考点 2 8 发酵工程简介
发酵工程的概念和内容与应用发酵工程的生产实例发酵工程的应用发酵工程与微生物营养、代谢、生长等知识的综合应用发酵工程与生物新陈代谢、生态学等知识的综合应用
经典易错题会诊
命题角度一
发酵工程的飙念和内容与应用发酵工程的生产实例
l 不需要利用发酵工程的是
A．生产单细胞蛋白饲料
B通过生物技术培育可移植的皮肤
C．利用工程菌生产胰岛素
D．工厂化生产青霉素
[考场错解]A
[专家把脉] 明确发酵工程的概念并了解发酵工程的应用即可。
[对症下药]B
2．下图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响，其中不正确的是
[考场错解]B
[专家把脉]对发酵工程中影响微生物生长的环境因素理解不透彻，不知道谷氨酸棒状杆菌的代谢类型而错选答案。(1)温度可以通过影响酶的活性来改变谷氨酸的产生速率，在最适温度时产生速率最大，高于或低于该点都会使活性降低(甚至丧失)。同理，pH对谷氨酸产生速率的影响也是这样的；(2)谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，随着溶氧量的增加(一定范围内)，谷氨酸会随着该菌生长繁殖速率的加快使产生速率增加，但当溶氧量增大到一定值时，由于受其他条件(酶的数量与活性等)的限制不可能继续增加而达到最大产生速率；(3)谷氨酸产生速率随时间的变化在最初阶段可能不断加快，当活菌数目达到最多(稳定期)时其产生总量会继续增加，而产生速率则不再有明显加快的现象。
[对症下药]C
专家会诊
结合课本中发酵罐的结构示意图以及微生物的代谢类型、影响微生物生长的环境因紊，理解发酵工程的实例——谷氨酸发酵，在此基础上总结出发酵工程的一般概念，掌握发酵工程的具体内容，包括培养基的选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程、产品的分离与提纯等步骤。
考场思维训练
1 有三个盛放葡萄糖液的密封玻璃瓶，已知一瓶混有酵母菌，一瓶混有乳酸菌，一瓶只有葡萄糖，下列叙述正确的是
A．有气泡的瓶子肯定混有酵母菌
B．发热的瓶子肯定混有乳酸菌
C．只盛放葡萄糖液的瓶子能量会增加
D．混有乳酸菌的瓶子物质种类会减少
1．A解析：酵母菌无氧呼吸的产物是酒精和CO2，乳酸菌无氧呼吸的产物是乳酸。
2 在用微生物发酵法生产味精的过程中，要对发酵罐
A．严格密封 B．不断通入二氧化碳 C．先通风，后密封 D．不断通入无菌空气
2．D解析：谷氨酸棒状杆菌为好氧菌。
命题角度二
发酵工程的应用
1． 下图表示制造啤酒的过程，据此回答下列问题：
(1)为什么要把原料放进沸水中混合？ 。
(2)为什么要在混合物冷却后才把酵母菌加进去? 。
(3)请写出酵母菌所进行的生理过程化学反应方程式： 。
(4)研究者发现温度的变化对气体产量有影响，并在不同温度下测定气体的产量(如下表)。请在方格纸上，用表中数据，设计完成曲线图。
温度
(℃)
气体体积
[mm3·(10rain)-1]
温度
(℃)
气体体积
[mm3·(10min)-1]
20
10
30
25
40
35
50
20
60
8
70
2
80
1
100
0
(5)请解释这条曲线为什么是这样的形状？
[考场错解] (1)除去原料中的细菌 (2)避免高温影响酶的活性(3) (4)图中未注明横坐标、纵坐标的含义，曲线一直上升或一直下降(5)微生物代谢过程中需要酶的参与，而酶受温度影响
[专家把脉]对发酵工程中涉及的微生物营养、代谢和种群特点掌握不清楚，或者不能将所学知识应用于生产实际。酵母菌发酵形成酒精和二氧化碳，原料放入沸水中混合是杀灭细菌、消毒；等到混合物冷却后才加酵母菌是避免酵母菌失活；发酵罐加盖子，是为了满足无氧呼吸的条件；曲线图的绘制以温度为横坐标，以气体体积为纵坐标。
[对症下药] (1)杀灭细菌、消毒(2)避免酵母菌受热失活 (3)能量(4)纵坐标
标注气体体积及其数值，作下图：
