2024-2025學年新教材高中生物第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用教案新人教版選擇性必修3

PAGE6-第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用課標內(nèi)容要求核心素養(yǎng)對接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)上有重要的應用價值。1.科學探究：依據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品和利用微生物的不同探討發(fā)酵工程中的發(fā)酵條件及限制方法。2．社會責任：認可發(fā)酵工程在生產(chǎn)上的重要應用價值。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)發(fā)酵工程一般包括菌種的選育，擴大培育，培育基的配制、滅菌，接種，發(fā)酵，產(chǎn)品分別、提純等方面。1．選育菌種：性狀優(yōu)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．擴大培育：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)酵之前還須要對菌種進行擴大培育。3．配制培育基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培育基。培育基的配方要經(jīng)過反復試驗才能確定。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，可能導致產(chǎn)量大大下降。因此，培育基和發(fā)酵設備都必需經(jīng)過嚴格的滅菌。5．接種：擴大培育的菌種和滅菌后的培育基加入發(fā)酵罐中。大型發(fā)酵罐有計算機限制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和養(yǎng)分等進行監(jiān)測和限制。6．發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：在發(fā)酵過程中，要隨時檢測培育液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進程。還要剛好添加必需的養(yǎng)分組分，要嚴格限制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。7．分別、提純產(chǎn)物：假如發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采納過濾、沉淀等方法將菌體分別和干燥得到產(chǎn)品。假如產(chǎn)品是代謝物，可依據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)實行適當?shù)奶崛?、分別和純化措施來獲得產(chǎn)品。二、發(fā)酵工程的應用1．在食品工業(yè)上的應用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如通過黑曲霉發(fā)酵制得的檸檬酸，由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)味精。(3)生產(chǎn)酶制劑，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。2．在醫(yī)藥工業(yè)上的應用基因工程、蛋白質(zhì)工程等的廣泛應用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強勁動力。3．在農(nóng)牧業(yè)上的應用(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)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為生物防治的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。(3)生產(chǎn)微生物飼料。微生物含有豐富的蛋白質(zhì)。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，即單細胞蛋白，用單細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。4．在其他方面的應用發(fā)酵工程正滲透到幾乎全部的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決糧食、環(huán)境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。推斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)1．發(fā)酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。 (×)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。2．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是選育菌種。 (×)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。3．發(fā)酵工程中要對培育基進行滅菌，發(fā)酵設備不用滅菌。 (×)提示：培育基和發(fā)酵設備都必需經(jīng)過嚴格的滅菌。4．利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲害屬于化學防治。 (×)提示：利用微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林蟲害屬于生物防治。5．微生物飼料主要是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)的微生物的菌體。 (√)發(fā)酵工程中發(fā)酵條件的限制1．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，還須要有最佳的環(huán)境條件即發(fā)酵工藝加以協(xié)作，才能使其生產(chǎn)實力充分表現(xiàn)出來。因此必需探討生產(chǎn)菌種的最佳發(fā)酵工藝條件，如養(yǎng)分要求、培育溫度、pH條件、對氧的需求等，據(jù)此設計合理的發(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。2．由于微生物發(fā)酵是多達數(shù)十步甚至數(shù)百步的生物化學反應，其過程遠比化學反應過程困難，往往環(huán)境條件的微小變更，就會對微生物的生產(chǎn)實力產(chǎn)生明顯影響。所以，為了限制整個發(fā)酵過程，必需了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝變更規(guī)律，這是通過各種檢測方法，測定各種發(fā)酵參數(shù)如細胞濃度、碳氮源等物質(zhì)的消耗、產(chǎn)物濃度等隨時間變更的狀況，以便能夠限制發(fā)酵過程，使生產(chǎn)菌種的生產(chǎn)實力得到充分發(fā)揮。應用實踐：(1)利用酵母菌進行酒精發(fā)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(fā)酵產(chǎn)生酒精。(2)啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，假如密封不嚴，會使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變更嗎？提示：醋酸菌是一種好氧菌，若發(fā)酵罐密封不嚴，酒精就會在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最終變?yōu)榇姿帷?．某高校采納如圖所示的發(fā)酵罐進行葡萄酒主發(fā)酵過程的探討，下列敘述錯誤的是()A．夏季生產(chǎn)果酒時，常需對罐體進行降溫處理B．乙醇為揮發(fā)性物質(zhì)，故發(fā)酵過程中空氣的進氣量不宜太大C．正常發(fā)酵過程中罐內(nèi)的壓力不會低于大氣壓D．