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2020-2021年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用学案+练习新人教版选择性必修32020-2021年高中生物 第1章 发酵工程 3 发酵工程及其应用学案+练习新人教版选择性必修3年级：姓名：- 24 -第3节发酵工程及其应用 必备知识素养奠基一、发酵工程的概念和基本环节1.发酵工程的概念:(1)过程: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。(2)范围:它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。2.发酵工程的基本环节:(1)基本环节:(2)选一选:下列关于发酵工程基本环节的描述正确的是用于发酵工程的菌种应该具备优良性状,并且只能从自然界中筛选。在进行发酵前,需要对选育的菌种进行扩大培养。发酵工程所用的菌种大多是单一菌种,所以没有必要进行严格的灭菌。发酵工程所用的培养基是液体培养基。在发酵过程中要随时进行检测,还需要对发酵条件进行严格的控制。发酵结束后即可得到发酵产品。现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么差异?提示:传统发酵技术用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种,而现代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。3.发酵装置:二、发酵工程的应用1.特点:(1)生产条件温和。(2)原料来源丰富且价格低廉。(3)产物专一。(4)废弃物对环境的污染小和容易处理。为什么发酵工程的生产条件比较温和?提示:发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化,而微生物细胞代谢是在常温常压条件下进行的,因此发酵工程的生产条件比较温和。2.在食品工业上的应用:(1)生产传统的发酵产品。优点:能明显提高产品的产量和质量。实例:a.大豆中的蛋白质肽和氨基酸酱油b.啤酒的工业化生产流程:(2)生产各种各样的食品添加剂:酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂等。(3)生产酶制剂:在食品工业中,经常用到一些酶制剂,如-淀粉酶、-淀粉酶、氨基肽酶和脂肪酶等。有人认为食品添加剂都是有害的,这种想法对吗?为什么?提示:不对。食品添加剂可以增加食品的营养,改善食物的口味等,只要符合国家标准,并不会对人体产生伤害。3.在医药工业上的应用:(1)发酵工程可以生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。(2)基因工程与发酵技术相结合生产所需要的产品。4.在农牧业上的应用:主要表现在生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等方面。5.在其他方面的应用:(1)对解决资源与环境污染问题具有重要意义。(2)极端微生物的应用。(3)发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。关键能力素养形成知识点一发酵工程的基本环节1.选育菌种:(1)常用菌种:主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。(2)菌种特点:对周围环境的温度、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。有极强的消化能力。有极强的繁殖能力。(3)选育方法:从自然界中筛选出优良菌种。利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。利用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造,构建出能生产相应产品的菌种。2.扩大培养:在进行接种前,要进行扩大培养。(1)目的:增加菌种的数量,缩短生产周期。(2)方法:将培养到生长速度最快时期的菌体分开,再进行培养。3.配制培养基:(1)类型:发酵工程一般使用液体培养基。