第1章 发酵工程——【期末复习】高二下学期生物章节知识点梳理（人教版2019选择性必修3）

第一章 发酵工程

第一节 传统发酵技术的应用

一、发酵与传统发酵技术

1.发酵的历史

约9 000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成含酒精的饮料；1857年，法国微生物学家巴斯德通过实验，证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的。

2. 发酵

（1）发酵概念

发酵是指人们利用_微生物_，在_适宜_的条件下，将原料通过_微生物的代谢_转化为人类所需要的产物的过程。

（2）发酵原理

不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力  ，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物。

（3）发酵类型

好氧发酵：醋酸发酵

厌氧发酵：酒精发酵 、乳酸发酵

3．腐乳的制作

（1）参与的微生物：多种微生物参与了豆腐的发酵，如酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。

（2）腐乳的特点：豆腐中的蛋白质被分解成小分子的肽和氨基酸，味道鲜美，易于消化吸收，便于保存。

4．传统发酵技术

(1)概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。

(2)类型：传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通常是家庭式或作坊式的。

(3)发酵产品：利用传统发酵技术制作的食品有腐乳、酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等。

二、尝试制作传统发酵食品

1.乳酸菌

（1）分布广泛：空气、土壤、植物体表、人或动物的肠道内都有分布。

（2）代谢类型：异养厌氧型。

（3）常见种类：乳酸链球菌和乳酸杆菌。

（4）制作原理

①在无氧条件下，乳酸菌将葡萄糖分解为乳酸。可用于乳制品的发酵、泡菜的腌制等。

②反应简式：C6H12O62C3H6O3(乳酸)＋能量。

2.酵母菌

（1）代谢特点

  是一类_单细胞真菌_，是_兼性厌氧_微生物；在_无氧_的条件下能进行_酒精发酵_

（2）重要影响因素

  __温度__是影响酵母菌生长的重要因素；酿酒酵母的最适生长温度约为_28℃_；

（3）发酵原理（反应简式）

（4）生产应用

  可用于_酿酒_、_制作馒头和面包_等

（5）分布

  在一些_含糖量较高_的_水果_、蔬菜表面_

3.醋酸菌

（1）代谢特点

 _好氧_细菌，代谢类型是异养需氧型 ；当_O2、糖源都充足 时，能将_糖_分解为_醋酸_； 当_缺少糖源_时则将_乙醇_转化为_乙醛_，再将_乙醛_变为_醋酸 ；多数醋酸菌的最适生长温度为_30-35℃_；

（2）发酵原理（反应简式）

①氧气、糖源都充足：醋酸菌能将糖分解成醋酸。

反应简式：

C6H12O6＋2O22CH3COOH＋2H2O＋2CO2＋能量。

②氧气充足、缺少糖源：醋酸菌将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸。反应简式：

C2H5OH＋O2CH3COOH＋H2O＋能量。

（3）生产应用

  醋酸菌可用于制作各种风味的_醋_

探究.实践一：泡菜的制作

1．发酵原理

 (1)菌种：乳酸菌 。

 (2)原理：在 无氧 条件下，乳酸菌将葡萄糖分解成 乳酸 。

 反应式：C6H12O6―→2C3H6O3（乳酸）+能量

2．实验流程

3．发酵条件

 (1)选择气密性好的泡菜坛，以保证 无氧 条件。

 (2)注意控制腌制 时间 、温度和 食盐 的用量。

①选择的泡菜坛要密封性好；

②加入蔬菜后要注入煮沸冷却的盐水，使盐水没过全部菜料；

③盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满清水。

4．亚硝酸盐含量的测定

 (1)原理

 亚硝酸盐＋对氨基苯磺酸 →反应物＋N­1­萘基乙二胺盐酸盐→玫瑰红 色染料

 (2)方法：比色法。即用显色反应后的样品与已知浓度的 标准显色液 进行对比，并估算泡菜中亚硝酸盐的含量。亚硝酸盐溶液的浓度越高，颜色越深；浓度越低，颜色越浅。

 (3)操作步骤

→→→

探究.实践二：制作果酒和果醋

制作果酒：

1.参与发酵的主要微生物及来源：_新鲜水果的果皮表面附着的野生酵母菌 ；

2.发酵原理

①许多_新鲜水果的果皮表面__附着有大量的不同种类的__野生酵母菌_；

②在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒（通过有氧呼吸 大量繁殖，通过无氧呼吸 产酒精）；

