人教(2019)生物选择性必修三(学案+练习)：发酵工程及其应用

人教(2019)生物选择性必修三(学案+练习)
发酵工程及其应用
1．概念：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。

2．发酵工程的基本环节
3．发酵工程的应用
(1)在食品工业上的应用：①生产传统的发酵产品。

②生产各种各样的食品添加剂。

③生产酶制剂。

(2)在医药工业上的应用
①青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。

②发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等的生产领域。

(3)在农牧业上的应用：①生产微生物肥料。

②生产微生物农药。

③生产微生物饲料。

(4)在其他方面的应用
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，做出越来越大的贡献。

1．发酵工程中所需的性状优良的菌种只能从自然界中筛选出来。

(×)
2．在菌种确定之前就要选择原料制备培养基。

(×) 3．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。

(√) 4．发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用。

(√)
1．发酵工程中心环节的分析
2．啤酒的工业化生产的过程分析
(1)啤酒发酵的过程及内容
(2)“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别
1．下面是有关啤酒的工业化生产的流程。

下列有关叙述错误的是()发芽→焙烤→碾磨→糖化→蒸煮→发酵→消毒→终止
A．啤酒的发酵过程包括主发酵和后发酵两个阶段
B．发芽的过程中大麦会产生淀粉酶，便于将大麦中的淀粉分解为葡萄糖进行酒精发酵
C．发酵的过程就是酵母菌进行有氧呼吸的过程
D．消毒的目的是杀死啤酒中的大多数微生物，以延长它的保存期
C解析：发酵的过程是酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的过程，C错误。

2．(2021·山东济南二模)发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品。

常用好氧菌谷氨酸棒状杆菌利用图1的发酵罐来大量生产味精，发酵流程如图2所示。

下列叙述正确的是()
A．发酵中所使用的谷氨酸棒状杆菌菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种、杂交育种或基因工程育种获得
B．为了保证发酵产品的产量和品质，图中发酵配料及发酵罐需经过严格的灭菌
C．在发酵过程中，通过加料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量
D．图中发酵过程需通入无菌空气，并通过搅拌使培养液与菌种充分接触后关闭通气口
B解析：谷氨酸棒状杆菌属于原核生物，不能进行有性生殖，无法通过杂交育种获得，A错误；严格灭菌可以杀死发酵配料及发酵罐中的所有微生物，防止杂菌污染，从而保证发酵产品的产量和品质，B正确；在发酵过程中，应通过
放料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量，C错误；谷氨酸棒状杆菌属于好氧菌，在发酵过程中要不断地通入无菌空气，不能关闭通气口，D错误。

【归纳总结】
(1)啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。

(2)焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。

(3)蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。

(4)发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。

(5)接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。

1．(2020·山东卷)我国的酿酒技术历史悠久，古人在实际生产中积累了很多经验。

《齐民要术》记载：将蒸熟的米和酒曲混合前需“浸曲发，如鱼眼汤，净淘米八斗，炊作饭，舒令极冷”。

意思是将酒曲浸到活化，冒出鱼眼大小的气泡，把八斗米淘净，蒸熟，摊开冷透。

下列说法错误的是()
A．“浸曲发”过程中酒曲中的微生物代谢加快
B．“鱼眼汤”现象是微生物呼吸作用产生的CO2释放形成的
C．“净淘米”是为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主要措施
D．“舒令极冷”的目的是防止蒸熟的米温度过高导致酒曲中的微生物死亡[思维培养]
C解析：“浸曲发”是将酵母菌活化，可以使微生物代谢加快，A正确；“鱼眼汤”是指酵母菌在呼吸过程中产生CO2，使溶液中出现气泡，B正确；在做酒过程中，为消除杂菌的影响而采取的主要措施是“炊作饭”，即蒸熟，C错误；“舒令极冷”是将米饭摊开冷透，目的是防止温度过高导致微生物(酵母菌)死亡，D正确。

2．(2021·广东卷)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。

工艺流程如下图。

回答下列问题：
(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(指培养一段时间后，将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。

培养过程中定期取样并用__________________的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。

此外，选育优良菌株的方法还有____________________(答出两种方法即可)等。

(2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60 g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60 d以上。

该系统不需要灭菌的原因是______________________________
_______________________________________。

(答出两点即可)
(3)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中____________________可能是高密度培养的限制因素。

(4)菌株H还能通过分解餐厨垃圾(主要含蛋白质、淀粉、油脂等)来生产PHA，
说明其能分泌__________________________________
__________________________________________________________________。

解析：(1)根据题意分析，该实验的目的是提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，结合微生物的代谢需求，其液体培养基应该以蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度，经多次传代培养以获得目标菌株。

培养过程中定期取样并用血细胞计数板计数的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。

此外，选育优良菌株的方法还有诱变育种、基因工程育种等。

(2)已知菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，因此当培养基盐浓度为60 g/L，pH为10时，菌株H可正常持续发酵60 d以上，而盐浓度为60 g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制，故该系统不需要灭菌。

(3)分析题意，扩大培养时，营养物浓度、温度、pH等条件适宜，而发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中氧气不足，使菌种进行无氧呼吸产生乙醇，即氧气(O2或溶解氧)可能是限制高密度培养的重要因素。

(4)根据酶的专一性可知，菌株H能通过分解主要含蛋白质、淀粉、油脂等的餐厨垃圾来生产PHA，说明其能分泌蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

