2023届高考生物二轮复习发酵工程学案

第15讲　发酵工程

1．制作传统泡菜的盐水需煮沸并冷却后才可使用，原因是什么？(选择性必修3 P6“探究·实践”)

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提示：加热煮沸是为了杀灭杂菌，冷却之后使用是为了保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响。

2．在制作果酒的第4步，每隔12 h左右就要将瓶盖拧松一次，但又不打开，这样做的目的是什么？(选择性必修3 P7“探究·实践”)

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提示：使二氧化碳排出，不打开瓶盖是防止氧气和有害杂菌进入。

3．操作时，接种环通过灭菌，在第二次及以后划线时，总是从上一次的末端开始划线。这样做的目的是什么？(选择性必修3 P13“探究·实践”)

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提示：将聚集的菌体逐步稀释以便获得不连续的单个菌落。

4．该实验中的选择培养基对分解尿素的细菌具有选择作用。若要判断选择培养基是否起到了筛选的作用，对照组应如何设置？(选择性必修3 P19“探究·实践”)

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提示：用完全培养基接种后在相同条件下同时培养。

5．发酵罐中设计搅拌叶轮进行搅拌的意义是什么？(选择性必修3 P23“文字信息”)

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提示：使菌种与发酵底物更能充分接触，提高发酵效率。

 6.流程⑥在加入酵母菌前需将麦汁进行冷却，其目的是什么？(选择性必修3 P25“思考·讨论”)

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提示：防止高温杀死酵母菌(或保持酵母菌细胞的活性)。

1．在果酒发酵过程中，绝大多数微生物不能在发酵液中生存的原因是什么？

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答案：酸性的发酵液和产物酒精均会抑制其他微生物生长。

2．实验中接种方法一般采用的是平板划线法，不必采用稀释涂布平板法，其依据是什么？

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答案：稀释涂布平板法可以用来计数活菌，平板划线法不能用于计数活菌，只能用于分离菌种；若没有计数菌落数量的目的，不必采用稀释涂布平板法。

3．无论是米曲霉发酵过程，还是发酵池发酵过程中，都要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等了解发酵过程。为什么还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件呢？

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答案：目的是保证发酵的正常进行。因为发酵条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物的代谢产物的形成。

考点一　微生物的培养与利用

(2022·广东卷)研究深海独特的生态环境对于开发海洋资源具有重要意义。近期在“科学号”考察船对中国南海科考中，中国科学家采集了某海域1 146米深海冷泉附近沉积物样品，分离、鉴定得到新的微生物菌株并进一步研究了其生物学特性。

回答下列问题：

(1)研究者先制备富集培养基，然后采用________________法灭菌，冷却后再接入沉积物样品，28 ℃厌氧培养一段时间后，获得了含拟杆菌的混合培养物，为了获得纯种培养物，除了稀释涂布平板法，还可采用________________法。据图分析，拟杆菌新菌株在以________________为碳源时生长状况最好。

(2)研究发现，将采集的样品置于各种培养基中培养，仍有很多微生物不能被分离筛选出来，推测其原因可能是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。(答1点即可)

(3)藻类细胞解体后的难降解多糖物质，通常会聚集形成碎屑沉降到深海底部。从生态系统组成成分的角度考虑，拟杆菌对深海生态系统碳循环的作用可能是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)深海冷泉环境特殊，推测此环境下生存的拟杆菌所分泌的各种多糖降解酶，除具有酶的一般共性外，其特性可能还有________________________________________________________________________。

解析：(1)培养基通常采用高压蒸汽灭菌法进行灭菌。可以采用稀释涂布平板法或平板划线法，将单个微生物分散在固体培养基上，经过培养得到单菌落，从而获得纯净培养物。分析图可知，在以纤维素为碳源的培养基中，细胞数量最多，可推知拟杆菌新菌株在以纤维素为碳源时生长状况最好。(2)深海冷泉中可能存在某些微生物，只有利用冷泉中的特有物质才能生存(或需要在深海冷泉的特定环境中才能存活)，故将采集的样品置于各种培养基中培养，仍可能有很多微生物不能被分离筛选出来。(3)拟杆菌为异养生物，作为该生态系统的分解者，能将沉降到深海底部的难降解多糖物质分解为无机物，归还到无机环境中，有利于碳循环的顺利进行。(4)深海冷泉温度较低，故生活在其中的拟杆菌所分泌的各种多糖降解酶，应具有耐低温的特性，才能高效降解多糖，保证拟杆菌的正常生命活动所需。

答案：(1)高压蒸汽灭菌　平板划线　纤维素

(2)某些微生物只有利用深海冷泉中的特有物质才能生存(或需要在深海冷泉的特定环境中才能存活)

