2015-2016學(xué)年高中生物 第三章 第1節(jié) 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用導(dǎo)學(xué)案 新人教版選修2

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1、 第1節(jié)　微生物發(fā)酵及其應(yīng)用 1．說出微生物發(fā)酵生產(chǎn)的基本過程。 2．舉例說出微生物發(fā)酵與食品生產(chǎn)的關(guān)系。 3．參與有關(guān)微生物發(fā)酵的調(diào)查活動。 4．通過發(fā)酵工程發(fā)展的歷史，體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)、社會三者間的緊密聯(lián)系和互動。 一、發(fā)酵工程史話 1．1857年，法國微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明，酒精發(fā)酵是由活的______引起的。 2．1897年，德國的畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了____在酵母發(fā)酵中的作用。 3．20世紀(jì)30年代傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的新產(chǎn)品：酒精、乳酸、__________、丙酮、丁醇、檸檬酸、________和________等。 4．20世紀(jì)40年代大規(guī)模生產(chǎn)____

2、____、鏈霉素、金霉素、土霉素等，抗生素工業(yè)興起。 5．20世紀(jì)50年代起：________發(fā)酵工業(yè)、酶制劑工業(yè)、多糖和維生素發(fā)酵工業(yè)相繼誕生。 6．20世紀(jì)70年代以后：有特殊生產(chǎn)能力的基因工程菌發(fā)酵產(chǎn)生________、________等。 二、發(fā)酵生產(chǎn)過程探秘 1．發(fā)酵：是利用________在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的________轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。 2．原理：不同的微生物具有產(chǎn)生不同________的能力。例如：谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn)______；黃色短桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn)________。 3．發(fā)酵過程 （1）選育菌種：可采用自然界選種、_____

3、_育種、________育種等。 （2）配制培養(yǎng)基：根據(jù)微生物的營養(yǎng)需要提供______、氮源、________、無機(jī)鹽和水。 （3）滅菌：培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備均需嚴(yán)格滅菌。 （4）擴(kuò)大培養(yǎng)和接種：大規(guī)模生產(chǎn)中需要使______達(dá)到一定數(shù)量；將菌種接種到培養(yǎng)基上，接種時防止雜菌污染。 （5）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：要隨時檢測發(fā)酵進(jìn)程，要及時滿足______需求，還要嚴(yán)格控制______、pH、________等發(fā)酵條件。 （6）分離、提純產(chǎn)物：如果產(chǎn)品是菌體，可采用______、沉淀等方法；如果產(chǎn)品是________，可采用提取、______和純化措施來獲得產(chǎn)品。 思考：什么是單細(xì)胞蛋白？ 三

4、、發(fā)酵與食品生產(chǎn) 1．生產(chǎn)日常食品：如饅頭、面包、腐乳、泡菜、葡萄酒等。 2．生產(chǎn)食品添加劑：如味精、醋、醬油等調(diào)味劑，各種食品營養(yǎng)增強(qiáng)劑，食品防腐劑，食品色素。 答案：一、1.酵母 2．酶 3．面包酵母　淀粉酶　蛋白酶 4．青霉素 5．氨基酸 6．胰島素　生長激素 二、1.微生物　代謝途徑 2．代謝產(chǎn)物　味精　賴氨酸 3．（1）誘變　基因工程?。?）碳源　生長因子?。?）菌種?。?）營養(yǎng)　溫度　溶解氧?。?）過濾　代謝產(chǎn)物　分離 思考：單細(xì)胞蛋白是微生物菌體本身?？捎米黠暳希部捎米魇称诽砑觿?，還可制成人造肉直接食用。 發(fā)酵生產(chǎn)過程中，有哪些因素會影響發(fā)酵效

