資源簡介

第一章　第三節
基 礎 題 組
一、選擇題
1．(2024·廣東模擬預測)下列關于發酵工程的敘述錯誤的是(　　 )
A．發酵的過程中補充培養液和空氣須先滅菌
B．發酵罐內發酵是發酵工程的中心環節
C．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率有關
D．單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的
答案：D
解析：由于發酵的過程是培養同種生物，因此在培養過程中補充的同種培養液，并且為防止雜菌污染，培養液和空氣須先滅菌，A正確；發酵工程的內容包括菌種選育、培養基的配置、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純(生物分離工程)等，發酵工程的中心環節是發酵罐內發酵，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正確；單細胞蛋白是指通過發酵獲得大量的微生物菌體，D錯誤。故選D。
2．(2024·山東聊城一中校考期中)下列關于發酵工程的說法中，不正確的是(　　 )
A．在菌種選育過程中，可以利用人工誘變、自然界中篩選和基因工程等手段
B．青霉素是抗生素，所以在青霉素生產過程中不需要嚴格滅菌
C．在谷氨酸發酵過程中，pH呈酸性時產生谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺
D．發酵工程的產品可以采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥
答案：B
解析：在菌種選育過程中，性狀優良的菌種可以利用人工誘變(引起基因突變)、自然界中篩選和基因工程等手段生產，A正確；雖然青霉素是抗生素，可以殺死部分細菌，但不能殺死所有的細菌，有些細菌能分泌分解青霉素的酶，故在青霉素生產過程中仍然需要嚴格滅菌，B錯誤；谷氨酸棒狀桿菌屬于好氧型細菌，發酵過程中應進行通氣和攪拌，以提高培養液中的溶氧量。當pH呈酸性時，谷氨酸棒狀桿菌就會生成乙酰谷氨酰胺和谷氨酰胺；當溶氧不足時，生成的代謝產物就會是乳酸或琥珀酸，C正確；若發酵工程的產品是微生物細胞本身，可在發酵結束后采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，若產品是代謝物，可以根據產物的性質采取蒸餾、萃取、離子交換等方法提取、分離和純化產品，D正確。故選B。
3．(2023·江蘇鹽城高二校聯考期中)下列有關發酵工程的基本環節的敘述，正確的是(　　 )
A．發酵工程的基本環節有選育菌種、擴大培養、配制培養基、滅菌、接種和發酵、產品的分離和純化
B．接種是發酵工程的中心環節，接種必須在無菌條件下進行
C．發酵過程中，不能再向發酵罐中添加營養物質，以免造成污染
D．整個發酵過程中通過人工方法對發酵過程中溫度、pH、溶解氧等進行檢測和控制，從而使發酵過程處于最佳狀態
答案：A
解析：發酵工程是指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種技術。發酵工程的基本環節有選育菌種、擴大培養、配制培養基、滅菌、接種和發酵、產品的分離和純化，A正確；發酵罐內發酵是發酵工程的中心環節，B錯誤；在發酵過程中，要隨時檢測培養液中的微生物數量、產物濃度，以了解發酵進程，同時要嚴格控制發酵條件，如溫度、pH、溶解氧，故可能需要適時添加營養物質等，C錯誤；現代發酵工程中，計算機控制系統可以通過負反饋機制，使發酵罐內的發酵全過程處于最佳狀態，D錯誤。故選A。
4．下列關于發酵工程特點的描述，錯誤的是(　　 )
A．生產條件溫和
B．原料來源豐富且價格低廉
C．可同時獲得多種產物
D．廢棄物對環境影響小且易處理
答案：C
解析：發酵工程是指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，主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。發酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養，培養基的配制、滅菌，接種，發酵、產品的分離、提純等方面。發酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行，條件溫和、反應安全，原料簡單、污染小，反應專一性強，因而可以得到較為專一的產物。發酵工程在醫藥、食品、農業、冶金、環境保護等許多領域都得到廣泛應用。A、B、D正確，C錯誤。故選C。
5．發酵工程由一系列工藝環節構成，下列不屬于發酵罐內發酵這一環節的是(　　 )
A．隨時檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等
