2023版高考生物一轮总复习第12单元发酵工程第1讲生态系统人与环境课件

第1讲　传统发酵技术的应用自 主 学 习 · 巩 固 基 础[自主学习]知识点一　果酒和果醋的制作1．制作原理6CO2＋6H2O＋能量　乙醛　2．实验设计与操作【答案】冲洗　酒精发酵　18～30　30～35　密封　通气　10～12　7～8[自主检测]1．思考判断(1)醋酸菌在无氧条件下利用乙醇产生醋酸。 (　　)(2)酵母菌是嗜温菌，所以果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵所需的最适温度。 (　　)(3)在果酒发酵后期拧开瓶盖的间隔时间可延长。 (　　)(4)在家庭中用新鲜葡萄制作果酒时，需给发酵装置适时排气。 (　　)(5)在制作果酒、果醋时，适当加大接种量可以提高发酵速率、抑制杂菌生长繁殖。 (　　)【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√2．深挖教材(1)你认为应该先冲洗葡萄还是先除去枝梗？为什么？____________________________________________。(2)你认为应该从哪些方面防止发酵液被污染？_____________________________________________。(3)制葡萄酒时，为什么要将温度控制在18～30 ℃？制葡萄醋时，为什么要将温度控制在30～35 ℃？_____________________________________________。【答案】(1)提示：应该先冲洗葡萄，然后再除去枝梗，以避免除去枝梗时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会(2)提示：要先冲洗葡萄，再除去枝梗；榨汁机、发酵装置要清洗干净，并进行酒精消毒；每次排气时只需拧松瓶盖，不要完全揭开瓶盖等(3)提示：温度是酵母菌、醋酸菌生长和发酵的重要条件。18～30 ℃最适合酵母菌的繁殖，因此果酒发酵时需将温度控制在其最适温度范围内；醋酸菌的最适生长温度为30～35 ℃，因此制作果醋时要将温度控制在30～35 ℃3．热图导析甲、乙两位同学将葡萄榨成汁后分别装入相应的发酵瓶中，在温度等适宜的条件下进行发酵，如图所示。(1)在排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，其目的是什么？__________________________。(2) 请找出图中实验操作的错误：甲图中的错误是_____________ __________________________，乙图中的错误是____________________ ______________________________________。【答案】(1)提示：防止空气中的微生物污染发酵瓶(2)提示：未夹住发酵瓶的进气管　瓶中发酵液过多，淹没了排气管在瓶内的管口[自主学习]知识点二　泡菜的制作[自主检测]1．思考判断(1)泡菜制作的菌种主要是醋酸菌。 (　　)(2)制作泡菜时，盐水煮沸后可以立即使用。 (　　)(3)泡菜坛的选择、发酵过程中坛沿注满水都有利于泡菜的无氧发酵。 (　　)(4)泡菜的制作前期需要通入氧气，后期应严格保持无氧条件。 (　　)(5)与人工接种的发酵相比，自然发酵获得的产品品质更好。 (　　)【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×2．深挖教材(1)为什么含有抗生素的牛奶不能发酵成酸奶？_____________________________________________________。(2)为什么日常生活中要多吃新鲜蔬菜，不宜多吃腌制蔬菜？_____________________________________________________。(3)为什么泡菜坛内有时会长一层白膜？你认为这层白膜是怎么形成的？_____________________________________________________。【答案】(1)提示：酸奶的制作依靠的是乳酸菌的发酵作用，抗生素能够将乳酸菌杀死或抑制乳酸菌的生长，因此含有抗生素的牛奶不能发酵成酸奶(2)提示：在腌制过程中，蔬菜中的硝酸盐会被微生物还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐摄入过量或在特定条件下，会危害人体健康(3)提示：泡菜坛内形成白膜是由于产膜酵母的繁殖。酵母菌是兼性厌氧微生物，泡菜发酵液营养丰富，其表面氧气含量也较丰富，适合酵母菌繁殖3．热图导析下图是泡菜在腌制过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化规律，请据图分析回答下列问题。(1)从生物间的相互关系和条件变化分析，乳酸菌呈现这种变化规律的原因是什么？____________________________________________。(2)乳酸含量开始很低，中后期急剧增加的原因是什么？