2023届高考生物二轮复习第17讲发酵工程学案

专题八　生物技术与工程

第17讲　发酵工程

热点一　微生物的培养、分离与计数

[情境引领]

某种物质S(一种含有C、H、N的有机物)难以降解,会对环境造成污染,只有某些细菌能降解S。研究人员按照如图所示流程从淤泥中分离得到能高效降解S的细菌菌株。实验过程中需要甲、乙两种培养基,甲的组分为无机盐、水和S,乙的组分为无机盐、水、S和Y。据图判断下列叙述正误。

(1)实验时,盛有水或培养基的摇瓶通常采用湿热灭菌法进行灭菌。(　√　)

(2)乙培养基中的Y物质是琼脂,甲、乙培养基均属于鉴别培养基。(　×　)

提示:Y物质是琼脂,添加后可以使培养基呈固体状态;根据培养基成分和在微生物培养过程中的作用,甲、乙均属于选择培养基。

(3)实验中初步估测摇瓶M中细菌细胞数为2×107个/mL,若要在每个平板上涂布100 μL稀释后的菌液,且保证每个平板上长出的菌落数不超过200个,则至少应将摇瓶M中的菌液稀释103倍。(　×　)

提示:设稀释倍数为A,1 mL=1 000 μL,可得(2×107/A)×0.1≤200,解得A≥104。

(4)在步骤⑤的筛选过程中,发现当培养基中的S超过某一浓度时,可能会抑制菌株的生长。(　√　)

(5)若要测定淤泥中能降解S的细菌细胞数,可以取淤泥加入无菌水中,涂布(或稀释涂布)到乙培养基上,培养后计数。(　√　)

[基础巩固]

1.培养基的成分、类型和条件

2.无菌技术

3.两种常见接种方法的比较

4.细菌纯化培养的过程(以酵母菌的纯培养为例)

5.微生物分离与计数的实例

[思维拓展]

1.牛奶的消毒常采用巴氏消毒法或高温瞬时消毒法,与煮沸消毒法相比,这两种方法的优点是什么?

提示:在达到消毒目的的同时,营养物质损失较少。

2.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。

提示:将甲、乙菌分别接种在无氮源培养基上,若能生长,则说明该菌能利用空气中的氮气作为氮源。

围绕微生物的培养、分离与计数考查实验与探究能力

1.硝化细菌是化能自养菌,通过N→N→N的氧化过程获取菌体生长繁殖所需的能量,在水产养殖中具有重要作用。下面是分离硝化细菌的培养基配方,下列说法错误的是(　B　)

定容1 000 mL

A.(NH4)2SO4可作为硝化细菌的氮源和能源

B.培养基中的Na2CO3是硝化细菌的主要碳源

C.K2HPO4和NaH2PO4能维持培养基的pH

D.硝化细菌能清除水体中的铵态氮及亚硝态氮

解析:由题意可知,硝化细菌能够通过N→N→N的氧化过程获取菌体生长繁殖所需的能量,故(NH4)2SO4可作为硝化细菌的氮源和能源;硝化细菌是化能自养菌,以培养基中的N为氮源和能源,能够将二氧化碳和水合成为糖类,故硝化细菌的碳源是二氧化碳;K2HPO4和NaH2PO4属于无机盐,能够调节和维持培养基的渗透压和pH;由题可知,硝化细菌能进行N→N→N的氧化过程,故可用硝化细菌清除水体中的铵态氮及亚硝态氮。

2.如图为“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”实验中样品稀释示意图。据图分析正确的是(　B　)

A.3号试管的稀释倍数为103倍

B.5号试管的结果表明每克土壤中的菌落数为1.7×109个

C.4号试管中稀释液进行平板培养得到的菌落平均数恰为5号试管的10倍

D.该方法和平板划线法都可对微生物进行准确计数

解析:由样品稀释示意图分析可知,3号试管的稀释倍数为104倍;5号试管的结果表明每克土壤中的菌落数为(168+175+167)÷3÷0.1×106=1.7×109(个);4号试管中稀释液进行平板培养,稀释倍数是5号的1/10,如果稀释倍数适当,得到的菌落平均数可能是5号的10倍;平板划线法不能用于微生物的计数,稀释涂布平板法可能存在两个或多个细菌长成一个菌落的情况,得到的结果往往偏低。

热点二　传统发酵技术和发酵工程

 [情境引领]

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过程示意图如下。据图判断下列叙述正误。

(1)米曲霉发酵过程中,大豆中的蛋白质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碳源。(　√　)

(2)米曲霉大量分泌制作酱油过程所需的酶类,这些酶中的蛋白酶、脂肪酶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。(　√　)

(3)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异养厌氧微生物。(　×　)

提示:米曲霉属于异养需氧型微生物。

(4)添加的酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖的产物是酒精和二氧化碳。(　√　)

[基础巩固]

1.豆腐中的蛋白质在微生物的发酵下被分解成小分子的肽和氨基酸,易于消化吸收。

2.参与豆腐发酵的微生物:酵母、曲霉和毛霉等。起主要作用的微生物是毛霉。

3.常见乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌,其代谢类型为异养厌氧型。无氧呼吸反应简式为C6H12O62C3H6O3(乳酸)+能量。