B．及時添加必需的營養組分
C．嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件
D．對選育的菌種進行擴大培養
答案：D
解析：對選育的菌種進行擴大培養，屬于接種前的技術環節，不屬于發酵罐內發酵這一環節，D符合題意。故選D。
6．(2024·河南洛陽高二統考期中)與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富。下列關于發酵工程的敘述錯誤的是(　　 )
A．發酵工程涉及菌種的選育和培養、產物的分離和提純等方面
B．發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身
C．農牧業生產上利用發酵工程生產微生物肥料，可增進土壤肥力
D．通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白
答案：D
解析：發酵工程是通過現代工程技術，利用微生物的特定功能，規模化生產對人類有用的產品。它涉及菌種的選育和培養、產物的分離和提純等方面，A正確；發酵工程是指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，主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身，B正確；農牧業生產上利用發酵工程生產微生物肥料，增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等，C正確；單細胞蛋白是指利用發酵工程獲得的大量的微生物菌體，而并非微生物的代謝產物，故不需要提取，D錯誤。故選D。
7．(2024·湖北武漢高二校聯考期中)下列有關發酵工程及其應用的敘述中，正確的是(　　 )
A．發酵工程生產的單細胞蛋白是從微生物菌體細胞中提取出來的
B．發酵工程生產用菌種是對自然界分離的菌種進行定向改造后獲得的
C．利用發酵工程生產微生物的代謝物可以用蒸餾、過濾、沉淀等方法提取
D．利用發酵工程可以產生微生物肥料來增加土壤肥力、改善土壤結構、促進植株生長，如根瘤菌肥、固氮菌肥等
答案：D
解析：發酵工程生產的單細胞蛋白是通過發酵獲得的大量的微生物菌體，A錯誤；性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種和基因工程育種方法獲得，B錯誤；如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。如果產品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品，C錯誤；利用發酵工程生產的微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力、改善土壤結構、促進植株生長，如根瘤菌肥、固氮菌肥等，D正確。故選D。
二、非選擇題
8．(2023·河南南陽高二校聯考期中)發酵工程可以生產各種各樣的食品添加劑，檸檬酸是一種具有廣泛用途的食品添加劑，工業生產檸檬酸的原料主要是糖質原料(如淀粉)，為減少糧食的消耗，某科研小組以秸稈為原料尋找檸檬酸發酵的新工藝，通過黑曲霉液體深層發酵檸檬酸的工藝條件化實驗的簡要過程如下圖所示。請回答下列問題：
下表是培養基A、B、C的配方：
配方
培養基A 纖維素、酵母膏、(NH4)2SO4、水、瓊脂
培養基B 水稻秸稈粉、小麥麩皮、(NH4)2SO4、玉米粉、CaCl2、水
培養基C 水稻秸稈粉、(NH4)2SO4、MgSO4、蛋白胨、KH2PO4、CaCl2、ZnCl2、尿素、水
(1)在培養基A、B、C中接種黑曲霉(孢子)后，經培養后可用于觀察菌落形態的是 ____________(填“培養基A”“培養基B”或“培養基C”)。培養基C中蛋白胨的作用是__________________。配制完培養基后，要采用_________
_______法對其進行滅菌。為檢驗滅菌效果，對照組的操作應是______________
________________________________________________________。
(2)根據實驗流程，若想研究成熟孢子的密度，可采用____________的方法對培養基B中的成熟孢子進行計數，若使用的是長和寬均為1 mm，深度為0.1 mm的血細胞計數板(16個中方格，每個中方格包括25個小方格)，稀釋了100倍的發酵液，統計了4個中方格的孢子數量，理論上4個中方格的孢子數量應不少于________個，才能達到每毫升8×107個孢子的預期密度，該方法統計的結果一般是__________________的總和。
(3)發酵罐內檸檬酸的發酵是發酵工程的中心環節，發酵時要嚴格控制溫度、pH等環境條件，原因是________________________________________________