(5)该酶的催化作用受温度的影响。在一定温度范围内，酶活性随温度的升高而增强，40℃是酶作用的最适温度，当温度超过40℃，酶的活性随之下降，高温使酶失活。
专家会诊
发酵工程的应用主要体现在酿酒、酸奶的生产及抗生素的制造几个方面。上述考点经常会涉及基因工程、酶工程和发酵工程的交叉与渗透，答题时需引起足够的重视。
考场思维训练
1下图是发酵工程生产产品的流程简图，据图回答：
(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 ，③是 。
(2)④表示 ；⑤表示 。
(3)整个过程的中心阶段是发酵，在此阶段需随时取样，检测 等，以了解发酵过程，还要及时添加 ，同时严格控制 。
(4)若⑥是单细胞蛋白的话，⑥是 。氨基酸、维生素属⑦的 产物。
1．(1)基因工程 诱变育种 细胞工程 (2)接种 灭菌(3)细菌数目和产物浓度培养基发酵条件(溶氧、温度、pH、通气量、转速) (4)微生物菌体初级代谢
2 谷氨酸是味精的主要成分。最初人们是以蛋白质为原料，用加酸水解法制取，现在主要采用微生物发酵法制取。请分析回答下列问题：
(1)谷氨酸生产中常用的菌种是 等。
(2)下表所示为某味精厂原料的主要成分，请分析填表。
成分
玉米浆
尿素
磷酸氢二钾
硫酸镁
生物素
作用
碳源
(3)从上表所示原料成分可知谷氨酸产生菌属于 型，原因是 。
(4)为提高谷氨酸产量，玉米浆和尿素的比例最好为 。
(5)发酵常在发酵罐中进行，发酵罐中的搅拌器除了使菌种与培养液充分接触外，还有一个重要的作用是 ，由此可想到发酵罐中要有 装置，因为 C。
(6)发酵时，如不加以人工控制，培养液的pH常发生变化，因为 可使pH上升， 可使pH下降。如果pH下降到一定程度，产物就成了 。生产上为了控制pH，常采用在培养液中 的办法。
(7)在适宜的条件下，培养液中的谷氨酸产生菌就会生成大量的谷氨酸，此时若不及时排放到细胞外，就会影响进一步生产，这是因为 ，为了能迅速排放到细胞外，常用 。
(8)谷氨酸属于 类产品，常用的分离提纯方法是 等。
(9)20世纪40年代，微生物学家常用 方法选育菌种。80年代后，随着生物技术的发展，开始用 等方法选育菌种，取得很大成效。
2．(1)谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌 (2)氮源无机盐无机盐生长因子(3)异养 以含碳有机物为碳源 (4)3：l(5)使空气形成细小的气泡，迅速地溶解在培养液中通气谷氨酸棒状杆菌是好氧菌 (6)营养物质的消耗代谢产物的积累 乙酰谷氨酰胺加人缓冲液 (7)会抑制 酶的活性诱变处理，改变细胞膜的透性 (8)代谢产物蒸馏、萃取、离子交换 (9)人工诱变 细胞工程或基因工程
探究开放题解答
综合问题一
发酵工程与微生物营养、代谢、生长等知识的综合应用
1．目前微生物已经在许多领域得到广泛应用，形成了大规模的发酵工程，为人类创造出了巨大的财富。
(1)自然界细菌变异的主要来源有 。图甲表示利用某种好氧细菌生产人生长激素的发酵工程流程图，欲获得该菌种首先要通过 方法获得目的基因，通过 技术获得工程菌。
(2)选择好的菌种进行扩大培养后，应选用期的菌种接种到发酵罐内的培养液中，原因是 。
(3)该发酵过程的产物属于 代谢产物，一般在 期大量合成，为了尽可能多地提取人的生长激素，采用图乙的方法，图中1、2所表示的物质分别是 、 ，图中3表示流出物，其中包括的物质有 。
(4)在发酵过程中发酵罐需要冷却系统，冷却的原因是 。
[解题思路]细菌因为没有染色体，不能进行有性生殖，变异来源主要有基因突变，可以通过基因工程的方法使细菌获得特定的基因，从而获得特定的产物。菌种扩大培养是采用对数期的细菌作菌种，而获得的发酵产物属于次级代谢产物。
[解答] (1)基因突变 人工合成基因 基因工程
(2)对数细菌代谢旺盛，形态和生理特征稳定
(3)次级稳定新鲜培养液 无菌空气人的生长激素(代谢产物、老的培养基、菌体等均可)
