高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用教学设计

素能提升课1　发酵工程与其他相关知识的综合

　传统发酵技术与其他相关知识的交汇点

[素能建构]

交汇点1　酵母菌、醋酸菌和乳酸菌的细胞结构，联系必修课程模块1中原核细胞与真核细胞的主要区别

(1)相同点：都有细胞膜、细胞质和DNA分子。

(2)不同点：醋酸菌和乳酸菌属于原核生物，其细胞无核膜、染色体以及线粒体等众多的细胞器，只有核糖体一种细胞器，而酵母菌属于真核生物。

交汇点2　发酵条件的控制，联系必修课程模块1中有氧呼吸和无氧呼吸的影响因素

(1)果酒的制作前期需要氧，有利于酵母菌的大量繁殖，然后控制为无氧条件，进行酒精发酵。控制发酵温度约为28 ℃。

(2)果醋的制作一直需要充足的氧气，控制发酵温度为30～35 ℃。但泡菜的制作一直需要密封。

[对点训练]

1．下图表示果酒和果醋制作过程中的物质变化过程，下列叙述正确的是(　　)

A．过程①和②都只能发生在缺氧条件下

B．过程①和③都发生在酵母菌的线粒体中

C．过程③和④都需要氧气的参与

D．过程①～④所需的最适温度基本相同

C　[据图分析可知，过程①表示细胞呼吸的第一阶段，其在有氧或无氧的条件下都可以进行，且是在细胞质基质中进行的，而非线粒体中，A、B错误；过程③表示有氧呼吸的第二、三阶段，过程④表示乙醇氧化为醋酸的阶段，过程③和④都必须在有氧的条件下才可以进行，C正确；过程①②③是果酒制作阶段的化学反应，其适宜温度约为28 ℃，过程④是果醋制作阶段的化学反应，其适宜温度为30～35 ℃，D错误。]

2．苹果醋是以苹果汁为原料经发酵而成的。请回答下列问题：

(1)酵母菌的呼吸代谢途径如图所示。图中过程①和②是苹果醋生产的第一阶段，在酵母菌细胞的______________中进行，其产物乙醇与____________试剂反应呈现灰绿色，这一反应可用于乙醇的检验；过程③在酵母菌细胞的________________中进行。与无氧条件相比，在有氧条件下，酵母菌的增殖速度____________。

(2)第二阶段是在醋酸菌的作用下将第一阶段产生的乙醇转变为醋酸的过程，根据醋酸菌的呼吸作用类型，该过程需要在______________条件下才能完成。

(3)在生产过程中，第一阶段和第二阶段的发酵温度不同，第一阶段的温度________(填“低于”或“高于”)第二阶段的。

(4)醋酸菌属于____________核生物，其细胞结构中__________(填“含有”或“不含有”)线粒体。

[解析]　(1)图中过程①和②是酵母菌进行无氧呼吸产生乙醇的过程，无氧呼吸的场所是细胞质基质。乙醇可用酸性重铬酸钾试剂检测，颜色由橙色变为灰绿色。过程③为有氧呼吸的第二和第三阶段，场所为线粒体。在有氧条件下酵母菌进行有氧呼吸，产生更多的能量供酵母菌繁殖利用，故有氧条件下酵母菌的繁殖速度更快。(2)醋酸菌是好氧细菌，因此，在醋酸菌作用下，将乙醇转变为醋酸的过程需要在有氧条件下才能完成。(3)在生产过程中，第一阶段酵母菌产生乙醇的适宜温度约为28 ℃，第二阶段醋酸菌产生醋酸的适宜温度为30～35 ℃，第一阶段的温度低于第二阶段的。(4)醋酸菌属于原核生物，原核细胞中的细胞器只有核糖体一种，不含有线粒体。

[答案]　(1)细胞质基质　重铬酸钾　线粒体　快

(2)有氧　(3)低于　(4)原　不含有

3．请回答下列有关传统发酵技术在食品工业上应用的问题：

(1)果酒的制作过程中，常用的菌种是________，该菌种产生酒精的场所是________。果醋的制作常在果酒制作的基础上进行，当进行果醋制作时，要持续通入氧气，并且要适当________(填“升高”或“降低”)发酵温度。