____________________。
答案：(1)培養基A　提供碳源和氮源　高壓蒸汽滅菌　將未接種的空白培養基置于適宜條件下培養一段時間，觀察是否有菌落出現
(2)抽樣檢測　20　死孢子和活孢子
(3)環境條件的變化不僅會影響菌種的生長繁殖，而且會影響代謝產物的形成
解析：(1)能觀察菌落形態的培養基應為固體培養基，分析圖表可知，在培養基A、B、C中只有培養基A含有凝固劑瓊脂，屬于固體培養基，故可用于觀察菌落形態的是培養基A；蛋白胨來源于動物，含有糖、維生素和有機氮等物質，故培養基C中蛋白胨的作用是微生物生長提供碳源和氮源；培養基的滅菌方法是高壓蒸汽滅菌法；檢驗該培養基滅菌效果的常用方法是將未接種的空白培養基置于適宜條件下培養一段時間，觀察是否有菌落出現；若沒有菌落出現，則說明培養基滅菌合格，反之說明不合格。(2)結合后文可知，使用的是長和寬均為1 mm，深度為0.1 mm的血細胞計數板，故研究成熟孢子的密度，可采用抽樣檢測的方法，用血細胞計數板計數法對培養基B中的成熟孢子進行計數；預期密度為每毫升8×107個活細胞，設4個中方格的孢子數量應不少于x，則有4x÷0.1×103×100＝8×107，解得x＝20；該方法統計的結果一般是死細菌和活細菌的總和。(3)微生物發酵過程中要嚴格控制溫度、pH、溶氧、通氣量與轉速等發酵條件，因為環境條件的變化不僅會影響菌種的生長繁殖，而且會影響代謝產物的形成。
能 力 提 升
一、選擇題
1．(2024·湖北宜昌高二校聯考期中)食品工業是微生物最早開發和應用的領域，一直以來與發酵有關的食品工業的產量和產值都居于發酵工業的首位。下列相關敘述正確的是(　　 )
A．在食品工業中用到的酶制劑都是通過發酵工程生產的
B．篩選出高產谷氨酸的谷氨酸棒狀桿菌菌種后可直接接種到發酵罐中進行發酵生產
C．啤酒發酵的過程中酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成在主發酵階段完成
D．食品工業中，用來延長食品保質期的乳酸鏈球菌素和β－胡蘿卜素可通過發酵工程生產
答案：C
解析：目前大量生產酶制劑主要是通過微生物發酵工程生產的，并不是所有的酶制劑都是通過發酵工程生產的，A錯誤；篩選出能高產谷氨酸的谷氨酸棒狀桿菌菌種后還需要進一步擴大化培養才能接種到發酵罐中進行發酵生產，B錯誤；啤酒發酵的過程分為主發酵和后發酵兩個階段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發酵階段完成，主發酵結束后在低溫、密閉環境下儲存一段時間屬于后發酵，C正確；β－胡蘿卜素在食品工業中常用來增加食品的色澤，是著色劑不是防腐劑，D錯誤。故選C。
2．(2024·廣西高二校聯考期中)谷氨酸棒狀桿菌可用于微生物發酵工程生產谷氨酸來制取谷氨酸鈉(味精)，該細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(溶氧)；在溫度為30～37 ℃，pH為7～8的情況下，經28～32小時，培養液中會生成大量的谷氨酸。如圖表示利用玉米淀粉為材料制備谷氨酸的流程圖。下列敘述錯誤的是(　　 )
A．尿素能為谷氨酸棒狀桿菌提供氮源和碳源
B．利用玉米淀粉制備糖液時，可采用酶解法
C．谷氨酸棒狀桿菌通過有氧發酵產生谷氨酸
D．維生素B能為發酵菌提供特殊的營養物質
答案：A
解析：谷氨酸棒狀桿菌為異養型生物，糖液中的糖為谷氨酸棒狀桿菌提供碳源，而尿素為谷氨酸棒狀桿菌提供氮源，A錯誤；玉米淀粉在淀粉酶的作用下，可以制備成糖液，因此利用玉米淀粉制備糖液時，可采用酶解法，B正確；谷氨酸棒狀桿菌在發酵過程中要不斷地通入無菌空氣，因此谷氨酸棒狀桿菌生產谷氨酸，進行的是有氧發酵，C正確；糖液中的糖為發酵菌提供碳源，尿素提供氮源，另外，還有水和無機鹽，因此，維生素B為發酵菌的生長提供特殊的營養物質，D正確。故選A。
3．(2024·湖北省普通高中學業水平選擇性考試)廣式高鹽稀態醬油發酵工藝中鹽分含量對于發酵過程和產品風味至關重要，其作用之一是防腐抑菌，淘汰非耐鹽野生雜菌或有害微生物。隨著健康中國建設的推進，醬油的減鹽成為一種趨勢。科研人員研究了不同鹽分條件下不同發酵階段微生物群落結構的變化，結果如下表所示。下列說法錯誤的是(　　 )
不同鹽分條件下不同發酵階段各類微生物菌落總數
樣品 菌落總數/(1 g CFU/mL)
細菌 真菌 乳酸菌
LⅠ 6.95 4.87 6.18
LⅡ 6.65 6.46 6.37
LⅢ 5.87 4.72 4.60
MⅠ 6.93 4.03 4.70
MⅡ 6.41 6.32 5.52
MⅢ 5.57 4.07 5.11
HⅠ 6.82 3.48 4.60
HⅡ 6.15 5.78 5.84
HⅢ 5.39 2.43 4.93
