資源簡介

發酵工程：
第3節　發酵工程及其應用
學有目標——新課程標準必明 記在平時——核心語句必背
1.闡明發酵工程利用現代工程技術及微生物的特定功能，工業化生產人類所需產品。 2．舉例說明發酵工程在醫藥、食品及其他工農業生產上的應用價值。 1.發酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現代工程技術，規模化生產對人類有用的產品。 2．發酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養，培養基的配制、滅菌，接種，發酵，產品的分離、提純等方面。 3．發酵工程的應用主要體現在食品工業、醫藥工業和農牧業等方面。
一、理清主干知識
一、發酵工程的概念
發酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現代工程技術，規模化生產對人類有用的產品。
二、發酵工程的基本環節
三、發酵工程的應用
1．在食品工業上的應用
(1)生產傳統的發酵產品，如醬油和各種酒類。
(2)生產各種各樣的食品添加劑，如檸檬酸和谷氨酸等。
(3)生產酶制劑，如α淀粉酶、β淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2．在醫藥工業上的應用
生產抗生素、多種氨基酸、激素和免疫調節劑等。
3．在農牧業上的應用
(1)生產微生物肥料，如根瘤菌肥、固氮菌肥等。
(2)生產微生物農藥，如蘇云金桿菌、白僵菌、井岡霉素等。
(3)生產微生物飼料，如單細胞蛋白。
4．在其他方面的應用
(1)利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質。
(2)嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。
二、診斷自學效果
1．判斷下列敘述的正誤
(1)發酵是指利用微生物的生命活動來獲得各種不同代謝產物的過程(×)
(2)發酵工程中，溫度和pH的改變會影響微生物的代謝途徑(√)
(3)單細胞蛋白就是從人工培養的微生物菌體中提取的蛋白質(×)
(4)發酵工程一般用半固體培養基(×)
2．用發酵工程生產的產品，如果是菌體，則進行分離提純時可采用的方法是(　　)
A．蒸餾、過濾　　　　　 B．過濾、沉淀
C．萃取、離子交換 D．沉淀、萃取
解析：選B　發酵工程生產的如果是菌體，可采用過濾、沉淀等方法分離提純；如果產品是代謝產物，則可采用蒸餾、萃取、離子交換等措施進行分離提純。
3．(2020·濟南一模)下面與發酵工程有關的敘述，錯誤的是(　　)
A．發酵罐中必須通入無菌空氣
B．不經處理排放的廢棄培養液是一種污染物
C．培育新菌種，可用于分解更多種類的有機污染物
D．發酵工程在醫藥工業、食品工業和環境保護等方面均有廣泛應用
解析：選A　發酵罐中的微生物如果是需氧型微生物，則必須通入無菌空氣，如果是厭氧型微生物，則不能通入無菌空氣，A錯誤；不經處理排放的廢棄培養液中含有大量的發酵微生物，是一種污染物，B正確；培育新菌種，增加了分解者的種類，可用于分解更多種類的有機污染物，C正確；發酵工程廣泛應用于醫藥工業、食品工業和環境科學等方面，D正確。
[在探究中學明]
觀察分析教材第22、23頁圖19，思考回答下列問題
1．微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？
提示：選擇發酵工程用的菌種時需考慮：能夠利用廉價的原料，簡單的培養基，大量高效地合成產物；菌種改造的可操作性要強；遺傳性能要相對穩定；生長速度快，不易感染其他微生物或噬菌體等。
2．怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？
提示：要在發酵過程中隨時取樣檢測培養液中細菌數目、產物濃度等以了解發酵進程，及時添加必需的培養基成分，以滿足菌種的營養需要。同時，要嚴格控制溫度、pH、溶解氧等發酵條件。
3．在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