(2)果酒发酵时间一般为10～12 d，但也可能因为__________等外界条件而发生改变，可定期取发酵液与________(填试剂)反应检测发酵情况，如发酵液中含有酒精则溶液呈现____________。

(3)果酒进一步发酵能获得果醋，酒变醋的原理是_____________________。

(4)在变酸的酒的表面可以观察到菌膜，其形成原因是______________。

[解析]　(1)参与果酒制作的菌种是酵母菌；酵母菌通过无氧呼吸产生酒精，而无氧呼吸的场所是细胞质基质；果醋的制作常在果酒制作的基础上进行，当进行果醋制作时，要持续通入氧气，并且要适当升高发酵温度，因为果酒制作的适宜温度是18～25 ℃，而果醋制作的适宜温度是30～35 ℃。(2)发酵温度适宜可以尽快完成发酵过程，但如果温度不适宜会延长发酵时间。可以根据发酵液中酒精的产生量来确定发酵情况(用酸性重铬酸钾进行检测)，因为酒精是酵母菌无氧呼吸的产物，也是果酒制作中所要获得的物质。(3)在缺乏糖源而氧气充足的前提下，醋酸菌可以利用乙醇产生醋酸。(4)醋酸菌利用乙醇产生果醋后，自身也增殖，在液面形成菌膜。

[答案]　(1)酵母菌　细胞质基质　升高　(2)温度　酸性重铬酸钾　灰绿色　(3)在氧气充足时，醋酸菌将乙醇转变为乙醛，再将乙醛转变为醋酸　(4)醋酸菌在液面大量繁殖

　微生物的培养技术与其他相关知识的交汇点

[素能建构]

交汇点1　酶的分解作用，联系必修课程模块1中酶的特性

(1)酶具有专一性：一种酶只能催化一种或一类化学反应，如脲酶只能催化分解尿素。

(2)需要温和条件：酶起催化作用需要适宜的温度和pH，因此培养微生物需要控制温度，调节培养基的pH。

交汇点2　培养基中葡萄糖的作用，联系选择性必修模块1中血糖的来源和去路

(1)葡萄糖的氧化分解：葡萄糖通过氧化分解释放能量，一部分以热能形式散失，另一部分储存在ATP中，为生命活动提供能量。

(2)三大类物质的相互转化：糖类、脂质和蛋白质三大类物质之间可以相互转化。

交汇点3　培养基中无机盐的作用，联系必修课程模块1、选择性必修模块1有关细胞和内环境中无机盐的作用

(1)无机盐的作用：①无机盐是某些化合物的组成成分；②调节生物体的生命活动；③维持渗透压和酸碱平衡。

(2)调节pH的缓冲对：H2CO3/NaHCO3，NaH2PO4/Na2HPO4等。

[对点训练]

1．回答下列与酵母菌有关的问题：

(1)分离培养酵母菌通常使用________(填“牛肉膏蛋白胨”“MS”或“麦芽汁琼脂”)培养基，该培养基应采用________灭菌法灭菌。若将酵母菌划线接种在平板上，培养一段时间后可观察到菌落，菌落的含义是_________________。

(2)酵母菌液体培养时，若通入氧气，可促进________(填“菌体快速增殖”“乙醇产生”或“乳酸产生”)；若进行厌氧培养，可促进________(填“菌体快速增殖”“乙醇产生”或“乳酸产生”)。

(3)制作面包时，为使面包松软通常要在面粉中添加一定量的酵母菌，酵母菌引起面包松软的原因是_____________________________________________。

[解析]　(1)酵母菌为异养型生物，通常使用麦芽汁琼脂培养基培养；培养基常用高压蒸汽灭菌法灭菌；由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体称为菌落。(2)酵母菌为兼性厌氧生物，有氧条件利于其繁殖，无氧条件下其进行酒精发酵。(3)酵母菌分解葡萄糖可产生二氧化碳，使面包松软多孔。