注：L、M、H分別表示低鹽組(120 g/L)、中鹽組(150 g/L)、高鹽組(170 g/L)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示發酵第5天、發酵第25天、發酵第55天
A．高濃度鹽分能通過提高培養液的滲透壓來實現防腐抑菌
B．在發酵初期，鹽濃度的提高對真菌及乳酸菌形成有效抑制
C．在發酵過程中，細菌、真菌、乳酸菌的數量均呈現降低趨勢
D．隨時檢測培養液中的微生物數量，可以更好地了解發酵進程
答案：C
解析：高濃度鹽分能通過提高培養液的滲透壓使微生物失水死亡，從而實現防腐抑菌，A正確；由表格內容可知，在發酵初期提高鹽濃度，對真菌及乳酸菌形成有效抑制，B正確；由表中數據可知，低鹽組、中鹽組和高鹽組的細菌數量隨發酵時間推移數量減少；而真菌和乳酸菌數量隨著發酵時間的推移呈現先增后減的趨勢，C錯誤；發酵過程中，隨時檢測培養液中的微生物數量，可以更好地了解發酵進程，D正確。故選C。
4．為了改善食品的品質和色、香、味及滿足防腐與加工工藝的需要，人們會在食品中加入一些化學合成或天然物質，這類物質被稱為食品添加劑，下列有關敘述錯誤的是(　　 )
A．許多食品添加劑可以通過發酵工程生產，如檸檬酸可以通過黑曲霉的發酵制得
B．食品工業中，常用的著色劑有β－胡蘿卜素、紅曲黃色素等
C．食品工業中，用來延長食品保質期的乳酸鏈球菌素、溶菌酶可通過發酵工程生產
D．食品添加劑不能增加食品的營養
答案：D
解析：許多食品添加劑都能通過發酵工程生產，如檸檬酸可以通過黑曲霉的發酵制得，A項正確；β－胡蘿卜素、紅曲黃色素等在食品工業中常用來增加食品的色澤，B項正確；食品工業中，用來延長食品保質期的乳酸鏈球菌素、溶菌酶可通過發酵工程生產，C項正確；食品添加劑不僅可以增加食品的營養，改善食品的口味、色澤和品質，有時還可以延長食品的保存期，D項錯誤。
5．(2023·河南洛陽高二統考期中)啤酒的工業化生產中，大麥經發芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發酵、消毒等工序后，最終過濾、調節、分裝。下列說法錯誤的是(　　 )
A．啤酒是以大麥為主要原料，利用酵母菌產生的淀粉酶將淀粉水解
B．焙烤過程通過加熱殺死大麥種子胚但并不使淀粉酶失活
C．糖漿經蒸煮過程終止了酶的進一步作用并對糖漿起到了滅菌的作用
D．選育出的高產啤酒酵母需經擴大培養后才可接種到發酵罐中
答案：A
解析：大麥芽產生的淀粉酶將大麥中的淀粉水解產生葡萄糖，酵母菌利用產生的葡萄糖發酵獲得啤酒，A錯誤；啤酒的生產過程中，焙烤的目的是殺死大麥種子的胚，但不使淀粉酶失活，B正確；酶活性的發揮需要適宜的溫度，而蒸煮過程中淀粉酶活性因高溫喪失，因此蒸煮過程可以終止淀粉酶的進一步作用，并對糖漿滅菌，C正確；為提高啤酒產量，選育出的高產啤酒酵母需經擴大培養后才可接種到發酵罐中，D正確。故選A。
6．(2024·四川成都高二校聯考期中)現在大力提倡無紙化辦公，但是仍然不可避免地每年要產生大量的廢紙，其主要成分是木質纖維，人類正努力將其轉化為一種新的資源——乙醇。下圖是工業上利用微生物通過纖維素生產乙醇的基本工藝流程，下列說法錯誤的是(　　 )
A．過程①以纖維素作為碳源
B．過程②中的酶是纖維素酶
C．纖維素糖化時會產生水
D．微生物X可能是酵母菌
答案：C
解析：過程①篩選纖維素分解菌時用纖維素作為唯一碳源的選擇培養基，纖維素分解菌能夠很好地生長，其他微生物則不能生長，A正確；根據酶的專一性，纖維素酶水解纖維素，因此過程②中的酶是纖維素酶，B正確；纖維素糖化是纖維素水解的過程，應消耗水，C錯誤；酵母菌無氧呼吸產生酒精，微生物X可能是酵母菌，D正確。故選C。
7．(2024·山東日照高二校聯考期中)檸檬酸是一種廣泛應用的食品酸度調節劑，工業上可以以玉米為原料，通過黑曲霉發酵制得，工藝流程如下圖所示。下列敘述錯誤的是(　　 )
A．種子培養是在發酵前對菌種進行擴大培養
B．蒸煮有利于酶的進一步作用并對糖漿滅菌
C．發酵液pH降低到一定值后可進行過濾純化
D．利用廢渣為原料可進一步獲得單細胞蛋白
答案：B
解析：種子培養是在發酵前對菌種進行擴大培養，增加菌體的數量，A正確；蒸煮的作用是終止酶的作用，并進一步對糖漿滅菌，B錯誤；發酵產物為檸檬酸，呈酸性，故發酵液pH降低到一定值后可進行過濾純化，C正確；微生物含有豐富的蛋白質，廢渣中含有大量的發酵菌體，故利用廢渣為原料可進一步獲得單細胞蛋白，D正確。故選B。
二、非選擇題
8．(2023·四川德陽高二德陽五中校考階段練習)中國是食醋釀造大國，有幾千年的釀醋歷史。但目前中國常用的醋酸桿菌菌株AS1.41產酸能力、酒精耐受性均有待提高。擬從醋醅中篩選高產酸、高耐酒精的醋酸菌，其中醋酸能溶解培養基中的碳酸鈣形成透明圈，過程如圖1所示。
(1)試驗中所用培養基均含有水、葡萄糖、酵母浸膏和酒精，其中葡萄糖可為醋酸菌的生長提供________。配制分離培養基時，除營養物質外，還需要添加2%的__________，以便觀察醋酸與之反應后菌落周圍形成的透明圈。