______________________________________________________。(3)分析亚硝酸盐含量变化的原因：__________________________ __________________________________________。【答案】(1)提示：发酵初期以不产酸的大肠杆菌和酵母菌的活动为主，同时还有一部分硝酸盐还原菌在该时期利用氧气，产生了无氧环境，乳酸菌开始活动；发酵中期由于乳酸菌产生了大量乳酸，其他细菌活动受到抑制，乳酸菌活动增强；发酵后期由于乳酸的积累，酸度继续增长，乳酸菌活动也受到抑制，乳酸菌数量下降　(2)提示：发酵初期有氧气，乳酸菌活动较弱，中后期氧气含量减少，乳酸菌大量繁殖，乳酸的量迅速积累　(3)提示：发酵初期，乳酸菌和乳酸的量都比较少，而由于硝酸盐还原菌的活动，亚硝酸盐含量逐渐增加；后期由于硝酸盐还原菌受抑制，同时形成的亚硝酸盐又被分解，因而亚硝酸盐含量下降[自主学习]知识点三　发酵工程及其应用1．发酵工程利用__________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，它涉及菌种的________________、产物的分离和提纯等方面。微生物　选育和培养　2．发酵工程的基本环节【答案】反复试验　自然界　诱变育种或基因工程育种　培养基　发酵设备　杂菌污染　微生物数量　【答案】产物浓度　营养　温度　pH　溶解氧　罐压　泡沫　反馈　过滤　沉淀　产物的性质3．啤酒的工业化生产流程【答案】淀粉酶　胚　糖浆　酶　灭菌　冷却　大多数微生物4．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，如__________________。②生产食品添加剂，如通过__________发酵制得的柠檬酸，由__________________发酵生产味精。③生产酶制剂，如α－淀粉酶、β－淀粉酶、脂肪酶等。(2)在医药工业上的应用：________工程、__________工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。酱油、各种酒类　黑曲霉　谷氨酸棒状杆菌　基因　蛋白质　(3)在农牧业上的应用。①生产微生物肥料：根瘤菌肥、__________肥等。②生产微生物农药：苏云金杆菌防治农林虫害，__________防治玉米螟、松毛虫等。③生产微生物饲料：单细胞蛋白。(4)在其他方面的应用：发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决________、________、________和_________等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。固氮菌　白僵菌　粮食　环境　健康　能源　[自主检测]1．思考判断(1)发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 (　　)(2)发酵工程的中心环节是选育菌种。 (　　)(3)发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。 (　　)(4)利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 (　　)(5)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。 (　　)(6)以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的细菌，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制可以制成酱油产品。 (　　)(7)利用发酵工程生产的食品添加剂，可以改善食品的口味、色泽和品质，还可以延长食品的保存期，但不能增加食品的营养。 (　　)【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×2．深挖教材(1)某镇与外界的空气对流循环较缓慢，具有独特的微生物种群，这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？___________________________________________________。(2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？___________________________________________________。(3)在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？_____________________________________________。