(2)要求:根据不同的菌种,选择不同的材料配制培养基。培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求,并为微生物提供适宜的pH,以利于产物的合成。应尽量降低生产成本,以得到更高的经济效益。4.灭菌和接种:在发酵前对培养基和发酵设备进行严格的灭菌处理,接种过程中要注意防止杂菌污染。5.发酵罐内发酵发酵工程的中心环节:【特别提醒】通过发酵罐对发酵条件进行控制(1)温度:通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。(2)溶解氧:通过通气量和搅拌速度加以调节。(3)pH:通过加料装置添加酸或碱进行调节,也可以在培养基中添加pH缓冲液。6.分离、提纯产物,获得发酵产品:发酵产品分离提纯方法微生物细胞过滤、沉淀将菌体分离和干燥代谢物蒸馏、萃取、离子交换等方法【特别提醒】关于发酵罐使用的三点提醒(1)发酵罐在使用前要进行灭菌,培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌,空气采用过滤的方法除菌。(2)对于需氧发酵,为了防止杂菌污染,应该从空气入口通入无菌空气。(3)搅拌的作用:a.使空气和发酵液充分混合,增加培养液中的溶解氧;b.使菌种与培养液充分接触,提高原料利用率。如图所示是发酵工程生产产品的流程图,据图回答下列问题:(1)发酵工程中,选育优良性状的菌种,至关重要。高产青霉素菌种是通过_育种获得的,啤酒酵母菌是通过_改造的。 (2)图中表示_,这样做的目的是_。(3)表示_,是整个过程的中心环节,在此阶段需随时取样、检测_、_等,以了解发酵进程,还要及时添加_,同时严格控制_等发酵条件。(4)表示_,发酵结束后可采用_等方法获得产品。【解题导引】解答本题的两个关键点:(1)发酵工程的基本环节:菌种的选育和扩大培养,培养基的配制,灭菌,接种,发酵,产品的分离提纯。(2)发酵工程的中心环节:发酵罐内发酵。【解析】(1)高产青霉素菌种是通过诱变育种获得的,啤酒酵母菌是通过基因工程改造的。(2)图中表示扩大培养,目的是增加菌种的数量,缩短生产周期。(3)是整个过程的中心环节发酵罐内发酵,在此阶段需随时取样、检测微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程。随着发酵进行,培养基中的营养物质减少,还要及时添加必需的营养组分,同时严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。(4)是发酵工程产品微生物细胞(菌体),发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥。答案:(1)诱变基因工程(2)扩大培养增加菌种的数量,可以缩短生产周期(3)发酵罐内发酵微生物数量产物浓度必需的营养组分温度、pH和溶解氧(4)微生物细胞(菌体)过滤、沉淀【误区警示】菌种的选育和培养常见误区(1)误认为高产青霉素菌种是通过基因工程获得的:高产青霉素菌种是通过诱变育种获得的。(2)易弄错增加菌种数量的方法:获得优良菌种后,为了缩短生产周期,要进行扩大培养来增加菌种数量。【素养探究母题追问】 (1)科学思维分析与推理发酵过程中为什么要控制发酵条件?提示:发酵条件会影响微生物的生长繁殖和代谢物的形成。(2)科学探究结果评价在谷氨酸发酵中产物是什么?它属于代谢物吗?提示:谷氨酸发酵产物是谷氨酸棒状杆菌产生的谷氨酸,是细胞代谢物。【素养迁移】(2018江苏高考)某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究,下列叙述错误的是()A.夏季生产果酒时,常需对罐体进行降温处理B.乙醇为挥发性物质,故发酵过程中空气的进气量不宜太大C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压D.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵【解析】选B。果酒发酵过程中会放出热量使罐体温度上升,故需对发酵罐进行降温处理,A项正确;乙醇虽然为挥发性物质,但其能溶于水,而且酒精发酵为无氧呼吸,发酵过程中不需进气,B项错误;发酵过程中有CO2产生,所以罐内压力不会低于大气压,C项正确;发酵程度可以通过监测发酵液中残余糖的浓度来确定,D项正确。知识点二发酵工程的应用1.