4.酵母菌是一类单细胞真菌,代谢类型为兼性厌氧型,酿酒酵母的最适生长温度约为 28 ℃。酒精发酵反应简式为C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+能量。 

5.醋酸菌是好氧细菌,醋酸发酵的原理:O2、糖源充足时:C6H12O6+2O22CH3COOH(乙酸)+2H2O+2CO2+能量;缺少糖源时:C2H5OH+O2CH3COOH(乙酸)+H2O+能量。

6.发酵工程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯等方面。

7.发酵工程在食品工业上可生产酶制剂等;在医药工业上可生产青霉素等抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等;在农牧业上可生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料。

 [思维拓展]

1.为什么日常生活中要多吃新鲜蔬菜,不宜多吃腌制蔬菜?

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,如果人体摄入过量会发生中毒,甚至死亡。

2.果酒制作时,发酵瓶装入葡萄汁后留有1/3空间的目的是什么?

提示:先让酵母菌进行有氧呼吸快速繁殖,耗尽氧气后再进行酒精发酵;其次,防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液的溢出。

围绕果酒、果醋和泡菜的制作考查生命观念及科学探究能力

1.(2020·山东卷)我国的酿酒技术历史悠久,古人在实际生产中积累了很多经验。《齐民要术》记载:将蒸熟的米和酒曲混合前需“浸曲发,如鱼眼汤,净淘米八斗,炊作饭,舒令极冷”。意思是将酒曲浸到活化,冒出鱼眼大小的气泡,把八斗米淘净,蒸熟,摊开冷透。下列说法错误的是(　C　)

A.“浸曲发”过程中酒曲中的微生物代谢加快

B.“鱼眼汤”现象是微生物呼吸作用产生的CO2释放形成的

C.“净淘米”是为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主要措施

D.“舒令极冷”的目的是防止蒸熟的米温度过高导致酒曲中的微生物死亡

解析:由题意可知,“浸曲发”是将酵母菌活化,可以使微生物代谢加快;“鱼眼汤”是指酵母菌在呼吸过程中产生CO2,使溶液中出现气泡;在酿酒过程中,为消除杂菌的影响主要靠“炊作饭”,即蒸熟;“舒令极冷”是将米饭摊开冷透,防止温度过高导致微生物(酵母菌)死亡。

2.《齐民要术》记载了一种称为“动酒酢(‘酢’同‘醋’)法”的酿醋工艺:“大率酒一斗,用水三斗,合瓮盛,置日中曝之。七日后,当臭,衣(指菌膜)生,勿得怪也。但停置勿动,扰搅之。数十日,酢成衣沈(同‘沉’),反更香美”。下列叙述错误的是(　A　)

A.该方法依据的原理是醋酸菌在氧气、糖源充足时将酒精转化为乙酸

B.加水的目的是对酒进行稀释,避免渗透压过高醋酸菌失水过多

C.“衣”位于变酸的酒表面,是由原酒中的醋酸菌大量繁殖形成的

D.“扰搅”有利于酒精与醋酸菌充分接触,还可以增加溶液中的溶解氧

解析:该方法依据的原理是醋酸菌在氧气、糖源不足时将酒精转化为乙酸;加水的目的是对酒进行稀释,避免渗透压过高醋酸菌失水过多;“衣”位于变酸的酒表面,是由原酒中的醋酸菌大量繁殖形成的;搅拌有利于酒精与醋酸菌充分接触,还可以增加溶液中的溶解氧,利于醋酸菌进行醋酸发酵。

围绕发酵工程的技术考查工程学思维

3.(不定项)(2022·山东卷)啤酒的工业化生产中,大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后,最终过滤、调节、分装。下列说法正确的是(　ACD　)

A.用赤霉素处理大麦,可使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶

B.焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌

C.糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵

D.通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成,缩短啤酒的发酵周期

解析:赤霉素能促进种子的萌发,据此推测若用赤霉素处理大麦,可诱导α-淀粉酶相关基因的表达,促进α-淀粉酶的合成,进而使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶;焙烤可以杀死大麦种子的胚,但不会使淀粉酶失活,没有进行灭菌;糖浆经蒸煮(产生风味组分、终止酶的进一步作用,并对糖浆灭菌)、冷却后再接种酵母菌进行发酵,防止高温杀死菌种;转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成,缩短啤酒的发酵周期,属于转基因技术在微生物领域的应用。

4.(2022·山东卷)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时,会通过分泌青霉素杀死细菌,以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产,关于该生产过程,下列说法错误的是(　D　)

A.发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖

B.可用深层通气液体发酵技术提高产量

C.选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中

D.青霉素具有杀菌作用,因此发酵罐不需严格灭菌

解析:提供相同含量的碳源,葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多,会导致细胞失水,故发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖,乳糖是二糖,可被水解为半乳糖和葡萄糖,是青霉菌生长的最佳碳源,可以被青霉菌缓慢利用,维持青霉素分泌的有利条件;青霉菌的代谢类型为异养需氧型,可用深层通气液体发酵技术提高产量;选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后,才可接种到发酵罐中进行工业化生产;为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染,获得纯净的青霉素,发酵罐仍需严格灭菌。