發(fā)酵工程及其應(yīng)用 【新教材 備課精講精研】 高二生物高效課件（人教版2019選擇性必修3）

學(xué)習(xí)目標(biāo)核心素養(yǎng)1.闡明發(fā)酵工程利用現(xiàn)代工程技術(shù)及微生物的特定功能，工業(yè)化生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品。2．舉例說明發(fā)酵工程在醫(yī)藥、食品及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價(jià)值。1.科學(xué)探究：根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品和利用微生物的不同討論發(fā)酵工程中的發(fā)酵條件及控制方法。2．社會(huì)責(zé)任：認(rèn)可發(fā)酵工程在生產(chǎn)上的重要應(yīng)用價(jià)值。第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用從社會(huì)中來青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？2022/12/29選育高產(chǎn)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.選育菌種（1）目的：獲得_______________________性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、________或____________________。誘變育種基因工程育種（3）實(shí)例：篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期；思考討論：某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對(duì)該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢(shì)低洼，氣候炎熱，具有獨(dú)特的微生物種群，因?yàn)榕c外界的空氣對(duì)流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對(duì)你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示？

優(yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會(huì)賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)在很大程度上決定了生物發(fā)酵產(chǎn)物的成敗。2.擴(kuò)大培養(yǎng)（1）目的：獲得___________更多的菌種（2）原因：

工業(yè)發(fā)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(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基：①在菌種確定之后，要_________制備培養(yǎng)基。②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過________才能確定。4.滅菌：選擇原料反復(fù)試驗(yàn)（1）滅菌原因：發(fā)酵工程種所用的菌種大多是________，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致_____________。單一菌種產(chǎn)量大大降低（2）_____________都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌；培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備5.接種：將_____________的菌種投放到______中發(fā)酵罐擴(kuò)大培養(yǎng)后6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）要求：①發(fā)酵過程中，要________培養(yǎng)液中___________、________等，以____________；②要及時(shí)添加_______________，要嚴(yán)格控制_____、____和______等發(fā)酵條件；隨時(shí)檢測(cè)微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度了解發(fā)酵進(jìn)程必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶氧量（2）嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：①環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)（3）不同發(fā)酵條件的影響實(shí)例——谷氨酸發(fā)酵①在_____和______條件下會(huì)積累谷氨酸；②在_____條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；中性弱堿性酸性電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口（4）現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)

均有_______________，能對(duì)發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行_____和_____，還可以進(jìn)行_________，使發(fā)酵全過程處于________；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制反饋控制最佳狀態(tài)7.分離、提純產(chǎn)物方法：①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身時(shí)，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用_____、_____等方法將菌體_____和_____；②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時(shí)，可______________采取____的_____、_____和_____措施來獲得產(chǎn)品；過濾沉淀分離干燥根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)適當(dāng)提取分離純化8.獲得產(chǎn)品：啤酒味精1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)，需要考慮哪些因素？①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖；②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；③發(fā)酵條件易控制；④菌種不易變異，退化等。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？①反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方；②對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌；③隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物濃度等；④及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分；⑤嚴(yán)格控制溫度、pH和溶氧量等發(fā)酵條件，使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各種條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以及反饋控制【思考討論】3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進(jìn)之處？

傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過濾等方法來分離提純產(chǎn)物。

發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附或離子交換等方法；在進(jìn)一步純化階段，會(huì)采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無(wú)論是代謝物還是菌體本身，都需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí),排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎?為什么？

不能；因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。

為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理?！镜淅堪l(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。下列關(guān)于發(fā)酵工程的認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是(

) A.發(fā)酵工程具有條件溫和、產(chǎn)物單一、污染小的特點(diǎn) B.發(fā)酵工程的產(chǎn)品包括微生物的代謝產(chǎn)物和菌體本身 C.通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧和pH等 D.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別是前者可以用微生物進(jìn)行發(fā)酵

解析：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵工程都是利用各種微生物的代謝來實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)的，D錯(cuò)誤。D【檢測(cè)】某高

校采用如圖所示的發(fā)酵罐進(jìn)行葡萄酒發(fā)酵過程的研究。下列敘述正確的是(

) A.為加快發(fā)酵速度，應(yīng)使發(fā)酵液保持35℃的恒溫 B.給發(fā)酵罐適時(shí)排氣，后期可縮短排氣間隔時(shí)間 C.可以通過監(jiān)測(cè)發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時(shí)終止發(fā)酵 D.若定期對(duì)培養(yǎng)液中酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，只能采用稀釋涂布平板法C二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（一）發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)條件溫和；②原料來源豐富且價(jià)格低廉；③產(chǎn)物專一；④廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理；

因此，發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品實(shí)例1—生產(chǎn)醬油大豆黑曲霉蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調(diào)制醬油實(shí)例2—釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類（二）發(fā)酵工程的應(yīng)用

啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程一.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)啤酒的工業(yè)化流程完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵冷卻消毒終止后發(fā)酵過濾1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高?

