資源簡介

第3節(jié)　發(fā)酵工程及其應用
【學習目標】
1.基于發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和應用實例,闡明發(fā)酵工程的概念。(科學思維)
2.根據發(fā)酵產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。(科學探究)
3.認可發(fā)酵工程在生產上重要的應用價值。(社會責任)
【自主預習】
一、發(fā)酵工程的概念
發(fā)酵工程是指利用　微生物　的特定功能,通過　現(xiàn)代工程技術　,規(guī)模化生產對人類有用的產品。
二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
1.基本環(huán)節(jié)
2.下列關于發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)的描述,正確的是　②④⑤　。
①用于發(fā)酵工程的菌種應該具備優(yōu)良性狀,并且只能從自然界中篩選。
②在進行發(fā)酵前,需要對選育的菌種進行擴大培養(yǎng)。
③發(fā)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(fā)酵工程所用的培養(yǎng)基是液體培養(yǎng)基。
⑤在發(fā)酵過程中要隨時進行檢測,還需要對發(fā)酵條件進行嚴格的控制。
⑥發(fā)酵結束后即可得到發(fā)酵產品。
三、發(fā)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(huán)境的污染小且容易處理。
2.在食品工業(yè)上的應用
(1)生產傳統(tǒng)的　發(fā)酵產品　。
①優(yōu)點:能明顯提高產品的　產量和質量　。
②實例
a.大豆中的　蛋白質小分子的肽和氨基酸 醬油。
b.啤酒的工業(yè)化生產流程
(2)生產各種各樣的食品添加劑:酸度調節(jié)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(yè)中,經常用到一些酶制劑,如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
3.在醫(yī)藥工業(yè)上的應用
(1)發(fā)酵工程可以生產抗生素、　多種氨基酸　、激素和　免疫調節(jié)劑　等。
(2)基因工程與　發(fā)酵技術　相結合生產所需要的產品。
4.在農牧業(yè)上的應用
(1)生產微生物肥料,如根瘤菌肥、　固氮菌肥　等。
(2)生產微生物農藥,如蘇云金桿菌、　白僵菌　、井岡霉素等。
(3)生產　微生物飼料　,如單細胞蛋白等。
5.在其他方面的應用
(1)利用纖維廢料發(fā)酵生產　酒精、乙烯　等能源物質。
(2)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。
【合作探究】
任務1　了解發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
活動1　閱讀教材,思考發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
→接種→發(fā)酵罐內發(fā)酵→分離、提純產物→獲得產品
1.微生物菌種資源豐富,選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素
提示　在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖;生產所需代謝物的產量高;發(fā)酵條件容易控制;菌種遺傳性能相對穩(wěn)定,不易變異、退化等。
2.怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要
提示　在發(fā)酵過程中,要隨時檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等,以了解發(fā)酵進程;要及時添加必需的營養(yǎng)組分,以滿足微生物的營養(yǎng)需要;還要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。
3.在產物分離和提純方面,發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處
