错误；发酵过程中需打开发酵罐通气阀门，同时需不断搅拌，B错误；基因工程育种可以对谷氨酸棒状杆菌进行定向改造，以获取性状优良的菌种，C正确；单细胞蛋白就是微生物菌体，无需将菌体破碎后提取，D错误。]
2．D [青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌，因此发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确。青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确。选育出的高产菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确。为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐必须严格灭菌，D错误。]
知识点2
自主梳理
1．(1)生产条件温和 (3)产物专一 2.(1)发酵产品 产量和质量 蛋白质 小分子的肽和氨基酸 释放淀粉酶 淀粉酶失活 糖浆 终止酶的进一步作用 酒精和CO2 低温 密闭 大多数微生物 (2)增味剂 增稠剂 (3)酶制剂
3．(1)多种氨基酸 免疫调节剂 (2)发酵技术 基因工程 药物 基因工程 疫苗 4．微生物肥料 微生物饲料 5．(2)极端
微思考
提示：不是，单细胞蛋白是微生物菌体。
基础诊断
1．× 提示：利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。
2．√
3．× 提示：发酵工程相对化工生产废弃物对环境污染小，容易处理。
合作探究
1．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。
2．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。
3．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品质。
对点练习
1．D [微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，A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，是生物防治的重要手段，B正确；微生物饲料主要利用的是微生物菌体，C正确；发酵工程和基因工程结合推动了发酵工程在医药领域的发展，但是只能生产自然界已存在的蛋白质，不能生产自然界不存在的蛋白质，D错误。]
2．B [赤霉素能促进种子的萌发，据此可推测若用赤霉素处理大麦，可诱导α-淀粉酶相关基因的表达，促进α-淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶，A正确；焙烤可以杀死大麦种子胚，但不使淀粉酶失活，没有进行灭菌，B错误；糖浆经蒸煮(产生风味组分、终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C正确；转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期，属于转基因技术在微生物领域的应用，D正确。]
课堂检测素养测评
1．B [传统发酵技术利用的是原材料中含有的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种，B错误。]
2．D [通常所指的发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气与转速等，酶是自身调节物质，不属于发酵条件，故选D。]
3．B [焙烤发芽的大麦种子时杀死了大麦种子胚，但不能使淀粉酶丧失活性，B错误。]
4．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①表示扩大培养，目的是增加菌种的数量，缩短生产周期。(3)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成分，同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。(4)④是发酵工程产品微生物细胞(菌体)本身，发酵结束之后，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 必需的营养成分 温度、pH和溶解氧 (4)微生物细胞(菌体) 过滤、沉淀
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第3节 发酵工程及其应用
第1章 发酵工程
1．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。
2．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。
课标要求
对应学生用书第27页
1．发酵工程的基本环节
知识点1 发酵工程的基本环节
发酵工程的中心环节是
______________。
发酵罐内发酵
2．发酵罐装置
发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是什么？
提示：使菌种与发酵底物能充分接触，提高发酵效率。
基于对发酵工程基本环节的认识，判断下列表述是否正确。
1．发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 ( )
提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
2．发酵工程的中心环节是选育菌种。 ( )
提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
3．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必须经过严格的灭菌。
×
×
×
4．现代发酵工程所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率。
( )
提示：发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。
×
阅读教材对发酵工程基本环节的介绍，思考回答下列问题。
1．现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么不同？
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大多是通过微生物培养技术获得的单一菌种。
2．与化工生产相比，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。
3．发酵过程中需要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件，原因是什么？
提示：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。
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，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
5．在进行发酵生产时，排出的气体和废弃的培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
提示：不能。要防止排出的气体和废弃培养液中的微生物或活性物质污染环境。