③相关反应式

C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量 

C6H12O62C2H5OH(酒精)＋2CO2＋能量     

3.发酵条件：

①温度：将温度控制在_18-30℃_进行发酵；

②氧气含量：氧气充足的情况下，_大量繁殖_；无氧条件下，进行_酒精发酵_；

3. 制作流程:

制作果醋：

1. 参与发酵的主要微生物及来源：_ 空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌_；
2. 发酵原理

①在_有氧_的条件下，果酒经醋酸菌的作用可以进一步发酵成果醋 ；

②当糖源充足时，醋酸菌还可以直接将糖分解为醋酸 ；

③相关反应式

C6H12O6＋2O22CH3COOH＋2H2O＋2CO2＋能量。

C2H5OH＋O2CH3COOH＋H2O＋能量。

3. 发酵条件：

①温度：发酵温度为_30-35℃_；

②氧气含量：氧气供应_充足_

4. 制作流程（以乙醇为底物的类型为例）

第二节 微生物的基本培养技术及应用

一、微生物的基本培养技术

1. 微生物的定义：

  肉眼难以看清，需要借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的 一切微小生物 的总称。

3. 微生物菌落：

 分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部可以繁殖形成 肉眼可见 的、有 一定形态结构 的 子细胞群体  ，这就是菌落。由单个微生物繁殖 形成的纯培养物就是一个单菌落  ；

*一个单菌落就是一个种群。

4. 培养基的配制

（1）概念：人们按照微生物对营养物质的不同需求，配制出的供其生长繁殖的营养基质。

（2）培养基作用：培养、分离、鉴定、保存微生物  或   积累其代谢物 

（3）培养基类型：

 按物理状态可分为 液体培养基 和 固体培养基 。

 按功能可分为 选择培养基 和 鉴别培养基 。

（4）成分：各种培养基一般都含有 水、碳源、氮源 和 无机盐 ，此外还要满足微生物生长对pH、特殊营养物质以及氧气的要求。

5. 无菌技术

（1）关键：防止外来杂菌的入侵  。

（2）无菌技术工作两个方面：

①对操作的_空间 、操作者的_衣着_和_手_进行_清洁_和_消毒_；

②对用于微生物培养的_器皿_、__接种用具__和__培养基_等进行__灭菌_；

（3）无菌技术主要包括消毒和灭菌

6. 微生物的纯培养

（1）培养物：在微生物学中，将接种于_培养基_内，在_合适条件_下形成的__含特定种类微生物的群体_称为培养物。

（2）纯培养物：由_单一个体_繁殖所获得的_微生物群体_称为纯培养物。

  *单菌落一般是由单个微生物繁殖形成的纯培养物 。

（3）纯培养：__获得纯培养物的过程_就是纯培养。

（4）微生物纯培养步骤：配制培养基—灭菌—接种—分离—培养。

探究.实践：酵母菌的纯培养

1.原理：

采用_平板划线法_和__稀释涂布平板法_将_单个_微生物_分散_在_固体培养基_上，之后得到的_单菌落_一般是由单个微生物形成的_纯培养物_。

2.步骤

（1）制备培养基：配制培养基—灭菌—倒平板

（2）（2）接种和分离酵母菌：通过接种环在固体培养基表面连续划线的操作，将聚集的菌种逐步稀释分散到培养基表面。经过数次划线后培养可以分离得到 单菌落 。

（3）培养酵母菌：完成平板划线后，待菌液被培养基吸收，将接种后的平板（一般做三组，重复实验）和一个未接种的平板倒置，放入 28 ℃左右（培养温度因酵母菌种类的不同而稍有差异）的恒温培养箱中培养24-48h 。