5、果？ 1．菌種 直接從自然界分離得到的微生物不一定具有生產(chǎn)特定產(chǎn)物的能力，需要在實(shí)驗(yàn)室里對幾百株、數(shù)千株微生物進(jìn)行篩選。即使得到了產(chǎn)生特定產(chǎn)物能力的菌株，其生產(chǎn)能力和性能也不一定能夠滿足生產(chǎn)的需要，還需要經(jīng)過誘變選育得到高產(chǎn)、性能優(yōu)良的菌種。即使利用基因工程構(gòu)建的具有特殊生產(chǎn)能力的工程菌，也還要對其進(jìn)行仔細(xì)研究，全面了解產(chǎn)生產(chǎn)物的規(guī)律、影響菌株產(chǎn)生產(chǎn)物的各種因素和它們之間的關(guān)系以及控制的辦法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和擴(kuò)大規(guī)模驗(yàn)證，才能夠用于生產(chǎn)。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上有了優(yōu)良的生產(chǎn)菌種還不夠，必須通過適當(dāng)?shù)拇胧┨峁┳銐蛄康姆N子。 2．發(fā)酵培養(yǎng)基 現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，多采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行

6、深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細(xì)胞生長、繁殖的需要，因?yàn)闆]有大量的細(xì)胞就不可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)物；但是細(xì)胞的過分生長會消耗大量的營養(yǎng)物，有時又會影響細(xì)胞的生產(chǎn)能力，會使產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產(chǎn)物。因此，培養(yǎng)基的組成十分關(guān)鍵。 3．純種發(fā)酵與滅菌 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用純種發(fā)酵，可以保證高產(chǎn)及生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵，它會使發(fā)酵失敗，造成巨大損失。因此，滅菌和無菌操作成為發(fā)酵工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。 4．溫度對微生物生長的影響 溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性來影響微生物的生命活動。一方面，隨著溫度的升高，細(xì)胞內(nèi)的酶反

7、應(yīng)速度加快；另一方面，隨著溫度的進(jìn)一步增高，生物活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸等）發(fā)生變性，細(xì)胞功能下降，甚至死亡。所以，每種微生物都有其最適生長溫度。 5．pH對微生物生長的影響 培養(yǎng)基的pH對微生物生長的影響主要是引起細(xì)胞膜電荷變化，以及影響營養(yǎng)物離子化程度，從而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收；pH也會影響生物活性，如酶的活性。 6．溶解氧的影響 工業(yè)上大部分為好氧發(fā)酵，如抗生素、氨基酸、維生素、多糖、有機(jī)酸（細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸例外）等發(fā)酵均需要往發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物生長代謝過程對氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細(xì)菌發(fā)酵為厭氧發(fā)酵，發(fā)酵過程不需要氧。 微生物在不同發(fā)酵階段，因其

8、生長、代謝水平的變化，對氧的需求量也有變化，因此，控制發(fā)酵液的溶氧可以達(dá)到提高生產(chǎn)水平的目的。 發(fā)酵液中溶解氧的濃度可以通過控制通氣量、罐壓、攪拌速度等進(jìn)行控制。 發(fā)酵過程對周圍環(huán)境的物理和化學(xué)條件十分敏感，任何一種微生物發(fā)酵均需要適當(dāng)?shù)臏囟?、pH、溶解氧、營養(yǎng)物等，保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功并獲得高產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵。 題型一 發(fā)酵工程史話 【例1】 1857年，法國微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理后才逐步形成了發(fā)酵工程，這位微生物學(xué)家是（　?。?。 A．巴斯德　 B．拉馬克 C．列文虎克 D．科赫 解析：1857年法國微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明酒精是由活的酵母引起的，發(fā)

9、現(xiàn)了發(fā)酵的原理；法國博物學(xué)家拉馬克是歷史上第一個提出比較完整的進(jìn)化學(xué)說的人，其主要觀點(diǎn)是“用進(jìn)廢退”；17世紀(jì)后葉，荷蘭生物學(xué)家列文虎克制成簡單的顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌；科赫是德國細(xì)菌學(xué)家，細(xì)菌學(xué)的奠基人，因發(fā)現(xiàn)結(jié)核菌和結(jié)核菌素，獲1905年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。 答案：A 題型二 發(fā)酵過程應(yīng)控制的條件 【例2】 發(fā)酵罐發(fā)酵過程中，使溫度升高的熱量來源于（　?。?。 ①冷卻水供應(yīng)不足　②微生物代謝?、叟囵B(yǎng)基不新鮮　④攪拌?、莘帕峡谂懦霎a(chǎn)物 A．①②③⑤ B．②③④ C．①④ D．②④ 解析：題目要求找出使發(fā)酵罐溫度升高的熱量來源，其來源有兩個：一是微生物代謝產(chǎn)生的（呼吸