提示　利用傳統(tǒng)發(fā)酵技術獲得的產物一般不是單一的組分,而是成分復雜的混合物,很多時候不會再對產物進行分離和提純處理,或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。而在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段,常采用沉淀、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。發(fā)酵工程的產物無論是代謝物還是菌體本身,都需要進行質量檢查,合格后才能成為正式產品。
4.發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一菌種,整個發(fā)酵過程中不能混入雜菌,這是為什么 如何防止雜菌的污染 怎樣才算滅菌徹底
提示　在發(fā)酵過程中,一旦有雜菌污染,可能導致產量大大下降。在發(fā)酵前對培養(yǎng)基和發(fā)酵設備進行嚴格的滅菌處理。用高溫、高壓的方式,殺死所有微生物,包括芽孢和孢子。
5.進行發(fā)酵生產時,排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液能直接排放到外界環(huán)境中嗎 為什么
提示　不能。因為在進行發(fā)酵生產時,微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放,實現(xiàn)清潔生產,應該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。
例1　(2023·廣東深圳)青霉素是常用的抗生素,是青霉菌發(fā)酵的產物。目前已實現(xiàn)青霉素的工業(yè)化生產,關于該生產過程,下列說法錯誤的是(　　)。
A.青霉素具有殺菌作用,因此發(fā)酵罐不需要嚴格滅菌
B.選育出的高產菌株經擴大培養(yǎng)后才可接種到發(fā)酵罐中
C.發(fā)酵過程中要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、罐壓、營養(yǎng)物質等
D.發(fā)酵結束后可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離
【答案】　A
【解析】　為了防止雜菌污染,獲得純凈的青霉素,發(fā)酵罐仍需要嚴格滅菌,A錯誤;青霉素高產菌種是經誘變育種產生的,選育出的高產菌株經擴大培養(yǎng)后能增加其自身的濃度和純度,再接種到發(fā)酵罐中能提高發(fā)酵的效率,B正確;發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、營養(yǎng)物質等都會影響青霉菌發(fā)酵的效率,因此發(fā)酵過程中需要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、罐壓、營養(yǎng)物質等條件,C正確;發(fā)酵結束后可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥,D正確。
【易錯分析】
1.發(fā)酵罐使用的三點提醒
(1)發(fā)酵罐在使用前要進行滅菌,培養(yǎng)基和發(fā)酵設備一般用高壓蒸汽滅菌(濕熱滅菌),空氣采用過濾的方法除菌。
(2)對于需氧發(fā)酵,為了防止雜菌污染,應該從通氣口通入無菌空氣。
(3)攪拌的作用
①使空氣和發(fā)酵液充分混合,增加培養(yǎng)液中的溶解氧。
②使菌種與培養(yǎng)液充分接觸,提高原料利用率。
2.微生物菌種資源豐富,能產生某種特定產物的菌種很多,挑選對營養(yǎng)物質、培養(yǎng)條件要求較低的微生物作菌種,可大大降低生產成本。
3.溫度、pH、溶解氧是影響微生物代謝途徑的重要因素。應根據微生物代謝途徑控制發(fā)酵條件,如谷氨酸的發(fā)酵過程中需要充足的氧氣供應,在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸,在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N 乙酰谷氨酰胺。
4.通過傳統(tǒng)發(fā)酵技術得到的產品一般不進行分離、提純,而通過發(fā)酵工程得到的產品需要根據發(fā)酵產品類型進行分離、提純。
對點練1　(改編)某醋廠和啤酒廠的工藝流程如圖所示。酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌;醋醅含有醋酸菌;糖化即淀粉水解過程。下列相關敘述錯誤的是(　　)。
A.糯米“蒸熟”與大米“蒸煮”的目的是利于糖化和滅菌
B.發(fā)酵原理是利用真菌的無氧呼吸與細菌的有氧呼吸
C.醋酸發(fā)酵過程中經常翻動發(fā)酵物,可控制發(fā)酵溫度和改善通氣狀況
