第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用第1章

發(fā)酵工程生物學習目標①理解發(fā)酵工程是利用微生物的生命活動進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程，形成生物技術(shù)與生產(chǎn)生活密切相關(guān)的生命觀念。（生命觀念）②能夠通過對比傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代發(fā)酵工程的流程，運用邏輯推理分析不同發(fā)酵條件對產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響，提出優(yōu)化發(fā)酵條件的科學建議，提升批判性思維能力。（科學思維）③通過小組合作探究酸奶發(fā)酵實驗，親歷科學探究的完整過程，包括提出問題、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和形成結(jié)論，提升科學探究能力。（科學探究）④關(guān)注發(fā)酵工程在多領(lǐng)域的應(yīng)用，認識其對社會發(fā)展的貢獻，思考產(chǎn)業(yè)發(fā)展與可持續(xù)性問題。（社會責任）學習重難點重點：1.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。2.發(fā)酵工程的應(yīng)用。難點：發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。導(dǎo)入新課問題思考青霉素是世界上第一個應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。青霉素思考：在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)新課講授任務(wù)一新課講授

資料1：某大型谷氨酸發(fā)酵工廠生產(chǎn)過程中，首先，科研人員從土壤中篩選出優(yōu)良的谷氨酸棒狀桿菌菌種，對其進行基因改造。接著，將玉米漿、豆餅水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培養(yǎng)基，經(jīng)過高溫高壓滅菌處理之后，在種子罐中對菌種進行擴大培養(yǎng)，達到一定菌體量后，接入發(fā)酵罐。不斷通入無菌空氣并攪拌，保證菌體充分接觸營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。發(fā)酵結(jié)束后，通過離子交換樹脂法等技術(shù)分離提取谷氨酸。[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)結(jié)合資料思考1.為什么要對菌種進行篩選和改造？和傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)所用的菌種從來源方面看有什么不同？改造菌種能增強其合成目標產(chǎn)物的能力，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)所用的菌種一般是原材料中天然存在的多種菌種，而現(xiàn)代發(fā)酵工程用的菌種大多是單一菌種。新課講授

資料1：某大型谷氨酸發(fā)酵工廠生產(chǎn)過程中，首先，科研人員從土壤中篩選出優(yōu)良的谷氨酸棒狀桿菌菌種，對其進行基因改造。接著，將玉米漿、豆餅水解液、葡萄糖等原料按特定比例配制成培養(yǎng)基，經(jīng)過高溫高壓滅菌處理之后，在種子罐中對菌種進行擴大培養(yǎng)，達到一定菌體量后，接入發(fā)酵罐。不斷通入無菌空氣并攪拌，保證菌體充分接觸營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣。發(fā)酵結(jié)束后，通過離子交換樹脂法等技術(shù)分離提取谷氨酸。[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)結(jié)合資料思考2.為什么發(fā)酵工程的生產(chǎn)條件比較溫和？發(fā)酵是利用微生物的代謝將原料進行轉(zhuǎn)化，而微生物代謝是在常溫常壓下進行的，因此發(fā)酵工程的生產(chǎn)條件比較溫和。新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)結(jié)合資料思考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)相比有哪些改進之處？傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時候不會再對產(chǎn)物進行分離和提純處理。在發(fā)酵工程中，如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品；如果發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產(chǎn)品。新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)結(jié)合資料思考4.在進行發(fā)酵生產(chǎn)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？不能。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體和廢棄培養(yǎng)液需經(jīng)過相應(yīng)的凈化設(shè)備，達到國家排放要求后才能排放到外界環(huán)境中。因為發(fā)酵過程中產(chǎn)生的某些氣體和廢棄培養(yǎng)液可能對人及其他生物或環(huán)境有害。新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)【歸納總結(jié)】請用箭頭和文字歸納概述現(xiàn)代發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。選育高產(chǎn)菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)【合作交流】酸奶是大家日常生活中非常喜歡的飲品。請結(jié)合發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)，設(shè)計實驗室制作酸奶的流程，并在課堂上進行展示和說明。原料：新鮮純牛奶500mL、市售原味酸奶50mL（含保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌等活性乳酸菌，作為菌種）。

