1、第第 3 3 节节 发酵工程及其应用发酵工程及其应用 发酵工程的基本环节 自主梳理 1.发酵工程的定义 2.发酵工程的基本环节 (1)环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖， 而且会影响微生物代谢物的形成。 () (2)接种是发酵工程的中心环节。() 提示：发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。 (3)用于发酵工程的菌种，可以从自然界中筛选，也可以通过基因工程育种或单倍体育种获得。() 提示：用于发酵工程的菌种，可以从自然界中筛选，也可以通过基因工程育种或诱变育种获得。 (4)发酵工程中所用的都是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。() 提示：发酵工程中所用的大多是单一菌种，一旦有杂菌污染
2、，可能导致产量大大下降。 典型例题 (2020 赣州高二质检)发酵工程基本环节主要包括：获得产品、扩大培养、分离提纯产物、灭菌、配制培养基、发酵罐内发酵、菌种选育、接种。正确的顺序是( ) 答案 C 变式训练 (2020 景德镇高二期中)下列关于发酵工程基本环节的叙述，正确的是( ) A.需要根据确定的菌种选择合适的原料配制培养基，且一般需要反复试验 B.需要对培养基和发酵设备进行消毒，以防止因杂菌污染导致产量下降 C.选育出的菌种可以直接接种，也可以先进行扩大培养后再进行接种 D.计算机控制系统可以通过正反馈机制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态 解析 需要根据确定的菌种选择合适的原料配制
3、培养基，且一般需要反复试验，A 正确；需要对培养基和发酵设备进行灭菌，以防止因杂菌污染导致产量下降，B 错误； 选育出的菌种不能直接接种， 要先进行扩大培养后再进行接种， C 错误；计算机控制系统可以通过负反馈机制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态，D 错误。 答案 A 联想质疑 发酵罐示意图 在发酵罐中发酵时，引入计算机控制系统，有何作用？ 提示：能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 发酵工程的应用 自主梳理 1.发酵工程的特点 2.发酵工程的应用 (1)以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的细菌，将
4、原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制可以制成酱油产品。() 提示：以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉)，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制可以制成酱油产品。 (2)利用发酵工程生产的食品添加剂，可以改善食品的口味、色泽和品质，还可以延长食品的保存期，但不能增加食品的营养。() 提示：利用发酵工程生产的食品添加剂，不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，还可以延长食品的保存期。 (3)在食品工业中，目前使用的 50 多种酶制剂，都是通过发酵工程生产的。() 提示：在食品工业中，目前使用的 50 多种酶制剂，除少数由动植物生产外
5、，绝大多数都是通过发酵工程生产的。 (4)借助基因工程，通过发酵生产的生长激素释放抑制激素，解决了传统生产方式受制于原料限制的问题，使其价格大大降低，可以大量生产和使用。() (5)科学家借助发酵工程技术，通过微生物可以生产出过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。() 提示：未来甚至还有可能借助发酵工程技术，通过微生物生产出过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 典型例题 (2020 闵行区高三模拟)下列关于单细胞蛋白的叙述，正确的是( ) A.单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的一类蛋白质 B.单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液等为原料，通过发酵工程生产的微生
6、物菌体 C.单细胞蛋白作为食品添加剂，能使家禽家畜增重快、产奶(蛋)高 D.单细胞蛋白制成的微生物饲料，可以提高动物的免疫力 解析 单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵工程生产的微生物菌体，A 错误、B 正确；单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家禽家畜增重快、产奶(蛋)高，C 错误；在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，动物食用后能提高免疫力，D 错误。 答案 B 变式训练 (2020 正定中学高二期中)下列关于发酵工程的应用，叙述正确的是( ) A.柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黄曲霉发酵制得 B.可以将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌通过
7、发酵工程制备乙型肝炎疫苗 C.利用发酵工程生产的白僵菌特异性强，只能用来防治一种农林害虫 D.一种真菌通过发酵工程产生的井冈霉素可以用来防治水稻枯纹病 解析 柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉发酵制得，A错误；可以将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌通过发酵工程制备乙型肝炎疫苗， B 正确； 利用发酵工程生产的白僵菌可以用来防治 80 多种农林害虫， C 错误；一种放线菌通过发酵工程产生的井冈霉素可以用来防治水稻枯纹病，D 错误。 答案 B 发酵工程生产的相关产品及所用的微生物 素养提升 科学探究啤酒的工业化生产流程 典型例题 (2020 漯河四高高二期末)啤酒的工厂化生产主要