(2)分離醋酸菌時，需將富集的醋酸菌培養液進行梯度稀釋，采用________________法接種到分離平板上。30 ℃培養72 h后，挑取透明圈______的單菌落進行劃線分離。分離出的單菌落接種到斜面培養基(含3%酒精)上并于_________(溫度)保藏。
(3)取保藏的三個菌株分別接種于發酵培養液(含5%酒精)中，30 ℃培養5 d后測產酸量，篩選出高產酸的醋酸桿菌J2菌株。將J2與AS1.41分別接種到含不同濃度酒精的培養液中，30 ℃培養24 h后測定活菌數量，結果如圖2。由圖2可知，酒精可________醋酸菌的生長。與AS1.41相比，J2菌株對酒精的耐受性________。
(4)獲得J2菌株后，還可以采取________育種措施，進一步提高其酒精耐受性。
(5)篩選出J2菌株后，其高產酸特性的遺傳是否穩定還需檢測，具體操作是________________________________________________________，觀察并比較產生的透明圈大小。若實驗結果為__________________________，說明其高產酸特性能穩定遺傳。
答案：(1)碳源　碳酸鈣
(2)稀釋涂布平板　大　4 ℃
(3)抑制　更高
(4)誘變
(5)將J2菌株連續培養多代，將每一代菌株都接種到培養基上　如果透明圈大小基本一致
解析：(1)試驗中所用培養基均含有水、葡萄糖、酵母浸膏和酒精，其中葡萄糖可為醋酸菌生長的碳源。配制分離培養基時，除營養物質外，還需要添加2%的碳酸鈣，以便觀察醋酸與之反應后菌落周圍形成的透明圈，從而可以鑒定醋酸菌的產酸能力。(2)分離醋酸菌時，需將富集的醋酸菌培養液進行梯度稀釋，采用稀釋涂布平板法接種到分離平板上。透明圈越大，說明產酸能力越強，因此30 ℃培養72 h后，挑取透明圈大的單菌落進行劃線分離。分離出的單菌落接種到斜面培養基(含3%酒精)上并置于4 ℃條件下保藏。(3)取保藏的三個菌株分別接種于發酵培養液(含5%酒精)中，30 ℃培養5d后測產酸量，篩選出高產酸的醋酸桿菌J2菌株。將J2與AS1.41分別接種到含不同濃度酒精的培養液中，30 ℃培養24 h后測定活菌數量，結果如圖2。根據圖2結果可知，酒精可抑制醋酸菌的生長。與AS1.41相比，J2菌株菌體數量較高，因而說明該菌株對酒精的耐受性更高。(4)要改良生物的性狀，可采用誘變育種的方法，因此獲得J2菌株后，還可以采取誘變的育種措施，進一步提高其酒精耐受性。(5)篩選出J2菌株后，其高產酸特性的遺傳是否穩定還需檢測，由于醋酸菌是原核生物，只能進行分裂增殖，因此檢測的基本過程為：將J2 菌株連續培養多代，將每一代菌株都接種到培養基上，觀察并比較產生的透明圈大小，如果透明圈大小基本一致，說明其高產酸特性能穩定遺傳，如果透明圈大小不一致，說明其高產酸特性不能穩定遺傳。
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第1章　發酵工程
第3節　發酵工程及其應用
1．概述發酵工程及其基本環節。
2．說明發酵工程在生產上有重要的應用價值。
1．科學思維——發酵工程基本環節分析。
2．社會責任——認同發酵工程是在傳統發酵技術的基礎上發展起來的，它實現了發酵食品、藥物等的工業化生產，極大地改善了人們的生活。
知識點一　發酵與傳統發酵技術
基礎知識·雙基夯實
發酵工程一般包括_____________，擴大培養，培養基的配制、_______，接種，________，產品的分離、提純等方面。
1．選育菌種：性狀優良的菌種可以從_________中篩選出來，也可以通過___________或_______________獲得。
2．擴大培養：工業發酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，因此在發酵之前還需要對菌種進行____________。
菌種的選育
滅菌
發酵
自然界
誘變育種
基因工程育種
擴大培養
3．配制培養基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。培養基的配方要經過___________才能確定。
4．滅菌：發酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，_________和___________都必須經過嚴格的滅菌。
5．接種：擴大培養的菌種和滅菌后的__________加入發酵罐中。大型發酵罐有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制。
反復試驗
培養基
發酵設備
培養基
6．發酵罐內發酵：在發酵過程中，要隨時檢測培養液中的_______
