資源簡介

(共102張PPT)
第3節　發酵工程及其應用
必備知識·素養奠基
一、發酵工程的概念和基本環節
1.發酵工程的概念:
(1)過程:利用_______的特定功能,通過_________技術,規模化生產對人類有用
的產品。
(2)范圍:它涉及菌種的選育和培養、_________________等方面。
微生物
現代工程
產物的分離和提純
2.發酵工程的基本環節:
(1)基本環節:
(2)選一選:下列關于發酵工程基本環節的描述正確的是_______
①用于發酵工程的菌種應該具備優良性狀,并且只能從自然界中篩選。
②在進行發酵前,需要對選育的菌種進行擴大培養。
③發酵工程所用的菌種大多是單一菌種,所以沒有必要進行嚴格的滅菌。
④發酵工程所用的培養基是液體培養基。
⑤在發酵過程中要隨時進行檢測,還需要對發酵條件進行嚴格的控制。
⑥發酵結束后即可得到發酵產品。
②④⑤
【激疑】現代發酵工程和傳統發酵技術所用菌種的來源有什么差異?
提示:傳統發酵技術用的菌種一般是原材料中天然存在的多種菌種,而現代發酵工程用的菌種是通過微生物培養技術獲得的單一菌種。
3.發酵裝置:
二、發酵工程的應用
1.特點:
(1)_____________。
(2)原料來源豐富且價格低廉。
(3)_________。
(4)廢棄物對環境的污染小和容易處理。
生產條件溫和
產物專一
【激疑】為什么發酵工程的生產條件比較溫和?
提示:發酵是利用微生物的代謝將原料進行轉化,而微生物細胞代謝是在常溫常壓條件下進行的,因此發酵工程的生產條件比較溫和。
2.在食品工業上的應用:
(1)生產傳統的_________。
①優點:能明顯提高產品的___________。
②實例:
發酵產品
產量和質量
b.啤酒的工業化生產流程:
(2)生產各種各樣的食品添加劑:酸度調節劑、_______、著色劑、_______、
防腐劑等。
(3)生產_______:在食品工業中,經常用到一些酶制劑,如α-淀粉酶、β-淀粉
酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
增味劑
增稠劑
酶制劑
【激疑】有人認為食品添加劑都是有害的,這種想法對嗎?為什么?
提示:不對。食品添加劑可以增加食品的營養,改善食物的口味等,只要符合國家標準,并不會對人體產生傷害。
3.在醫藥工業上的應用:
(1)發酵工程可以生產抗生素、_______、激素和___________等。
(2)基因工程與_________相結合生產所需要的產品。
氨基酸
免疫調節劑
發酵技術
4.在農牧業上的應用:主要表現在生產___________、微生物農藥、___________
等方面。
5.在其他方面的應用:
(1)對解決資源與_________問題具有重要意義。
(2)_____微生物的應用。
(3)發酵工程滲透到幾乎所有的工農業領域。
微生物肥料
微生物飼料
環境污染
極端
關鍵能力·素養形成
知識點一　發酵工程的基本環節
1.選育菌種:
(1)常用菌種:主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。
(2)菌種特點:
①對周圍環境的溫度、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應能力。
②有極強的消化能力。
③有極強的繁殖能力。
(3)選育方法:
①從自然界中篩選出優良菌種。
②利用誘變育種篩選出符合生產要求的優良菌種。
③利用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造,構建出能生產相應產品的菌種。
2.擴大培養:在進行接種前,要進行擴大培養。
(1)目的:增加菌種的數量,縮短生產周期。
(2)方法:將培養到生長速度最快時期的菌體分開,再進行培養。
3.配制培養基:
(1)類型:發酵工程一般使用液體培養基。
(2)要求:
①根據不同的菌種,選擇不同的材料配制培養基。
②培養基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求,并為微生物提供適宜的pH,以利于產物的合成。
③應盡量降低生產成本,以得到更高的經濟效益。
4.滅菌和接種:在發酵前對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌處理,接種過程中要注意防止雜菌污染。
5.發酵罐內發酵——發酵工程的中心環節:
【特別提醒】通過發酵罐對發酵條件進行控制
(1)溫度:通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進行監測和調整。
(2)溶解氧:通過通氣量和攪拌速度加以調節。
(3)pH:通過加料裝置添加酸或堿進行調節,也可以在培養基中添加pH緩沖液。
6.分離、提純產物,獲得發酵產品:
發酵產品
分離提純方法
微生物細胞
過濾、沉淀將菌體分離和干燥
代謝物
蒸餾、萃取、離子交換等方法
【特別提醒】關于發酵罐使用的三點提醒
(1)發酵罐在使用前要進行滅菌,培養基和發酵設備一般用蒸汽滅菌,空氣采用過濾的方法除菌。
(2)對于需氧發酵,為了防止雜菌污染,應該從空氣入口通入無菌空氣。
(3)攪拌的作用:
a.使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的溶解氧;
b.使菌種與培養液充分接觸,提高原料利用率。
【素養案例】
如圖所示是發酵工程生產產品的流程圖,據圖回答下列問題:
(1)發酵工程中,選育優良性狀的菌種,至關重要。高產青霉素菌種是通過__________育種獲得的,啤酒酵母菌是通過__________改造的。
?
(2)圖中①表示__________,這樣做的目的是___________________________。?
(3)③表示__________,是整個過程的中心環節,在此階段需隨時取樣、檢測__________、__________等,以了解發酵進程,還要及時添加______________,同時嚴格控制____________等發酵條件。?
(4)④表示__________,發酵結束后可采用__________等方法獲得產品。?
【解題導引】解答本題的兩個關鍵點:
(1)發酵工程的基本環節:菌種的選育和擴大培養,培養基的配制,滅菌,接種,發酵,產品的分離提純。
(2)發酵工程的中心環節:發酵罐內發酵。
【解析】(1)高產青霉素菌種是通過誘變育種獲得的,啤酒酵母菌是通過基因工程改造的。(2)圖中①表示擴大培養,目的是增加菌種的數量,縮短生產周期。(3)③是整個過程的中心環節——發酵罐內發酵,在此階段需隨時取樣、檢測微生物數量、產物濃度等,以了解發酵進程。隨著發酵進行,培養基中的營養物質減少,還要及時添加必需的營養組分,同時嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。(4)④是發酵工程產品微生物細胞(菌體),發酵結束后可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥。
答案:(1)誘變　基因工程
(2)擴大培養　增加菌種的數量,可以縮短生產周期
(3)發酵罐內發酵　微生物數量　產物濃度　必需的營養組分　溫度、pH和溶解氧
(4)微生物細胞(菌體)　過濾、沉淀
【誤區警示】菌種的選育和培養常見誤區
(1)誤認為高產青霉素菌種是通過基因工程獲得的:高產青霉素菌種是通過誘變育種獲得的。
(2)易弄錯增加菌種數量的方法:獲得優良菌種后,為了縮短生產周期,要進行擴大培養來增加菌種數量。
【素養·探究——母題追問】
(1)科學思維——分析與推理
發酵過程中為什么要控制發酵條件?
提示:發酵條件會影響微生物的生長繁殖和代謝物的形成。
(2)科學探究——結果評價
在谷氨酸發酵中產物是什么?它屬于代謝物嗎?
提示:谷氨酸發酵產物是谷氨酸棒狀桿菌產生的谷氨酸,是細胞代謝物。
【素養·遷移】
(2018·江蘇高考)某高校采用如圖所示的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
【解析】選B。果酒發酵過程中會放出熱量使罐體溫度上升,故需對發酵罐進行降溫處理,A項正確;乙醇雖然為揮發性物質,但其能溶于水,而且酒精發酵為無氧呼吸,發酵過程中不需進氣,B項錯誤;發酵過程中有CO2產生,所以罐內壓力不會低于大氣壓,C項正確;發酵程度可以通過監測發酵液中殘余糖的濃度來確定,D項正確。
知識點二　發酵工程的應用
1.發酵工程的應用:發酵工程滲透到幾乎所有的工農業領域。
(1)在食品工業上的應用:生產傳統的發酵產品、食品添加劑和酶制劑。
(2)在醫藥工業上的應用:生產抗生素、氨基酸、激素、免疫調節劑和疫苗等。
(3)在農牧業上的應用:生產微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料等。
【特別提醒】啤酒的工業化生產的五點提醒
(1)啤酒酵母菌:通過微生物培養技術篩選出的優良菌種,在接種前進行擴大培養,縮短生產周期。
(2)焙烤溫度不能過高,防止淀粉酶失活。
(3)蒸煮后的糖漿一定要冷卻后才能接種,防止高溫殺死酵母菌。
(4)發酵過程中注意控制好溫度、pH、通氣、發酵時間等。
(5)接種前要對發酵罐進行滅菌,接種時要進行無菌操作,防止雜菌污染。
2.發酵工程與傳統發酵技術的比較:
發酵工程
傳統發酵技術
不
同
點
菌種
通過微生物純培養技術篩選或其他技術生產的優良菌種,大多是單一菌種
原材料中天然存在的混合菌種
發酵
方式
液體發酵為主
固體發酵或半固體發酵為主
對發
酵條
件的
控制
嚴格無菌操作,防止雜菌污染。通過現代工程技術對發酵條件精確地控制,使發酵條件處于最佳狀態
不是無菌操作,容易受到雜菌污染。對發酵條件不能嚴格控制,易受外界條件影響
發酵工程
傳統發酵技術
不
同
點
生產
規模
和
產品
生產規模大,實現了工業化生產。原料來源豐富,成本低,產物多樣,產量高
通常是家庭式或作坊式的,產量低,生產往往受季節和原料限制,產品風味品種比較單一,質量不穩定
相同點
①都是利用了微生物的作用
②發酵工程是在傳統發酵技術的基礎上發展起來的
【素養案例】
啤酒是以糧食作物大麥為主要原料釀造的,如圖是某種啤酒的生產流程,回答下列問題。
(1)在釀造過程中需要將大麥種子進行發芽處理,此過程的目的是__________
________________________,麥芽經過焙烤、碾磨成__________。?
(2)經過糖化階段,麥芽中的淀粉、蛋白質等大分子被分解成酵母菌可利用的可溶性小分子物質。糖化時溫度的變化通常是由低溫逐步升至高溫,以防止______________________________________________________________。?