(3)拟杆菌作为分解者，将沉降到深海底部的难降解多糖物质分解为无机物，归还到无机环境中，有利于碳循环的顺利进行

(4) 耐低温

1．微生物培养中的无菌操作技术

2．选择培养基与鉴别培养基的比较

3.筛选目的微生物的原理与实例

(1)原理：人为提供有利于目的菌株生长的条件(包括营养、温度、pH等)，同时抑制或阻止其他微生物生长。因此，可以通过配制选择培养基、控制培养条件等选择目的微生物。

(2)实例

4．辨析统计菌落数的两种方法

题点一：围绕微生物的培养和无菌技术，考查理解能力

1．(2022·山东济南二模)肠道菌群与人体健康存在密切关系，实验室常用硫乙醇酸盐流体培养基培养肠道菌群。硫乙醇酸盐流体培养基的主要成分包括胰酪蛋白胨、酵母浸出粉、葡萄糖、氯化钠、L胱氨酸、硫乙醇酸钠、琼脂、刃天青等，其中L胱氨酸、硫乙醇酸钠和葡萄糖均可防止因过氧化物的积累而对厌氧菌产生毒害。培养基的上层、中层、下层部位可以分别提供有氧、弱氧至无氧的梯度环境。下列说法错误的是(　　)

A．厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧菌均可在硫乙醇酸盐流体培养基中生长

B．琼脂可以防止液体流动，减少二氧化碳和氧气扩散，有利于厌氧环境的形成

C．胰酪蛋白胨可为厌氧菌提供氮源以及供合成蛋白质必需的各种氨基酸

D．硫乙醇酸盐流体培养基需经高压蒸汽灭菌后使用，接种工作应在超净工作台内完成

答案：C

题点二：围绕微生物的分离和计数，提升综合实践能力

2．(2022·山东潍坊模拟预测)“生命营养液”是以新疆特产干果、豆类、谷类及多种干、鲜果类和蔬菜类等多种天然食材为原料发酵而成。为采用稀释涂布平板法从“生命营养液”中分离到红曲菌，现用无菌水将“生命营养液”稀释成浓度为10－1 g/mL、10－2 g/mL、10－3 g/mL的悬液，分别取100 μL稀释液涂布于PDA(马铃薯葡萄糖琼脂)平板上(含有氯霉素和四环素)，每个处理3个平行组。将PDA平板置于25 ℃培养箱，从第2天开始对平板上的单菌落进行计数，共7d，根据菌落形态对真菌进行初筛和纯化。下列说法正确的是(　　)

A．PDA制备过程中，需用湿热灭菌法在温度为121 ℃的条件下维持2～3 h

B．若3个平行组中仅有一组菌落数量在30～300之间，此处理可直接用于计数

C．将PDA平板置于25 ℃培养箱前，要在培养皿底部标明组别、培养日期和稀释度

D．培养板上的氯霉素和四环素能够杀灭红曲菌，使“生命培养液”更有益健康

答案：C

考点二　传统发酵技术的应用与发酵工程的基本环节

　(2022·全国乙卷)化合物S被广泛应用于医药、食品和化工工业、用菌株C可生产S，S的产量与菌株C培养所利用的碳源关系密切。为此，某小组通过实验比较不同碳源对菌体生长和S产量的影响，结果见表。

回答下列问题。

(1)通常在实验室培养微生物时，需要对所需的玻璃器皿进行灭菌，灭菌的方法有______________________________(答出2点即可)。

(2)由实验结果可知，菌株C生长的最适碳源是________；用菌株C生产S的最适碳源是________。菌株C的生长除需要碳源外，还需要______________(答出2点即可)等营养物质。

(3)由实验结果可知，碳源为淀粉时菌株C不能生长，其原因是________________________________________________________________________。

(4)若以制糖废液作为碳源，为进一步确定生产S的最适碳源浓度，某同学进行了相关实验。请简要写出实验思路：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(5)利用制糖废液生产S可以实现废物利用，其意义是