D.啤酒釀造流程中適當增加溶解氧可縮短發(fā)酵時間
【答案】　B
【解析】　糯米“蒸熟”與大米“蒸煮”均有利于滅菌和糖化過程,A正確。圖中制酒用到了酒曲,酒曲含有霉菌、酵母菌、乳酸菌,其中,霉菌屬于需氧型真菌,霉菌產生的淀粉酶可以將糯米中的淀粉分解;乳酸菌進行的是無氧呼吸;在釀酒過程中酵母菌主要進行無氧呼吸;醋酸發(fā)酵過程中主要利用了醋酸菌的有氧呼吸,B錯誤。在醋酸發(fā)酵過程中經常翻動發(fā)酵物,目的是控制發(fā)酵溫度和改善通氣狀況,C正確。啤酒釀造流程中,若前期適當增加溶解氧,有利于酵母菌進行有氧呼吸,使酵母菌大量繁殖,因而可縮短發(fā)酵時間,D正確。
任務2　了解發(fā)酵工程的應用
活動2　閱讀教材,列舉發(fā)酵工程的應用
發(fā)酵工程以其生產條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、產物專一、廢棄物對環(huán)境的污染小和容易處理等特點,在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農牧業(yè)等許多領域得到了廣泛的應用,形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。思考回答下列問題:
1.下列產品需要利用發(fā)酵工程技術進行生產的有哪些
①生產單細胞蛋白飼料　②利用工程菌生產胰島素　③工廠化生產青霉素
提示　①②③。生產單細胞蛋白飼料、利用工程菌生產胰島素、工廠化生產青霉素均需要利用發(fā)酵工程技術。
2.醬油、各種酒類、檸檬酸和谷氨酸的發(fā)酵生產分別利用了哪種微生物的發(fā)酵
提示　醬油、各種酒類、檸檬酸和谷氨酸的發(fā)酵生產利用的微生物分別是霉菌(如黑曲霉)、釀酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒狀桿菌。
3.微生物農藥防治害蟲與化學農藥防治害蟲相比較,前者的原理、優(yōu)點各是什么
提示　利用微生物或其代謝物進行防治;成本低、無污染。
4.微生物肥料使作物增產的原理是什么
提示　微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等能增進土壤肥力,改良土壤結構,促進植株生長。
認知生成
1.發(fā)酵工程在食品工業(yè)上的應用包括生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品、食品添加劑、酶制劑等。
2.發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)上的應用包括抗生素、氨基酸、激素、免疫調節(jié)劑等生產領域,以及基因工程和蛋白質工程制藥領域。
3.發(fā)酵工程在農牧業(yè)上的應用包括生產微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料等。
4.發(fā)酵工程在其他方面的應用包括在極端條件下的生產實踐等。
例2　 (2022·汕頭期中)我國是名副其實的發(fā)酵大國,發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)及農牧業(yè)等許多領域得到了廣泛的應用。下列相關敘述錯誤的是(　　)。
A.發(fā)酵工程的產品主要包括微生物代謝物、酶及菌體本身
B.利用酵母菌等菌種的發(fā)酵工程生產的單細胞蛋白,可作為食品添加劑
C.將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌,再通過發(fā)酵可生產乙型肝炎疫苗
D.利用發(fā)酵工程生產的微生物農藥,作為化學防治的重要手段,可用于防治病蟲害
【答案】　D
【解析】　發(fā)酵工程是指利用微生物的特定功能,通過現(xiàn)代工程技術,規(guī)模化生產對人類有用的產品,產品主要包括微生物代謝物、酶及菌體本身,A正確;用酵母菌等生產的單細胞蛋白可作為食品添加劑,B正確;可以將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌,通過發(fā)酵工程制備乙型肝炎疫苗,C正確;微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的,微生物農藥作為生物防治的重要手段,將在農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用,D錯誤。
【易錯辨析】
1.繁殖快、易培養(yǎng)、成本低等特點是發(fā)酵工程能夠迅猛發(fā)展的主要原因。