_____、 ___________等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的___________，要嚴格控制_______、_______和溶解氧等發酵條件。
7．分離、提純產物：如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用_______、_______等方法將菌體分離和干燥得到產品。如果產品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的_______、_______和_______措施來獲得產品。
數量
微生物
產物濃度
營養組分
溫度
pH
過濾
沉淀
提取
分離
純化
1．發酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。(　　 )
2．發酵工程的中心環節是選育菌種。(　　 )
3．發酵工程中要對培養基進行滅菌，發酵設備不用滅菌。(　　 )
×
×
×
1.利用酵母菌進行酒精發酵過程中為什么要“先通氣后密封”？
提示：“通氣”的目的是使酵母菌進行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌進行酒精發酵產生酒精。
2．啤酒生產中，發酵是重要環節，發酵后期，如果密封不嚴，會使啤酒變酸，你知道這是發生了什么變化嗎？
提示：醋酸菌是一種好氧菌，若發酵罐密封不嚴，酒精就會在醋酸菌的作用下被氧化產生乙醛，最后變為乙酸。
課內探究·名師點睛
1．對發酵工程概念的理解
原理 發酵原理和工程學原理
所用生物 常規菌種、基因工程改造的“工程菌”菌種、誘變育種獲得的菌種等
過程
實質 利用微生物進行產品生產
產物 通過微生物的大量繁殖獲得所需產品、次生代謝物和菌體本身
2．發酵工程基本環節分析
1.某高校采用下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
答案：B
解析：A對：利用酵母菌進行酒精發酵時，一般將溫度控制在18～30 ℃，因此夏季生產果酒時，需要對發酵罐體進行降溫處理。B錯：發酵過程中，進氣口閥門應該關閉，以保證發酵罐的無氧環境，使酵母菌進行無氧呼吸產生酒精。C對：正常發酵過程中，由于酵母菌進行無氧呼吸產生CO2，所以發酵罐內的壓力增大，高于大氣壓。D對：葡萄酒的發酵過程消耗葡萄糖，所以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。
變式訓練 發酵工程在工業生產上得到廣泛應用，其生產流程如圖所示。結合賴氨酸或谷氨酸的生產實際，下列說法錯誤的是(　　 )
A．①為誘變育種，②為提取、分離和純化等
B．賴氨酸或谷氨酸的生產過程中為使產物源源不斷地產生，可及時添加必需的營養組分
C．由于賴氨酸或谷氨酸的發酵菌種為好氧菌，在生產過程中常需增加通氧量
D．人工控制微生物代謝的唯一措施是控制生產過程中的各種條件
答案：D
解析：由題意分析可知，圖中①為誘變育種，②為提取、分離和純化，A正確；為了提高代謝產物的產量，可及時添加必需的營養組分，B正確；由于賴氨酸或谷氨酸的發酵菌種為好氧菌，因此在生產過程中常需增加通氧量，C正確；人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物遺傳特性(即選育菌種)、控制生產過程中的各種條件(即發酵條件)等，D錯誤。
知識點二　發酵工程的應用
基礎知識·雙基夯實
1．在食品工業上的應用
(1)生產傳統的發酵產品，如_________________。
(2)生產各種各樣的食品添加劑，如通過_________發酵制得的檸檬酸，由_________________發酵生產的味精。
(3)生產酶制劑，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。
醬油、各種酒類
黑曲霉
谷氨酸棒狀桿菌
2．在醫藥工業上的應用
_______工程、__________工程等的廣泛應用給發酵工程制藥領域的發展注入了強勁動力。
3．在農牧業上的應用
(1)生產微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的_________、_______________等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長，常見的有___________、___________等。
基因
蛋白質
有機酸
生物活性物質
根瘤菌肥
固氮菌肥
(2)生產微生物農藥。微生物農藥是利用_________或___________來防治病蟲害的。微生物農藥作為___________的重要手段，將在農業的_____________方面發揮越來越重要的作用。