(3)在蒸煮階段,要將糖漿中加入啤酒花煮沸一定時間,不僅可以蒸發掉多余的水分,還可以起到__________作用。?
(4)在主發酵初期,往往先通入無菌空氣,目的是______________
________________________________________________________________,?
之后進行密封發酵。酒精就是在密封發酵期間產生的,寫出反應簡式____。?
(5)經過一段時間的后發酵,才能形成澄清、成熟的啤酒。后發酵期間糖類繼續發酵,促進啤酒風味的成熟。影響啤酒風味的因素有__________、__________等。?
　
　　　　　
【解題導引】解答本題需掌握以下三個關鍵知識:
(1)大麥種子發芽的目的:產生淀粉酶等。
(2)糖化的實質:大分子物質在酶的作用下,被分解成小分子物質。
(3)酵母菌發酵的過程:前期有氧條件酵母菌的數量增加,后期無氧條件酵母菌進行酒精發酵。
【解析】(1)大麥種子發芽的目的是釋放淀粉酶、蛋白酶等多種酶。麥芽經過焙烤、碾磨成麥芽粉。
(2)糖化時由低溫逐步升至高溫,以防止麥芽中淀粉酶等因高溫而變性失活。
(3)在蒸煮階段,不僅可以蒸發掉多余的水分,還可以起到滅菌作用。
(4)在主發酵初期,需要通入無菌空氣,目的是增加酵母菌的數量,有利于密閉時獲得更多的酒精產物,反應簡式見答案。
(5)影響啤酒風味的因素有酵母菌菌種、大麥品種、發酵時間、發酵溫度等。
答案:(1)釋放淀粉酶　麥芽粉
(2)麥芽中淀粉酶等因高溫而變性失活
(3)滅菌
(4)有氧條件酵母菌進行出芽生殖,數量增加
C6H12O6
2C2H5OH+2CO2+能量
(5)酵母菌菌種　大麥品種　發酵時間　發酵溫度(寫兩種即可)
【素養·探究——母題追問】
(1)科學思維——分析與綜合
在糖化階段,溫度低影響啤酒品質,溫度高會使麥芽產生的淀粉酶等失活,你能想到什么方法解決?
提示:可以在此階段使用發酵工程生產的耐高溫的淀粉酶制劑。
(2)科學思維——分析與推理
發酵后的啤酒需要經過消毒才能包裝銷售,請你利用所學知識,分析用什么方法對啤酒進行消毒。
提示:為了保持啤酒的風味,應用巴氏(低溫)消毒法進行消毒。
【素養·遷移】
　下列有關發酵工程應用的說法錯誤的是
(　　)
A.發酵工程可以生產醬油、泡菜等傳統發酵食品
B.檸檬酸、乳酸等食品添加劑可以通過發酵工程生產
C.發酵工程可以生產多種藥物,但是不能生產疫苗
D.發酵工程生產的單細胞蛋白可以制作成微生物飼料
【解析】選C。發酵工程可以生產傳統發酵食品,A正確;檸檬酸、乳酸是通過發酵工程生產的食品添加劑,B正確;科學家利用基因工程將病原體基因轉入微生物細胞,通過發酵工程可以生產疫苗,C錯誤;單細胞蛋白可以制作成微生物飼料,D正確。
【補償訓練】
　　以下不屬于發酵的是
(　　)
A.利用需氧型青霉菌生產青霉素
B.缺氧時人的組織細胞產生乳酸
C.利用酵母菌的無氧呼吸獲得酒
D.利用乳酸菌制作泡菜
【解析】選B。發酵是指通過微生物的代謝將原料轉化為人類所需要的產物的過程。可見,利用需氧型青霉菌生產青霉素、利用酵母菌的無氧呼吸獲得酒和利用乳酸菌制作泡菜,都屬于發酵,而缺氧時人的組織細胞產生乳酸的過程則不屬于發酵,A、C、D均不符合題意,B符合題意。
【課堂回眸】
課堂檢測·素養達標
【概念·診斷】　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.運用發酵工程可以生產多種產品,請分析下列關于發酵工程的敘述,正確的是__________。?
①防止雜菌入侵和獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的重要基礎
②發酵工程最重要的環節是發酵罐內發酵
③青霉素有抗菌作用,即使生產青霉素的發酵過程中混入了雜菌,發酵也不受影響
④大型發酵罐有計算機控制系統,能對發酵條件進行控制
⑤發酵工程不能生產傳統發酵食品
⑥發酵工程可以生產微生物農藥
⑦發酵工程與傳統發酵技術都是利用微生物的作用進行的發酵
【解析】選①②④⑥⑦。發酵工程常用單一菌種發酵,因此防止雜菌入侵和獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的重要基礎,①正確;發酵工程的中心環節是發酵罐內發酵過程,②正確;青霉素的生產過程中混入了雜菌,雜菌分泌的青霉素酶會將青霉素分解,③錯誤;發酵罐有計算機控制系統,能對發酵過程中的各種條件進行監測和控制,④正確;發酵工程能生產傳統發酵食品,⑤錯誤;發酵工程可以生產微生物農藥、微生物肥料、微生物飼料等,⑥正確;發酵工程與傳統發酵技術的共同點都是利用微生物進行的發酵,⑦正確。
2.下列選項中不是發酵工程特點的是
(　　)
A.原料來源豐富,價格低
B.產物專一,產量高
C.廢棄物對環境污染小,容易處理
D.生產條件需要高溫高壓
【解析】選D。發酵工程是運用微生物的功能進行的生產,生產條件溫和,即在常溫常壓條件下進行,D錯誤。
3.用發酵工程生產單細胞蛋白時,對產物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。單細胞蛋白是微生物菌體,采用過濾、沉淀等方法將菌體進行分離和干燥。
【思維·躍遷】
4.下列關于發酵工程的說法,正確的是
(　　)
A.人工誘變、細胞工程、基因工程等都可對微生物進行定向改造
B.環境條件的變化不僅影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝
C.發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成都與攪拌速度無關
D.單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的
【解析】選B。人工誘變導致基因突變是不定向的,細胞工程、基因工程是具有目的性的,故人工誘變不能對微生物進行定向改造,A錯誤;環境條件的變化不僅影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝,B正確;攪拌可增加溶氧量,發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成速度都與攪拌速度有關,C錯誤;單細胞蛋白是指通過發酵獲得的大量的微生物菌體,D錯誤。
5.如圖是發酵工程常用的機械攪拌式發酵罐,是工業生產中最常用的發酵罐。回答下列問題:
(1)1是培養物或營養物質的________,2是__________,4是__________,3是__________。?
(2)5是__________,此裝置運轉時,既能使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的__________,又能使菌種與培養液__________,提高原料利用率。但是在利用乳酸菌生產乳酸時一般不用此裝置,這是因為____________________。
(3)若此裝置用于酒精發酵,在發酵過程中,pH________,
罐內的壓力會__________。?
(4)發酵罐在使用前要進行__________。?
【解析】(1)分析此裝置,1是培養物或營養物質的加入口,2是排氣管,4是冷卻水進入口,3是空氣入口。(2)5是攪拌葉輪,作用是使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的溶解氧,使菌種與培養液充分接觸,提高原料利用率。乳酸菌是厭氧型微生物,所以進行乳酸發酵不使用此裝置。(3)在酒精發酵過程中,由于有二氧化碳產生,所以會導致pH下降,
罐內的壓力會增加。(4)防止雜菌污染,發酵罐在使用前要進行滅菌。
答案:(1)加入口　排氣管　冷卻水進入口　空氣入口
(2)攪拌葉輪　溶解氧　充分接觸　乳酸菌是厭氧型微生物,發酵過程不需要氧氣　(3)下降　增加　(4)滅菌
【拓展·探究】
6.植物乳桿菌屬于乳酸菌的一種,在繁殖過程中可分泌一類具有抑菌活性的蛋白質,此種蛋白質稱為細菌素,作為重要的天然食品防腐劑在食品加工中有著廣泛應用。現有兩種較高產細菌素的菌株,菌株A產細菌素能力強于菌株B,但菌株A細胞中的細菌素合成途徑中缺少兩個重要的調控基因plnC和plnD,而菌株B細胞中具有這兩個基因。研究人員按下圖所示流程對菌株A和B進行改良,獲得了更高產細菌素的新型菌株C。
(1)從細胞結構的角度分析,植物乳桿菌屬于____________生物,其進行合成細菌素等生命活動所需的能量由______________呼吸提供。?