提示：如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體從發酵液中分離出來。如果產品是代謝產物，可采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行提取。
4．在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什么？
提示：不能。要防止排出的氣體和廢棄培養液中的微生物或活性物質污染環境。
　發酵工程在工業生產上得到廣泛應用，其生產流程如圖所示。結合賴氨酸或谷氨酸的生產實際分析，下列說法錯誤的是(　　)
A．①為誘變育種，②為萃取(或蒸餾、離子交換等)
B．賴氨酸或谷氨酸的生產過程中為使產物源源不斷地產生，可采用連續培養的發酵方式
C．由于賴氨酸或谷氨酸的發酵菌種為好氧菌，在生產過程中常需增加通氧量
D．人工控制微生物代謝的唯一措施是控制生產過程中的各種條件
[解析]　由題意分析可知，圖中①為誘變育種，②為萃取(或蒸餾或離子交換等)，A正確；延長穩定期可以提高代謝產物的產量，要達到這一目的可采用連續培養的發酵方式，B正確；由于賴氨酸或谷氨酸的發酵菌種為好氧菌，因此在生產過程中常需增加通氧量，C正確；人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物遺傳特性、控制生產過程中的各種條件(即發酵條件)等，D錯誤。
[答案]　D
[在應用中落實]
1．下列對發酵工程內容的敘述，錯誤的是(　　)
A．用誘變育種、細胞工程、基因工程等方法選育出性狀優良的工程菌并進行擴大培養
B．根據工程菌所需的營養精確地配制出合成培養基并進行嚴格滅菌處理
C．發酵過程中必須嚴格地檢測并控制發酵條件
D．用適當的方法分離提純產品并嚴格地進行質量檢查
解析：選B　發酵工程分為選育菌種、擴大培養、配制培養基、滅菌、接種、發酵、分離提純等幾步，A、C、D三項中的內容皆與發酵生產流程中的要求一致；發酵工業生產中，多采用天然的液體培養基，即用化學成分不明確的天然物質配制而成，如玉米粉、牛肉膏等，B項敘述錯誤。
2．根據發酵工程流程圖及微生物相關知識，回答下列問題：
(1)根瘤菌之所以能進行固氮作用，是因為其體內具有高等植物不具有的固氮酶，固氮基因表達的途徑是________________________________________。除根瘤菌外，人們應用最多的另一類固氮微生物是圓褐固氮菌。某同學在做微生物實驗時，不小心將圓褐固氮菌和酵母菌混在一起，如果要把它們分開，所用的培養基從用途上劃分屬于________培養基，依據的原理是圓褐固氮菌能夠在________的培養條件下生長繁殖，而酵母菌則不能。
(2)在題圖所示發酵工程的流程中，生產人胰島素的工程菌是由①技術獲得的，則①是____________________技術；高產青霉素菌種是通過②獲得的，則②技術是____________________；操作④表示________。發酵工程的產品有兩類，若a代表菌體本身，則b代表的另一類是________________。
解析：(1)根瘤菌屬于原核生物，控制固氮酶的基因表達過程為轉錄和翻譯。分離微生物所使用的培養基按功能分屬于選擇培養基，圓褐固氮菌屬于自生固氮微生物，可以在沒有氮源的培養條件下生長繁殖。(2)據圖分析：①表示轉基因(或基因工程)技術，②表示誘變育種(或人工誘變)，③表示接種，④表示滅菌。若a代表菌體本身，則b代表微生物代謝產物。
答案：(1)固氮基因mRNA固氮酶　選擇　沒有氮源　(2)轉基因(或基因工程)　誘變育種(或人工誘變)　滅菌　微生物代謝產物
[在探究中學明]
1．發酵工程以其生產條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、產物專一、廢棄物對環境的污染小和容易處理等特點，在食品工業、醫藥工業和農牧業等許多領域得到了廣泛的應用，形成了規模龐大的發酵工業。思考回答下列問題：
(1)下列產品需要利用發酵工程技術進行生產的有哪些？
①生產單細胞蛋白飼料　②通過生物技術快速繁育蘭花等花卉　③利用工程菌生產胰島素　④工廠化生產青霉素
提示：①③④。生產單細胞蛋白飼料、利用工程菌生產胰島素、工廠化生產青霉素均需要利用發酵工程技術手段；通過生物技術快速繁育蘭花等花卉屬于植物組織培養技術，而非發酵工程技術手段。