发酵工程的应用:发酵工程渗透到几乎所有的工农业领域。(1)在食品工业上的应用:生产传统的发酵产品、食品添加剂和酶制剂。(2)在医药工业上的应用:生产抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂和疫苗等。(3)在农牧业上的应用:生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等。【特别提醒】啤酒的工业化生产的五点提醒(1)啤酒酵母菌:通过微生物培养技术筛选出的优良菌种,在接种前进行扩大培养,缩短生产周期。(2)焙烤温度不能过高,防止淀粉酶失活。(3)蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种,防止高温杀死酵母菌。(4)发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。(5)接种前要对发酵罐进行灭菌,接种时要进行无菌操作,防止杂菌污染。2.发酵工程与传统发酵技术的比较:发酵工程传统发酵技术不同点菌种通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种,大多是单一菌种原材料中天然存在的混合菌种发酵方式液体发酵为主固体发酵或半固体发酵为主对发酵条件的控制严格无菌操作,防止杂菌污染。通过现代工程技术对发酵条件精确地控制,使发酵条件处于最佳状态不是无菌操作,容易受到杂菌污染。对发酵条件不能严格控制,易受外界条件影响生产规模和产品生产规模大,实现了工业化生产。原料来源丰富,成本低,产物多样,产量高通常是家庭式或作坊式的,产量低,生产往往受季节和原料限制,产品风味品种比较单一,质量不稳定相同点都是利用了微生物的作用发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的啤酒是以粮食作物大麦为主要原料酿造的,如图是某种啤酒的生产流程,回答下列问题。(1)在酿造过程中需要将大麦种子进行发芽处理,此过程的目的是_,麦芽经过焙烤、碾磨成_。(2)经过糖化阶段,麦芽中的淀粉、蛋白质等大分子被分解成酵母菌可利用的可溶性小分子物质。糖化时温度的变化通常是由低温逐步升至高温,以防止_。(3)在蒸煮阶段,要将糖浆中加入啤酒花煮沸一定时间,不仅可以蒸发掉多余的水分,还可以起到_作用。(4)在主发酵初期,往往先通入无菌空气,目的是_,之后进行密封发酵。酒精就是在密封发酵期间产生的,写出反应简式_。(5)经过一段时间的后发酵,才能形成澄清、成熟的啤酒。后发酵期间糖类继续发酵,促进啤酒风味的成熟。影响啤酒风味的因素有_、_等。【解题导引】解答本题需掌握以下三个关键知识:(1)大麦种子发芽的目的:产生淀粉酶等。(2)糖化的实质:大分子物质在酶的作用下,被分解成小分子物质。(3)酵母菌发酵的过程:前期有氧条件酵母菌的数量增加,后期无氧条件酵母菌进行酒精发酵。【解析】(1)大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶、蛋白酶等多种酶。麦芽经过焙烤、碾磨成麦芽粉。(2)糖化时由低温逐步升至高温,以防止麦芽中淀粉酶等因高温而变性失活。(3)在蒸煮阶段,不仅可以蒸发掉多余的水分,还可以起到灭菌作用。(4)在主发酵初期,需要通入无菌空气,目的是增加酵母菌的数量,有利于密闭时获得更多的酒精产物,反应简式见答案。(5)影响啤酒风味的因素有酵母菌菌种、大麦品种、发酵时间、发酵温度等。答案:(1)释放淀粉酶麦芽粉(2)麦芽中淀粉酶等因高温而变性失活(3)灭菌(4)有氧条件酵母菌进行出芽生殖,数量增加C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量(5)酵母菌菌种大麦品种发酵时间发酵温度(写两种即可)【素养探究母题追问】(1)科学思维分析与综合在糖化阶段,温度低影响啤酒品质,温度高会使麦芽产生的淀粉酶等失活,你能想到什么方法解决?提示:可以在此阶段使用发酵工程生产的耐高温的淀粉酶制剂。(2)科学思维分析与推理发酵后的啤酒需要经过消毒才能包装销售,请你利用所学知识,分析用什么方法对啤酒进行消毒。提示:为了保持啤酒的风味,应用巴氏(低温)消毒法进行消毒。【素养迁移】下列有关发酵工程应用的说法错误的是()A.发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品B.柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产C.发酵工程可以生产多种药物,但是不能生产疫苗D.发酵工程生产的单细胞蛋白可以制作成微生物饲料【解析】选C。发酵工程可以生产传统发酵食品,A正确;柠檬酸、乳酸是通过发酵工程生产的食品添加剂,B正确;科学家利用基因工程将病原体基因转入微生物细胞,通过发酵工程可以生产疫苗,C错误;单细胞蛋白可以制作成微生物饲料,D正确。【补偿训练】以下不属于发酵的是()A.利用需氧型青霉菌生产青霉素B.缺氧时人的组织细胞产生乳酸C.利用酵母菌的无氧呼吸获得酒D.利用乳酸菌制作泡菜【解析】选B。发酵是指通过微生物的代谢将原料转化为人类所需要的产物的过程。可见,利用需氧型青霉菌生产青霉素、利用酵母菌的无氧呼吸获得酒和利用乳酸菌制作泡菜,都属于发酵,而缺氧时人的组织细胞产生乳酸的过程则不属于发酵,A、C、D均不符合题意,B符合题意。【课堂回眸】课堂检测素养达标【概念诊断】1.运用发酵工程可以生产多种产品,请分析下列关于发酵工程的叙述,正确的是_。防止杂菌入侵和获得纯净的微生物培养物是发酵工程的重要基础发酵工程最重要的环节是发酵罐内发酵青霉素有抗菌作用,即使生产青霉素的发酵过程中混入了杂菌,发酵也不受影响大型发酵罐有计算机控制系统,能对发酵条件进行控制发酵工程不能生产传统发酵食品发酵工程可以生产微生物农药发酵工程与传统发酵技术都是利用微生物的作用进行的发酵【解析】选。发酵工程常用单一菌种发酵,因此防止杂菌入侵和获得纯净的微生物培养物是发酵工程的重要基础,正确;发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵过程,正确;青霉素的生产过程中混入了杂菌,杂菌分泌的青霉素酶会将青霉素分解,错误;发酵罐有计算机控制系统,能对发酵过程中的各种条件进行监测和控制,正确;发酵工程能生产传统发酵食品,错误;发酵工程可以生产微生物农药、微生物肥料、微生物饲料等,正确;发酵工程与传统发酵技术的共同点都是利用微生物进行的发酵,正确。2.下列选项中不是发酵工程特点的是()A.原料来源丰富,价格低B.产物专一,产量高C.废弃物对环境污染小,容易处理D.生产条件需要高温高压【解析】选D。发酵工程是运用微生物的功能进行的生产,生产条件温和,即在常温常压条件下进行,D错误。3.用发酵工程生产单细胞蛋白时,对产物进行分离提纯时可采用的方法是()A.蒸馏、过滤B.过滤、沉淀C.萃取、离子交换D.沉淀、萃取【解析】选B。单细胞蛋白是微生物菌体,采用过滤、沉淀等方法将菌体进行分离和干燥。【思维跃迁】4.下列关于发酵工程的说法,正确的是()A.人工诱变、细胞工程、基因工程等都可对微生物进行定向改造B.环境条件的变化不仅影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢C.发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢产物的形成都与搅拌速度无关D.单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的【解析】选B。人工诱变导致基因突变是不定向的,细胞工程、基因工程是具有目的性的,故人工诱变不能对微生物进行定向改造,A错误;环境条件的变化不仅影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢,B正确;搅拌可增加溶氧量,发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢产物的形成速度都与搅拌速度有关,C错误;单细胞蛋白是指通过发酵获得的大量的微生物菌体,D错误。5.如图是发酵工程常用的机械搅拌式发酵罐,是工业生产中最常用的发酵罐。回答下列问题:(1)1是培养物或营养物质的_,2是_,4是_,3是_。(2)5是_,此装置运转时,既能使空气和发酵液充分混合,增加培养液中的_,又能使菌种与培养液_,提高原料利用率。但是在利用乳酸菌生产乳酸时一般不用此装置,这是因为_。(3)若此装置用于酒精发酵,在发酵过程中,pH_, 罐内的压力会_。(4)发酵罐在使用前要进行_。【解析】(1)分析此装置,1是培养物或营养物质的加入口,2是排气管,4是冷却水进入口,3是空气入口。(2)5是搅拌叶轮,作用是使空气和发酵液充分混合,增加培养液中的溶解氧,使菌种与培养液充分接触,提高原料利用率。