(2)實驗發現,植物乳桿菌對檸檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人員選擇檸檬色葡萄球菌作為指示菌進行抑菌實驗,來比較菌株A、B、C的產細菌素能力。實驗步驟如下:
a.在平板培養基中涂布______________;?
b.分別在平板的不同位置接種______________作為實驗組;對照組的處理是______________;
?
c.培養一段時間后,觀察并比較抑菌圈大小。
預期結果為:____________________________________________。?
(3)抗生素是由微生物產生的具有較強抑菌殺菌效果的小分子有機物。請結合所學知識及相關信息,分析將細菌素而非抗生素用作食品防腐劑的優勢________________。(答出一點即可)?
【解析】(1)植物乳桿菌屬于乳酸菌的一種,屬于細菌,是原核生物;由于植物乳桿菌是厭氧性細菌,故進行合成細菌素等生命活動所需的能量由無氧呼吸提供。
(2)植物乳桿菌對檸檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人員選擇檸檬色葡萄球菌作為指示菌進行抑菌實驗,來比較菌株A、B、C的產細菌素能力,故應該在平板培養基上涂布檸檬色葡萄球菌菌液,分別在平板的不同位置接種A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的濾紙片)作為實驗組,接種等量無菌水(蘸取無菌水的濾紙片)作為對照組,觀察含有抑菌物質的濾紙片周圍的抑菌圈大小,預期結果為抑菌圈從大到小依次為C、A、B,對照組無抑菌圈。
(3)將細菌素而非抗生素用作食品防腐劑的優勢為:與抗生素不同,細菌素的化學本質是蛋白質,被人體食用后可被胃蛋白酶等消化酶降解,不會被吸收進入人體內,也不會破壞人體腸道益生菌,排放入環境中的量少,因此一般情況下,具有無毒、無副作用、無殘留、少污染的優點。
答案:(1)原核　無氧　(2)檸檬色葡萄球菌菌液　A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的濾紙片)　接種等量無菌水(蘸取無菌水的濾紙片)　抑菌圈從大到小依次為C、A、B,對照組無抑菌圈　(3)無毒、無副作用、無殘留、少污染
課時素養評價
四　發酵工程及其應用
【基礎達標】
(20分鐘·70分)
一、選擇題(共7小題,每小題5分,共35分)
1.發酵罐內發酵時,一定要控制好發酵條件,下列說法錯誤的是
(　　)
A.對溫度的控制可以通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進行監測和調整
B.若是谷氨酸發酵需要將pH調至酸性
C.可以在培養基中添加緩沖液以維持發酵時pH的相對穩定
D.對于需氧發酵通過調節通氣量和攪拌速度控制溶氧量
【解析】選B。發酵過程對溫度的控制是通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置完成的,A正確;谷氨酸發酵時,在中性或弱堿性條件會積累谷氨酸,在酸性條件下容易形成其他產物,因此應將pH調至中性或弱堿性,B錯誤。維持pH穩定的方法是通過加料裝置添加酸或堿進行調節,或者在培養基中添加pH緩沖液,C正確;對溶解氧的控制是通過調節通氣量和攪拌速度,D正確。
2.發酵工程與現代生物技術相結合,應用范圍越來越廣泛。下列關于發酵工程應用的描述錯誤的是
(　　)
A.運用發酵工程生產的傳統發酵食品,產量和質量都得到了明顯的提高
B.大多數酶制劑都是通過發酵工程生產的
C.發酵工程生產的單細胞蛋白可以用作微生物肥料
D.基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合大大降低了某些藥物的生產成本
【解析】選C。發酵工程實現了規模化的生產,發酵過程對發酵條件嚴格控制,提高了產品的產量和質量,A正確;絕大多數酶制劑都是通過發酵工程生產的,B正確;單細胞蛋白可以用作微生物飼料,而不是微生物肥料,C錯誤;基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合提高了藥物的產量,降低了藥物的生產成本,D正確。
3.漆酶屬于木質降解酶類,在環境修復、農業生產等領域有著廣泛用途。如圖是分離、純化和保存漆酶菌株的過程,相關敘述正確的是
(　　)
A.生活污水中含有大量微生物,是分離產漆酶菌株的首選樣品
B.篩選培養基中需要加入漆酶的底物,通過菌落特征挑出產漆酶的菌落
C.在涂布平板上長出的菌落,再通過劃線進一步計數
D.斜面培養基中含有大量營養物質,可在常溫下長期保存菌株
【解析】選B。生活污水中含有大量微生物,但不一定含有產漆酶的菌株,可能分離不出產漆酶菌株,A錯誤;生活污水中含有大量微生物,將篩選培養基中加入漆酶的底物,通過菌落特征就能挑出產漆酶的菌落,B正確;在涂布平板上長出的菌落,再通過劃線進一步純化,不是計數,C錯誤;斜面培養基中含有大量營養物質,不能在常溫下保存,可在低溫下長期保存菌株,D錯誤。
4.下列關于發酵過程的描述,錯誤的是
(　　)
A.發酵過程中,微生物的生命活動會引起發酵溫度升高
B.發酵過程中要隨時檢測微生物數量和產物濃度
C.發酵過程中產生的廢棄培養液等能直接排放到環境中
D.啤酒的發酵過程中,酵母菌將糖類轉化為酒精和二氧化碳
【解析】選C。發酵過程中微生物分解有機物釋放能量,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,A正確;發酵過程中要隨時檢測微生物數量和產物濃度,以了解發酵進程,B正確;發酵過程中產生的廢棄培養液等會污染環境,不能直接排放到環境中,C錯誤;啤酒的發酵過程中,酵母菌進行厭氧發酵,將糖類轉化為酒精和二氧化碳,D正確。
【互動探究】
(1)除了微生物代謝,還有哪些因素可以使發酵溫度升高?
提示:攪拌葉輪的機械攪拌,也會產生一部分熱量引起溫度升高。
(2)怎樣降低發酵罐的溫度?
提示:可以通過增加冷卻水的進水量,降低發酵罐的溫度。
5.“通州老窖”是以優質高粱、麩曲、產脂酵母菌為原材料釀制出的一種白酒。以下相關敘述正確的是
(　　)
A.水質、菌種和發酵時間會影響酒的品質
B.所用的菌種屬于生態系統中的消費者
C.可用平板劃線法測定發酵液中的菌種濃度
D.釀制過程必須進行嚴格的滅菌操作
【解析】選A。影響酒品質的因素有很多,如水質、菌種和發酵時間等,A正確;釀酒所用的菌種屬于生態系統中的分解者,B錯誤;可用稀釋涂布平板法測定發酵液中的菌種濃度,C錯誤;釀制過程不能進行滅菌,防止把酵母菌殺死而影響酒的產量,D錯誤。
6.發酵工程最重要的工作是選擇優良的單一純種,消滅雜菌。獲得純種的方法不包括
(　　)
A.根據微生物對碳源需求的差別,使用含有不同碳源的培養基
B.根據微生物需要生長因子的種類,在培養基中增減不同的生長因子
C.根據微生物遺傳組成的差異,在培養基中加入不同比例的核酸
D.根據微生物對抗生素敏感性的差異,在培養基中加入不同的抗生素
【解析】選C。根據微生物對碳源需求的差別,使用含有不同碳源的培養基可以選擇微生物種類,能獲得純種,A不符合題意;在培養基中增減不同的生長因子的作用也是選擇微生物,B不符合題意;根據微生物遺傳組成的差異,在培養基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA),它不會直接影響到微生物自身的遺傳組成,即使被微生物利用,也是被分解為核苷酸后利用,所以培養基中加入不同比例的核酸,不會對微生物起選擇作用,C符合題意;抗生素也可對生物起選擇作用,D不符合題意。
7.發酵工程的一項關鍵措施是滅菌,關于滅菌的敘述正確的是
(　　)
A.培養基和發酵設備均需要嚴格滅菌
B.滅菌是殺死培養基中的一切細菌和真菌
C.通入無菌空氣可以達到滅菌的目的
D.pH調到7左右滅菌效果最好
【解析】選A。滅菌就是殺滅微生物,以排除對生產、實驗的干擾,關鍵是要對培養基和發酵設備滅菌,故A正確;培養基的滅菌是殺死培養基中的一切微生物,故B錯誤;為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無菌的,但不是通入無菌空氣就可以達到滅菌的目的,故C錯誤;滅菌效果與pH無直接關系,故D錯誤。
二、非選擇題(共2小題,共35分)
8.(15分)谷氨酸棒狀桿菌可用于微生物發酵工程生產谷氨酸,從而制取谷氨酸鈉(味精)。如圖為谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑,通過發酵工程可以大量生產谷氨酸。回答下列問題:
(1)與酵母菌相比,谷氨酸棒狀桿菌在結構上的顯著特點是__________________;谷氨酸發酵的培養基成分有豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、生物素等,從物理性質看,該培養基屬于__________培養基。?
(2)發酵過程中要測定谷氨酸棒狀桿菌的數量,可采用的計數方法有顯微鏡直接計數法和__________,前者計數的結果比后者計數的結果值偏__________(填“大”或“小”),原因是________________________________。?