深化归纳
1．选育菌种
(1)常用菌种：主要是细菌、酵母菌和霉菌等。
(2)选育方法
①从自然界中筛选出优良菌种。
②利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。
③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，要对菌种进行扩大培养。
(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
①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
②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。
③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．发酵罐内发酵条件的控制
(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：通过控制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、沉淀等方法将菌体分离和干燥
代谢物 蒸馏、萃取、离子交换等方法
对点练习
1．味精是以粮食等为原料经发酵制成的一种调味料，发酵中所用的谷氨酸棒状杆菌菌种大都从自然界筛选获得，下图是以小麦为原料生产味精的工艺流程图。下列分析正确的是( )
A．发酵前将菌种接种到摇瓶培养是为了进一步选育和纯化菌种
B．发酵前调整好温度、pH等条件，发酵过程中需关闭发酵罐通气阀门，同时需不断搅拌
C．通过基因工程育种可以对谷氨酸棒状杆菌进行定向改造，以获取性状优良的菌种
D．发酵结束后，可采用过滤、沉淀和纯化等方法获取菌体，并将菌体破碎后提取单细胞蛋白
√
C [发酵前将菌种接种到摇瓶培养是为了扩大培养，获取更多菌种，A错误；发酵过程中需打开发酵罐通气阀门，同时需不断搅拌，B错误；基因工程育种可以对谷氨酸棒状杆菌进行定向改造，以获取性状优良的菌种，C正确；单细胞蛋白就是微生物菌体，无需将菌体破碎后提取，D错误。]
2．(2022·山东等级考)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。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．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖
B．可用深层通气液体发酵技术提高产量
C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中
D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌
√
D [青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌，因此发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确。青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确。选育出的高产菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确。为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐必须严格灭菌，D错误。]
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和容易处理。
知识点2 发酵工程的应用
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：产品的____________明显提高。
②实例：
a．大豆中的____________________________酱油
发酵产品
产量和质量
蛋白质
小分子的肽和氨基酸
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、________、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。
(2)基因工程与__________相结合生产所需要的产品。
多种氨基酸
免疫调节剂
发酵技术
4．在农牧业上的应用
主要表现在生产____________、微生物农药、____________等方面。
单细胞蛋白可以作为食品添加剂。单细胞蛋白是微生物产生的单一纯净的蛋白质吗？
提示：不是，单细胞蛋白是微生物菌体。
微生物肥料
微生物饲料
5．在其他方面的应用
(1)CO2资源化利用。
(2)______微生物的应用。
(3)发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域。
极端
基于对发酵工程的应用的认识，判断下列表述是否正确。
1．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 ( )
提示：利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。
2．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。 ( )
3．发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理。 ( )
提示：发酵工程相对化工生产废弃物对环境污染小，容易处理。
×
√
×
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。
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利用工程菌生产胰岛素
③工厂化生产青霉素 ④工业生产尿素
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。
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。
3．与传统的手工发酵相比，在啤酒的工业化生产中，哪些工程技术使啤酒的产量和品质明显提高？
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品质。
深化归纳
1．发酵工程生产的相关产品及所用的微生物
2．啤酒的工业化生产流程
对点练习
1．下列对发酵工程应用的描述，错误的是( )
A．微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力
B．微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的
C．微生物饲料主要利用的是微生物菌体
D．发酵工程和基因工程结合，能生产自然界不存在的蛋白质
√
D [微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，A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，是生物防治的重要手段，B正确；微生物饲料主要利用的是微生物菌体，C正确；发酵工程和基因工程结合推动了发酵工程在医药领域的发展，但是只能生产自然界已存在的蛋白质，不能生产自然界不存在的蛋白质，D错误。]
2．(2022·山东等级考改编)啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法错误的是( )