________________________________________________________________________。(答出1点即可)

解析：(1)通常在实验室培养微生物时，为防止实验用的玻璃器皿等物品中原有的微生物污染培养物，需要使用强烈的理化因素杀死物体内外一切微生物的细胞、芽孢和孢子，即对所需的玻璃器皿进行灭菌，玻璃器皿常用的灭菌的方法有干热灭菌、高压蒸汽灭菌等。(2)由实验结果可知，与以制糖废液为碳源相比，以葡萄糖为碳源时菌株C的细胞干重最大，说明最适于菌株C生长的碳源是葡萄糖；而以制糖废液为碳源时，用菌株C生产S的产量高于以葡萄糖为碳源时的产量，说明最适于生产S的碳源是制糖废液。微生物的生长一般都需要水、碳源、氮源和无机盐，还需要满足微生物生长对pH、氧气以及特殊营养物质的要求，故菌株C的生长除需要碳源外，还需要氮源、无机盐、水等营养物质。(3)分析题图表格可以看出在以淀粉为碳源的培养基中，菌株C不能生长，原因可能是菌株C不能合成淀粉酶或菌株C不能分泌淀粉酶，因而不能利用淀粉。(4)要测定生产S的最适制糖废液为碳源的浓度，实验自变量为制糖废液的浓度，可分别配制一系列不同浓度梯度的以制糖废液为唯一碳源的培养基，培养菌株C，其他条件相同且适宜，一段时间后，测定并比较不同浓度制糖废液中的S的产量，S产量最高时对应的制糖废液浓度，即为生产S的最适碳源浓度。(5)利用制糖废液生产S可以实验废物利用，既有利于减少污染、节省原料，又能降低生产成本。

答案：(1)高压蒸汽灭菌、干热灭菌

(2)葡萄糖　制糖废液　氮源、无机盐、水

(3)缺少淀粉酶

(4)分别配制一系列不同浓度梯度的以制糖废液为唯一碳源的培养基，培养菌株C，其他条件相同且适宜，一段时间后，测定并比较不同浓度制糖废液中的S的产量，S产量最高时对应的制糖废液浓度即为生产S的最适碳源浓度

(5)减少污染、节省原料、降低生产成本

1．传统发酵技术中四种常用菌种的比较

2.理解乳酸菌、乳酸、亚硝酸盐的数量(含量)随时间变化的曲线

3．明确发酵工程的基本环节

题点一：围绕传统发酵技术的应用，考查理解能力

1．(2022·山东师范大学附中模拟预测)啤酒是以麦芽汁为原料，经酿酒酵母发酵制得。传统啤酒酿造过程中，发酵在敞开式发酵池中进行，麦芽汁中接入酵母后通入大量无菌空气，之后会产生大量气体翻腾逸出，在麦芽汁表面形成25～30 cm厚的气泡层(泡盖)，然后停止通气，进入静止发酵阶段。一段时间后可得啤酒。下列说法正确的是(　　)

A．酿酒的原理是酵母菌可以将淀粉转化为酒精和CO2

B．用脱落酸溶液浸泡大麦种子可以有效促进α淀粉酶合成，增加麦芽汁中可发酵糖的含量

C．泡盖的形成是由于酵母菌有氧呼吸产生CO2，能将麦芽汁与空气隔绝

D．现代发酵工程选育出性状优良的菌种后，即可进行发酵罐内的发酵

答案：C

题点二：通过发酵工程的原理、操作及应用，提升综合实践能力

2．(2022·湖北武汉模拟预测)据《周礼》记载酸菜又称为“范”，汉代刘熙《释名·释饮食》解释道：“落，阻也，生酿之，遂使阻于寒温之间，不得烂也。”这就是我国古代劳动人民发明的保藏蔬菜使其不坏的一种方法—腌藏法。下列叙述错误的是(　　)

A．“生酿之”指的是将新鲜的蔬菜和合适的材料，制作成酸菜

B．“遂使阻于寒温之间”保持适宜温度，有利于微生物的发酵

C．食盐用量过低、腌制时间过短，容易造成某些细菌大量繁殖

D．发酵过程中适量氧气和产酸的环境，有助于酸菜“不得烂也”

答案：D

3．(2022·山东济南三模)老五甑(蒸馏酒用的锅)酿造法主要特点是混蒸混烧、续渣配料、多轮次发酵蒸酒。将发酵后的四甑酒醅分层出窖，按一定比例加入新粮，分成五甑后依次蒸酒。蒸酒后－甑糟丢弃，另四甑料重新放回窖池发酵。槽醅配料时需润料、拌匀并堆积；蒸酒出甑后的粮糟需加水、摊凉、撒曲；粮糟入窖后需踩窖，以压紧发酵材料并封窖；窖泥是己酸菌、甲烷菌、丁酸菌的载体，主要位于窖池底部和四壁，是生产浓香型白酒的基础。下列叙述错误的是(　　)

A．该工艺可以提高酒粮的利用率和出酒率，增加呈香物质在酒醅中的积累

B．窖泥的作用主要是提供酿酒微生物和以淀粉酶、蛋白酶为主的各种糖化酶类

C．摊凉可防止酵母等微生物死亡，踩窖可抑制好气性细菌繁殖

D．可采用抽样检测法对窖池底部和四壁的窖泥微生物进行计数

答案：B