新版高中生物第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用

第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用人教版（2019）

高中生物選擇性必修三學(xué)習(xí)目標(biāo)1.文化基礎(chǔ)：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。2.自主發(fā)展：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。3.社會(huì)參與：認(rèn)可發(fā)酵工程在生產(chǎn)上的重要應(yīng)用價(jià)值。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。從社會(huì)中來亞歷山大·弗萊明（AlexanderFleming）英國(guó)微生物學(xué)家（1881.8.6-1955.3.11）二戰(zhàn)”期間，青霉素成為戰(zhàn)場(chǎng)上神奇的抗生素，大顯神威，挽救了數(shù)以萬計(jì)的生命，被稱為“有魔力的子彈”。1945年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。一、發(fā)酵工程的概念：

采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或者直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種新技術(shù)。二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一般包括_____________，擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、___________，接種，__________，產(chǎn)品分離、提純等方面。菌種的選育滅菌發(fā)酵1．選育菌種：性狀優(yōu)良的菌種可以從____________中篩選出來，也可以通過誘變育種或___________________獲得。自然界基因工程育種篩選出產(chǎn)檸檬酸量高的黑曲霉基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵過程，縮短成產(chǎn)周期2.擴(kuò)大培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，因此在發(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：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過_______________才能確定。反復(fù)試驗(yàn)4．滅菌：

發(fā)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(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，__________和____________都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。培養(yǎng)基發(fā)酵設(shè)備5．接種：

培養(yǎng)的菌種和滅菌后的___________加入發(fā)酵罐中。大型發(fā)酵罐有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。培養(yǎng)基6．發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：在發(fā)酵過程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的____________、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的________________，要嚴(yán)格控制__________、__________和溶解氧等發(fā)酵條件。微生物數(shù)量營(yíng)養(yǎng)組分溫度pH7．分離、提純產(chǎn)物：如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過濾、__________等方法將菌體分離和干燥得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)腳___________________措施來獲得產(chǎn)品。沉淀提取、分離和純化思考與討論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？提示：①原料方面：廣，轉(zhuǎn)化率高；②產(chǎn)物方面：目的產(chǎn)物含量高，副產(chǎn)物少；③菌體方面：菌體生長(zhǎng)快，繁殖力強(qiáng)，耐受力強(qiáng)，抗污染、抗噬菌體能力強(qiáng)，遺傳特征穩(wěn)定；④設(shè)備方面：產(chǎn)泡沐少，適宜大罐生產(chǎn)；生產(chǎn)周期短，需氧量少，抗污染能力強(qiáng)。2.怎么對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？提示：微生物發(fā)酵生產(chǎn)的水平最基本的條件取決于生產(chǎn)菌種的性能，但有了優(yōu)良的菌種之后，還需要有最佳的環(huán)境條件即發(fā)酵工藝加以配合，才能使其生產(chǎn)能力充分表現(xiàn)出來。因此必須研究生產(chǎn)菌種的最佳發(fā)酵工藝條件，如營(yíng)養(yǎng)要求、培養(yǎng)溫度、pH條件、對(duì)氧的需求等，據(jù)此設(shè)計(jì)合理的發(fā)酵工藝，使生產(chǎn)菌種處于最佳的產(chǎn)物合成條件下，才能取得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的效果。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？4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，排出的氣體和廢物培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？提示：發(fā)酵工程利用微生物所特有的發(fā)酵作用，與現(xiàn)代工程技術(shù)相結(jié)合，或直接用微生物反應(yīng)器，進(jìn)行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)。可以連續(xù)發(fā)酵和半連續(xù)性發(fā)酵；電腦控制實(shí)行高度的自動(dòng)化；采用基因重組菌生產(chǎn)，可以450C左右加壓生產(chǎn)。傳統(tǒng)發(fā)酵工藝是間歇發(fā)酵，人工操作，用天然菌種，常溫常壓進(jìn)行。提示：不能。發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生可燃或有害氣體及廢物，會(huì)污染壞境。5．發(fā)酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。 ()6．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是選育菌種。 ()7．發(fā)酵工程中要對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，發(fā)酵設(shè)備不用滅菌。 ()8．利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲害屬于化學(xué)防治。 ()判斷提示：發(fā)酵工程的菌種也可以通過誘變育種和基因工程育種獲得。提示：發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵的過程。提示：培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。提示：利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲害屬于生物防治?！痢痢痢炼?、啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程⑧終止1.主發(fā)酵2.后發(fā)酵酵母菌的繁殖、發(fā)部分糖的分解和代謝物的生成①發(fā)芽②焙烤③碾磨④糖化⑤蒸煮⑥發(fā)酵