【答案】(1)提示：菌种选育时需要相对稳定且独特的环境条件，有利于微生物生长繁殖，形成稳定的、具有特殊能力的高产菌种　(2)提示：对温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等　(3)提示：传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵工程的发酵产物若是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯重 难 探 究 · 素 养 达 标果酒和果醋的制作1．果酒和果醋制作过程的比较[深度讲解]2．果酒和果醋制作成功的关键点(一)考查果酒和果醋的制作过程及注意事项(素养目标：科学探究)1．下面是利用微生物制作葡萄酒的流程示意图，请回答下列有关问题：[考向预测](1)葡萄酒制作的原理是利用__________菌分解葡萄糖生成_______ _________，该物质在无氧条件下，转变成酒精。葡萄为酵母菌提供水、__________、__________、__________等生长繁殖必需的物质。(2)葡萄除梗应在冲洗后完成，原因是________________________。(3)葡萄酒制作过程中，在有氧条件下，通过控制__________和__________措施，使酵母菌大量繁殖而成为优势菌种。由于酵母菌能在缺氧、__________的发酵液中生长繁殖，而大多数微生物不能，所以果酒制作过程不需严格灭菌。(4)在葡萄酒制作过程中出现葡萄酒变酸现象，其原因可能是发酵液中混有的乳酸菌发酵产生乳酸；也可能是__________________________，导致醋酸菌生长繁殖，产生醋酸。【答案】(1)酵母　丙酮酸　无机盐　碳源　氮源　(2)避免除梗时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会　(3)温度　通入氧气　酸性　(4)发酵容器密封不严(二)考查果酒和果醋发酵装置的分析(素养目标：科学思维)2．某同学设计了如图所示的发酵装置，下列有关叙述错误的是 (　　)A．该装置可阻止空气进入，用于果酒发酵B．该装置便于果酒发酵中产生的气体的排出C．去除弯管中的水，该装置可用于醋酸发酵D．去除弯管中的水后，该装置仍具有防止杂菌污染的作用【答案】C　【解析】醋酸发酵使用的微生物是醋酸菌，醋酸菌是一种需氧细菌，该装置若用于醋酸发酵，去除弯管中的水，空气从弯管中进入，但不能满足底层发酵液中大量的醋酸菌进行细胞呼吸时对氧气的需求，C错误。泡菜的制作泡菜的制作(1)制作流程。[深度讲解](2)泡菜制作中的注意事项。(3)泡菜腌制过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化。注：亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的，而不是硝化细菌氧化氨形成的。考查泡菜的制作过程及注意事项(素养目标：科学探究)利用微生物制作发酵食品在我国有着悠久的历史，泡菜即是其中之一。下图为泡菜制作的方法：[考向预测]请回答下列问题。(1)制作泡菜利用的微生物主要是__________。发酵初期，泡菜坛水槽内经常有气泡产生，其主要原因是发酵初__________________等生长旺盛，产生较多的_______________所致。泡菜坛长时间放置，坛内有时会长出一层白膜，与白膜形成有关的主要微生物是______________。(2)装坛时往往加入老泡菜水，这是为了增加__________的量。调味料除了蒜瓣、生姜及其他香辛料外，还要加入少量白酒能使泡菜更加脆爽、清香的同时还能起到____________________的作用。(3)泡菜腌制的质量可以从________________、__________________等方面来评价。(4)泡菜制作过程中，泡菜表面杂菌产生的硝酸还原酶将硝酸盐还原成亚硝酸盐，在特定条件下能转变成有致癌作用的亚硝胺。下图是三种食盐浓度的泡菜中亚硝酸盐含量与发酵天数的关系。①与食盐浓度为3%、7%相比较食盐浓度为5%的泡菜中亚硝酸盐含量变化的特点是__________________________。②发酵初期食盐浓度为7%的泡菜中亚硝酸盐含量较低的原因主要是__________________________。③泡菜虽然美味却不宜过量食用。根据图中的相关数据，对泡菜腌制和食用的合理建议有__________________________。【答案】(1)乳酸菌　大肠杆菌、酵母菌　CO2　酵母菌　(2)接种(乳酸菌)　抑制杂菌生长　(3)色泽和风味　乳酸菌含量(4)亚硝酸盐含量变化最快，亚硝酸盐峰值最高，最低值最低　高盐浓度有利于抑制杂菌的生长繁殖，产生的硝酸还原酶少，减缓了硝酸盐还原　使用适宜浓度(或5%浓度)的食盐腌制泡菜；泡菜腌制到一定时间后(或9～11天后)才能食用【解析】(1)制作泡菜利用的微生物主要是乳酸菌，利用乳酸菌厌氧呼吸产生乳酸。发酵初期，发酵初期大肠杆菌、酵母菌等生长旺盛，产生较多的CO2，因此泡菜坛水槽内经常有气泡产生。泡菜坛长时间放置，坛内有时会长出一层白膜，与白膜形成有关的主要微生物是酵母菌。(2)老泡菜水中含有乳酸菌，装坛时往往加入老泡菜水这是为了增加接种(乳酸菌)的量。