10、作用）熱量；二是攪拌器不斷地?cái)嚢璁a(chǎn)生的熱量。散熱的途徑主要是用冷卻水冷卻。 答案：D 反思領(lǐng)悟：微生物的呼吸作用產(chǎn)生微生物生命活動所必需的能量ATP，同時也釋放了大量的熱能，使發(fā)酵罐溫度升高，再就是攪拌器不斷地?cái)嚢枘Σ辽鸁?。發(fā)酵過程應(yīng)該控制溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等條件。 題型三 發(fā)酵工程的產(chǎn)品 【例3】 下列不需要利用發(fā)酵工程的是（　?。?。 A．生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料 B．通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚 C．利用工程菌生產(chǎn)胰島素 D．工廠化生產(chǎn)青霉素 解析：生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)微生物菌體本身的過程。利用工程菌生產(chǎn)胰島素和工廠化生產(chǎn)青

11、霉素是利用發(fā)酵工程。通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚是利用細(xì)胞工程的動物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生可移植的皮膚。 答案：B 反思領(lǐng)悟：發(fā)酵工程應(yīng)用已非常廣泛，現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸等，還生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物。 1．下列關(guān)于發(fā)酵工程經(jīng)歷階段的描述，正確的是（　?。?。 A．早期積累階段→中期發(fā)酵工業(yè)階段→現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段→創(chuàng)新發(fā)酵工業(yè)階段 B．原始發(fā)展階段→現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段→創(chuàng)新發(fā)酵工業(yè)階段→生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段 C．原始發(fā)展階段→傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段→現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段→生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段 D．原始發(fā)展階段→傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段→現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段→基因技術(shù)產(chǎn)

12、業(yè)階段 2．下列不能用于菌種選育的是（　?。?。 A．人工誘變　 B．自然選育 C．基因工程育種 D．雜交育種 3．發(fā)酵工程的中心階段是（　?。?。 A．菌種的選育 B．?dāng)U大培養(yǎng)的接種 C．發(fā)酵過程 D．分離提純 4．下列關(guān)于溫度對發(fā)酵過程的影響的敘述，不正確的是（　?。? A．溫度過高，發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)量降低 B．溫度不影響生物合成的途徑 C．溫度能影響菌種對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收 D．菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同 5．用蔗糖、奶粉和經(jīng)蛋白酶水解后的玉米胚芽液通過乳酸菌發(fā)酵可生產(chǎn)新型酸奶，下列相關(guān)敘述錯誤的是（　?。?。 A．蔗糖消耗量與乳酸生

13、成量呈正相關(guān) B．酸奶出現(xiàn)明顯氣泡說明有雜菌污染 C．應(yīng)選擇處于對數(shù)期的乳酸菌接種 D．只有奶粉為乳酸菌發(fā)酵提供氮源 答案：1．C　發(fā)酵工程經(jīng)歷了原始發(fā)展階段→傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)階段→現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)階段→生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)階段四個階段。 2．D　菌種選育包括人工誘變、自然選育、基因工程育種等，雜交育種適用于有性生殖的生物。 3．C 4．B　發(fā)酵過程需要適宜的溫度，如果溫度過高，酶很快失活，菌體衰老，發(fā)酵周期就會縮短，產(chǎn)量也會降低；溫度能影響生物合成的途徑，這是因?yàn)樯锖铣蛇^程需要酶，不同酶的活性與溫度有關(guān)；菌種吸收營養(yǎng)物質(zhì)時，多數(shù)是主動運(yùn)輸，需要呼吸作用提供能量，這與溫度有關(guān)；菌體生長和產(chǎn)物合成需體內(nèi)旺盛的代謝作基礎(chǔ)，而用于生長繁殖和代謝產(chǎn)物生成的酶不同，因此所需的最適宜的溫度也不一定相同。 5．D 4