1、高考生物,新高考专用,第九单元生物技术与工程专题二十五发酵工程,考点一传统发酵技术,一、传统发酵技术1.原理:在适宜条件下,将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物。2.菌种:来自原材料中天然存在的微生物,或前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物。3.类型:以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,通常是家庭式或作坊式的。4.结果:生产制作人们需要的各种发酵产物,如酒、醋、酱、腐乳、泡菜、酱油、豆豉等。,二、制作传统发酵食品,1.制作传统泡菜1)菌种:植物体表面天然存在的乳酸菌,常见的乳酸菌包括乳酸链球菌和乳酸杆菌。2)原理:。3)方法步骤,疑难突破思考盐水要煮沸冷却后使用的目的是什么?提示煮沸
2、的目的是除去水中的氧气,杀灭盐水中的其他杂菌。冷却的目的是保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响。,知识归纳(1)营造“无氧环境”的3项措施:选择的泡菜坛要密封性好;加入蔬菜后要倒入煮沸冷却的盐水,使盐水没过全部蔬菜;盖上坛盖后要向坛盖边沿的水槽中注满清水,并在发酵过程中注意补充水。(2)泡菜“咸而不酸”可能是食盐浓度过高、发酵温度过低等导致泡菜未能正常发酵。(3)“陈泡菜水”中含有纯度较高的乳酸菌,制泡菜时若加入“陈泡菜水”相当于接种乳酸菌。,2.制作果酒和果醋1)制作果酒菌种:附着在新鲜水果的果皮表面的野生型酵母菌。原理:酵母菌无氧时酒精发酵:C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+
3、能量。2)制作果醋菌种:空气中的醋酸菌。原理:当O2、糖源充足时:C6H12O6+2O22CH3COOH(乙酸)+2H2O+2CO2+能量当缺少糖源(O2充足)时:C2H5OH+O2CH3COOH(乙酸)+H2O+能量,3)方法步骤(以葡萄酒和葡萄醋的制作为例),易混易错(1)葡萄应先冲洗再去枝梗,避免杂菌污染。(2)瓶中留约1/3的空间,为酵母菌大量繁殖提供O2并防止发酵液外溢。(3)果酒发酵时拧松而非打开瓶盖,可排出CO2,并防止杂菌进入。(4)清洗干净的发酵瓶、榨汁机等需用体积分数为70%的酒精消毒。,3.发酵装置,1)装置图:如右图所示。2)结构及功能充气口:制作果酒前期和醋酸发酵时连
4、接充气泵,输入无菌空气。排气口:排出酒精发酵时产生的CO2。长而弯曲的胶管:防止空气中的微生物污染。出料口:便于取样,及时监测发酵情况。注意:葡萄酒的颜色是葡萄皮中的色素进入发酵液形成的。,4.传统发酵中四种常用菌的比较,疑难突破思考家庭制作果酒时,不需要严格的消毒过程也能完成发酵,原因是什么?提示在缺氧、呈酸性的发酵液中,酵母菌可以生长繁殖,而绝大多数其他微生物的生长都因无法适应这一环境而受到抑制。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.制作泡菜时,坛子必须密封,防止乳酸菌在有氧条件下发酵被抑制。()2.参与腐乳制作的微生物有多种,其中起主要作用的是毛霉。()3.在果酒发酵后期拧松瓶盖的间
5、隔时间可延长。()4.传统发酵食品的制作过程中,不同的食品接种不同的菌种。()5.制作泡菜时,切好的蔬菜需要装满泡菜坛。(),答案1.2.3.4.传统发酵食品的制作过程中,利用的是自然界的混合菌,并没有针对不同食品接种不同的菌种。5.泡菜坛只能装八成满,主要原因是防止杂菌产生的CO2使发酵液外溢。,考点二微生物的培养技术及应用,一、培养基1.概念:人们按照微生物对营养物质的不同需求,配制出供其生长繁殖的营养基质。2.成分1)为微生物提供水、无机盐、碳源和氮源等营养物质。,2)需满足微生物生长时对pH、特殊营养物质以及O2的需求。,知识归纳(1)培养乳酸杆菌时,需要在培养基中添加维生素;(2)培
6、养霉菌时,一般需要将培养基调至酸性;(3)培养细菌时,一般需要将培养基调至中性或弱碱性;(4)培养厌氧微生物时,需要提供无氧的条件。,3.类型及应用1)依据培养基的物理性质2)依据培养基的功能,二、无菌技术消毒和灭菌1.消毒1)概念:使用较为温和的物理、化学或生物等方法杀死物体表面或内部一部分微生物。2)常见方法、适用范围或效果,2.灭菌1)概念:使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物,包括芽孢和孢子。2)常见方法和适用范围,三、微生物的纯培养1.原理:将单个微生物分散在固体培养基上,可经培养得到单菌落(纯培养物)。,2.常用方法:平板划线法和稀释涂布平板法。1)平板划线法主要过程,平板划