调味料除了蒜瓣、生姜及其他香辛料外，还要加入少量白酒能使泡菜更加脆爽、清香同时还能起到抑制杂菌生长的作用。(3)泡菜腌制的质量可以从色泽和风味、乳酸菌含量等方面来评价。(4)①从图中可以看出，与食盐浓度为3%、7%相比较，食盐浓度为5%的泡菜中亚硝酸盐含量变化的特点是亚硝酸盐含量变化最快；亚硝酸盐峰值最高，最低值最低。②高盐浓度有利于抑制杂菌的生长繁殖，产生的硝酸还原酶少，减缓了硝酸盐还原，因此发初期食盐浓度为7%的泡菜中亚硝酸盐含量较低。③泡菜虽然美味却不宜过量食用。根据图中的相关数据，对泡菜腌制和食用的合理建议有使用适宜浓度(或5%浓度)的食盐腌制泡菜：泡菜腌制到一定时间后(或9～11天后)才能食用。发酵工程及其应用1．发酵工程的基本环节[深度讲解]2．发酵装置——大型发酵罐的结构示意图(1)搅拌叶轮在发酵过程中的作用。①通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分的混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质；②良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质；③搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。(2)发酵罐中发酵条件的控制。①温度的控制：发酵过程中可以通过温度传感器和控制装置进行检测和由冷却水进、出口水流来调整；②溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度加以调节；③pH的控制：可以通过pH计检测，并由加料装置添加酸和碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液等。计算机应用的发酵工程中实现了对温度、酸碱度、通气量、转速的自动记录和自动控制。(3)与传统的容器相比，发酵罐最明显的优势。发酵罐能实现大规模连续生产，最大限度地利用原料和设备，获得高产量和高效率。①进行严格灭菌，能使空气按需要流通，从而提供良好的发酵环境；②实施搅拌、震荡以促进微生物生长；③对温度、压力、空气流量实行自动控制；④通过各种生物传感器测定发酵罐内菌体浓度、营养成分、产品浓度等，并用电脑随时调节发酵进程。(一)考查发酵工程的基本环节(素养目标：科学探究)1．下列属于发酵工程的过程依次是 (　　)①提取目的基因　②发酵过程　③动物细胞融合　④菌种的选育　⑤固定化　⑥灭菌　⑦扩大培养　⑧植物组织培养　⑨培养基配制　⑩分离提纯A．①⑦⑥⑤⑩ B．①④⑥⑦⑤⑩C．④⑥⑦⑤⑩ D．④⑨⑥⑦②⑩[考向预测]【答案】D　【解析】发酵工程的过程依次是菌种的选育、培养基配制、灭菌、扩大培养、发酵过程、分离提纯。(二)发酵工程的应用(素养目标：科学探究)2．如图所示为发酵工程生产产品的流程图：(1)能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①是____________ ________；高产青霉素菌种是通过②培育的，②是__________________ _______________。(2)整个过程的中心阶段是__________，要随时取样检测培养基中的细菌数目、产物浓度等。同时，要严格控制________________________和通气量、转速等发酵条件。(3)若⑤是单细胞蛋白，则⑤的本质是________________，可采用________________等方法将菌体从培养液中分离出来；若通过⑥以氨基酸、维生素、抗生素等为代谢产物，可采用______________________等方法进行提取。(4)在发酵过程中要不断搅拌的目的有两个：①__________________ __________；②____________________________。【答案】(1)基因工程　诱变育种　(2)发酵　溶氧量、 温度、pH　(3)微生物菌体　过滤、沉淀　蒸馏、萃取、离子交换　(4)增加溶氧量　使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率【解析】(1)在发酵生产中，菌种的优劣对产品产量的高低、质量的好坏起着重要的作用，在具体的生产过程中，首先要挑选符合生产要求的优良菌种。现在微生物育种采用基因工程把目的基因导入工程菌进行菌种的改造，采用物理或化学诱变的方法筛选优良高产的突变菌种，还可以通过原生质体融合(细胞工程)构建工程菌。(2)在发酵生产中，需要根据发酵的目的和要求控制好发酵的条件，如：温度、pH、溶氧量等，为微生物提供适宜的生长条件。(3)发酵生产的最后环节是经分离和提纯获得产品，产物有两种，一种是微生物的代谢产物，如氨基酸、维生素；另一种是微生物菌体本身，如单细胞蛋白。可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；代谢产物可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。