菌種的選育、對(duì)原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？

應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求，或者滿足一些人的時(shí)尚追求。另方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴的問題。

增加食物的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑的作用：②實(shí)例1——檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑；可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得；③實(shí)例2——味精由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精；④常見的食品添加劑添加劑類型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶（3）生產(chǎn)酶制劑①常見酶制劑α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制劑應(yīng)用

食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等；③酶制劑來源少數(shù)由動(dòng)植物生產(chǎn)；絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)；2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（1）采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物實(shí)例：①利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素；②利用基因工程改造的微生物生產(chǎn)疫苗。將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。如某種乙肝疫苗的生產(chǎn)。（2）直接對(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品實(shí)例：青霉素高產(chǎn)菌株的培育③利用微生物生產(chǎn)過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物；3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)微生物肥料①微生物肥料的種類：根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用：Ⅰ生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)；Ⅱ有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生.（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用機(jī)理：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害②實(shí)例：蘇云金桿菌防治80多種農(nóng)林蟲害。白僵菌防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。井岡霉素（一種放線菌產(chǎn)生的抗生素）防治水稻枯紋病。③防治類型：生物防治（3）生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且繁殖速度快②實(shí)例1——單細(xì)胞蛋白

以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白；單細(xì)胞蛋白應(yīng)用：?jiǎn)渭?xì)胞蛋白生產(chǎn)過程：食品添加劑、微生物飼料；單細(xì)胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)③實(shí)例2-乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動(dòng)物食用后還能提高免疫力。4.在其他方面的應(yīng)用（1）解決資源短缺與環(huán)境污染問題

隨著對(duì)纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功（2）將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐

自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環(huán)境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。①極端微生物：②舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量?！镜淅堪l(fā)酵工程廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

) A.黑曲霉可作為釀制醬油、生產(chǎn)檸檬酸的菌種 B.啤酒釀制終止后，可得到啤酒、單細(xì)胞蛋白等產(chǎn)品 C.用纖維廢料發(fā)酵得到酒精，可減少環(huán)境污染、減緩能源短缺問題 D.用液體培養(yǎng)基可大規(guī)模生產(chǎn)新冠病毒減毒疫苗D【檢測(cè)】下列有關(guān)發(fā)酵工程應(yīng)用的敘述，正確的是(

)A.發(fā)酵完成后分離出的菌體均可作為動(dòng)物飼料B.發(fā)酵工程不能用于傳統(tǒng)發(fā)酵食品的生產(chǎn)C.利用基因工程選育的菌種可用于酶制劑、疫苗、激素等的生產(chǎn)D.將發(fā)酵液中的微生物分離出來就是微生物肥料，可大大增進(jìn)土壤肥力解析：有些微生物的菌體含有激素、抗生素等，不適合作為動(dòng)物飼料，A錯(cuò)誤；利用發(fā)酵工程能生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品，B錯(cuò)誤；微生物肥料是指微生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等，D錯(cuò)誤。C食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品農(nóng)牧業(yè)其他方面生產(chǎn)食品添加劑發(fā)酵工程應(yīng)用生產(chǎn)酶制劑采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。直接對(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。生產(chǎn)微生物肥料生產(chǎn)微生物農(nóng)藥生產(chǎn)微生物飼料解決資源短缺與環(huán)境污染問題將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐【課堂小結(jié)】(1)生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌()(2)谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)需在強(qiáng)堿性條件下進(jìn)行(

)(3)谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺()(4)現(xiàn)代發(fā)酵工程中所用的菌種大多是復(fù)合菌種以提高生產(chǎn)效率(

)××√×【基礎(chǔ)過關(guān)】(5)發(fā)酵工程生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富，但廢棄物對(duì)環(huán)境污染很大，不易處理。()(6)目前的酶制劑全部是微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。(

)(7)現(xiàn)在已經(jīng)可以通過微生物生產(chǎn)紫杉醇。(

)(8)單細(xì)胞蛋白指通過發(fā)酵而獲得的微生物菌體。()×××√1.細(xì)菌放在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，它會(huì)繁殖并形成菌落(如圖)。某實(shí)驗(yàn)小組想檢驗(yàn)兩種抗生素的殺菌