(3)由圖可知,谷氨酸棒狀桿菌體內若積累了較多的谷氨酸,則會抑制谷氨酸脫氫酶的活性,微生物這種對自身代謝速率的調節方式是__________。?
(4)谷氨酸棒狀桿菌在發酵過程中要不斷地通入無菌空氣,并通過攪拌使空氣形成細小的氣泡,迅速溶解在培養液中,當培養基中碳氮比為4∶1時,菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少;當碳氮比為3∶1時,菌體繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。在無氧條件下,谷氨酸棒狀桿菌代謝產物是乳酸或琥珀酸。由此說明谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是__________,由上述探究可知,通過發酵得到大量谷氨酸的發酵思路_______________________________________________。?
【解析】(1)谷氨酸棒狀桿菌屬于細菌,酵母菌屬于真菌,谷氨酸棒狀桿菌在結構上的顯著特點是無核膜包被的細胞核。谷氨酸發酵的培養基成分有豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、生物素等,從物理性質看,該培養基屬于液體培養基。
(2)測定谷氨酸棒狀桿菌的數量可采用的計數方法有顯微鏡直接計數法和稀釋涂布平板法。由于顯微鏡直接計數法中死活菌體一起計數,而稀釋涂布平板法只計數活菌數,且可能有多個菌體形成同一個菌落,因此顯微鏡直接計數法計數的結果比稀釋涂布平板法計數的結果值更大。
(3)據題圖分析,當谷氨酸過量時,會抑制谷氨酸脫氫酶的活性,導致谷氨酸脫氫酶的活性下降,從而使谷氨酸含量下降,這種對自身代謝速率的調節方式是負反饋調節。
(4)分析可知,谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是異養兼性厭氧型,當培養基中碳氮比為4∶1時,菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少;當碳氮比為3∶1時,菌體繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增,因此通過發酵得到大量谷氨酸的發酵條件是不斷向發酵液中通入無菌空氣,在發酵液C/N=4∶1中培養一段時間,使菌種大量繁殖,后將培養液的C/N改為3∶1,即可通過發酵得到大量谷氨酸。
答案:(1)無核膜包被的細胞核　液體
(2)稀釋涂布平板法　大　前者死活菌體一起計數,后者只計數活菌數,且可能有多個菌體形成同一個菌落
(3)負反饋調節　(4)異養兼性厭氧型　不斷向發酵液中通入無菌空氣,發酵液中碳氮比為4∶1,培養一段時間使菌種大量繁殖,后將培養液的碳氮比改為3∶1,使菌種合成大量谷氨酸
9.(20分)隨著對纖維素水解研究的不斷深入,利用纖維素廢料發酵生產酒精等能源物質已取得成功。發酵工程中可利用纖維素分解菌將纖維素分解,隨后將其轉化成新的能源物質——乙醇,進一步利用乙醇生產醋酸。工業生產這兩種成分的基本工藝流程如圖所示。請回答:
(1)在發酵罐Ⅰ內,纖維素分解菌能夠分泌纖維素酶將纖維素分解為__________。?
(2)在過程②篩選纖維素分解菌時,常常采用平板劃線法和_____________法進行純化。兩種方法的共同點是__________________________。?
用來篩選纖維素分解菌的培養基是__________培養基(從功能上分類),培養基中含有Na2HPO4和KH2PO4,其作用有__________________________________。(答出兩點)?
(3)微生物X應為__________,發酵一定時間后,觀察到發酵罐內液體不再有__________,說明發酵基本完畢。?
(4)微生物Y應是__________。發酵罐Ⅱ內和發酵罐Ⅲ內除了嚴格控制溫度、pH外,發酵罐Ⅲ內還需要通入__________。?
(5)若發酵罐Ⅱ中的酒全部流經發酵罐Ⅲ制成醋,發酵罐Ⅲ中CO2的產生量是__________。?
A.發酵罐Ⅱ的兩倍
B.與發酵罐Ⅱ的相等
C.發酵罐Ⅱ的一半
D.幾乎為零
【解析】(1)在發酵罐Ⅰ內,纖維素分解菌能夠分泌纖維素酶,該酶可將纖維素分解為葡萄糖。
(2)在過程②篩選纖維素分解菌時,常常采用平板劃線法和稀釋涂布平板法進行純化。兩種方法的共同點是把聚集在一起的細菌分散成單個,培養后得到單個菌落。用來篩選纖維素分解菌的培養基中含有Na2HPO4和KH2PO4(這些都是無機鹽,又是磷酸一氫鹽和磷酸二氫鹽),其作用有為細菌生長提供無機營養,作為緩沖劑維持細胞生長過程中的pH穩定。
(3)發酵罐Ⅱ是通過酵母菌發酵生產乙醇,發酵一定時間后,觀察到發酵罐內液體不再有氣泡產生,說明發酵基本完畢。
(4)發酵罐Ⅲ是通過醋酸(桿)菌發酵生產醋酸。發酵罐Ⅱ內和發酵罐Ⅲ內除了嚴格控制溫度、pH外,發酵罐Ⅲ是需氧發酵,還需要通入無菌空氣。
(5)若發酵罐Ⅱ中的酒全部流經發酵罐Ⅲ制成醋,酒精氧化成醋酸是利用醋酸(桿)菌有氧呼吸得到的,但這一過程不產生CO2,因此發酵罐Ⅲ中CO2的產生量幾乎為零。
答案:(1)葡萄糖
(2)稀釋涂布平板　把聚集在一起的細菌分散成單個,培養后得到單個菌落　選擇　為細菌生長提供無機營養,作為緩沖劑維持細胞生長過程中的pH穩定
(3)酵母菌　氣泡產生
(4)醋酸(桿)菌　無菌空氣　(5)D
　【能力提升】(10分鐘·30分)
1.(8分)(不定項)下列關于發酵工程基本環節的分析正確的是
(　　)
A.培養基和發酵設備都應經過嚴格的滅菌才能使用,對于需氧發酵,通入的空氣也應經過滅菌處理
B.溫度不僅能影響菌種的代謝,還能影響菌種對營養物質的吸收
C.pH變化能導致某些菌種的發酵產物也發生變化
D.酒精發酵時,菌種的擴大培養與發酵罐內的培養條件是相同的
【解析】選A、B、C。培養基和發酵設備都應經過滅菌才能使用,通入的空氣也應經過滅菌處理,A正確;溫度能影響菌種(微生物)的代謝,如細胞呼吸速率受溫度影響,菌種對營養物質的吸收速率也受溫度影響,B正確;pH變化能導致某些菌種的發酵產物也發生變化,例如谷氨酸發酵在中性和酸性條件下產物不同,C正確;酒精發酵時,菌種的擴大培養是有氧條件,酵母菌大量繁殖,發酵罐內的培養是無氧條件,酵母菌進行無氧呼吸產生酒精,D錯誤。
【誤區警示】誤認為擴大培養與發酵生產過程中的培養相同
擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖,而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物,目的不同采用的培養條件就有可能不同。
2.(22分)(2018·江蘇高考改編)酵母的蛋白質含量可達自身干重的一半,可作為飼料蛋白的來源。有些酵母可以利用工業廢甲醇作為碳源進行培養,這樣既可減少污染又可降低生產成本。研究人員擬從土壤樣品中分離該類酵母,并進行大量培養。如圖所示為操作流程,請回答下列問題:
(1)取步驟②中不同梯度的稀釋液加入標記好的無菌培養皿中,在步驟③中將溫度約________(選填“25
℃”“50
℃”或“80
℃”)的培養基倒入培養皿混勻,冷凝后倒置培養。?
(2)挑取分離平板中長出的單菌落,按步驟④所示進行劃線。下列敘述合理的有________。?
a.為保證無菌操作,接種針、接種環使用前都必須滅菌
b.劃線時應避免劃破培養基表面,以免不能形成正常菌落
c.挑取菌落時,應挑取多個菌落,分別測定酵母細胞中甲醇的含量
d.可以通過逐步提高培養基中甲醇的濃度,獲得甲醇高耐受株
(3)步驟⑤是__________________,目的是使酵母數量迅速增加,此過程中需保證充足的營養和____________供應。在此階段要通過取樣檢測酵母細胞的數量變化。下圖中的4個曲線圖分別表示在擴大培養階段各種因素對酵母細胞繁殖速率的影響,其中不正確的是
(　　)?