2.發(fā)酵工程往往和其他生物工程相結合,如借助基因工程培育工程菌來改變原有菌種的遺傳特性,生產所需產品。
對點練2　(不定項)下列關于發(fā)酵工程的應用的說法,錯誤的是(　　)。
A.在青貯飼料中添加乳酸菌,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
B.使用加酶洗衣粉時用沸水洗滌效果最好
C.食品添加劑可以增加食品的營養(yǎng),改善食品的口味、色澤和品質,有時還可以延長保存期,使用時應盡量多添加
D.與使用化學農藥相比,使用微生物農藥具有成本高、見效快、無污染的特點
【答案】　BCD
【解析】　在青貯飼料中添加乳酸菌,通過乳酸菌的發(fā)酵,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,A正確;酶的作用條件溫和,沸水會導致酶因高溫而變性失活,洗滌效果變差,B錯誤;食品添加劑過量使用會對人體健康造成影響,甚至危及生命,C錯誤;微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治蟲害的,與使用化學農藥相比,微生物農藥成本低、見效慢,D錯誤。
素能提升　運用發(fā)酵工程原理分析生產生活中的實例
1.(2023·鹽城期中)普洱茶分為生普和熟普,其中熟普以云南大葉種曬青茶為原料,經后發(fā)酵(人為加水提溫,加速茶葉熟化去除生茶苦澀以達到入口純和湯色紅濃的獨特品性)加工形成。熟普的湯色紅濃明亮,香氣獨特陳香,滋味醇厚回甘,葉底紅褐均勻。熟普的香味會隨著陳化時間的延長而變得越來越柔順、濃郁。下列相關敘述錯誤的是(　　)。
A.人為加水提溫可以促進微生物繁殖,進而縮短原料發(fā)酵的時間
B.熟普發(fā)酵過程中環(huán)境條件變化會影響微生物的生長、繁殖和代謝
C.熟普發(fā)酵一段時間后進行滅菌并密封,有利于茶的長期保存
D.飲用熟普后回甘,可能是因為發(fā)酵后茶葉中單糖、二糖的含量增加
【答案】　C
【解析】　溫度適當提高可以提高相應酶的活性以促進微生物繁殖,縮短原料發(fā)酵的時間,A正確;發(fā)酵過程需要適宜的溫度和pH,所以環(huán)境條件的變化會對微生物的生長、繁殖和代謝產生一定的影響,B正確;熟普的香味會隨著陳化時間的延長而變得越來越柔順、濃郁,說明熟普保存過程中仍在發(fā)酵,因此新茶發(fā)酵完成后進行滅菌并密封不利于進一步發(fā)酵,C錯誤;飲用熟普后回甘,可能是因為發(fā)酵后茶葉中單糖、二糖的含量增加,導致甜味增加,D正確。
2.(2023·德州三模)桑黃是生物治癌效率較高的藥用真菌之一,人工栽培難度較大,利用發(fā)酵罐進行發(fā)酵培養(yǎng)具有廣闊前景。科研人員研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵罐中蔗糖為70 g/L、氯化銨為10 g/L、攪拌轉速為150 r/min、28 ℃下發(fā)酵120 h,產生的菌絲量最大。下列說法錯誤的是(　　)。
A.蔗糖、氯化銨分別為桑黃生長提供碳源和氮源
B.控制溫度、營養(yǎng)等都可提高桑黃的種群數(shù)量
C.適當提高攪拌轉速可增加培養(yǎng)液的溶氧量,提高菌絲產量
D.發(fā)酵120 h后,發(fā)酵環(huán)境改變會導致菌絲量下降
【答案】　C
【解析】　蔗糖為糖類,能為桑黃生長提供碳源,氯化銨含有N,能為桑黃生長提供氮源,A正確;發(fā)酵工程中,適當控制溫度、營養(yǎng)等都為桑黃的生存、增殖提供適宜條件,可提高桑黃的種群數(shù)量,B正確;據題干可知,攪拌轉速為150 r/min時,菌絲的產量最大,因此再提高攪拌轉速不能提高菌絲產量,C錯誤;發(fā)酵120 h后,發(fā)酵環(huán)境內營養(yǎng)物質減少、代謝物增加等改變會導致菌絲量下降,D正確。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.發(fā)酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。 (×) 2.分離、提純酵母菌發(fā)酵生產的單細胞蛋白,可采用過濾、沉淀等方法。 (√) 3.果酒的家庭制作與啤酒的工業(yè)化生產在發(fā)酵前都需要對原料進行滅菌。 (×) 4.啤酒的工業(yè)化生產中,糖漿經蒸煮、冷卻后需接種酵母菌進行發(fā)酵。 (√) 5.利用微生物農藥防治農林蟲害屬于化學防治。 (×) 6.微生物飼料主要是利用發(fā)酵工程生產的微生物菌體。 (√) 7.單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的。 (×)
2

展開更多......

收起↑