儀器與器材：1000mL潔凈不銹鋼鍋、玻璃棒、精密溫度計、500mL帶密封蓋的玻璃廣口瓶、高壓蒸汽滅菌鍋、記號筆、pH試紙、恒溫培養(yǎng)箱（溫度可精準控制在38~42℃）。新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)【合作交流】酸奶制作的基本流程選育菌種消毒滅菌接種密封發(fā)酵收獲產(chǎn)品新課講授[任務(wù)一]發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)【實驗流程】1.消毒及滅菌：將不銹鋼鍋、玻璃棒、玻璃廣口瓶等器具清洗干凈后，放入高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌；牛奶采用巴氏消毒法消毒。2.接種：冷卻牛奶至40~42℃，加入50mL市售原味酸奶并用玻璃棒攪拌。3.密封發(fā)酵：標記好接種時間，然后將廣口瓶密封，放入恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為40~42℃，發(fā)酵4~6小時。4.收獲產(chǎn)品：每間隔1小時，觀察并記錄酸奶狀態(tài)，當酸奶達到合適凝固狀態(tài)時，放入冰箱冷藏室（4℃左右）冷藏2~4小時，使酸奶口感更細膩、風味更濃郁。發(fā)酵工程的應(yīng)用新課講授任務(wù)二新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用資料2：啤酒是以大麥為主要材料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)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(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。1.酵母菌酒精發(fā)酵過程中為什么要先通氣后密封？“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。結(jié)合資料思考新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用資料2：啤酒是以大麥為主要材料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)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(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。2.啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果發(fā)酵罐密封不嚴會使啤酒變酸，這是發(fā)生了什么變化？酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)橐宜?。結(jié)合資料思考新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用資料2：啤酒是以大麥為主要材料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)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(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。3.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在上面啤酒的發(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？菌種的選育；對原材料的處理；發(fā)酵過程的控制；產(chǎn)品的消毒等。結(jié)合資料思考新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用現(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、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。【合作交流】新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用【歸納總結(jié)】應(yīng)用領(lǐng)域具體應(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)品利用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)醬油，利用釀酒酵發(fā)酵母生產(chǎn)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【歸納總結(jié)】在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)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(yīng)用

生產(chǎn)微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生產(chǎn)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等蟲害新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用【歸納總結(jié)】在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物飼料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)酵獲得大量微生物菌體用于飼料生產(chǎn)在其他方面的應(yīng)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)洗滌劑新課講授[任務(wù)二]發(fā)酵工程的應(yīng)用【合作探究】結(jié)合任務(wù)一中同學們設(shè)計完善的實驗室制作酸奶的流程，小組合作，開展實驗室中酸奶的發(fā)酵制作。注意事項：①嚴格遵守無菌操作原則，防止雜菌污染。②精準控制溫度，過高或過低都會影響乳酸菌活性與發(fā)酵效果。③若發(fā)酵后的酸奶出現(xiàn)異味、分層、大量氣泡等異常，則說明發(fā)酵失敗，不可食用。④實驗結(jié)束后，整理實驗臺面，清洗并妥善保管實驗器材。【練習1】當堂訓練青霉菌處在葡萄糖濃度不足的環(huán)境中時，會通過分泌青霉素殺死細菌，以保證自身生存所需的能量供應(yīng)。目前已實現(xiàn)青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，關(guān)于該生產(chǎn)過程，下列說法錯誤的是（）A.發(fā)酵液中的碳源不宜使用葡萄糖B.可用深層通氣液體發(fā)酵技術(shù)提高產(chǎn)量C.選育出的高產(chǎn)菌株經(jīng)擴大培養(yǎng)后才可接種到發(fā)酵罐中D.青霉素具有殺菌作用，因此發(fā)酵罐不需嚴格滅菌D【練習2】某高校采用如圖所示的發(fā)酵罐進行葡萄酒發(fā)酵過程的研究，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.可以通過檢測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵B當堂訓練【練習3】下列有關(guān)發(fā)酵工程的敘述，正確的是（

）A.單細胞蛋白就是從人工培養(yǎng)的微生物菌體中提取的蛋白質(zhì)B.可通過誘變育種、基因工程育種等方法選育出性狀優(yōu)良的菌種進行擴大培養(yǎng)C.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵D.通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧、pH和酶的控制等B當堂訓練【練習4】（不定項）啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)中，大麥經(jīng)發(fā)芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發(fā)酵、消毒等工序后，最終過濾、調(diào)節(jié)、分裝。下列說法正確的是（）A.用赤霉素處理大麥，可使大麥種子無須發(fā)芽就能產(chǎn)生α-淀粉酶B.焙烤是為了利用高溫殺死大麥種子胚并進行滅菌C.糖漿經(jīng)蒸煮、冷卻后需接種酵母菌進行發(fā)酵D.在菌種選育上，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發(fā)酵過程，縮短發(fā)酵周期ACD當堂訓練【練習5】運用發(fā)酵法生產(chǎn)酒精后的廢液（pH=4.3）含有大量有機物，可用于培養(yǎng)、獲得白地霉菌體，生產(chǎn)高蛋白飼料。培養(yǎng)、制取白地霉菌體的實驗過程示意圖如下。請據(jù)圖回答下列問題。（1）實驗過程中培養(yǎng)白地霉的培養(yǎng)基是

。培養(yǎng)基定量分裝前，先調(diào)節(jié)

，分裝后用棉塞封瓶口，最后

處理。

（2）圖中①過程稱為

，從甲到丁的培養(yǎng)過程是為了

。白地霉的代謝類型為