資源簡介

選擇性必修三 第1章 發酵工程及其應用
一、你從教材上找到的關鍵性語句：
Ⅰ、發酵工程的基本環節
選育菌種
（1）目的：獲得_性狀優良的菌種__
（2）菌種來源：從自然界中篩選、_誘變育種__或__基因工程育種__。
（3）實例：篩選產酸量高的黑曲霉 用來生產檸檬酸 ；使用基因工程改造的啤酒酵母 ，加速發酵、縮短生產周期。
2.擴大培養
（1）目的：獲得_更多的菌種_。
（2）原因：工業發酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發酵之前還需要對菌種進行 擴大培養 。
3.配制培養基
①在菌種確定之后，要_選擇原料__制備培養基。
②在生產實踐中，培養基的配方要經過_反復試驗__才能確定。
4.滅菌
（1）滅菌原因：發酵工程種所用的菌種大多是_單一菌種_，一旦有雜菌污染，可能導致_產量大大降低_。
（2）_培養基和發酵設備__都必須經過嚴格的滅菌；
5.接種：將_擴大培養后_的菌種投放到_發酵罐_中。
6.發酵罐內發酵——（發酵工程的中心環節）
（1）要求：
①發酵過程中，要_隨時檢測_培養液中_微生物數量_、_產物濃度_等，以__了解發酵進程__；
②要及時添加_必需的營養物質_，要嚴格控制_溫度_、__pH_和__溶氧量_等發酵條件。
（2）嚴格控制發酵條件的原因：
①環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖 ，而且影響微生物代謝物的形成 ；②嚴格控制發酵條件，有利于使發酵全過程處于 最佳 狀態。
（3）不同發酵條件的影響實例——谷氨酸發酵
①在_中性_和__弱堿性__條件下會積累谷氨酸；②在_酸性__條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
（4）現代發酵工程使用的發酵罐的優點：
均有_計算機控制系統__，能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行_監測_和_控制_，還可以進行__反饋控制_，使發酵全過程處于__最佳狀態_；
7.分離、提純產物
①發酵產品是微生物細胞本身時，可在發酵結束之后，采用_過濾_、__沉淀_等方法將菌體_分離_和_干燥_；
②發酵產品是代謝物時，可根據 產物的性質_采取適當的_提取_、_分離_和_純化_措施來獲得產品。
8.獲得產品
單細胞蛋白、味精等。
Ⅱ、發酵工程的應用
1. 發酵工程的優點：
①生產條件溫和 ；②原料來源豐富且價格低廉 ；③產物專一；④廢棄物對環境的污染小 和容易處理 。
在食品工業上的應用
（1）生產傳統的發酵食品：生產醬油 、釀酒
（2）生產食品添加劑：產醬產產醬醬產醬、增味劑、產醬產醬、增稠劑、防腐劑。
（3）生產酶制劑：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶 。
3.在醫藥工業上的應用
（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某種藥物生產能力的微生物。
（2）直接對菌種進行改造，再通過 發酵技術 大量生產所需要的產品。
4.在農牧業上的應用
（1）生產微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥
（2）生產微生物農藥：利用 微生物或其代謝物 來防治病蟲害。
（3）生產微生物飼料：乳酸菌 飼料可以提高飼料的品質，使飼料保鮮 ，動物食用后還能提高免疫力 。
5.在其他方面的應用
（1）解決資源短缺與環境污染問題：利用纖維廢料 發酵生產酒精、乙烯等能源物質。
（2）將極端微生物應用于生產實踐：極端微生物：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、判斷訓練：
發酵工程生產條件溫和、原料來源豐富，但廢棄物對環境污染很大，不易處理。(　　)
目前的酶制劑全部是微生物發酵生產的。(　　)
谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸應在酸性條件下進行。(　　)
單細胞蛋白指通過發酵而獲得的微生物菌體。(　　)
如果發酵工程生產的產品是菌體，則菌體分離可采用萃取的方法。(　　)
制作啤酒時，使大麥種子發芽是為了讓種子釋放淀粉酶。(　　)
通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。( )
發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。( )
發酵工程的發酵環節中，發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑。( )
在發酵過程中，通過加料口取樣，隨時監測產物濃度和微生物數量。( )
發酵工程可以利用原材料中含有的菌種。( )
發酵工程的菌種可以來自誘變育種。( )
三、邊練邊講
練習1：發酵工程及其應用
1．發酵工程在現代生物工程中的地位越來越重要。下列有關發酵過程的敘述錯誤的是(　　)
A．發酵設備和培養基需要嚴格滅菌
B．要隨時取樣，檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等，以了解發酵進程
C．在發酵過程中不需要向裝置中再添加必需的營養組分
D．要嚴格控制溫度、pH、溶解氧等發酵條件
2．(多選)下列關于發酵工程的說法，錯誤的是(　　)
A．環境條件中只有溫度、pH的變化影響微生物的代謝途徑
B．發酵罐中代謝產物的形成與攪拌速度有關
C．培養液中溶解氧量的變化會影響酵母菌的繁殖和代謝途徑
D．菌種擴大培養的目的是使菌種優化
E．發酵工程產品主要是指微生物的代謝物和菌體本身
F．可以通過人工誘變選育新菌株
G．培養基、發酵設備和菌種必須經過嚴格的滅菌
H．環境條件的變化既影響菌種的生長繁殖又影響菌體代謝物的形成