答案：(1)唯一碳源血细胞计数板计数诱变育种、基因工程育种(2)盐浓度为60 g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制(3)氧气(O2或溶解氧)(4)蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等
1．(生活、学习和实践情境)与啤酒、葡萄酒并称世界三大古酒的黄酒是中国特产，即墨老酒是黄酒中的珍品，按照“黍米必齐、曲蘖必时、水泉必香、陶器必良、湛炽必洁、火剂必得”的古代造酒六法(古遗六法)酿制而成。

下列关于我国传统黄酒发酵的叙述，错误的是()
A．黄酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢产物
B．“曲蘖”指酿造老酒的酵母菌，在酿造黄酒过程中进行有氧呼吸和无氧呼吸
C．“湛炽必洁”为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主要措施
D．“火剂必得”的目的是大火升温，保持高温是促进酵母菌无氧呼吸酿酒的前提
D解析：黄酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢物，因为酵母菌无氧呼吸的产物是酒精，A正确；在黄酒制作过程中同样需要酵母菌先进行有氧呼吸大量繁殖，而后经过无氧呼吸产生酒精，据此可推测，“曲蘖”指酿造老酒的酵母菌，在酿造黄酒过程中进行有氧呼吸和无氧呼吸，B正确；避免杂菌污染是酿酒过程中的必要措施，因此，“湛炽必洁”为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主要措施，C正确；“火剂必得”是指控制适宜的温度保证酵母菌发酵所需，通常为18～30 ℃，D错误。

2．(生命科学史情境)传统的酱油制作工艺采用面粉、黄豆做成酱饼，通过蒸熟、发酵、摊晒，然后将酱饼捣碎和盐汤盛入缸中，主要利用黑曲霉发酵，经5～6个月日晒夜露，不断搅动着酱缸里的酱，进行“捣缸”，待酱料完全熟化，再进行压榨过滤。

下列说法错误的是()
A．“蒸熟”使大豆蛋白质变性，并杀灭附着在原料上的微生物
B．加盐的目的主要是赋予酱油一定的咸味
C．“捣缸”的目的是通风降温，混合均匀，以利于黑曲霉正常生长繁殖
D．黑曲霉产生的蛋白水解酶等多种酶可水解原料中的蛋白质，增加酱油的鲜味
B解析：“蒸熟”使大豆蛋白质变性，有利于后期发酵，同时起到杀灭附着在原料上的微生物的作用，A正确；加盐的目的是抑制某些腐生微生物的活动，同时赋予酱油一定的咸味，B错误；黑曲霉是一种好氧菌，“捣缸”的目的是通风供氧，降低温度，混合均匀，以利于黑曲霉正常生长繁殖，C正确；黑曲霉有复杂的酶系统，主要产生蛋白水解酶等，多种酶可水解原料中的蛋白质，增加酱油的鲜味，D正确。

3．(科学实验和探究情境)泡菜的制作工艺是我国悠久的文化遗产之一。

制作泡菜的过程中，应控制亚硝酸盐在一定浓度范围内，以免对人体产生危害。

兴趣小组欲研究不同浓度食醋对泡菜中亚硝酸盐含量的影响。

实验步骤如下：称取等量的新鲜白菜4份，每份均加入等量的质量分数为7%的盐水、鲜姜和辣椒，再加入食醋，调节料液的食醋浓度分别为0、0.3%、0.6%、0.9%，每天测定其亚硝酸盐含量，下图为室温下的实验结果。

请回答下列相关问题：
(1)制作泡菜时，如果发现发酵容器内底层的发酵效果比上层的好，则说明制作泡菜使用的发酵菌属于________(填“好氧菌”或“厌氧菌”)。

设置食醋浓度为0的组别的目的是_______________
_________________________________________________________。

(2)分析曲线可知，随泡制时间的延长，亚硝酸盐含量的变化趋势均表现为______________并均在第3 d达到最大值。

室温下，用白菜制作的泡菜，最佳食用时间是泡制________d以后。

泡菜发酵初期，由于泡菜罐加盖并水封，会使______菌逐渐被抑制；发酵中期，乳酸菌大量繁殖产生乳酸使______菌被抑制；发酵后期，________菌也会被抑制。

(3)结合本实验，不同浓度食醋对泡菜中亚硝酸盐含量的影响是___________________________________________________________________
________________________________________________(答出两点)。

解析：(1)制作泡菜时，底层缺乏氧气，若底层的发酵效果比上层的好，说明该发酵菌是厌氧菌。

设置食醋浓度为0的一组，目的是与有食醋的实验组形成对照，排除无关变量对实验结果的影响。

(2)分析题图曲线可知，亚硝酸盐含量变化趋势均表现为先上升后下降；9 d后泡菜中的亚硝酸盐含量降至最低，适宜食用。

发酵初期水密封后发酵环境中缺乏氧气，好氧菌被逐渐抑制；发酵中期乳酸菌产生乳酸，不耐酸细菌被抑制，随着代谢产物的积累，发酵后期乳酸菌被抑制。

(3)根据题图可知，食醋会抑制泡菜中亚硝酸盐的产生；三组浓度中，0.6%食醋抑制作用最强；食醋浓度过高或过低抑制作用均下降。

答案：(1)厌氧菌作为对照，排除无关变量对实验结果的影响(2)先上升后下降9好氧不耐酸乳酸(3)食醋会抑制泡菜中亚硝酸盐的产生；三组浓度中，0.6%食醋抑制作用最强；食醋浓度过高或过低抑制作用均下降。