(2)醬油、各種酒類、檸檬酸和谷氨酸的生產分別利用了哪種微生物的發酵？
提示：醬油、各種酒類、檸檬酸和谷氨酸的發酵生產利用的微生物分別是霉菌(如黑曲霉)、釀酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒狀桿菌。
2．觀察分析教材第24、25頁“啤酒的工業化生產流程”，思考回答：與傳統的手工發酵相比，在啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？
提示：接種單一高質量純種、嚴格的消毒滅菌措施、培養基營養物質協調、嚴格的發酵條件控制等，都使啤酒的產量和質量明顯提高。
　如圖所示為面包霉體內合成氨基酸的途徑。若在發酵工程中利用面包霉來大量生產氨基酸b，采取的最佳措施是(　　)
A．用CaCl2處理面包霉，改變其細胞膜的通透性
B．提高反應物中面包霉生長因子的含量，并加大面包霉的接種量
C．通過基因工程導入合成酶③的基因
D．通過人工誘變，選育出不能合成酶②的面包霉
[解析]　用CaCl2處理面包霉，改變其細胞膜的通透性，可以使氨基酸a和b過量，從而抑制中間產物的分解，不能大量生產氨基酸b；提高反應物中面包霉生長因子的含量，并加大面包霉的接種量不能大量生產氨基酸b；通過基因工程導入合成酶③的基因，這樣中間產物還可能受到氨基酸a的影響，并不能大量生產氨基酸b；通過人工誘變，選育出不能合成酶②的面包霉，可以使中間產物不能生成氨基酸a，進而大量產生氨基酸b。
[答案]　D
[在應用中落實]
1．下列關于發酵工程的說法，錯誤的是(　　)
A．發酵工程的產品是指微生物的代謝產物或菌體本身
B．可通過人工誘變選育新菌種
C．培養基、發酵設備和菌種必須經過嚴格的滅菌
D．利用基因工程、發酵工程的方法可以用大腸桿菌及酵母菌細胞生產干擾素
解析：選C　菌種不能進行滅菌，C錯誤。
2．谷氨酸是生物體內一種重要的有機小分子，谷氨酸鈉是它的鈉鹽，是味精等調味品的主要成分。目前利用微生物發酵生產的氨基酸中，谷氨酸是產量最大的種類之一。回答下列問題：
(1)我國微生物發酵工程生產谷氨酸常用的菌種有北京棒狀桿菌、谷氨酸棒狀桿菌和黃色短桿菌等，下列生物中與這些菌種在結構上存在明顯區別的有__________。(多選)
A．噬菌體　　　　　　　 B．人類免疫缺陷病毒(HIV)
C．禽流感病毒 D．肺炎雙球菌
E．酵母菌 F．硝化細菌
G．乳酸菌
(2)谷氨酸發酵的培養基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸鹽、生物素等，發酵裝置如圖所示。可以判斷谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是________________型。某廠用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸，結果代謝產物中出現了大量的乳酸，其原因很可能是______________________。
(3)谷氨酸發酵生產過程中，需要添加氨水，它不僅是細菌生長所需的________，而且起到調節培養液________的作用，所以應該分次加入。
(4)某廠的發酵液曾不慎被噬菌體污染，菌群死亡殆盡，但人們卻僥幸從中獲得了少數可抵抗噬菌體的新菌種，細菌這種新性狀的產生來自________________。
(5)圖中所示連續培養的方法，以一定的速度不斷添加新的培養液，同時又以同樣的速度放出舊的培養液，此工藝流程可以大大提高生產效率，試闡述其原因：____________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)北京棒狀桿菌、谷氨酸棒狀桿菌和黃色短桿菌都是原核生物，沒有成形的細胞核，而噬菌體、人類免疫缺陷病毒(HIV)和禽流感病毒都沒有細胞結構，酵母菌是真核生物，因此與這些菌種在結構上存在明顯區別的有A、B、C、E。(2)谷氨酸發酵的培養基成分中有葡萄糖，說明其代謝類型是異養型，圖中通入無菌空氣，說明其代謝類型是需氧型。某廠用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸，結果代謝產物中出現了大量的乳酸，乳酸是無氧呼吸的產物，所以原因很可能是通氣量不足。(3)氨水是細菌生長所需的氮源，同時還有調節培養液pH的作用。(4)某廠的發酵液曾不慎被噬菌體污染，菌群死亡殆盡，但人們卻僥幸從中獲得了少數可抵抗噬菌體的新菌種，細菌這種新性狀的產生來自基因突變(或突變)。(5)圖中所示連續培養的方法，以一定的速度不斷添加新的培養液，同時又以同樣的速度放出舊的培養液，此工藝流程可以大大提高生產效率，原因是①保證微生物對營養物質的需求；②排出部分代謝產物；③使微生物保持較長時間的快速生長。