【解析】(1)倒平板時,錐形瓶中的培養基溫度控制在50
℃左右較適宜,溫度太
低會凝固,太高會燙手。
(2)挑取分離平板中長出的單菌落用于平板劃線時需注意題干中a、b、d所敘述
的要點,為了獲得專一酵母,只挑取效果最好的菌落就行,不需挑取多個菌落。
(3)酵母菌是兼性厭氧型真菌,有氧條件下大量繁殖。酵母菌擴大培養時,需保
證充足的營養和氧氣供應。在一定溫度范圍內,隨溫度的升高,酶的催化作用增
強,繁殖速率加快,而超過這一范圍,酶的催化作用逐漸減弱,繁殖速率減慢,A正
確;酵母菌屬于兼性厭氧型生物,在一定范圍內,隨著溶氧量增加,有氧呼吸速率
增強,繁殖速率加快,但達到一定溶氧量后,有氧呼吸速率不再增加,則繁殖速率
不變,B正確;曲線應是先從O點開始上升,故C錯誤;由于pH可以影響酶活性,每種酶都有一個最適pH,高于或低于該pH,酶活性下降,所以曲線應該先上升,再下降,故D正確。
答案:(1)50
℃
(2)a、b、d
(3)酵母菌擴大培養　氧氣　C第3節　發酵工程及其應用
必備知識·素養奠基
一、發酵工程的概念和基本環節
1.發酵工程的概念:
(1)過程: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)范圍:它涉及菌種的選育和培養、產物的分離和提純等方面。
2.發酵工程的基本環節:
(1)基本環節:
(2)選一選:下列關于發酵工程基本環節的描述正確的是②④⑤
①用于發酵工程的菌種應該具備優良性狀,并且只能從自然界中篩選。
②在進行發酵前,需要對選育的菌種進行擴大培養。
③發酵工程所用的菌種大多是單一菌種,所以沒有必要進行嚴格的滅菌。
④發酵工程所用的培養基是液體培養基。
⑤在發酵過程中要隨時進行檢測,還需要對發酵條件進行嚴格的控制。
⑥發酵結束后即可得到發酵產品。
現代發酵工程和傳統發酵技術所用菌種的來源有什么差異?
提示:傳統發酵技術用的菌種一般是原材料中天然存在的多種菌種,而現代發酵工程用的菌種是通過微生物培養技術獲得的單一菌種。
3.發酵裝置:
二、發酵工程的應用
1.特點:
(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。
為什么發酵工程的生產條件比較溫和?
提示:發酵是利用微生物的代謝將原料進行轉化,而微生物細胞代謝是在常溫常壓條件下進行的,因此發酵工程的生產條件比較溫和。
2.在食品工業上的應用:
(1)生產傳統的發酵產品。
①優點:能明顯提高產品的產量和質量。
②實例:
a.大豆中的蛋白質肽和氨基酸醬油
b.啤酒的工業化生產流程:
(2)生產各種各樣的食品添加劑:酸度調節劑、增味劑、著色劑、增稠劑、防腐劑等。
(3)生產酶制劑:在食品工業中,經常用到一些酶制劑,如α-淀粉酶、β-淀粉酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
有人認為食品添加劑都是有害的,這種想法對嗎?為什么?
提示:不對。食品添加劑可以增加食品的營養,改善食物的口味等,只要符合國家標準,并不會對人體產生傷害。
3.在醫藥工業上的應用:
(1)發酵工程可以生產抗生素、氨基酸、激素和免疫調節劑等。
(2)基因工程與發酵技術相結合生產所需要的產品。
4.在農牧業上的應用:主要表現在生產微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料等方面。
5.在其他方面的應用:
(1)對解決資源與環境污染問題具有重要意義。
(2)極端微生物的應用。
(3)發酵工程滲透到幾乎所有的工農業領域。
關鍵能力·素養形成
知識點一　發酵工程的基本環節
1.選育菌種:
(1)常用菌種:主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。
(2)菌種特點:
①對周圍環境的溫度、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應能力。
②有極強的消化能力。
③有極強的繁殖能力。
(3)選育方法:
①從自然界中篩選出優良菌種。
②利用誘變育種篩選出符合生產要求的優良菌種。
③利用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造,構建出能生產相應產品的菌種。
2.擴大培養:在進行接種前,要進行擴大培養。
(1)目的:增加菌種的數量,縮短生產周期。
(2)方法:將培養到生長速度最快時期的菌體分開,再進行培養。
3.配制培養基:
(1)類型:發酵工程一般使用液體培養基。
(2)要求:
①根據不同的菌種,選擇不同的材料配制培養基。
②培養基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求,并為微生物提供適宜的pH,以利于產物的合成。
③應盡量降低生產成本,以得到更高的經濟效益。
4.滅菌和接種:在發酵前對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌處理,接種過程中要注意防止雜菌污染。
5.發酵罐內發酵——發酵工程的中心環節:
【特別提醒】通過發酵罐對發酵條件進行控制
(1)溫度:通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進行監測和調整。
(2)溶解氧:通過通氣量和攪拌速度加以調節。
(3)pH:通過加料裝置添加酸或堿進行調節,也可以在培養基中添加pH緩沖液。
6.分離、提純產物,獲得發酵產品:
發酵產品
分離提純方法
微生物細胞
過濾、沉淀將菌體分離和干燥
代謝物
蒸餾、萃取、離子交換等方法
【特別提醒】關于發酵罐使用的三點提醒
(1)發酵罐在使用前要進行滅菌,培養基和發酵設備一般用蒸汽滅菌,空氣采用過濾的方法除菌。
(2)對于需氧發酵,為了防止雜菌污染,應該從空氣入口通入無菌空氣。
(3)攪拌的作用:
a.使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的溶解氧;
b.使菌種與培養液充分接觸,提高原料利用率。
如圖所示是發酵工程生產產品的流程圖,據圖回答下列問題:
(1)發酵工程中,選育優良性狀的菌種,至關重要。高產青霉素菌種是通過__________育種獲得的,啤酒酵母菌是通過__________改造的。
?
(2)圖中①表示__________,這樣做的目的是__?_____________________。?
(3)③表示__________,是整個過程的中心環節,在此階段需隨時取樣、檢測__________、__________等,以了解發酵進程,還要及時添加______________,同時嚴格控制____________等發酵條件。?
(4)④表示__________,發酵結束后可采用__________等方法獲得產品。?
【解題導引】解答本題的兩個關鍵點:
(1)發酵工程的基本環節:菌種的選育和擴大培養,培養基的配制,滅菌,接種,發酵,產品的分離提純。
(2)發酵工程的中心環節:發酵罐內發酵。
【解析】(1)高產青霉素菌種是通過誘變育種獲得的,啤酒酵母菌是通過基因工程改造的。(2)圖中①表示擴大培養,目的是增加菌種的數量,縮短生產周期。(3)③是整個過程的中心環節——發酵罐內發酵,在此階段需隨時取樣、檢測微生物數量、產物濃度等,以了解發酵進程。隨著發酵進行,培養基中的營養物質減少,還要及時添加必需的營養組分,同時嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。(4)④是發酵工程產品微生物細胞(菌體),發酵結束后可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥。
答案:(1)誘變　基因工程
(2)擴大培養　增加菌種的數量,可以縮短生產周期
(3)發酵罐內發酵　微生物數量　產物濃度　必需的營養組分　溫度、pH和溶解氧
(4)微生物細胞(菌體)　過濾、沉淀
【誤區警示】菌種的選育和培養常見誤區
(1)誤認為高產青霉素菌種是通過基因工程獲得的:高產青霉素菌種是通過誘變育種獲得的。
(2)易弄錯增加菌種數量的方法:獲得優良菌種后,為了縮短生產周期,要進行擴大培養來增加菌種數量。
【素養·探究——母題追問】
(1)科學思維——分析與推理
發酵過程中為什么要控制發酵條件?
提示:發酵條件會影響微生物的生長繁殖和代謝物的形成。
(2)科學探究——結果評價
在谷氨酸發酵中產物是什么?它屬于代謝物嗎?
提示:谷氨酸發酵產物是谷氨酸棒狀桿菌產生的谷氨酸,是細胞代謝物。
【素養·遷移】
(2018·江蘇高考)某高校采用如圖所示的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
【解析】選B。果酒發酵過程中會放出熱量使罐體溫度上升,故需對發酵罐進行降溫處理,A項正確;乙醇雖然為揮發性物質,但其能溶于水,而且酒精發酵為無氧呼吸,發酵過程中不需進氣,B項錯誤;發酵過程中有CO2產生,所以罐內壓力不會低于大氣壓,C項正確;發酵程度可以通過監測發酵液中殘余糖的濃度來確定,D項正確。
知識點二　發酵工程的應用
1.發酵工程的應用:發酵工程滲透到幾乎所有的工農業領域。
(1)在食品工業上的應用:生產傳統的發酵產品、食品添加劑和酶制劑。
(2)在醫藥工業上的應用:生產抗生素、氨基酸、激素、免疫調節劑和疫苗等。
(3)在農牧業上的應用:生產微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料等。
【特別提醒】啤酒的工業化生產的五點提醒
(1)啤酒酵母菌:通過微生物培養技術篩選出的優良菌種,在接種前進行擴大培養,縮短生產周期。
(2)焙烤溫度不能過高,防止淀粉酶失活。
(3)蒸煮后的糖漿一定要冷卻后才能接種,防止高溫殺死酵母菌。
(4)發酵過程中注意控制好溫度、pH、通氣、發酵時間等。
(5)接種前要對發酵罐進行滅菌,接種時要進行無菌操作,防止雜菌污染。
2.發酵工程與傳統發酵技術的比較:
發酵工程
傳統發酵技術
不同點
菌種
通過微生物純培養技術篩選或其他技術生產的優良菌種,大多是單一菌種
原材料中天然存在的混合菌種
發酵方式
液體發酵為主
固體發酵或半固體發酵為主
對發酵條件的控制
嚴格無菌操作,防止雜菌污染。通過現代工程技術對發酵條件精確地控制,使發酵條件處于最佳狀態
不是無菌操作,容易受到雜菌污染。對發酵條件不能嚴格控制,易受外界條件影響
生產規模和產品
生產規模大,實現了工業化生產。原料來源豐富,成本低,產物多樣,產量高
通常是家庭式或作坊式的,產量低,生產往往受季節和原料限制,產品風味品種比較單一,質量不穩定
相同點
①都是利用了微生物的作用②發酵工程是在傳統發酵技術的基礎上發展起來的
啤酒是以糧食作物大麥為主要原料釀造的,如圖是某種啤酒的生產流程,回答下列問題。
(1)在釀造過程中需要將大麥種子進行發芽處理,此過程的目的是________________________,麥芽經過焙烤、碾磨成__________。?