(4)微生物代谢旺盛，产生大量热量
2． 下图为酵母菌细胞的模式图和生长曲线。请回答：
(1)从细胞核的结构来看，下列选项中，与该酵母菌属同一类型的生物是
A．乳酸菌 B．放线菌 C．变形虫 D．噬菌体
(2)[4]的通透性是 ，图示的酵母菌正在进行 。
(3)要收获酵母菌的代谢产物，应选择生长曲线的 [] 。为了获得更多的代谢产物，要延长该时期，工业上采用的方法是 。
(4)细胞出现多种形态，甚至畸形的是曲线中的[] 期。
(5)如果在有氧和无氧情况下，酵母菌细胞中[] (结构)数量会发生明显差异。
(6)自然环境中的酵母菌属于生态系统中的 成分。
[解题思路]酵母菌和变形虫都是真核生物，由图可以得知酵母菌正在进行出芽生殖，结合微生物生长曲线可知代谢产物积累量最大时期为稳定期，细胞出现多种形态的时期是衰亡期，酵母菌代谢类型为异养兼性厌氧型，故有氧无氧情况下，其线粒体数量会有明显差异，酵母菌在生态系统中属分解者。
[解答] (1)C(2)全透性 出芽 (3)CD 稳定期
连续培养 (4)DE 衰亡 (5)2 线粒体 (6)分解者
规律总结
结合课本中发酵工程生产产品的流程简图，认真阅读相关内容，务必弄清其生产流程及注意事项，培养读图、用图能力。
综合问题二
发酵工程与生物新陈代谢、生态学等知识的综合应用
1．人造蛋白食品的生产可利用现代微生物发酵工程技术，食用真菌蛋白是人造蛋白的一种。下面为真菌蛋白的制造过程图解，请据下图回答问题：
(1)下列关于“单细胞蛋白”的叙述正确的是
A．是从微生物细胞中提取的蛋白质 B．通过发酵生产的微生物菌体
C．单细胞蛋白不能作为人类食品 D．是微生物细胞分泌的抗生素
(2)由图中向发酵罐里加入的物质看，真菌的代谢方式为 型。发酵过程中活菌数目达到最多的时期是在 期。
(3)向发酵罐里添加少量氨水的目的是 。向发酵罐添加的所有物品都要进行灭菌，从生态学角度分析，其原因是 。
(4)添加的糖可被真菌利用、转化形成真菌蛋白，必须经过的生理过程是 。真菌蛋白常作为家畜(猪)的饲料添加剂，猪在食用这些添加剂后能被加速育肥的原因是 。
(5)下列关于对“微生物连续培养优点”的叙述，不正确的是
A．及时补充微生物所需的营养物质，提高产量
B．有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中
C．能消除不利于微生物生长的一些环境因素
D．提高了设备的利用率
(6)下面关于“温度对发酵过程的影响”不正确的叙述是
A．温度过高，发酵周期缩短，产量下降
B．温度不会影响生物合成的途径
C．温度能影响菌种对营养物质的吸收
D．菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同
(7)通常所说的“微生物”，包括病毒、放线菌和细菌，还包括真菌，如 等。
[解题思路]从图中看，发酵罐需加入糖和灭菌空气，可知真菌的代谢类型为异养需氧型。发酵过程中加氨水，一方面是调节pH使环境符合真菌的生存环境；另一方面提供氮源满足真菌营养的需要。由糖类转化为氨基酸，必须与含氮部分结合，即氨基转换作用过程。而蛋白质饲料育肥，是蛋白质经动物消化吸收后，经脱氨基作用，其不合氮部分转化为脂肪。
[解答] (1)B(2)异养需氧稳定 (3)调节pH、提供氮源 防止杂菌与真菌间的竞争 (4)氨基转换作用 蛋白质(消化吸收后、经脱氨基不含氮部分)可转化为脂肪 (5)B(6)B(7)霉菌(青霉、根霉、曲霉)、酵母菌(答一项即可)
2． 下面是利用大肠杆菌生产人的生长激素的发酵工程流程简图，请回答：
(1)菌种选育时需进行怎样的处理 。获取人的生长激素基因，通常采用的方法是 。
(2)选择好的大肠杆菌经过扩大培养后，接种到发酵罐内的培养液中，接种的最佳时期是——，原因是—— ——0
(3)配制好的培养基必须经过灭菌，其目的是 ，常用的方法是 一。
(4)该发酵过程中的产物属于代谢产物，一般在 期大量合成。