可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來確定何時終止發(fā)酵B[果酒發(fā)酵的相宜溫度為18～25℃，因此夏季生產(chǎn)果酒時，常需對罐體進行降溫處理，A正確；乙醇是酵母菌無氧呼吸的產(chǎn)物，因此分解過程中不須要通入空氣，B錯誤；無氧呼吸產(chǎn)生了二氧化碳，但是沒有消耗氧氣，因此發(fā)酵罐中的氣壓不會低于大氣壓，C正確；葡萄酒發(fā)酵的原料是糖類，因此可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來確定何時終止發(fā)酵，D正確。]2．發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應用，其生產(chǎn)流程如下圖所示。結(jié)合賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實際，回答相關(guān)問題。(1)圖中①表示的育種方法是________________。(2)人工限制微生物代謝的措施包括________和________。(3)在賴氨酸或谷氨酸發(fā)酵過程中，產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，這說明該生產(chǎn)采納了________的發(fā)酵方式。在生產(chǎn)過程中，常需增加通氧量，因此推斷賴氨酸或谷氨酸發(fā)酵菌種為________菌。(4)當發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物時，還要采納________等分別提純的方法進行提取。[解析]基因工程、細胞工程和誘變育種是發(fā)酵工程菌種的來源。限制微生物代謝的措施包括兩個方面：一方面是變更微生物的遺傳特性，另一方面是限制微生物的生長繁殖條件。在發(fā)酵生產(chǎn)中，產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，因此發(fā)酵過程是連續(xù)的。發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物，分別提取產(chǎn)物的方法有萃取、蒸餾和離子交換等。[答案](1)誘變育種(2)變更微生物遺傳特性限制生產(chǎn)過程中的各種條件(3)連續(xù)培育好氧(4)萃取(或蒸餾或離子交換等)發(fā)酵工程的應用發(fā)酵工程的應用詳細應用成果在食品工業(yè)上的應用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品利用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)醬油、利用釀酒酵母生產(chǎn)各種酒類生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑利用黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸、利用谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸生產(chǎn)酶制劑利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等在醫(yī)藥工業(yè)上的應用通過工程菌生產(chǎn)藥物利用工程菌發(fā)酵生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素通過改造菌種生產(chǎn)藥物通過誘變的青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素在農(nóng)牧業(yè)上的應用生產(chǎn)微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生產(chǎn)的根瘤菌肥、固氮菌肥生產(chǎn)微生物農(nóng)藥利用蘇云金桿菌防治多種農(nóng)林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲在農(nóng)牧業(yè)上的應用生產(chǎn)微生物飼料利用淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液通過發(fā)酵獲得大量微生物菌體用于飼料生產(chǎn)在其他方面的應用解決資源短缺和環(huán)境污染問題利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯對極端微生物的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑應用實踐：1.微生物肥料使作物增產(chǎn)的原理是什么？提示：微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)能增進土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植物生長。2．微生物農(nóng)藥防治農(nóng)林害蟲的原理是什么？提示：微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝產(chǎn)物來防治病蟲害的。關(guān)于發(fā)酵工程應用的說法錯誤的是()A．發(fā)酵工程的產(chǎn)品可以是微生物的代謝產(chǎn)物B．通過發(fā)酵工程可以從微生物中提取一些酶C．通過發(fā)酵工程可以從微生物中提取單細胞蛋白D．發(fā)酵工程的產(chǎn)品可以是微生物的菌體C[單細胞蛋白是通過發(fā)酵工程獲得的微生物菌體，而不是從微生物中提取單細胞蛋白。][課堂小結(jié)]知識網(wǎng)絡構(gòu)建核心語句背誦1.性狀優(yōu)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(fā)酵工程所用的菌種大多是單一菌種。3.發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵。4.假如發(fā)酵產(chǎn)品是微生物菌體可采納過濾、沉淀等方法將菌體分別和干燥得到產(chǎn)品；假如發(fā)酵產(chǎn)品是微生物的代謝物可依據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)實行適當?shù)奶崛?、分別和純化措施來獲得產(chǎn)品。5.發(fā)酵工程的產(chǎn)品主要包括微生物的代謝產(chǎn)物、酶及微生物的菌體。1．關(guān)于發(fā)酵工程說法錯誤的是()A．依靠微生物純培育技術(shù)的建立B．發(fā)酵設備都是密封的C．食品、醫(yī)藥工業(yè)離不開發(fā)酵工程D．發(fā)酵工程與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有親密關(guān)系B[發(fā)酵設備是密閉的，不是密封的。]2．關(guān)于發(fā)酵工程的菌種說法錯誤的是()A．發(fā)酵工程的菌種可以從自然界中篩選出來B．發(fā)酵工程可以利用原材料中含有的菌種C．發(fā)酵工程的菌種可以來自基因工程D．發(fā)酵工程的菌種可以來自誘變育種B[傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)利用的是原材料中的菌種，發(fā)酵工程利用的是經(jīng)過篩選或培育的菌種中含有。]3．關(guān)于啤酒生產(chǎn)的流程說法錯誤的是()A．讓大麥種子發(fā)芽的目的是釋放淀粉酶B．焙烤發(fā)芽的大麥種子時，淀粉酶丟失活性C．糖化的目的是讓淀粉分解D．蒸煮時終止了酶的作用，并對糖漿進行滅菌B[焙烤發(fā)芽的大麥種子是殺死大麥種子，但不能使淀粉酶丟失活性。]4．啤酒是發(fā)酵工程的主要產(chǎn)品，關(guān)于啤酒發(fā)酵的說法錯誤的是()A．啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的B．酵母菌的大量繁殖在啤酒發(fā)酵主發(fā)酵階段C．啤酒生產(chǎn)的主發(fā)酵階段酵母菌主要進行有氧呼吸D．啤酒生產(chǎn)的后發(fā)酵階段是在低溫度和密閉環(huán)境下進行的C[啤酒生產(chǎn)的主發(fā)酵階段，大部分糖分解和代謝產(chǎn)物生成，此時酵母菌主要進行無氧呼吸。]5．發(fā)酵法生產(chǎn)酒精后的廢液(pH4.3)含有大量有機物，可用于培育、獲得白地霉菌體，生產(chǎn)高蛋白飼料。培育、制取白地霉菌體的試驗過程示意圖如下。請據(jù)圖回答下列問題：(1)試驗過程中培育白地霉的培育基是____________。培育基定量分裝前，先調(diào)整________，分裝后用棉塞封瓶口，最終________處理。(2)