(4)在发酵过程中要不断搅拌的目的是增加溶氧量，使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率。典 题 演 练 · 破 解 高 考1．(2021年湖北卷)中国的许多传统美食制作过程蕴含了生物发酵技术。下列叙述正确的是 (　　)A．泡菜制作过程中，酵母菌将葡萄糖分解成乳酸B．馒头制作过程中，酵母菌进行呼吸作用产生CO2C．米酒制作过程中，将容器密封可以促进酵母菌生长D．酸奶制作过程中，后期低温处理可产生大量乳酸杆菌【答案】B　【解析】泡菜制作过程中，主要是乳酸菌将葡萄糖分解形成乳酸，A错误；做馒头或面包时，经常要用到酵母菌，酵母菌可以分解面粉中的葡萄糖，产生二氧化碳和酒精，二氧化碳是气体，遇热膨胀而形成小孔，使得馒头或面包松软多孔，B正确；酵母菌在有氧条件下可以大量繁殖，在密封也就是无氧条件下产生酒精，C错误；酸奶制作过程中，后期低温处理时大部分乳酸杆菌已死亡，不会大量繁殖，D错误。2．(2021年全国乙卷)工业上所说的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下通过分解与合成代谢将某些原料物质转化为特定产品的过程。利用微生物发酵制作酱油在我国具有悠久的历史。某企业通过发酵制作酱油的流程示意图如下。回答下列问题：(1)米曲霉发酵过程中，加入大豆、小麦和麦麸可以为米曲霉的生长提供营养物质，大豆中的__________可为米曲霉的生长提供氮源，小麦中的淀粉可为米曲霉的生长提供__________。(2)米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油过程所需的酶类，这些酶中的__________、__________能分别将发酵池中的蛋白质和脂肪分解成易于吸收、风味独特的成分，如将蛋白质分解为小分子的肽和__________。米曲霉发酵过程需要提供营养物质、通入空气并搅拌，由此可以判断米曲霉属于__________(填“自养厌氧”“异养厌氧”或“异养好氧”)微生物。(3)在发酵池发酵阶段添加的乳酸菌属于__________(填“真核生物”或“原核生物”)；添加的酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖的产物是____________________。在该阶段抑制杂菌污染和繁殖是保证酱油质量的重要因素，据图分析该阶段中可以抑制杂菌生长的物质是________ ____________(答出1点即可)。【答案】(1)蛋白质　碳源　(2)蛋白酶　脂肪酶　氨基酸　异养好氧　(3)原核生物　酒精和二氧化碳　酒精、乳酸、食盐(答出1点即可)【解析】(1)大豆中含有丰富蛋白质，可为微生物的生长繁殖提供氮源。小麦中的淀粉可以为微生物的生长繁殖提供碳源。(2)米曲霉在发酵过程中产生的蛋白酶能将蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，产生的脂肪酶能将脂肪分解为甘油和脂肪酸，使发酵的产物具有独特的风味。米曲霉发酵时需要利用现有的有机物和需要氧气，说明其代谢类型是异养好氧型。(3)乳酸菌没有核膜包被的细胞核，属于原核生物。酵母菌属于兼性厌氧型微生物，既可以进行有氧呼吸，也可以进行无氧呼吸，无氧呼吸的产物是酒精和二氧化碳。在发酵池中酵母菌产生的酒精能抑制杂菌的生长，乳酸菌产生的乳酸使发酵液呈酸性也能抑制杂菌的生长，同时往发酵池中添加的食盐也能抑制杂菌的生长。易错探因几种常用的发酵工程菌种的生活方式容易混淆，制作果酒的酵母菌属于异养兼性厌氧型，制作果醋的醋酸菌属于异养好氧型，制作泡菜的乳酸菌属于异养厌氧型。3．(2020年全国Ⅲ卷)水果可以用来加工制作果汁、果酒和果醋等。回答下列问题：(1)制作果汁时，可以用果胶酶、纤维素酶等提高水果的出汁率和澄清度。果胶酶能分解果胶。纤维素酶可以分解植物____________(填“细胞膜”或“细胞壁”)中的纤维素。(2)用果胶酶处理果泥时，为了提高出汁率，需要控制反应的温度，原因是__________________________。(3)现有甲乙丙三种不同来源的果胶酶，某同学拟在果泥用量、温度、pH等所有条件都相同的前提下比较这三种酶的活性。通常，酶活性的高低可用__________来表示。(4)获得的果汁(如苹果汁)可以用来制作果酒或者果醋，制作果酒需要__________菌，这一过程中也需要O2，O2的作用是____________ __________________________。制作果醋需要醋酸菌，醋酸菌属于____________(填“好氧”或“厌氧”)的细菌。【答案】(1)细胞壁　(2)温度对果胶酶活性有影响，在最适温度下酶活性最高，催化果胶分解的速率快，出汁率最高　(3)在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的反应速度来表示　(4)酵母　酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧气条件下，酵母菌进行有氧呼吸产生大量能量，促使酵母菌快速繁殖　好氧