(3)生產微生物飼料。微生物含有豐富的_________。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的微生物菌體，即_____________，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。
微生物
其代謝物
生物防治
可持續發展
蛋白質
單細胞蛋白
4．在其他方面的應用
發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決_______、_______、_______和_______等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。
糧食
環境
健康
能源
1．利用微生物農藥防治農林蟲害屬于化學防治。(　　 )
2．微生物飼料主要是利用發酵工程生產的微生物的菌體。(　　 )
×
√
1．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、生物活性物質能增進土壤肥力、改良土壤結構，促進植物生長。
2．微生物農藥防治農林害蟲的原理是什么？
提示：微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。
課內探究·名師點睛
1．啤酒發酵的過程及內容
2．“精釀”啤酒與“工業”啤酒的區別
2.食品工業是微生物最早開發和應用的領域，利用發酵過程生產的食品比比皆是，下列有關敘述錯誤的是(　　 )
A．黑霉菌產生的蛋白酶可以將大豆中的蛋白質分解成肽和氨基酸
B．利用谷物釀制白酒時，酵母菌只需要進行無氧呼吸即可，所以整個發酵過程需要隔絕空氣進行
C．利用乳酸鏈球菌可以提取乳酸鏈球菌素制作防腐劑
D．味精的生產需要谷氨酸棒狀桿菌經過發酵先產生谷氨酸
答案：B
解析：酵母菌是兼性厭氧微生物，在發酵初期，需要向發酵罐內通氣，促進酵母菌大量繁殖，增加酵母菌菌種數量，之后再進行密閉，有利于酵母菌進行無氧呼吸產生酒精。
變式訓練 我國是世界上啤酒生產和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經酵母菌發酵制成的。啤酒生產需經過制麥、糖化、發酵等主要環節。糖化主要是將麥芽中的淀粉等有機物水解為小分子的過程。主要工藝流程如圖所示，下列關于啤酒發酵的敘述，錯誤的是(　　 )
A．糖化采用的溫度越高，淀粉水解速度越快
B．啤酒中的酒精是糖類經酵母菌無氧呼吸產生的代謝產物
C．在釀造啤酒過程中，酵母菌進行了有氧呼吸和無氧呼吸
D．酵母不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等將淀粉轉化成酵母可利用的糖
答案：A
解析：糖化采用的溫度適宜，淀粉水解速度快，如果溫度過高，酶失活反應速度下降，A錯誤；酵母菌無氧呼吸產生酒精和二氧化碳，故啤酒中的酒精是糖類經酵母菌無氧呼吸產生的代謝產物，B正確；在釀造啤酒過程中，酵母菌開始進行有氧呼吸繁殖增加數量，后酵母菌進行無氧呼吸產生酒精，C正確；酵母菌細胞呼吸的底物為葡萄糖，不能直接利用淀粉，需要淀粉酶等將淀粉轉化成酵母菌可利用的糖，D正確。
指點迷津·撥云見日
傳統發酵技術與現代工業發酵在很多方面存在差異，總結如下：
項目 傳統發酵技術 現代工業發酵
概念 直接利用原料中存在的天然微生物或前一次發酵保存下來的面團、鹵汁等發酵物中的微生物進行發酵、制作食品的技術 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
菌種
來源 來源于空氣、蔬菜、面團發酵物等，菌種不純 選育的純菌種，可從自然界中分離，也可利用工程技術改造獲得
項目 傳統發酵技術 現代工業發酵
過程 無菌種選育、擴大培養和接種，無嚴格的滅菌等 菌種選育、培養基的配制、滅菌、擴大培養和接種、發酵、產品的分離和提純
發酵條
件控制 通過微生物自身的代謝調節pH，通過充氣口、排氣口及其他人工措施調節溶解氧 通過計算機控制系統，對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧等進行監測和控制
應用 果酒、果醋的制作，腐乳、泡菜的制作等 應用于食品工業、醫藥工業、農牧業等
3.下列有關傳統發酵技術與現代工業發酵的描述，正確的是(　　 )
A．傳統發酵技術與現代工業發酵都需要進行嚴格的無菌操作，防止雜菌的污染，如都要進行培養液的滅菌
B．傳統發酵技術對發酵條件的控制主要通過人工控制，而現代工業發酵對發酵條件的控制是通過計算機系統進行全面的監測和控制
C．制作泡菜的菌種是人工接種的純的乳酸菌菌種
D．果酒制作、果醋制作以及腐乳的制作等都屬于現代工業發酵
答案：B