乳酸菌是厌氧型微生物,所以进行乳酸发酵不使用此装置。(3)在酒精发酵过程中,由于有二氧化碳产生,所以会导致pH下降, 罐内的压力会增加。(4)防止杂菌污染,发酵罐在使用前要进行灭菌。答案:(1)加入口排气管冷却水进入口空气入口(2)搅拌叶轮溶解氧充分接触乳酸菌是厌氧型微生物,发酵过程不需要氧气(3)下降增加(4)灭菌【拓展探究】6.植物乳杆菌属于乳酸菌的一种,在繁殖过程中可分泌一类具有抑菌活性的蛋白质,此种蛋白质称为细菌素,作为重要的天然食品防腐剂在食品加工中有着广泛应用。现有两种较高产细菌素的菌株,菌株A产细菌素能力强于菌株B,但菌株A细胞中的细菌素合成途径中缺少两个重要的调控基因plnC和plnD,而菌株B细胞中具有这两个基因。研究人员按下图所示流程对菌株A和B进行改良,获得了更高产细菌素的新型菌株C。(1)从细胞结构的角度分析,植物乳杆菌属于_生物,其进行合成细菌素等生命活动所需的能量由_呼吸提供。(2)实验发现,植物乳杆菌对柠檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人员选择柠檬色葡萄球菌作为指示菌进行抑菌实验,来比较菌株A、B、C的产细菌素能力。实验步骤如下:a.在平板培养基中涂布_; b.分别在平板的不同位置接种_作为实验组;对照组的处理是_; c.培养一段时间后,观察并比较抑菌圈大小。预期结果为:_ _。(3)抗生素是由微生物产生的具有较强抑菌杀菌效果的小分子有机物。请结合所学知识及相关信息,分析将细菌素而非抗生素用作食品防腐剂的优势_。(答出一点即可)【解析】(1)植物乳杆菌属于乳酸菌的一种,属于细菌,是原核生物;由于植物乳杆菌是厌氧性细菌,故进行合成细菌素等生命活动所需的能量由无氧呼吸提供。 (2)植物乳杆菌对柠檬色葡萄球菌的抑菌效果最好,研究人员选择柠檬色葡萄球菌作为指示菌进行抑菌实验,来比较菌株A、B、C的产细菌素能力,故应该在平板培养基上涂布柠檬色葡萄球菌菌液,分别在平板的不同位置接种A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的滤纸片)作为实验组,接种等量无菌水(蘸取无菌水的滤纸片)作为对照组,观察含有抑菌物质的滤纸片周围的抑菌圈大小,预期结果为抑菌圈从大到小依次为C、A、B,对照组无抑菌圈。(3)将细菌素而非抗生素用作食品防腐剂的优势为:与抗生素不同,细菌素的化学本质是蛋白质,被人体食用后可被胃蛋白酶等消化酶降解,不会被吸收进入人体内,也不会破坏人体肠道益生菌,排放入环境中的量少,因此一般情况下,具有无毒、无副作用、无残留、少污染的优点。答案:(1)原核无氧(2)柠檬色葡萄球菌菌液A、B、C菌液的上清液(蘸取A、B、C菌液的滤纸片)接种等量无菌水(蘸取无菌水的滤纸片)抑菌圈从大到小依次为C、A、B,对照组无抑菌圈(3)无毒、无副作用、无残留、少污染 四发酵工程及其应用 (20分钟70分)一、选择题(共7小题,每小题5分,共35分)1.发酵罐内发酵时,一定要控制好发酵条件,下列说法错误的是()A.对温度的控制可以通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整B.若是谷氨酸发酵需要将pH调至酸性C.可以在培养基中添加缓冲液以维持发酵时pH的相对稳定D.对于需氧发酵通过调节通气量和搅拌速度控制溶氧量【解析】选B。发酵过程对温度的控制是通过发酵罐上的温度传感器和控制装置完成的,A正确;谷氨酸发酵时,在中性或弱碱性条件会积累谷氨酸,在酸性条件下容易形成其他产物,因此应将pH调至中性或弱碱性,B错误。维持pH稳定的方法是通过加料装置添加酸或碱进行调节,或者在培养基中添加pH缓冲液,C正确;对溶解氧的控制是通过调节通气量和搅拌速度,D正确。2.发酵工程与现代生物技术相结合,应用范围越来越广泛。下列关于发酵工程应用的描述错误的是()A.运用发酵工程生产的传统发酵食品,产量和质量都得到了明显的提高B.大多数酶制剂都是通过发酵工程生产的C.发酵工程生产的单细胞蛋白可以用作微生物肥料D.基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合大大降低了某些药物的生产成本【解析】选C。发酵工程实现了规模化的生产,发酵过程对发酵条件严格控制,提高了产品的产量和质量,A正确;绝大多数酶制剂都是通过发酵工程生产的,B正确;单细胞蛋白可以用作微生物饲料,而不是微生物肥料,C错误;基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合提高了药物的产量,降低了药物的生产成本,D正确。