[解题思路] 由于是利用大肠杆菌生产人的生长激素，故采用基因工程进行菌种选育；根据微生物生长曲线结合发酵工程生产实际，应在对数期进行接种；生产的生长激素是次级代谢产物，一般在稳定期大量合成。
[解答] (1)将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素基因后，重新置入大肠杆菌细胞内 人工合成基因(2)菌体生长的对数期 处于对数期的细菌代谢旺盛，个体的形态和生理特性比较稳定 (3)防止杂菌污染 高压蒸汽灭菌 (4)次级稳定
规律总结
熟知发酵工程流程简图及注意事项。如注意控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。
考点高分解题综合训练
1 发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种，消灭杂种，获得纯种的方法不包括
A根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基
B．根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸
C．根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子
D．根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素
1．B解析：每种生物的遗传物质在正常条件下是稳定的，培养基中核酸不能改变生物原有的遗传组成。
2 谷氨酸发酵生产过程中，控制好发酵条件是十分重要的，下列关于谷氨酸发酵过程中的处理正确的是
A从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，提高谷氨酸棒状杆菌细胞膜的通透性，有利于提高谷氨酸的合成速度
B谷氨酸发酵属于无氧发酵，发酵过程中不需要通气和搅拌
C．控制碳氮比例为3：1，既有利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，又有利于谷氨酸的大量合成
D在发酵过程中应保持pH在5.0～6.0的恒定范围，以利于谷氨酸高效持久的大量合成
2．A解析：在谷氨酸生产过程中，可以采取一定的手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排放到细胞膜外面，解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的抑制作用，提高谷氨酸的产量。谷氨酸发酵是需氧发酵，应采取措施提高溶氧量。C：N为3：1时，谷氨酸合成量增大，菌体繁殖受抑制。真菌的适宜pH为5．0～6．0，细菌发酵的适宜pH为7～8。
3 家庭制作泡菜并无刻意的灭菌环节，在发酵过程中，乳酸菌产生的乳酸可以抑制其他微生物的生长。当环境中的乳酸积累到一定浓度时，又会抑制乳酸菌自身的增殖。下面对这些现象的描述不正确的是
A在乳酸菌的调整期和对数期，种内关系主要表现为互助
B进入乳酸菌增长的稳定期，由于次级代谢产物的积累，种内斗争趋于激烈
C．密闭的发酵环境使乳酸菌在调整期和对数期的种问斗争中占据优势
D进入稳定期，泡菜坛内各种生物的抵抗力、稳定性维持在较高的水平
3．D解析：乳酸菌在发酵初期共同抑制其他微生物的生长，表现为种内互助；并且在种间斗争中占据优势；当它们大量繁殖后，因资源空间等条件的限制，表现为种内斗争。
4在一普通的锥形瓶中，加入含有酵母菌和葡萄糖的溶液，然后将瓶口封闭，在下列有关坐标图中，正确的是
A①②③ B①③④ C．②③④ D．①②④
4．B解析：在有限的培养基环境中，酵母菌不会呈“J”形增长。
5 下列关于发酵工程的说法，错误的是
A．通过人工诱变、基因工程、细胞工程都能选育新品种
B环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成