答案：(1)ABCE　(2)異養需氧　通氣量不足　(3)氮源　pH　(4)基因突變(或突變)　(5)①保證微生物對營養物質的需求；②排出部分代謝產物；③使微生物保持較長時間的快速生長
　　　　[課堂鞏固落實]
1．發酵工程的正確操作過程是(　　)
①發酵　②培養基的配制　③滅菌　④產品的分離與提純　⑤菌種的選育　⑥擴大培養　⑦接種
A．⑤②⑥⑦①③④　　　 B．⑤⑥②③⑦①④
C．②⑤③⑦①⑥④ D．⑦⑥⑤②③①④
解析：選B　發酵工程的基本操作過程為菌種的選育、擴大培養、培養基的配制、滅菌、接種、發酵過程、產品的分離提純。
2．通過發酵罐發酵可大規模生產谷氨酸，生產中常用的菌種是好氧的谷氨酸棒狀桿菌。下面有關谷氨酸發酵過程的敘述，正確的是(　　)
A．配制高濃度營養物質的培養基，會使谷氨酸棒狀桿菌大量繁殖
B．常用的谷氨酸棒狀桿菌為好氧菌，因此培養基中需嚴格控制溶解氧、通氣量等發酵條件
C．排出發酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和產量的提高
D．發酵液pH呈堿性時，谷氨酸棒狀桿菌易合成谷氨酰胺
解析：選B　谷氨酸棒狀桿菌在擴大培養時，培養基中營養物質的濃度要合適，若濃度過高，不利于谷氨酸棒狀桿菌的大量繁殖，A錯誤；谷氨酸棒狀桿菌是一種好氧菌，擴大培養應在有氧條件下進行，B正確；谷氨酸發酵過程中，當谷氨酸合成量過多時，就會抑制谷氨酸脫氫酶的活性，從而使谷氨酸的合成過程中斷，因此需要及時地排出谷氨酸，才可以解除此抑制作用，有利于谷氨酸的合成和產量的提高，C錯誤；谷氨酸發酵過程中，當發酵液的pH為酸性時，谷氨酸棒狀桿菌易合成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，D錯誤。
3．青霉素作為治療細菌感染的藥物，是20世紀醫學上的重大發現，是抗生素工業的首要產品。請根據下圖回答問題：[注：冷凍干燥孢子是在極低溫度(－70 ℃左右)、真空干燥狀態下保藏的菌種；米孢子是生長在小米或大米培養基上的孢子]
(1)目前發酵生產中常用的高產青霉素菌種是通過________方法選育的。青霉菌與大腸桿菌相比，前者在細胞結構上的最顯著特點是______________________。據圖可以判斷青霉菌的代謝類型是________________，生殖方式為________。
(2)在生產和科研中，青霉素在穩定期積累最多，故生產中常用________的方法延長此時期。
(3)培養基的配制要滿足青霉菌對____________________________等營養物質的需求。若在該培養基中添加蛋白胨，從化學成分上看該培養基可稱為________培養基。種子罐2又叫繁殖罐，可推測②屬于發酵工程中的________________階段。發酵罐接種________(填“前”或“后”)，必須進行滅菌處理。
解析：(1)發酵生產中常用的高產青霉素菌種是通過誘變育種產生的；青霉菌是真核生物，大腸桿菌屬于原核生物，兩者在細胞結構上的最顯著特點是青霉菌的細胞中有成形的細胞核；據圖可知，青霉菌的代謝類型為異養需氧型，繁殖方式為孢子生殖。(2)微生物的次級代謝產物在穩定期積累最多，生產中常用連續培養的方法延長此時期。(3)培養基的成分一般包括水、無機鹽、碳源、氮源，還含有特殊物質，如生長因子。在該培養基中添加蛋白胨，從化學成分上看該培養基可稱為天然培養基。由于種子罐2又叫繁殖罐，可推測②屬于發酵工程中的擴大培養階段，發酵罐接種前必須經過滅菌。
答案：(1)誘變育種　青霉菌的細胞中有成形的細胞核　異養需氧型　孢子生殖　(2)連續培養　(3)碳源、氮源、生長因子、無機鹽、水　天然　擴大培養　前

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