A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶
B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌
C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵
D．通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期
√
B [赤霉素能促进种子的萌发，据此可推测若用赤霉素处理大麦，可诱导α-淀粉酶相关基因的表达，促进α-淀粉酶的合成，进而使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶，A正确；焙烤可以杀死大麦种子胚，但不使淀粉酶失活，没有进行灭菌，B错误；糖浆经蒸煮(产生风味组分、终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵，防止高温杀死菌种，C正确；转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期，属于转基因技术在微生物领域的应用，D正确。]
1．核心概念
发酵工程：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产人类需要的产品的技术。
2．结论语句
(1)性状优良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。
(2)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。
(3)发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
(4)如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品；如果发酵产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
(5)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及微生物菌体。
1．下列有关发酵工程的菌种的说法，错误的是( )
A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来
B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种
C．发酵工程的菌种可以来自基因工程
D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种
课堂检测 素养测评
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题号
1
√
B [传统发酵技术利用的是原材料中含有的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种，B错误。]
2．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括( )
A．温度控制 B．溶解氧控制
C．pH控制 D．酶的控制
√
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题号
1
D [通常所指的发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气与转速等，酶是自身调节物质，不属于发酵条件，故选D。]
3．下列有关啤酒生产流程的说法，错误的是( )
A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶
B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性
C．糖化的目的是让淀粉分解
D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌
√
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题号
1
B [焙烤发芽的大麦种子时杀死了大麦种子胚，但不能使淀粉酶丧失活性，B错误。]
4．如图所示是发酵工程生产产品的流程图，请据图回答下列问题。
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题号
1
(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①表示________，这样做的目的是__________________ _____________________。
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题号
1
诱变
基因工程
扩大培养
增加菌种的数量，
可以缩短生产周期
(3)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)④表示________________，发酵结束后可采用______________等方法获得产品。
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题号
1
发酵罐内发酵
微生物数量
产物浓度
必需的营养成分
温度、pH和溶解氧
微生物细胞(菌体)
过滤、沉淀
[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①表示扩大培养，目的是增加菌种的数量，缩短生产周期。(3)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成分，同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。(4)④是发酵工程产品微生物细胞(菌体)本身，发酵结束之后，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。
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课时分层作业(4)
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发酵工程及其应用
（WORD版）
巩固课堂所学 · 激发学习思维
夯实基础知识 · 熟悉命题方式
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学习反思
课时小结
THANKS课时分层作业(4) 发酵工程及其应用
题组一 发酵工程的基本环节
1．下列选项中不属于发酵工程特点的是( )
A．原料来源丰富，价格低
B．产物专一，产量高
C．废弃物对环境污染小，容易处理
D．生产条件需要高温高压
2．发酵工程的正确操作过程是( )
①发酵 ②培养基的配制 ③灭菌 ④产物的分离与提纯 ⑤菌种的选育 ⑥扩大培养和接种
A．①③④⑤②⑥ B．⑤②③⑥①④
C．②⑤③①⑥④ D．⑥⑤②④③①
3．下列有关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、灭菌、接种、发酵罐内发酵以及分离、提纯产物
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