7、线法要点,A.连续划线时,每次都从上一次划线的末端开始划线,注意不要将最后一次的划线与第一次的划线相连。培养后一般可在最后一次的划线区找到单个菌落,如图中的“4”区。,疑难突破思考为什么不要将最后一次的划线与第一次的划线相连?提示通常最后一次划线已经可将酵母菌稀释成单个细胞,如果与第一次划线相连,则增加了酵母菌数目,可能得不到单菌落。,B.区别以下不同阶段灼烧接种环的目的a.蘸取菌液前:杀死接种环上原有的微生物。b.每次划线之前:杀死上次划线后接种环上残留的菌种,使本次划线的菌种直接来源于上次划线的末端。c.划线结束后:及时杀死接种环上残存的菌种,避免菌种污染环境和感染操作者。,2)稀释涂布平
8、板法系列稀释:将10 g土样与90 mL无菌水混合(已稀释10倍,计算时不能忽略),按图中所示依次等比稀释。涂布平板,3.实例:酵母菌的纯培养1)制备培养酵母菌的培养基配制培养基:马铃薯去皮切块加水煮烂过滤加葡萄糖或蔗糖与琼脂蒸馏水定容。灭菌:培养皿等用干热灭菌(160170 灭菌2 h);培养基用高压蒸汽灭菌(100 kPa、121 灭菌1530 min)。倒平板:待培养基冷却至50 左右,在酒精灯火焰附近进行。,制备固体培养基时,最后要将冷却凝固的平板倒置,以防止冷凝水滴落在培养基上造成污染。2)接种和分离酵母菌:可用平板划线法将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面。3)培养酵母菌:将接种后
9、的平板和一个未接种的平板(起对照作用,以证明培养基在使用前未被杂菌污染)一同倒置,28 左右恒温培养2448 h。,四、微生物的选择培养、鉴定和计数1.微生物的选择培养微生物筛选原理:人为提供有利于目的菌生长的条件,同时抑制或阻止其他微生物的生长,利用的是选择培养基。,2.土壤中分解尿素的细菌的分离与计数1)实验原理能分解尿素的细菌可以合成脲酶,脲酶能催化尿素分解产生NH3,NH3可作为细菌生长的氮源。以尿素为唯一氮源的培养基可从土壤中分离出分解尿素的细菌。2)鉴别方法pH升高可使酚红指示剂变红,脲酶可将尿素分解成氨,使培养基pH升高,故在培养基中加入酚红指示剂,若指示剂变红,则说明该细菌能分
10、解尿素。,易混易错选择培养基和鉴别培养基的实例对比,知识归纳三种鉴别微生物的方法(1)菌落特征鉴别法:根据微生物在固体平板培养基表面形成的菌落的形状、大小、隆起程度和颜色等特征进行鉴别。(2)指示剂鉴别法:如在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂,培养某种微生物后,若指示剂变红,说明该种微生物能够分解尿素。(3)染色鉴别法:如利用刚果红染色法鉴别纤维素分解菌,刚果红可与纤维素形成红色复合物,当纤维素被纤维素分解菌分解后,复合物就无法形成,培养基中会出现以纤维素分解菌为中心的透明圈。,3)分离与计数用稀释涂布平板法分离分解尿素的细菌。培养:恒温培养箱中培养。计数:选择菌落数为30300的平板
11、计数。4)注意事项选取菌落数目稳定时的记录作为结果。重复实验,统计时取平均值。,3.微生物的数量测定方法1)显微镜直接计数法,2)稀释涂布平板法,疑难突破思考实验中初步估测样品中细菌细胞数为2107个/mL,若要在每个平板上涂布100 L稀释后的菌液,且保证每个平板上长出的菌落数不超过200个,则至少应将样品中的菌液稀释多少倍?提示利用上述表中的公式直接求算,则样品中的菌株数=2107个/mL、C=200个、V=100 L=0.1 mL,套用公式直接求得M=104。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.微生物在琼脂固体培养基表面或内部生长繁殖可以形成肉眼可见的菌落。()2.培养基中碳源和氮
12、源可分别为培养的微生物提供碳元素、氮元素。()3.湿热灭菌就是高压蒸汽灭菌,干热灭菌就是灼烧灭菌。()4.微生物纯培养就是不含有代谢废物的微生物培养物。()5.细菌计数板就是血细胞计数板,二者的原理相同。(),答案1.2.3.湿热灭菌是利用沸水、流通蒸汽或高压蒸汽进行灭菌的方法,高压蒸汽灭菌是湿热灭菌中的一种;干热灭菌和灼烧灭菌是两类不同的灭菌方法,前者需要使用干热灭菌箱,后者直接将需要灭菌的用具放在酒精灯火焰的充分燃烧层灼烧。4.获得纯培养物的过程就是纯培养,纯培养物是由单一个体繁殖所获得的微生物群体。5.细菌计数板和血细胞计数板的计数原理相同,但前者比后者薄,前者可对细菌等较小的细胞进行观