(2)經過糖化階段,麥芽中的淀粉、蛋白質等大分子被分解成酵母菌可利用的可溶性小分子物質。糖化時溫度的變化通常是由低溫逐步升至高溫,以防止?
_________________________________________________________________。?
(3)在蒸煮階段,要將糖漿中加入啤酒花煮沸一定時間,不僅可以蒸發掉多余的水分,還可以起到__________作用。?
(4)在主發酵初期,往往先通入無菌空氣,目的是?_____________________
_________________________________________________________________,?
之后進行密封發酵。酒精就是在密封發酵期間產生的,寫出反應簡式__。?
(5)經過一段時間的后發酵,才能形成澄清、成熟的啤酒。后發酵期間糖類繼續發酵,促進啤酒風味的成熟。影響啤酒風味的因素有__________、__________等。?
【解題導引】解答本題需掌握以下三個關鍵知識:
(1)大麥種子發芽的目的:產生淀粉酶等。
(2)糖化的實質:大分子物質在酶的作用下,被分解成小分子物質。
(3)酵母菌發酵的過程:前期有氧條件酵母菌的數量增加,后期無氧條件酵母菌進行酒精發酵。
【解析】(1)大麥種子發芽的目的是釋放淀粉酶、蛋白酶等多種酶。麥芽經過焙烤、碾磨成麥芽粉。
(2)糖化時由低溫逐步升至高溫,以防止麥芽中淀粉酶等因高溫而變性失活。
(3)在蒸煮階段,不僅可以蒸發掉多余的水分,還可以起到滅菌作用。
(4)在主發酵初期,需要通入無菌空氣,目的是增加酵母菌的數量,有利于密閉時獲得更多的酒精產物,反應簡式見答案。
(5)影響啤酒風味的因素有酵母菌菌種、大麥品種、發酵時間、發酵溫度等。
答案:(1)釋放淀粉酶　麥芽粉
(2)麥芽中淀粉酶等因高溫而變性失活
(3)滅菌
(4)有氧條件酵母菌進行出芽生殖,數量增加
C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量
(5)酵母菌菌種　大麥品種　發酵時間　發酵溫度(寫兩種即可)
【素養·探究——母題追問】
(1)科學思維——分析與綜合
在糖化階段,溫度低影響啤酒品質,溫度高會使麥芽產生的淀粉酶等失活,你能想到什么方法解決?
提示:可以在此階段使用發酵工程生產的耐高溫的淀粉酶制劑。
(2)科學思維——分析與推理
發酵后的啤酒需要經過消毒才能包裝銷售,請你利用所學知識,分析用什么方法對啤酒進行消毒。
提示:為了保持啤酒的風味,應用巴氏(低溫)消毒法進行消毒。
【素養·遷移】
下列有關發酵工程應用的說法錯誤的是
(　　)
A.發酵工程可以生產醬油、泡菜等傳統發酵食品
B.檸檬酸、乳酸等食品添加劑可以通過發酵工程生產
C.發酵工程可以生產多種藥物,但是不能生產疫苗
D.發酵工程生產的單細胞蛋白可以制作成微生物飼料
【解析】選C。發酵工程可以生產傳統發酵食品,A正確;檸檬酸、乳酸是通過發酵工程生產的食品添加劑,B正確;科學家利用基因工程將病原體基因轉入微生物細胞,通過發酵工程可以生產疫苗,C錯誤;單細胞蛋白可以制作成微生物飼料,D正確。
【補償訓練】
以下不屬于發酵的是
(　　)
A.利用需氧型青霉菌生產青霉素
B.缺氧時人的組織細胞產生乳酸
C.利用酵母菌的無氧呼吸獲得酒
D.利用乳酸菌制作泡菜
【解析】選B。發酵是指通過微生物的代謝將原料轉化為人類所需要的產物的過程。可見,利用需氧型青霉菌生產青霉素、利用酵母菌的無氧呼吸獲得酒和利用乳酸菌制作泡菜,都屬于發酵,而缺氧時人的組織細胞產生乳酸的過程則不屬于發酵,A、C、D均不符合題意,B符合題意。
【課堂回眸】
課堂檢測·素養達標
【概念·診斷】　　　　　　　　　　　　
1.運用發酵工程可以生產多種產品,請分析下列關于發酵工程的敘述,正確的是__________。?
①防止雜菌入侵和獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的重要基礎
②發酵工程最重要的環節是發酵罐內發酵
③青霉素有抗菌作用,即使生產青霉素的發酵過程中混入了雜菌,發酵也不受影響
④大型發酵罐有計算機控制系統,能對發酵條件進行控制
⑤發酵工程不能生產傳統發酵食品
⑥發酵工程可以生產微生物農藥
⑦發酵工程與傳統發酵技術都是利用微生物的作用進行的發酵
【解析】選①②④⑥⑦。發酵工程常用單一菌種發酵,因此防止雜菌入侵和獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的重要基礎,①正確;發酵工程的中心環節是發酵罐內發酵過程,②正確;青霉素的生產過程中混入了雜菌,雜菌分泌的青霉素酶會將青霉素分解,③錯誤;發酵罐有計算機控制系統,能對發酵過程中的各種條件進行監測和控制,④正確;發酵工程能生產傳統發酵食品,⑤錯誤;發酵工程可以生產微生物農藥、微生物肥料、微生物飼料等,⑥正確;發酵工程與傳統發酵技術的共同點都是利用微生物進行的發酵,⑦正確。
2.下列選項中不是發酵工程特點的是
(　　)
A.原料來源豐富,價格低
B.產物專一,產量高
C.廢棄物對環境污染小,容易處理
D.生產條件需要高溫高壓
【解析】選D。發酵工程是運用微生物的功能進行的生產,生產條件溫和,即在常溫常壓條件下進行,D錯誤。
3.用發酵工程生產單細胞蛋白時,對產物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。單細胞蛋白是微生物菌體,采用過濾、沉淀等方法將菌體進行分離和干燥。
【思維·躍遷】
4.下列關于發酵工程的說法,正確的是
(　　)
A.人工誘變、細胞工程、基因工程等都可對微生物進行定向改造
B.環境條件的變化不僅影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝
C.發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成都與攪拌速度無關
D.單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的
【解析】選B。人工誘變導致基因突變是不定向的,細胞工程、基因工程是具有目的性的,故人工誘變不能對微生物進行定向改造,A錯誤;環境條件的變化不僅影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝,B正確;攪拌可增加溶氧量,發酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成速度都與攪拌速度有關,C錯誤;單細胞蛋白是指通過發酵獲得的大量的微生物菌體,D錯誤。
5.如圖是發酵工程常用的機械攪拌式發酵罐,是工業生產中最常用的發酵罐。回答下列問題:
(1)1是培養物或營養物質的________,2是__________,4是__________,3是__________。?
(2)5是__________,此裝置運轉時,既能使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的__________,又能使菌種與培養液__________,提高原料利用率。但是在利用乳酸菌生產乳酸時一般不用此裝置,這是因為__?____________________
______________________________________________________________。?
(3)若此裝置用于酒精發酵,在發酵過程中,pH________,
罐內的壓力會__________。?
(4)發酵罐在使用前要進行__________。?
【解析】(1)分析此裝置,1是培養物或營養物質的加入口,2是排氣管,4是冷卻水進入口,3是空氣入口。(2)5是攪拌葉輪,作用是使空氣和發酵液充分混合,增加培養液中的溶解氧,使菌種與培養液充分接觸,提高原料利用率。乳酸菌是厭氧型微生物,所以進行乳酸發酵不使用此裝置。(3)在酒精發酵過程中,由于有二氧化碳產生,所以會導致pH下降,
罐內的壓力會增加。(4)防止雜菌污染,發酵罐在使用前要進行滅菌。
答案:(1)加入口　排氣管　冷卻水進入口　空氣入口
(2)攪拌葉輪　溶解氧　充分接觸　乳酸菌是厭氧型微生物,發酵過程不需要氧氣　(3)下降　增加　(4)滅菌
【拓展·探究】
6.植物乳桿菌屬于乳酸菌的一種,在繁殖過程中可分泌一類具有抑菌活性的蛋白質,此種蛋白質稱為細菌素,作為重要的天然食品防腐劑在食品加工中有著廣泛應用。現有兩種較高產細菌素的菌株,菌株A產細菌素能力強于菌株B,但菌株A細胞中的細菌素合成途徑中缺少兩個重要的調控基因plnC和plnD,而菌株B細胞中具有這兩個基因。研究人員按下圖所示流程對菌株A和B進行改良,獲得了更高產細菌素的新型菌株C。
(1)從細胞結構的角度分析,植物乳桿菌屬于____________生物,其進行合成細菌素等生命活動所需的能量由______________呼吸提供。?