4．青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如图所示。
请回答下列问题：
(1)培育青霉素高产菌株的育种方法是________，过程①、②属于发酵工程的__________环节，其主要目的是__________________。
(2)过程③不能用化学药物进行灭菌处理，原因是__________________ _____________________________________________________________________。
(3)发酵过程中必须严格控制好________________________(至少答出3点)等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测________________(至少答出2点)等，以了解发酵进程。
(4)过程④常用的方法是_______________________________________________。
题组二 发酵工程的应用
5．下列不属于发酵工程的应用的是( )
A．生产抗生素、维生素、药用氨基酸等
B．生产啤酒、果酒和食醋等
C．化学检测和水质监测
D．生产各种各样的食品添加剂
6．近年来，在农业生产上微生物肥料、微生物农药和微生物饲料得到广泛使用，下列叙述错误的是( )
A．微生物肥料是利用微生物代谢产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力的
B．微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治农林害虫的
C．微生物饲料主要是利用微生物大量繁殖产生的高蛋白菌体来生产饲料的
D．微生物肥料、农药和饲料利用的都是微生物的代谢物
7．下列有关啤酒的工业化生产的叙述，错误的是( )
A．啤酒生产的主要原料是大麦
B．啤酒生产的发酵过程包括主发酵阶段和后发酵阶段
C．主发酵在低温、密闭条件下进行，发酵液澄清、成熟可以饮用
D．发酵的温度和时间会影响啤酒的口味
8．如图为某啤酒厂的生产工艺流程，请回答下列问题。
(1)过程①的目的有两个，一是破坏细胞结构释放出________，从而增加可溶性糖的含量；二是杀死胚，从而减少可溶性糖的消耗。
(2)过程②的目的是___________________________________________________。
(3)啤酒花可使啤酒具有独特的苦味和香气，并具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有______________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________(至少答出2点)。
(4)过程④控制的气体条件是________。该过程可通过检测________________ ________________来了解发酵进程。
(5)未经过程⑤分装的啤酒称为“生啤”或“鲜啤”，经过程⑤并且过滤、消毒、调制后的啤酒为“熟啤”。你认为保质期较长的是________(填“生啤”或“熟啤”)，更容易引起部分人发生肠道过敏反应的是________(填“生啤”或“熟啤”)，原因是________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________。
9．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究，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．可以通过检测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵
10．与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列相关叙述正确的是( )
A．发酵工程的中心环节是菌种的选育和扩大培养
B．通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白
C．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
D．发酵过程中，条件变化会影响微生物的生长繁殖，但不会影响微生物的代谢途径
11．(2023·辽宁选择性考试)利用某种微生物发酵生产DHA油脂，可获取DHA(一种不饱和脂肪酸)。下图为发酵过程中物质含量变化曲线。下列叙述错误的是( )
A．DHA油脂的产量与生物量呈正相关
B．温度和溶解氧的变化能影响DHA油脂的产量
C．葡萄糖代谢可为DHA油脂的合成提供能量
D．12～60 h，DHA油脂的合成对氮源的需求比碳源高
12．我国科学家利用如图所示的液态厌氧发酵工艺，实现了利用乙醇梭菌高效产出乙醇和乙醇梭菌蛋白。下列叙述错误的是( )
A．乙醇梭菌单细胞蛋白是通过发酵工程而生产的微生物次生代谢物
B．乙醇梭菌以CO、CO2为主要的碳源，具有较强的固碳能力
C．乙醇梭菌是厌氧型细菌，其发酵的过程需要进行搅拌
D．通过该工艺高效生产清洁能源乙醇，可降低生态足迹
13．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
14．我国大力推行垃圾分类处理。厨余垃圾在生活垃圾中占比达到甚至超过一半，具有高含水率、高有机质(淀粉、油脂和蛋白质等)和高盐分的“三高”属性。下图为中小型厨余垃圾处理设备的工作原理示意图。
据图分析并回答下列问题：
(1)碳氮比(C/N)过高或者过低都不利于微生物发酵。某厨余垃圾中蛋白质占比较大，为了提高发酵效率，可以在上料时加入一定量的________(填“面粉”或“豆粕”)。该设备的控制系统需要感应______________等理化条件的变化，以保证微生物良好的发酵环境。
(2)相比原本存在于厨余垃圾中的微生物，该设备中投放的混合菌种具有耐高温和________的特性，能合成和分泌更多的______________________，从而能更好地适应设备中的环境，更快降解厨余垃圾。
(3)研究表明，米曲霉、解脂假丝酵母、绿色木霉等菌种对厨余垃圾中不同成分的分解各有优势。餐厅食堂和农贸市场产生的厨余垃圾在成分上有较大差异，可通过调整______________，使设备都能达到较理想的降解效果。现不少家庭也尝试利用简易发酵桶处理厨余垃圾，若不考虑升温和菌种投放措施，可通过________________的做法提高降解效果。
(4)厨余垃圾经该设备处理后的残渣可______________，以实现就地资源化利用。除此优点外，使用该设备处理比直接填埋厨余垃圾________。
课时分层作业(4)
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D B B C D C B C D A B
4．(1)诱变育种 扩大培养 快速增加菌种的数量 (2)残留在培养基中的化学药物会抑制青霉菌的生长繁殖 (3)温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质 微生物数量、产物浓度 (4)过滤、沉淀
8．(1)淀粉酶 (2)分解淀粉，形成糖浆 (3)终止酶的进一步作用、对糖浆灭菌 (4)隔绝空气 酵母菌种群数量、酒精含量等 (5)熟啤 生啤 未经过滤、消毒的生啤中含有较多的微生物和固体物，这些物质中可能含有引起过敏反应的过敏原
14．(1)面粉 O2浓度、温度 (2)耐盐 淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶 (3)各菌种的比例 搅拌通气、剪碎垃圾 (4)用于作物施肥 更高效