解析：傳統發酵技術與現代工業發酵都要進行無菌操作，但傳統發酵技術防止發酵液污染的措施主要是進行有關發酵裝置的消毒，滅菌不是很嚴格，傳統發酵技術利用的是原料中存在的微生物，培養液是不能滅菌的，A項錯誤；傳統發酵技術對發酵條件的控制主要是通過人工控制的，現代工業發酵對發酵條件的控制是通過計算機系統自動進行監測和控制的，B項正確；制作泡菜屬于傳統發酵技術的應用，菌種來源于附著在原材料上的天然的乳酸菌，不需要接種，C項錯誤；果酒制作、果醋制作以及腐乳制作屬于傳統發酵技術的應用，D項錯誤。
1．性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。
2．發酵工程所用的菌種大多是單一菌種。
3．發酵工程的中心環節是發酵罐內發酵。
4．如果發酵產品是微生物菌體可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥得到產品；如果發酵產品是微生物的代謝物可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。
5．發酵工程的產品主要包括微生物的代謝產物、酶及微生物的菌體。
課堂達標·鞏固訓練
1．下列關于通過發酵工程生產谷氨酸的敘述，正確的是(　　 )
A．發酵時常采用的培養基為固體天然培養基
B．從自然界分離的野生型菌株可直接用于生產
C．當菌體生長進入穩定期時，補充營養物質可提高谷氨酸的產量
D．酵母菌和谷氨酸棒狀桿菌在發酵產生產品時需提供空氣或氧氣
答案：C
解析：通過發酵工程生產谷氨酸時所用的培養基通常由豆餅的水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、氧化鉀、硫酸鎂、生物素等配制而成，呈液體狀態，因此是液體天然培養基，A錯誤；從自然界分離的野生型菌株產量一般都比較低，不能滿足工業上的需要，通常要用人工誘變的方法處理菌種，使其產生突變，再從中篩選出符合要求的優良菌種才能用于生產，B錯誤；當菌體生長進入穩定期時，要及時補充營養物質(或循環培養)以滿足菌體的營養需求，提高谷氨酸的產量，C正確；酵母菌在發酵產生酒精時為無氧條件，D錯誤。
2．下列關于發酵工程的應用的說法，正確的是(　　 )
A．食品添加劑由于可以增加食品營養，改善食品的色、香、味，還可延長保存期，使用時應盡量多添加
B．加酶洗衣粉使用時用沸水洗滌效果最好
C．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，同時提高動物免疫力
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：C
解析：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，不能過量使用，A項錯誤；加酶洗衣粉中酶制劑在最適溫度下活性最高，沸水條件使酶失活，洗滌效果較差，B項錯誤；在青貯飼料中添加乳酸菌，通過乳酸菌的發酵，可以提高飼料品質，使飼料保鮮，同時提高動物免疫力，C項正確；與使用化學農藥相比，使用微生物農藥具有成本低、無污染、見效慢的特點，D項錯誤。
3．檸檬酸是一種廣泛應用的食品酸度調節劑，它可以通過黑曲霉發酵制得。如圖表示生產檸檬酸的連續發酵設置。
(1)根據物理性質，該發酵過程使用的培養基屬于______________。根據工藝流程可知，黑曲霉的新陳代謝類型屬于____________型。
(2)從加料口輸入的培養基必須經過嚴格的________處理。根據圖示可知，發酵過程需要嚴格控制______________________________和攪拌速度等條件。
(3)在大規模的發酵生產中，需要將選育出的優良菌種經過多次的____________，當達到一定數量后再接種。
(4)此工藝流程(連續培養)以一定的速度不斷添加新的培養基，同時又以同樣的速度放出舊的培養基，可大大提高生產效率，道理在于____
________________________________________________________________________。
答案：(1)液體培養基　異養需氧
(2)滅菌　溫度、pH、溶解氧、通氣量
(3)擴大培養
(4)保證微生物對營養物質的需求、排出部分代謝物和使微生物保持較長時間的快速生長
解析：(1)據題圖分析：黑曲霉發酵產生檸檬酸屬于液體發酵，該發酵過程使用的培養基屬于液體培養基，黑曲霉屬于異養需氧型微生物。(2)微生物發酵的培養基必須進行嚴格的滅菌處理，發酵過程需要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量和攪拌速度等無關變量條件。(3)優良菌種經過多次擴大培養可以應用于大規模的發酵生產中。(4)連續培養的主要原理是保證微生物對營養物質的需求、排出部分代謝物和使微生物保持較長時間的快速生長。

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