C．发酵工程的产品是指微生物的代谢产物
D．培养基和发酵设备必须经过严格的灭菌
5．C解析：发酵工程的产品有两个，一是微生物的代谢产物；二是微生物菌体本身。
6 发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于
①冷却水供应不足②微生物代谢旺盛 ③培养基不新鲜④搅拌⑤放料口排出产物
A①②③④⑤ B②③④ C．①④ D_②④
6．D解析：冷却水带走热量不会使温度升高，排除A、C；微生物代谢旺盛呼吸作用产生了大量能量，且大部分转变成了热能；搅拌通过摩擦产生了热能；培养基的新鲜程度及放料口排出产物影响代谢速度，但与热量的产生无直接关系。
7 用发酵工程生产的产品，如果是菌体，则进行分离提纯时可采用的方法是
A．蒸馏、过滤 B过滤、沉淀 C．萃取、离子交换 D．沉淀、萃取
7．B解析：发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另 一类是菌体本身。产品不同，分离提纯的方法一般不同。如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果产品是代谢产物，可用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行提取。
8 (1)发酵工程中选育优良品种的方法有多种，其中能定向培育新品种的方法是
①人工诱变 ②基因移植 ③细胞杂交 ④杂交育种
A．①② B②③ C．③④ D．①④
(2)发酵罐一般都有搅拌器，但在利用乳酸菌生产乳酸时不用，这是因为 。
(3)单细胞蛋白是市场上较受欢迎的发酵产品，它利用的是微生物的 。
(4)不同的微生物有各自的代谢特点，人们常据此来分离、鉴别微生物种类，某实验室有两个菌种，可能是胱氨酸依赖型细菌(无胱氨酸不能生长)、甲基营养细菌(只能利用甲醇、甲烷作碳源)，但试管上标签脱落，请根据它们的代谢特点设计实验方案加以鉴定。
实验步骤：
第一步：在两个菌种的试管上分别标上A、B。
以下步骤是：
① ；
② 。
结果分析：
① ；
② 。
8．B解析：人工诱变不定向，杂交育种的原理是基因重组，变异也是不定向的。基因移植、细胞杂交(细胞融合)可定向改良品种。
9 某酒厂以大米为主要原料用酵母菌生产酒精度数不低于12度的米酒，其主要工艺流程为：糖化一发酵一后加工(勾兑、贮运)。发酵过程主要是在5 m3的发酵罐中进行，其主要工艺为：原料→接种菌种→通气培养→密封发酵。请分析并回答下列问题：
(1)糖化阶段主要包括蒸煮大米和加入“糖化酶”等。“糖化酶”使(大米中)淀粉发生的主要变化是 。
(2)在发酵工艺中，接种菌种时常加尿素或其他肥料，其目的是 。
(3)图(1)的横坐标代表氧分压，纵坐标代表相对值。图中能够表示酵母菌无氧呼吸产生CO2变化的曲线和能够表示酵母菌有氧呼吸消耗糖的速度变化曲线依次是 。
(4)在图(2)中，用曲线表示在发酵阶段酵母菌种群个体数量变化的情况。
(5)在培养过程中，酵母菌所进行的呼吸作用反应式为 。
9．(1)
(2)供给酵母菌进行生长、发育和繁殖等生命活动所必需的氮源或无机盐。
(3)A、C(4)图略 (5) +12H2O+能量 十能量
解析：考查了微生物代谢、生长、培养等多方面知识，要求能对所学知识综合应用。
考点小资料
生物工程各分支领域之间的关系
生物工程
工程酶
主要操作对象
工程目的
与其他工程的关系
基因工程
限制性内切酶、DNA连接酶
基因及动物、植物和微生物细胞
改造物种
通过细胞工程、发酵工程使目的基因得到表达
细胞工程
纤维素酶、果胶酶、蛋白酶
动物、植物、微生物细胞
改造物种
可以为发酵工程提供菌种，使基因工程得以实现
发酵工程
微生物
获得菌体及代谢产物
为工程提供酶的来源
酶工程
微生物
获得酶制剂或固定化酶
为其他生物工程提供酶制剂
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