（4）实验注意事项

A.培养基灭菌后为什么要冷却到50℃左右时开始倒平板？

琼脂是一种多糖，在44℃以下凝固，倒平板时，若低于50℃不及时操作，琼脂会凝固。

B.为什么倒平板和接种整个过程要在酒精灯火焰旁进行？

避免杂菌污染       

C.倒平板时为什么要使锥形瓶的瓶口通过火焰？

通过灼烧灭菌，防止瓶口的微生物污染培养基      

D.在倒平板的过程中，若不小心将培养基溅在皿盖与皿底之间部位，这个平板还能用来培养微生物吗？为什么？

不能；因为空气中的微生物可能在皿盖与皿底之间的培养基上滋生    

E.平板冷凝后，为什么要将平板倒置？

可避免培养基中的水分过快蒸发；可防止皿盖上的水珠落入培养基，造成污染  

二、微生物的选择培养基与计数

1. 选择培养基：在微生物学中，_允许特定种类_的微生物生长，同时_抑制或阻止其他种类_微生物生长的培养基。

2. 微生物的选择培养：

（1）方法：_稀释涂布平板法__；

（2）方法概述：由于土壤细菌的数量庞大，要想得到特定微生物的纯培养物，必须要对土壤进行_充分稀释_，然后再将菌液_涂布_到制备好的_选择培养基_上；两个基本操作：_梯度稀释_和_涂布平板_。

（3）操作流程

―→―→―→―→

3. 微生物的数量测定

探究.实践：土壤中分解尿素的细菌的分离与计数

(1)原理：分解尿素的细菌合成的脲酶 将尿素分解为氨 ，使培养基的碱性增强  。

(2)方法：在以尿素 为唯一氮源的培养基中加入酚红 指示剂，培养某种细菌，若指示剂变红 ，可初步鉴定该种细菌能够分解尿素。

4. 两种纯培养方法对比

第三节 发酵工程及其应用

一、发酵工程的基本环节

1. 选育菌种

（1）目的：获得_性状优良的菌种__

（2）菌种来源：从自然界中筛选、_诱变育种__或__基因工程育种__。

（3）实例：筛选产酸量高的黑曲霉 用来生产柠檬酸 ；使用基因工程改造的啤酒酵母 ，加速发酵、缩短生产周期；优良的菌种不仅具有健壮，不易退化 ，其发酵产品的 产量高、质量稳定 等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此 菌种选育 环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。

2.扩大培养

（1）目的：获得_更多的菌种_。

（2）原因：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行 扩大培养 。

3.配制培养基

①在菌种确定之后，要_选择原料__制备培养基。

②在生产实践中，培养基的配方要经过_反复试验__才能确定。

4.灭菌

（1）灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是_单一菌种_，一旦有杂菌污染，可能导致_产量大大降低_。

（2）_培养基和发酵设备__都必须经过严格的灭菌；

5.接种

将_扩大培养后_的菌种投放到_发酵罐_中。

6.发酵罐内发酵——（发酵工程的中心环节）

（1）要求：

①发酵过程中，要_随时检测_培养液中_微生物数量_、_产物浓度_等，以__了解发酵进程__；

②要及时添加_必需的营养物质_，要严格控制_温度_、__pH_和__溶氧量_等发酵条件。

（2）严格控制发酵条件的原因：

①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖 ，而且影响微生物代谢物的形成 ；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于 最佳 状态。

（3）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵

①在_中性_和__弱碱性__条件下会积累谷氨酸；②在_酸性__条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。

（4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点：

均有_计算机控制系统__，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_监测_和_控制_，还可以进行__反馈控制_，使发酵全过程处于__最佳状态__；

7.分离、提纯产物

①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用_过滤_、__沉淀_等方法将菌体_分离_和_干燥_；

②发酵产品是代谢物时，可根据 产物的性质_采取适当的_提取_、_分离_和_纯化_措施来获得产品。

8.获得产品

单细胞蛋白、味精等。

二、发酵工程的应用

1. 发酵工程的优点：

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 。

2. 在食品工业上的应用

（1）生产传统的发酵食品：生产酱油 、酿酒 

（2）生产食品添加剂：柠檬酸  、味精 、酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂。

（3）生产酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 。

2.在医药工业上的应用

（1）采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。

（2）直接对菌种进行改造，再通过 发酵技术 大量生产所需要的产品。

3.在农牧业上的应用

（1）生产微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥 

（2）生产微生物农药：利用 微生物或其代谢物 来防治病虫害。

（3）生产微生物饲料：乳酸菌 饲料可以提高饲料的品质，使饲料保鲜 ，动物食用后还能提高免疫力 。

4.在其他方面的应用

（1）解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料 发酵生产酒精、乙烯等能源物质。

（2）将极端微生物应用于生产实践：极端微生物：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌 有助于提高热敏性产品的产量。