3.漆酶属于木质降解酶类,在环境修复、农业生产等领域有着广泛用途。如图是分离、纯化和保存漆酶菌株的过程,相关叙述正确的是() A.生活污水中含有大量微生物,是分离产漆酶菌株的首选样品B.筛选培养基中需要加入漆酶的底物,通过菌落特征挑出产漆酶的菌落C.在涂布平板上长出的菌落,再通过划线进一步计数D.斜面培养基中含有大量营养物质,可在常温下长期保存菌株【解析】选B。生活污水中含有大量微生物,但不一定含有产漆酶的菌株,可能分离不出产漆酶菌株,A错误;生活污水中含有大量微生物,将筛选培养基中加入漆酶的底物,通过菌落特征就能挑出产漆酶的菌落,B正确;在涂布平板上长出的菌落,再通过划线进一步纯化,不是计数,C错误;斜面培养基中含有大量营养物质,不能在常温下保存,可在低温下长期保存菌株,D错误。4.下列关于发酵过程的描述,错误的是()A.发酵过程中,微生物的生命活动会引起发酵温度升高B.发酵过程中要随时检测微生物数量和产物浓度C.发酵过程中产生的废弃培养液等能直接排放到环境中D.啤酒的发酵过程中,酵母菌将糖类转化为酒精和二氧化碳【解析】选C。发酵过程中微生物分解有机物释放能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵温度升高,A正确;发酵过程中要随时检测微生物数量和产物浓度,以了解发酵进程,B正确;发酵过程中产生的废弃培养液等会污染环境,不能直接排放到环境中,C错误;啤酒的发酵过程中,酵母菌进行厌氧发酵,将糖类转化为酒精和二氧化碳,D正确。【互动探究】(1)除了微生物代谢,还有哪些因素可以使发酵温度升高?提示:搅拌叶轮的机械搅拌,也会产生一部分热量引起温度升高。(2)怎样降低发酵罐的温度?提示:可以通过增加冷却水的进水量,降低发酵罐的温度。5.“通州老窖”是以优质高粱、麸曲、产脂酵母菌为原材料酿制出的一种白酒。以下相关叙述正确的是()A.水质、菌种和发酵时间会影响酒的品质B.所用的菌种属于生态系统中的消费者C.可用平板划线法测定发酵液中的菌种浓度D.酿制过程必须进行严格的灭菌操作【解析】选A。影响酒品质的因素有很多,如水质、菌种和发酵时间等,A正确;酿酒所用的菌种属于生态系统中的分解者,B错误;可用稀释涂布平板法测定发酵液中的菌种浓度,C错误;酿制过程不能进行灭菌,防止把酵母菌杀死而影响酒的产量,D错误。6.发酵工程最重要的工作是选择优良的单一纯种,消灭杂菌。获得纯种的方法不包括()A.根据微生物对碳源需求的差别,使用含有不同碳源的培养基B.根据微生物需要生长因子的种类,在培养基中增减不同的生长因子C.根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸D.根据微生物对抗生素敏感性的差异,在培养基中加入不同的抗生素【解析】选C。根据微生物对碳源需求的差别,使用含有不同碳源的培养基可以选择微生物种类,能获得纯种,A不符合题意;在培养基中增减不同的生长因子的作用也是选择微生物,B不符合题意;根据微生物遗传组成的差异,在培养基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA),它不会直接影响到微生物自身的遗传组成,即使被微生物利用,也是被分解为核苷酸后利用,所以培养基中加入不同比例的核酸,不会对微生物起选择作用,C符合题意;抗生素也可对生物起选择作用,D不符合题意。7.发酵工程的一项关键措施是灭菌,关于灭菌的叙述正确的是()A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌B.灭菌是杀死培养基中的一切细菌和真菌C.通入无菌空气可以达到灭菌的目的D.pH调到7左右灭菌效果最好【解析】选A。灭菌就是杀灭微生物,以排除对生产、实验的干扰,关键是要对培养基和发酵设备灭菌,故A正确;培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物,故B错误;为防止杂菌污染,通入的空气也要是无菌的,但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的,故C错误;灭菌效果与pH无直接关系,故D错误。二、非选择题(共2小题,共35分)8.