1．D [发酵工程是运用微生物的功能进行生产的，生产条件温和，即是在常温常压条件下进行的，D错误。]
2．B [发酵工程的基本环节中，第一个环节是菌种的选育，最后一个环节是产物的分离与提纯，B正确。]
3．B [发酵工程的基本环节一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵产物的分离、提纯等方面，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；基因工程育种、诱变育种均能获得优良性状的菌种，C正确；如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来，D正确。]
4．(1)青霉素高产菌株是通过诱发基因突变并筛选得到的。由于发酵工程用的菌种数量庞大，因此，在接种前需进行扩大培养，以获得足够多的菌种。(2)灭菌所用化学药物对各种微生物均有一定的杀灭能力，残留在培养基中的药物也会抑制接种的青霉菌的生长繁殖。(3)发酵过程中必须严格控制好温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程，实施终止发酵或更换发酵液。(4)发酵完成后，如果产品是菌种，则需要采用过滤、沉淀等方法获得细胞。
5．C [生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药工业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋等，以及生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品工业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。]
6．D [微生物饲料利用的是微生物的菌体，而不是微生物的代谢物。]
7．C [主发酵结束后，发酵液还不适合饮用；后发酵需要在低温、密闭条件下进行，发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种的口味要求的不同而有所差异，C错误。]
8．(1)过程①的目的有两个，一是破坏细胞结构释放出淀粉酶，从而增加可溶性糖的含量；二是杀死胚，从而减少可溶性糖的消耗。(2)过程②的目的是分解淀粉，形成糖浆。(3)啤酒花可使啤酒具有独特的苦味和香气，并具有防腐和澄清麦芽汁的作用。过程③的作用有终止酶的进一步作用、对糖浆灭菌等。(4)过程④控制的气体条件是隔绝空气。该过程可通过检测酵母菌种群数量、酒精含量等来了解发酵进程。(5)未经过程⑤分装的啤酒称为“生啤”，经过程⑤分装并且过滤、消毒、调制后的啤酒为“熟啤”。保质期较长的是熟啤，更容易引起部分人发生肠道过敏反应的是生啤，原因是未经过滤、消毒的生啤中含有较多的微生物和固体物，这些物质中可能含有引起过敏反应的过敏原。
9．B [果酒发酵时，一般将温度控制在18～30 ℃，夏季温度高，且发酵过程中有热量产生，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；果酒发酵是无氧发酵，不能通入空气，B错误；正常发酵过程中不消耗O2，会产生CO2，故罐内的压力不会低于大气压，C正确；酵母菌发酵过程中会消耗大量糖类，故可以通过检测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。]
10．C [发酵工程的内容一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产物的分离、提纯等方面，发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵，A错误；单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体，而并非微生物的代谢物，B错误；发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身，C正确；在发酵工程的发酵环节中，发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖，也会通过影响酶的活性影响微生物的代谢途径，D错误。]
11．D [由题干图可知，DHA油脂的产量随着发酵进程逐渐增加，生物量也随着发酵进程逐渐增加，它们的变化呈正相关，A正确；由题干图可知，生物量与DHA油脂的产量呈正相关，温度和溶解氧影响微生物的生长繁殖，进而影响DHA油脂的产量，B正确；发酵液中葡萄糖被微生物吸收用于呼吸作用产生能量，供其合成DHA油脂，C正确；DHA油脂是一种不饱和脂肪酸，含C、H、O不含N，所以在12～60 h，DHA油脂的合成对碳源的需求高，不需要氮源，D错误。]
12．A [单细胞蛋白是指通过发酵获得的大量微生物菌体，不是微生物的次生代谢物，A错误；据题干图可知，乙醇梭菌发酵时，培养基中仅含无机盐，可以以工业尾气中的CO、CO2为碳源合成乙醇及乙醇梭菌蛋白，具有较强的固碳能力，B正确；据题干图可知，乙醇梭菌发酵为厌氧发酵，说明乙醇梭菌为厌氧菌，发酵过程需要进行搅拌，C正确；通过该工艺，可利用乙醇梭菌将工业尾气中的CO、CO2为碳源合成乙醇及乙醇梭菌蛋白，既实现高效生产清洁能源乙醇，又能够有效净化工业尾气，减轻环境污染，降低生态足迹，D正确。]
13．B [糯米“蒸熟”与大米“蒸煮”的目的均有利于糖化和灭菌，A正确；题图中制酒用到了酒曲，酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌，霉菌属于真菌，其为需氧型，该过程霉菌产生的淀粉酶有利于将糯米中的淀粉分解，其中的乳酸菌进行的是无氧呼吸，酵母菌主要进行无氧呼吸过程完成酿酒的过程，醋酸发酵过程中主要利用了醋酸菌的有氧呼吸进行醋酸发酵，B错误；醋酸发酵过程中利用了醋酸菌的有氧呼吸，在发酵过程中经常翻动发酵物，有利于散热，可控制发酵温度和改善通气状况，C正确；啤酒酿造流程中利用的原理是酵母菌的无氧呼吸产生酒精的过程，若适当增加溶解氧有利于酵母菌有氧呼吸产生更多的能量满足酵母菌自身增殖的需要，因而可缩短发酵时间，D正确。]
14．(1)微生物培养基一般都含有水、碳源、氮源和无机盐等营养物质，碳氮比(C/N)过高或者过低都不利于微生物发酵。某厨余垃圾中蛋白质占比较大，为了提高发酵效率，需要增加碳源的比例，可以在上料时加入一定量的面粉。微生物培养基还要满足微生物生长对温度、pH、特殊营养物质以及O2的要求，该设备的控制系统需要感应O2浓度、温度等理化条件的变化，以保证微生物良好的发酵环境。(2)微生物能分解淀粉、蛋白质、脂肪等物质，是因为微生物能(合成)分泌淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等。由于厨余垃圾具有高含水率、高有机质(淀粉、脂肪和蛋白质等)和高盐分的“三高”属性，所以该设备中投放的混合菌种需要具有耐高温和耐盐的特性，从而能更好地适应设备中的环境，更快降解厨余垃圾。(3)餐厅食堂和农贸市场产生的厨余垃圾在成分上有较大差异，可通过调整各菌种的比例，使设备都能达到较理想的降解效果。若利用简易发酵桶处理厨余垃圾，若不考虑升温和菌种投放措施，可通过搅拌通气、剪碎垃圾的做法提高降解效果。(4)厨余垃圾经该设备处理后的残渣可用于给作物施肥，微生物分解后提供二氧化碳和无机盐，以实现就地资源化利用。除此优点外，使用该设备处理比直接填埋厨余垃圾更高效。
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