(2)實驗發現,植物乳桿菌對檸檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人員選擇檸檬色葡萄球菌作為指示菌進行抑菌實驗,來比較菌株A、B、C的產細菌素能力。實驗步驟如下:
a.在平板培養基中涂布______________;?
b.分別在平板的不同位置接種______________作為實驗組;對照組的處理是______________;
?
c.培養一段時間后,觀察并比較抑菌圈大小。
預期結果為:_
____________________________________。?
(3)抗生素是由微生物產生的具有較強抑菌殺菌效果的小分子有機物。請結合所學知識及相關信息,分析將細菌素而非抗生素用作食品防腐劑的優勢________________。(答出一點即可)?
【解析】(1)植物乳桿菌屬于乳酸菌的一種,屬于細菌,是原核生物;由于植物乳桿菌是厭氧性細菌,故進行合成細菌素等生命活動所需的能量由無氧呼吸提供。
(2)植物乳桿菌對檸檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人員選擇檸檬色葡萄球菌作為指示菌進行抑菌實驗,來比較菌株A、B、C的產細菌素能力,故應該在平板培養基上涂布檸檬色葡萄球菌菌液,分別在平板的不同位置接種A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的濾紙片)作為實驗組,接種等量無菌水(蘸取無菌水的濾紙片)作為對照組,觀察含有抑菌物質的濾紙片周圍的抑菌圈大小,預期結果為抑菌圈從大到小依次為C、A、B,對照組無抑菌圈。
(3)將細菌素而非抗生素用作食品防腐劑的優勢為:與抗生素不同,細菌素的化學本質是蛋白質,被人體食用后可被胃蛋白酶等消化酶降解,不會被吸收進入人體內,也不會破壞人體腸道益生菌,排放入環境中的量少,因此一般情況下,具有無毒、無副作用、無殘留、少污染的優點。
答案:(1)原核　無氧　(2)檸檬色葡萄球菌菌液　A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的濾紙片)　接種等量無菌水(蘸取無菌水的濾紙片)　抑菌圈從大到小依次為C、A、B,對照組無抑菌圈　(3)無毒、無副作用、無殘留、少污染
四　發酵工程及其應用　　　　　　　　　
　(20分鐘·70分)
一、選擇題(共7小題,每小題5分,共35分)
1.發酵罐內發酵時,一定要控制好發酵條件,下列說法錯誤的是
(　　)
A.對溫度的控制可以通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進行監測和調整
B.若是谷氨酸發酵需要將pH調至酸性
C.可以在培養基中添加緩沖液以維持發酵時pH的相對穩定
D.對于需氧發酵通過調節通氣量和攪拌速度控制溶氧量
【解析】選B。發酵過程對溫度的控制是通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置完成的,A正確;谷氨酸發酵時,在中性或弱堿性條件會積累谷氨酸,在酸性條件下容易形成其他產物,因此應將pH調至中性或弱堿性,B錯誤。維持pH穩定的方法是通過加料裝置添加酸或堿進行調節,或者在培養基中添加pH緩沖液,C正確;對溶解氧的控制是通過調節通氣量和攪拌速度,D正確。
2.發酵工程與現代生物技術相結合,應用范圍越來越廣泛。下列關于發酵工程應用的描述錯誤的是
(　　)
A.運用發酵工程生產的傳統發酵食品,產量和質量都得到了明顯的提高
B.大多數酶制劑都是通過發酵工程生產的
C.發酵工程生產的單細胞蛋白可以用作微生物肥料
D.基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合大大降低了某些藥物的生產成本
【解析】選C。發酵工程實現了規模化的生產,發酵過程對發酵條件嚴格控制,提高了產品的產量和質量,A正確;絕大多數酶制劑都是通過發酵工程生產的,B正確;單細胞蛋白可以用作微生物飼料,而不是微生物肥料,C錯誤;基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合提高了藥物的產量,降低了藥物的生產成本,D正確。
3.漆酶屬于木質降解酶類,在環境修復、農業生產等領域有著廣泛用途。如圖是分離、純化和保存漆酶菌株的過程,相關敘述正確的是
(　　)
A.生活污水中含有大量微生物,是分離產漆酶菌株的首選樣品
B.篩選培養基中需要加入漆酶的底物,通過菌落特征挑出產漆酶的菌落
C.在涂布平板上長出的菌落,再通過劃線進一步計數
D.斜面培養基中含有大量營養物質,可在常溫下長期保存菌株
【解析】選B。生活污水中含有大量微生物,但不一定含有產漆酶的菌株,可能分離不出產漆酶菌株,A錯誤;生活污水中含有大量微生物,將篩選培養基中加入漆酶的底物,通過菌落特征就能挑出產漆酶的菌落,B正確;在涂布平板上長出的菌落,再通過劃線進一步純化,不是計數,C錯誤;斜面培養基中含有大量營養物質,不能在常溫下保存,可在低溫下長期保存菌株,D錯誤。
4.下列關于發酵過程的描述,錯誤的是
(　　)
A.發酵過程中,微生物的生命活動會引起發酵溫度升高
B.發酵過程中要隨時檢測微生物數量和產物濃度
C.發酵過程中產生的廢棄培養液等能直接排放到環境中
D.啤酒的發酵過程中,酵母菌將糖類轉化為酒精和二氧化碳
【解析】選C。發酵過程中微生物分解有機物釋放能量,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,A正確;發酵過程中要隨時檢測微生物數量和產物濃度,以了解發酵進程,B正確;發酵過程中產生的廢棄培養液等會污染環境,不能直接排放到環境中,C錯誤;啤酒的發酵過程中,酵母菌進行厭氧發酵,將糖類轉化為酒精和二氧化碳,D正確。
【互動探究】
(1)除了微生物代謝,還有哪些因素可以使發酵溫度升高?
提示:攪拌葉輪的機械攪拌,也會產生一部分熱量引起溫度升高。
(2)怎樣降低發酵罐的溫度?
提示:可以通過增加冷卻水的進水量,降低發酵罐的溫度。
5.“通州老窖”是以優質高粱、麩曲、產脂酵母菌為原材料釀制出的一種白酒。以下相關敘述正確的是
(　　)
A.水質、菌種和發酵時間會影響酒的品質
B.所用的菌種屬于生態系統中的消費者
C.可用平板劃線法測定發酵液中的菌種濃度
D.釀制過程必須進行嚴格的滅菌操作
【解析】選A。影響酒品質的因素有很多,如水質、菌種和發酵時間等,A正確;釀酒所用的菌種屬于生態系統中的分解者,B錯誤;可用稀釋涂布平板法測定發酵液中的菌種濃度,C錯誤;釀制過程不能進行滅菌,防止把酵母菌殺死而影響酒的產量,D錯誤。
6.發酵工程最重要的工作是選擇優良的單一純種,消滅雜菌。獲得純種的方法不包括
(　　)
A.根據微生物對碳源需求的差別,使用含有不同碳源的培養基
B.根據微生物需要生長因子的種類,在培養基中增減不同的生長因子
C.根據微生物遺傳組成的差異,在培養基中加入不同比例的核酸
D.根據微生物對抗生素敏感性的差異,在培養基中加入不同的抗生素
【解析】選C。根據微生物對碳源需求的差別,使用含有不同碳源的培養基可以選擇微生物種類,能獲得純種,A不符合題意;在培養基中增減不同的生長因子的作用也是選擇微生物,B不符合題意;根據微生物遺傳組成的差異,在培養基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA),它不會直接影響到微生物自身的遺傳組成,即使被微生物利用,也是被分解為核苷酸后利用,所以培養基中加入不同比例的核酸,不會對微生物起選擇作用,C符合題意;抗生素也可對生物起選擇作用,D不符合題意。
7.發酵工程的一項關鍵措施是滅菌,關于滅菌的敘述正確的是
(　　)
A.培養基和發酵設備均需要嚴格滅菌
B.滅菌是殺死培養基中的一切細菌和真菌
C.通入無菌空氣可以達到滅菌的目的
D.pH調到7左右滅菌效果最好
【解析】選A。滅菌就是殺滅微生物,以排除對生產、實驗的干擾,關鍵是要對培養基和發酵設備滅菌,故A正確;培養基的滅菌是殺死培養基中的一切微生物,故B錯誤;為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無菌的,但不是通入無菌空氣就可以達到滅菌的目的,故C錯誤;滅菌效果與pH無直接關系,故D錯誤。
二、非選擇題(共2小題,共35分)
8.(15分)谷氨酸棒狀桿菌可用于微生物發酵工程生產谷氨酸,從而制取谷氨酸鈉(味精)。如圖為谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑,通過發酵工程可以大量生產谷氨酸。回答下列問題:
(1)與酵母菌相比,谷氨酸棒狀桿菌在結構上的顯著特點是__________________;谷氨酸發酵的培養基成分有豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、生物素等,從物理性質看,該培養基屬于__________培養基。?
(2)發酵過程中要測定谷氨酸棒狀桿菌的數量,可采用的計數方法有顯微鏡直接計數法和__________,前者計數的結果比后者計數的結果值偏__________(填“大”或“小”),原因是__?______________________________________。?
(3)由圖可知,谷氨酸棒狀桿菌體內若積累了較多的谷氨酸,則會抑制谷氨酸脫氫酶的活性,微生物這種對自身代謝速率的調節方式是__________。?