(15分)谷氨酸棒状杆菌可用于微生物发酵工程生产谷氨酸,从而制取谷氨酸钠(味精)。如图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径,通过发酵工程可以大量生产谷氨酸。回答下列问题: (1)与酵母菌相比,谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是_;谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等,从物理性质看,该培养基属于_培养基。(2)发酵过程中要测定谷氨酸棒状杆菌的数量,可采用的计数方法有显微镜直接计数法和_,前者计数的结果比后者计数的结果值偏_(填“大”或“小”),原因是_。(3)由图可知,谷氨酸棒状杆菌体内若积累了较多的谷氨酸,则会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,微生物这种对自身代谢速率的调节方式是_。(4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气,并通过搅拌使空气形成细小的气泡,迅速溶解在培养液中,当培养基中碳氮比为41时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为31时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下,谷氨酸棒状杆菌代谢产物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是_,由上述探究可知,通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路_。【解析】(1)谷氨酸棒状杆菌属于细菌,酵母菌属于真菌,谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是无核膜包被的细胞核。谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等,从物理性质看,该培养基属于液体培养基。(2)测定谷氨酸棒状杆菌的数量可采用的计数方法有显微镜直接计数法和稀释涂布平板法。由于显微镜直接计数法中死活菌体一起计数,而稀释涂布平板法只计数活菌数,且可能有多个菌体形成同一个菌落,因此显微镜直接计数法计数的结果比稀释涂布平板法计数的结果值更大。(3)据题图分析,当谷氨酸过量时,会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,导致谷氨酸脱氢酶的活性下降,从而使谷氨酸含量下降,这种对自身代谢速率的调节方式是负反馈调节。(4)分析可知,谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是异养兼性厌氧型,当培养基中碳氮比为41时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为31时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增,因此通过发酵得到大量谷氨酸的发酵条件是不断向发酵液中通入无菌空气,在发酵液C/N=41中培养一段时间,使菌种大量繁殖,后将培养液的C/N改为31,即可通过发酵得到大量谷氨酸。答案:(1)无核膜包被的细胞核液体(2)稀释涂布平板法大前者死活菌体一起计数,后者只计数活菌数,且可能有多个菌体形成同一个菌落(3)负反馈调节(4)异养兼性厌氧型不断向发酵液中通入无菌空气,发酵液中碳氮比为41,培养一段时间使菌种大量繁殖,后将培养液的碳氮比改为31,使菌种合成大量谷氨酸9.(20分)随着对纤维素水解研究的不断深入,利用纤维素废料发酵生产酒精等能源物质已取得成功。发酵工程中可利用纤维素分解菌将纤维素分解,随后将其转化成新的能源物质乙醇,进一步利用乙醇生产醋酸。工业生产这两种成分的基本工艺流程如图所示。请回答: (1)在发酵罐内,纤维素分解菌能够分泌纤维素酶将纤维素分解为_。(2)在过程筛选纤维素分解菌时,常常采用平板划线法和_法进行纯化。两种方法的共同点是_。用来筛选纤维素分解菌的培养基是_培养基(从功能上分类),培养基中含有Na2HPO4和KH2PO4,其作用有_。(答出两点)(3)微生物X应为_,发酵一定时间后,观察到发酵罐内液体不再有_,说明发酵基本完毕。