[答案]　(1)麦芽汁琼脂　高压蒸汽　由一个细胞繁殖而来的肉眼可见的子细胞群体　(2)菌体快速增殖　乙醇产生　(3)酵母菌分解葡萄糖会产生CO2，CO2使面包松软

2．某些土壤细菌可将尿素分解成CO2和NH3，供植物吸收和利用。回答下列问题：

(1)有些细菌能分解尿素，有些细菌则不能，原因是前者能产生________。能分解尿素的细菌不能以尿素的分解产物CO2作为碳源，原因是___________。但可用葡萄糖作为碳源，进入细菌体内的葡萄糖的主要作用是________(答出两点即可)。

(2)为了筛选可分解尿素的细菌，在配制培养基时，应选择________(填“尿素”“NH4NO3”或“尿素＋NH4NO3”)作为氮源，不选择其他两组的原因是________________。

(3)用来筛选分解尿素细菌的培养基含有KH2PO4和Na2HPO4，其作用有____________________________________(答出两点即可)。

[解析]　(1)有些细菌能分解尿素是因为这些细菌能产生脲酶，将尿素分解成CO2和NH3。能分解尿素的细菌是异养生物，不能利用CO2作为碳源合成有机物，但这些细菌可用葡萄糖作为碳源，进入细菌体内的葡萄糖的主要作用：作为能源物质氧化分解为细胞生命活动提供能量，为其他有机物的合成提供原料。

(2)为了筛选可分解尿素的细菌，在配制培养基时，应选择尿素作为唯一氮源，这样只有能分解尿素的细菌才能在培养基上生存。若选择“NH4NO3”或“尿素＋NH4NO3”作为氮源，能分解尿素的细菌和不能分解尿素的细菌都能利用NH4NO3，不能起到筛选作用。

(3)用来筛选分解尿素细菌的培养基含有KH2PO4和Na2HPO4，它们可以为细菌生长提供无机营养；同时，KH2PO4和Na2HPO4还可以作为缓冲剂保持细胞生长过程中pH稳定。

[答案]　(1)脲酶　分解尿素的细菌是异养生物，不能利用CO2来合成有机物　为细胞生命活动提供能量，为其他有机物的合成提供原料　(2)尿素　其他两组都含有NH4NO3，能分解尿素的细菌和不能分解尿素的细菌都能利用NH4NO3，不能起到筛选作用　(3)为细菌生长提供无机营养，作为缓冲剂保持细胞生长过程中pH稳定

3．物质W是一种含氮有机物，会污染土壤。W在培养基中达到一定量时培养基表现为不透明。某研究小组欲从土壤中筛选出能降解W的细菌(目标菌)。回答下列问题：

(1)要从土壤中分离目标菌，所用选择培养基中的氮源应该是________。

(2)在从土壤中分离目标菌的过程中，发现培养基上甲、乙两种细菌都能生长并形成菌落(如图所示)。如果要得到目标菌，应该选择________菌落进一步纯化，选择的依据是_______________________。

(3)土壤中的某些微生物可以利用空气中的氮气作为氮源。若要设计实验进一步确定甲、乙菌能否利用空气中的氮气作为氮源，请简要写出实验思路、预期结果和结论。

[解析]　(1)要从土壤中分离出能降解含氮有机物W的目标菌，所用选择培养基应以该特定物质W为唯一氮源。(2)图示信息显示，在乙菌落周围出现透明圈，说明乙菌能降解W，若要得到目标菌，应该选择乙菌落进一步纯化。(3)若要通过设计实验确定甲、乙两种细菌能否利用空气中的氮气作为氮源，需将甲、乙菌分别接种在无氮源培养基上，若某细菌能生长，则说明该细菌能利用空气中的氮气作为氮源。

[答案]　(1)W　(2)乙　乙菌落周围出现透明圈，说明乙菌能降解W　(3)将甲、乙菌分别接种在无氮源培养基上，若细菌能生长，则说明该细菌能利用空气中的氮气作为氮源