(4)谷氨酸棒狀桿菌在發酵過程中要不斷地通入無菌空氣,并通過攪拌使空氣形成細小的氣泡,迅速溶解在培養液中,當培養基中碳氮比為4∶1時,菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少;當碳氮比為3∶1時,菌體繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。在無氧條件下,谷氨酸棒狀桿菌代謝產物是乳酸或琥珀酸。由此說明谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是__________,由上述探究可知,通過發酵得到大量谷氨酸的發酵思路__??________________________?______________________
?________________________?________________________?___________。?
【解析】(1)谷氨酸棒狀桿菌屬于細菌,酵母菌屬于真菌,谷氨酸棒狀桿菌在結構上的顯著特點是無核膜包被的細胞核。谷氨酸發酵的培養基成分有豆餅水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、生物素等,從物理性質看,該培養基屬于液體培養基。
(2)測定谷氨酸棒狀桿菌的數量可采用的計數方法有顯微鏡直接計數法和稀釋涂布平板法。由于顯微鏡直接計數法中死活菌體一起計數,而稀釋涂布平板法只計數活菌數,且可能有多個菌體形成同一個菌落,因此顯微鏡直接計數法計數的結果比稀釋涂布平板法計數的結果值更大。
(3)據題圖分析,當谷氨酸過量時,會抑制谷氨酸脫氫酶的活性,導致谷氨酸脫氫酶的活性下降,從而使谷氨酸含量下降,這種對自身代謝速率的調節方式是負反饋調節。
(4)分析可知,谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型是異養兼性厭氧型,當培養基中碳氮比為4∶1時,菌體大量繁殖而產生的谷氨酸少;當碳氮比為3∶1時,菌體繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增,因此通過發酵得到大量谷氨酸的發酵條件是不斷向發酵液中通入無菌空氣,在發酵液C/N=4∶1中培養一段時間,使菌種大量繁殖,后將培養液的C/N改為3∶1,即可通過發酵得到大量谷氨酸。
答案:(1)無核膜包被的細胞核　液體
(2)稀釋涂布平板法　大　前者死活菌體一起計數,后者只計數活菌數,且可能有多個菌體形成同一個菌落
(3)負反饋調節　(4)異養兼性厭氧型　不斷向發酵液中通入無菌空氣,發酵液中碳氮比為4∶1,培養一段時間使菌種大量繁殖,后將培養液的碳氮比改為3∶1,使菌種合成大量谷氨酸
9.(20分)隨著對纖維素水解研究的不斷深入,利用纖維素廢料發酵生產酒精等能源物質已取得成功。發酵工程中可利用纖維素分解菌將纖維素分解,隨后將其轉化成新的能源物質——乙醇,進一步利用乙醇生產醋酸。工業生產這兩種成分的基本工藝流程如圖所示。請回答:
(1)在發酵罐Ⅰ內,纖維素分解菌能夠分泌纖維素酶將纖維素分解為__________。?
(2)在過程②篩選纖維素分解菌時,常常采用平板劃線法和____________
____________________法進行純化。兩種方法的共同點是_________。?
用來篩選纖維素分解菌的培養基是__________培養基(從功能上分類),培養基中含有Na2HPO4和KH2PO4,其作用有__?_____________________________
______________________________________________________。(答出兩點)?
(3)微生物X應為__________,發酵一定時間后,觀察到發酵罐內液體不再有__________,說明發酵基本完畢。?
(4)微生物Y應是__________。發酵罐Ⅱ內和發酵罐Ⅲ內除了嚴格控制溫度、pH外,發酵罐Ⅲ內還需要通入__________。?
(5)若發酵罐Ⅱ中的酒全部流經發酵罐Ⅲ制成醋,發酵罐Ⅲ中CO2的產生量是__________。?
A.發酵罐Ⅱ的兩倍
B.與發酵罐Ⅱ的相等
C.發酵罐Ⅱ的一半
D.幾乎為零
【解析】(1)在發酵罐Ⅰ內,纖維素分解菌能夠分泌纖維素酶,該酶可將纖維素分解為葡萄糖。
(2)在過程②篩選纖維素分解菌時,常常采用平板劃線法和稀釋涂布平板法進行純化。兩種方法的共同點是把聚集在一起的細菌分散成單個,培養后得到單個菌落。用來篩選纖維素分解菌的培養基中含有Na2HPO4和KH2PO4(這些都是無機鹽,又是磷酸一氫鹽和磷酸二氫鹽),其作用有為細菌生長提供無機營養,作為緩沖劑維持細胞生長過程中的pH穩定。
(3)發酵罐Ⅱ是通過酵母菌發酵生產乙醇,發酵一定時間后,觀察到發酵罐內液體不再有氣泡產生,說明發酵基本完畢。
(4)發酵罐Ⅲ是通過醋酸(桿)菌發酵生產醋酸。發酵罐Ⅱ內和發酵罐Ⅲ內除了嚴格控制溫度、pH外,發酵罐Ⅲ是需氧發酵,還需要通入無菌空氣。
(5)若發酵罐Ⅱ中的酒全部流經發酵罐Ⅲ制成醋,酒精氧化成醋酸是利用醋酸(桿)菌有氧呼吸得到的,但這一過程不產生CO2,因此發酵罐Ⅲ中CO2的產生量幾乎為零。
答案:(1)葡萄糖
(2)稀釋涂布平板　把聚集在一起的細菌分散成單個,培養后得到單個菌落　選擇　為細菌生長提供無機營養,作為緩沖劑維持細胞生長過程中的pH穩定
(3)酵母菌　氣泡產生
(4)醋酸(桿)菌　無菌空氣　(5)D
　(10分鐘·30分)
1.(8分)(不定項)下列關于發酵工程基本環節的分析正確的是
(　　)
A.培養基和發酵設備都應經過嚴格的滅菌才能使用,對于需氧發酵,通入的空氣也應經過滅菌處理
B.溫度不僅能影響菌種的代謝,還能影響菌種對營養物質的吸收
C.pH變化能導致某些菌種的發酵產物也發生變化
D.酒精發酵時,菌種的擴大培養與發酵罐內的培養條件是相同的
【解析】選A、B、C。培養基和發酵設備都應經過滅菌才能使用,通入的空氣也應經過滅菌處理,A正確;溫度能影響菌種(微生物)的代謝,如細胞呼吸速率受溫度影響,菌種對營養物質的吸收速率也受溫度影響,B正確;pH變化能導致某些菌種的發酵產物也發生變化,例如谷氨酸發酵在中性和酸性條件下產物不同,C正確;酒精發酵時,菌種的擴大培養是有氧條件,酵母菌大量繁殖,發酵罐內的培養是無氧條件,酵母菌進行無氧呼吸產生酒精,D錯誤。
【誤區警示】誤認為擴大培養與發酵生產過程中的培養相同
擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖,而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物,目的不同采用的培養條件就有可能不同。
2.(22分)(2018·江蘇高考改編)酵母的蛋白質含量可達自身干重的一半,可作為飼料蛋白的來源。有些酵母可以利用工業廢甲醇作為碳源進行培養,這樣既可減少污染又可降低生產成本。研究人員擬從土壤樣品中分離該類酵母,并進行大量培養。如圖所示為操作流程,請回答下列問題:
(1)取步驟②中不同梯度的稀釋液加入標記好的無菌培養皿中,在步驟③中將溫度約________(選填“25
℃”“50
℃”或“80
℃”)的培養基倒入培養皿混勻,冷凝后倒置培養。?
(2)挑取分離平板中長出的單菌落,按步驟④所示進行劃線。下列敘述合理的有________。?
a.為保證無菌操作,接種針、接種環使用前都必須滅菌
b.劃線時應避免劃破培養基表面,以免不能形成正常菌落
c.挑取菌落時,應挑取多個菌落,分別測定酵母細胞中甲醇的含量
d.可以通過逐步提高培養基中甲醇的濃度,獲得甲醇高耐受株
(3)步驟⑤是__________________,目的是使酵母數量迅速增加,此過程中需保證充足的營養和____________供應。在此階段要通過取樣檢測酵母細胞的數量變化。下圖中的4個曲線圖分別表示在擴大培養階段各種因素對酵母細胞繁殖速率的影響,其中不正確的是
(　　)?
【解析】(1)倒平板時,錐形瓶中的培養基溫度控制在50
℃左右較適宜,溫度太低會凝固,太高會燙手。
(2)挑取分離平板中長出的單菌落用于平板劃線時需注意題干中a、b、d所敘述的要點,為了獲得專一酵母,只挑取效果最好的菌落就行,不需挑取多個菌落。
(3)酵母菌是兼性厭氧型真菌,有氧條件下大量繁殖。酵母菌擴大培養時,需保證充足的營養和氧氣供應。在一定溫度范圍內,隨溫度的升高,酶的催化作用增強,繁殖速率加快,而超過這一范圍,酶的催化作用逐漸減弱,繁殖速率減慢,A正確;酵母菌屬于兼性厭氧型生物,在一定范圍內,隨著溶氧量增加,有氧呼吸速率增強,繁殖速率加快,但達到一定溶氧量后,有氧呼吸速率不再增加,則繁殖速率不變,B正確;曲線應是先從O點開始上升,故C錯誤;由于pH可以影響酶活性,每種酶都有一個最適pH,高于或低于該pH,酶活性下降,所以曲線應該先上升,再下降,故D正確。
答案:(1)50
℃
(2)a、b、d
(3)酵母菌擴大培養　氧氣　C

展開更多......

收起↑