(4)微生物Y应是_。发酵罐内和发酵罐内除了严格控制温度、pH外,发酵罐内还需要通入_。(5)若发酵罐中的酒全部流经发酵罐制成醋,发酵罐中CO2的产生量是_。A.发酵罐的两倍B.与发酵罐的相等C.发酵罐的一半D.几乎为零【解析】(1)在发酵罐内,纤维素分解菌能够分泌纤维素酶,该酶可将纤维素分解为葡萄糖。(2)在过程筛选纤维素分解菌时,常常采用平板划线法和稀释涂布平板法进行纯化。两种方法的共同点是把聚集在一起的细菌分散成单个,培养后得到单个菌落。用来筛选纤维素分解菌的培养基中含有Na2HPO4和KH2PO4(这些都是无机盐,又是磷酸一氢盐和磷酸二氢盐),其作用有为细菌生长提供无机营养,作为缓冲剂维持细胞生长过程中的pH稳定。(3)发酵罐是通过酵母菌发酵生产乙醇,发酵一定时间后,观察到发酵罐内液体不再有气泡产生,说明发酵基本完毕。(4)发酵罐是通过醋酸(杆)菌发酵生产醋酸。发酵罐内和发酵罐内除了严格控制温度、pH外,发酵罐是需氧发酵,还需要通入无菌空气。(5)若发酵罐中的酒全部流经发酵罐制成醋,酒精氧化成醋酸是利用醋酸(杆)菌有氧呼吸得到的,但这一过程不产生CO2,因此发酵罐中CO2的产生量几乎为零。答案:(1)葡萄糖(2)稀释涂布平板把聚集在一起的细菌分散成单个,培养后得到单个菌落选择为细菌生长提供无机营养,作为缓冲剂维持细胞生长过程中的pH稳定(3)酵母菌气泡产生(4)醋酸(杆)菌无菌空气(5)D (10分钟30分)1.(8分)(不定项)下列关于发酵工程基本环节的分析正确的是()A.培养基和发酵设备都应经过严格的灭菌才能使用,对于需氧发酵,通入的空气也应经过灭菌处理B.温度不仅能影响菌种的代谢,还能影响菌种对营养物质的吸收C.pH变化能导致某些菌种的发酵产物也发生变化D.酒精发酵时,菌种的扩大培养与发酵罐内的培养条件是相同的【解析】选A、B、C。培养基和发酵设备都应经过灭菌才能使用,通入的空气也应经过灭菌处理,A正确;温度能影响菌种(微生物)的代谢,如细胞呼吸速率受温度影响,菌种对营养物质的吸收速率也受温度影响,B正确;pH变化能导致某些菌种的发酵产物也发生变化,例如谷氨酸发酵在中性和酸性条件下产物不同,C正确;酒精发酵时,菌种的扩大培养是有氧条件,酵母菌大量繁殖,发酵罐内的培养是无氧条件,酵母菌进行无氧呼吸产生酒精,D错误。【误区警示】误认为扩大培养与发酵生产过程中的培养相同扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖,而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物,目的不同采用的培养条件就有可能不同。2.(22分)(2018江苏高考改编)酵母的蛋白质含量可达自身干重的一半,可作为饲料蛋白的来源。有些酵母可以利用工业废甲醇作为碳源进行培养,这样既可减少污染又可降低生产成本。研究人员拟从土壤样品中分离该类酵母,并进行大量培养。如图所示为操作流程,请回答下列问题: (1)取步骤中不同梯度的稀释液加入标记好的无菌培养皿中,在步骤中将温度约_(选填“25 ”“50 ”或“80 ”)的培养基倒入培养皿混匀,冷凝后倒置培养。(2)挑取分离平板中长出的单菌落,按步骤所示进行划线。下列叙述合理的有_。a.为保证无菌操作,接种针、接种环使用前都必须灭菌b.划线时应避免划破培养基表面,以免不能形成正常菌落c.挑取菌落时,应挑取多个菌落,分别测定酵母细胞中甲醇的含量d.可以通过逐步提高培养基中甲醇的浓度,获得甲醇高耐受株(3)步骤是_,目的是使酵母数量迅速增加,此过程中需保证充足的营养和_供应。在此阶段要通过取样检测酵母细胞的数量变化。下图中的4个曲线图分别表示在扩大培养阶段各种因素对酵母细胞繁殖速率的影响,其中不正确的是() 【解析】(1)倒平板时,锥形瓶中的培养基温度控制在50 左右较适宜,温度太低会凝固,太高会烫手。(2)挑取分离平板中长出的单菌落用于平板划线时需注意题干中a、b、d所叙述的要点,为了获得专一酵母,只挑取效果最好的菌落就行,不需挑取多个菌落。(3)酵母菌是兼性厌氧型真菌,有氧条件下大量繁殖。酵母菌扩大培养时,需保证充足的营养和氧气供应。在一定温度范围内,随温度的升高,酶的催化作用增强,繁殖速率加快,而超过这一范围,酶的催化作用逐渐减弱,繁殖速率减慢,A正确;酵母菌属于兼性厌氧型生物,在一定范围内,随着溶氧量增加,有氧呼吸速率增强,繁殖速率加快,但达到一定溶氧量后,有氧呼吸速率不再增加,则繁殖速率不变,B