3．在發酵過程中，可以通過下列哪一組方法實現對溶解氧的控制(　　)
①添加酸或堿 ②調節通氣量 ③調節攪拌速度 ④添加緩沖劑
A．①② B．①④ C．②③ D．①②④
4．如圖為谷氨酸發酵裝置圖。請據圖回答下列問題：
(1)圖中3、6是發酵罐夾層中水的進出口，水在發酵罐夾層流動的作用是__________。
(2)谷氨酸發酵液的pH應控制在7～8，隨著代謝產物的積累，發酵液pH變化趨勢是________，控制辦法是________。
(3)如果在4處直接通入空氣，谷氨酸產量會________，原因是________________________________。
(4)若利用此發酵罐進行葡萄酒主發酵過程的研究，下列敘述錯誤的是(　　)
A．夏季生產果酒時，常需對罐體進行降溫處理
B．乙醇為揮發性物質，故發酵過程中空氣的進氣量不宜太大
C．正常發酵過程中罐內的壓力不會低于大氣壓
D．可以通過監測發酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發酵
5．(多選)為了改善食品品質和色、香、味及防腐與加工工藝的需要，人們在食品中加入一些化學合成或天然物質，這類物質被稱為食品添加劑，下列有關敘述正確的是(　　)
A．許多食品添加劑可以通過發酵工程生產，如檸檬酸可以通過黑曲霉的發酵制得
B．食品工業中，常用的著色劑有β－胡蘿卜素、紅曲黃色素等
C．食品工業中，用來延長食品保質期的乳酸鏈球菌素、溶菌酶可通過發酵工程生產
D．食品添加劑不能增加食品的營養
6．如圖為某啤酒廠的生產工藝流程，回答下列問題：
(1)過程①的目的有兩個，一是破壞細胞結構釋放出________，從而增加可溶性糖的含量；二是殺死胚，從而減少可溶性糖的消耗。
(2)過程②的目的是__________________。
(3)酒花可使啤酒具有獨特的苦味和香氣，并具有防腐和澄清麥芽汁的作用。過程③的作用有____________________________(至少答出2點)。
(4)過程④控制的氣體條件是________。該過程可通過檢測______________ ________________________________________________________________來了解發酵進程。
(5)未經過程⑤分裝的啤酒稱為“生啤”或“鮮啤”，經過程⑤并且過濾、消毒、調制后的啤酒為“熟啤”。你認為保質期較長的是________(填“生啤”或“熟啤”)，更容易引起部分人發生腸道過敏反應的是________(填“生啤”或“熟啤”)，原因是__________________________________________________ ___________________________________________________________________。
講解1：發酵工程及其應用
1、發酵罐示意圖及各結構的主要用途
裝置編號 主要用途
A1、A2、A3 控制培養物以一定速度進入、流出發酵罐，實現連續培養
A4 控制溶解氧(無菌、根據微生物代謝類型調控)
B1、B2、B3、 B4、B5 通過肉眼觀察、儀器監測等監控發酵條件以及發酵進程，B2處抽取樣本進行進一步監測
C1、C2 通過控制冷水流速調節罐溫
C3 調節罐壓
D1、D2 電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發酵液混合均勻，加快氧氣的溶解以及散熱
2、影響發酵過程的因素及相應的調節和控制方法
(1)溫度
①影響因素：微生物分解有機物釋放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散發到培養基中時，會引起發酵溫度升高；機械攪拌也會產生一部分熱量引起溫度升高。
②方法：用冷卻水進行溫度的調節。
(2)pH
①影響因素：pH發生變化的主要原因是培養基中營養成分的利用和代謝產物的積累。
②方法：在培養基中添加緩沖液，在發酵過程中加酸或堿。
(3)溶解氧
①對于需氧型微生物，發酵過程要保證充足的溶解氧；對于厭氧型微生物，要保證嚴格的無氧環境。
②方法：利用發酵罐的空氣入口控制氧氣的量。
(4)菌種：
①每一種微生物的代謝特征不同，它們產生特定產物的能力也不同。
②方法：進行篩選，或通過誘變、基因工程等手段獲得。
③優良的菌種不僅具有健壯，不易退化 ，其發酵產品的 產量高、質量穩定 等優點，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味，因此 菌種選育 環節在很大程度上決定了生物發酵產物的成敗。
(5)純種發酵與滅菌：
①現代發酵工業絕大多數采用純種發酵，可以保證高產及生產過程和產品質量的穩定。污染是發酵工業的大敵，它會使發酵失敗，造成巨大損失。
②方法：滅菌和無菌操作成為發酵工業的重要環節。
(6)發酵培養基：
①現在大規模工業發酵產品的生產，多采用液體培養基進行深層發酵。使用的培養基除了滿足微生物細胞生長、繁殖的需要，還必須有利于微生物大量合成所需的產物。
②方法：培養基的合理組成十分關鍵。
3、選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？
⑴能在廉價原料制成的培養基上生長，且大量高效地合成產物；
⑵遺傳性能要相對穩定；
⑶菌種改造的可操作性要強；
⑷抗噬菌體及雜菌污染能力強；
⑸發酵條件如溫度、pH、溶解氧、泡沫等易控制。
4、對發酵工程基本環節的幾點分析
(1)擴大培養過程：
生產用菌種種子培養罐……―→足夠菌種
(反復多次)
(2)接種：將多次擴大培養后的菌種接入工業發酵罐中。
(3)分離、提純產物在產物的初分離階段，常采取沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。

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