13、察和计数,而后者可用于相对较大的细胞如酵母菌等的计数。,考点三发酵工程及其应用,一、发酵工程的基本环节1.发酵工程1)概念:利用微生物的特定功能,通过现代工程技术,规模化生产对人类有用的产品,涉及菌种的选育和培养、产品的分离和提纯等方面。2)发酵工程属于多学科的综合工程。综合了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程。,2.发酵工程的基本环节1)选育菌种:可从自然界中筛选,也可通过诱变育种或基因工程育种获得。2)菌种扩大培养的目的是促使菌体数量快速增长,使接入菌种的总体积满足发酵生产需求。3)发酵罐内发酵生产是发酵工程的中心环节,此阶段在了解发酵进程的同时,还要及时添
14、加必需的营养组分以及严格控制发酵条件。4)发酵产品有微生物代谢物和微生物细胞本身,前者需要根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施,后者可通过过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。,3.发酵工程的特点:生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小且容易处理等。,易混易错(1)传统发酵技术得到的产品一般不进行分离、提纯,而发酵工程得到的产品需根据发酵产品类型进行分离、提纯。(2)发酵生产排出的气体和废弃物不能直接排放到外界环境中,以免对环境造成污染。,二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用1)生产传统的发酵产品。以大豆为主要原料,利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉),将原料
15、中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸,然后经淋洗、调制成酱油产品。以谷物或水果等为原料,利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。啤酒的工业化生产流程“八步两个阶段”2)生产食品添加剂,如通过黑曲霉发酵制得柠檬酸;由谷氨酸棒状杆菌发酵得到谷氨酸,谷氨酸再经过一系列处理制成味精。3)生产酶制剂,如淀粉酶、果胶酶等。,2.在医药工业上的应用生产各种药物、疫苗等。3.在农牧业上的应用1)生产微生物肥料,如固氮菌肥等。2)生产微生物农药,如苏云金杆菌可防治多种农林虫害;白僵菌可防治玉米螟、松毛虫等虫害;井冈霉素可防治水稻枯纹病。3)生产微生物饲料,如单细胞蛋白(微生物菌体)制成的微生物饲料能使家禽、家畜增重快,产奶
16、或产蛋量显著提高;在青贮饲料中添加乳酸菌,可提高饲料品质,使饲料保鲜,动物食用后可提高动物免疫力。,4.在其他方面的应用1)利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。2)极端微生物的应用,如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂。,疑难突破思考1青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢?(提示:血红蛋白具有携带氧的能力)提示1可以用基因工程的方法,将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。思考2引起全球新冠肺炎大流行的元凶是新冠病毒,利用发酵工程相关知识,如何大量生产新冠病毒疫苗?提示2可将新冠病毒的抗原基因转入某种微生物体内,再通过发酵工程大量生产新冠
17、病毒疫苗。,考点训练(请判断下列说法是否正确),1.在发酵工程中,可通过诱变育种、基因工程育种获得菌种。()2.在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌。()3.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。()4.乳酸菌可代替酵母菌用于乙醇的生产。()5.发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成速度都与搅拌速度无关。()6.发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵。(),答案1.2.3.单细胞蛋白就是微生物细胞本身。4.乳酸菌为厌氧生物,无氧呼吸的产物是乳酸,无酒精,故不能代替酵母菌用于乙醇的生产。5.发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成速度都与搅拌速度有关。6.传统发酵技术和发酵工程都是利用微生物的发酵来实现相关产品的生产的。,