⑦消毒大麥種子發(fā)芽，釋放淀粉酶加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉淀粉分解，形成糖漿產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對(duì)糖漿滅菌酵母菌將糖轉(zhuǎn)化為酒精和二氧化碳?xì)⑺榔【浦械拇蠖鄶?shù)微生物，延長(zhǎng)它的保存期過濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒進(jìn)行出售思考與討論1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，啤酒發(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？提示：工業(yè)化啤酒發(fā)酵利用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)，利用最佳發(fā)酵條件，如營(yíng)養(yǎng)要求、培養(yǎng)溫度、pH條件、對(duì)氧的需求等，并選擇純化培養(yǎng)的酵母菌，經(jīng)消毒滅菌等，提高啤酒產(chǎn)量和質(zhì)量提示：精釀啤酒采用的發(fā)酵罐會(huì)比較小一點(diǎn)，發(fā)酵完成以后也不會(huì)進(jìn)行過濾和殺菌等步驟，和精釀啤酒相反的是，發(fā)酵完成以后還會(huì)進(jìn)行必要的過濾和殺菌，增加啤酒的保鮮時(shí)間，安全性更好。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)绾伪孀C地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？三、發(fā)酵工程的應(yīng)用

具體應(yīng)用成果在食品工業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品

生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑

生產(chǎn)酶制劑

在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用通過工程菌生產(chǎn)藥物

通過改造菌種生產(chǎn)藥物

在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物肥料

生產(chǎn)微生物農(nóng)藥

在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物飼料

在其他方面的應(yīng)用解決資源短缺和環(huán)境污染問題

對(duì)極端微生物的利用（閱讀：p24—27，完成表格）1．在食品工業(yè)上的應(yīng)用(3)生產(chǎn)酶制劑，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如通過__________發(fā)酵制得的檸檬酸，由_____________________發(fā)酵生產(chǎn)味精。(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如________________________。谷氨酸棒狀桿菌黑曲霉醬油、各種酒類________工程、____________工程等的廣泛應(yīng)用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。2．在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用基因蛋白質(zhì)3．在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的_____________、________________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)，常見的有_________________、_______________等。有機(jī)酸生物活性物質(zhì)根瘤菌肥固氮菌肥(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。微生物農(nóng)藥是利用___________或____________來防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為_______________的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的_________________方面發(fā)揮越來越重要的作用。生物防治微生物其代謝物可持續(xù)發(fā)展(3)生產(chǎn)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(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的_________________，即單細(xì)胞蛋白，用單細(xì)胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。蛋白質(zhì)微生物菌體4．在其他方面的應(yīng)用發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決糧食、環(huán)境、__________和__________等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻(xiàn)。健康能源到社會(huì)中去1.列出你昨天一天的食譜，看看哪些食品是直接由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的，哪些食品中添加了經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑。四、總結(jié)及練習(xí)（4）通過發(fā)酵工程可以從微生物細(xì)胞中提取單細(xì)胞蛋白。（

）（1）發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大區(qū)別是前者可以利用微生物來進(jìn)行發(fā)酵（

）×提示：發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵都是利用微生物發(fā)酵。（2）發(fā)酵工程的產(chǎn)品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（

）√（3）在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中，發(fā)酵條件變化不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，也會(huì)影響生物的代謝途徑。（

）√×（5）某高校采用如圖所示的發(fā)酵罐進(jìn)行葡萄酒主發(fā)酵過程的研究，下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A．夏季生產(chǎn)果酒時(shí)，常需對(duì)罐體進(jìn)行降溫處理B．乙醇為揮發(fā)性物質(zhì)，故發(fā)酵過程中空氣的進(jìn)氣量不宜太大C．正常發(fā)酵過程中罐內(nèi)的壓力不會(huì)低于大氣壓D