8、包括以下流程：发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止。有关对糖浆蒸煮的叙述，错误的是( ) A.蒸煮可以终止淀粉酶的进一步作用 B.蒸煮可以起到对糖浆灭菌的作用 C.蒸煮是通过高温使蛋白质变性的原理起作用的 D.蒸煮后应立即加入酵母菌进行酒精发酵 解析 蒸煮后糖浆温度很高，应待其冷却后，再加入菌种进行发酵，否则高温会引起酵母菌死亡。 答案 D 变式训练 (2020 绵阳一中高二期末)啤酒的工厂化生产流程中， 涉及发芽、 焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒和终止等若干工艺流程。下列相关说法错误的是( ) A.焙烤可以杀死大麦种子的胚，并使淀粉酶变性失活 B.糖化过程中淀粉酶将淀粉分解成为糖浆 C.蒸煮
9、可以杀死糖浆中的微生物，避免杂菌污染 D.消毒可以杀死啤酒中的大多数微生物，从而延长其保存期 解析 焙烤可以杀死大麦种子的胚，但不使淀粉酶失活，A 错误；糖化过程中淀粉酶将淀粉分解成为糖浆，B 正确；蒸煮可以杀死糖浆中的微生物，避免杂菌污染， C 正确； 消毒可以杀死啤酒中的大多数微生物， 从而延长其保存期， D 正确。 答案 A 联想质疑 重组乙型肝炎疫苗 单细胞蛋白可用作食品添加剂和微生物饲料 1.微生物肥料的原理是什么？有何作用？ 提示：微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力、改良土壤结构、促进植株生长；有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长
10、，从而减少病害的发生。 2.什么是单细胞蛋白？其有何应用价值？ 提示：单细胞蛋白是通过以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体。可以作为食品添加剂和微生物饲料。 一起嗨啤吧！ ！ 啤酒花，是桑科葎草属的一种多年生攀援草本植物，其雌花能使啤酒具有独特的苦味和香气，并有防腐和澄清麦芽汁的能力。 思维导图 晨读必背 1.发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产人类所需的产品。 2.发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。 3.啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程主要
11、包括发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒和终止等。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 4.发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，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，形成了规模庞大的发酵工业。 随堂检测 1.(2020 正定中学高二月考)下列关于发酵工程特点的描述，错误的是( ) A.生产条件温和 B.原料来源丰富且价格低廉 C.产物多样
12、化 D.废弃物对环境污染小且易处理 解析 发酵工程的产物专一。 答案 C 2.(2020 盘锦高二期末)关于利用大麦工厂化生产啤酒中糖化环节的叙述，错误的是( ) A.糖化前应将干燥的麦芽碾磨，以使淀粉酶与淀粉接触更充分 B.糖化罐中的温度应控制在淀粉酶的最适温度左右 C.糖化的本质就是淀粉酶分解淀粉形成糖浆的过程 D.糖化后应进行蒸煮，以终止淀粉酶的作用并对糖浆消毒 解析 糖化后的蒸煮，一方面终止淀粉酶的作用，另一方面能起到对糖浆灭菌的作用。 答案 D 3.(2020 许昌高中高二月考)下列一定不属于发酵工程生产的产品的是( ) A.酱油 B.味精 C.脂肪酶 D.啤酒花 答案 D 4.(2
13、019 天津一中高二期末)细菌放在固体培养基上培养，它会繁殖并形成菌落(如图)。某实验小组想检验两种抗生素的杀菌作用，下列实验方案最合适的是( ) 解析 根据题意分析本实验的目的是检验两种抗生素的杀菌作用，该实验应遵循对照原则，即设计只有细菌的空白对照组，实验组是含有 A 抗生素和含有 B 抗生素，然后进行对比分析，符合分析的图示只有 C。 答案 C 5.(2019 北京高二学业考试)目前在经济作物栽培中使用的赤霉素(GA3)大多是来自于发酵工业的产品。为提高发酵过程中赤霉素的产量，有关人员对发酵工艺开展了优化研究。请回答： (1)下表是在不同发酵温度下，经过 190 小时(h)发酵后测得的赤
14、霉菌菌丝得率(每消耗 1 g 还原糖所产菌丝干重)。 温度/ 25 28 30 32 35 菌丝得率/(g g1) 0.32 0.36 0.42 0.43 0.38 上表中数据显示，发酵温度为_时赤霉菌菌丝得率最高。 (2)下面图 1 为不同发酵温度条件下赤霉菌产赤霉素的速率(每小时、 每升菌液中的合成产物量)。 图 1 图 2 综合上表中数据和图 1 所示结果可知，菌丝得率和 GA3合成速率的_温度不同。 (3)依据上述实验结果， 采用分阶段变温调控的发酵工艺后， 与恒温发酵相比， GA3的产量明显提高。发酵过程中菌丝干重、残糖浓度及 GA3浓度的变化如图 2。发酵过程中残糖浓度下降的原因是
15、_ _ _。 (4)鉴于菌丝产量、 GA3合成速率以及维持高水平 GA3产率的时间共同决定了 GA3的最终产量，请综合图表中的信息，简述图 2 所示发酵过程前、中、后期采用 3种不同温度的设计思路：_ _。 解析 (1)由表格中数据可知，32 时赤霉菌菌丝得率最高。 (2)由图 1 可知，温度为 30 、发酵时间为 70 h 左右的时候赤霉菌产赤霉素的速率最高，而赤霉菌菌丝得率最高时的温度是 32 ，所以菌丝得率和 GA3合成速率的最适温度不同。 (3)由于菌丝生长、各种代谢产物(或赤霉素合成)所需的碳源及能量都主要由糖类提供，所以发酵过程中残糖浓度会下降。 (4)菌丝产量、GA3合成速率以及
16、维持高水平 GA3产出率的时间共同决定了 GA3的最终产量。所以，在发酵过程的前期，采用 32 适合菌丝快速生长，以便产生更多的菌丝， 在中期采用30 有利于快速提高GA3的合成速率， 而后期采用28 则有利于延长赤霉菌高水平合成 GA3的时间。 答案 (1)32 (2)最适 (3)糖类被用于菌丝生长和各种代谢产物合成的碳源及能量供给 (4)由于菌丝得率和 GA3合成速率的最适温度不同， 而菌丝总量和 GA3合成速率共同影响 GA3的最终产量。所以，在发酵过程的前期，采用 32 适合菌丝快速生长，以便产生更多的菌丝，在中期采用 30 有利于快速提高 GA3的合成速率，而后期采用 28 则有利于延长赤霉菌高水平合成 GA3的时间。