【高中生物】發(fā)酵工程為人類提供多樣的生物產(chǎn)品課件+高二下學(xué)期生物浙科版選擇性必修3

第三節(jié)

發(fā)酵工程為人類提供多樣的生物產(chǎn)品1857年，法國微生物學(xué)家巴斯德(L.Pasteur

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1822-1895)通過實(shí)驗(yàn)證明，酒精發(fā)酵是由活的酵母菌引起的，從而將酵母菌與發(fā)酵聯(lián)系起來。1861年巴斯德用曲頸瓶試驗(yàn)證明了微生物的存在，發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的原理，為微生物學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一、某些食品、飲料及調(diào)味品是運(yùn)用傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的知識(shí)背景：一、某些食品、飲料及調(diào)味品是運(yùn)用傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的知識(shí)背景：

約9000年前，我們的祖先就會(huì)利用微生物將谷物、水果等發(fā)酵為含酒精的飲料。后來，人們通過自然發(fā)酵或曲種傳代的固體發(fā)酵方法生產(chǎn)其他食品，如醬油、醋、豆鼓、腐乳和酸奶等。這種傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)促進(jìn)了中華民族特有的飲食文化的形成，但在幾千年的時(shí)間里，人們并不明白其中的原理。漢代磚刻上的釀酒圖一、某些食品、飲料及調(diào)味品是運(yùn)用傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的1.傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發(fā)酵保留下來的面團(tuán)、鹵汁等發(fā)酵物中微生物進(jìn)行發(fā)酵，制作食品的技術(shù)。泡菜、糧食白酒、腐乳、豆豉、醬、醬油等產(chǎn)品：豆瓣醬泡菜使用酵母制作饅頭屬于傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)嗎？思考辨析使用前一次發(fā)酵保存下來的面團(tuán)進(jìn)行的才算。例如直接利用空氣中毛霉孢子制作腐乳屬于傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，若直接接種毛霉，則不屬于。不屬于2.傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品不同風(fēng)味的原因（1）不同菌種在混菌發(fā)酵的不同階段發(fā)揮的作用不同（2）不同菌種的酶不同，產(chǎn)物不同（3）菌株遺傳性差異造成發(fā)酵產(chǎn)品的風(fēng)味不同（4）不同微生物代謝產(chǎn)物促進(jìn)（或抑制）其他微生物生長，造成發(fā)酵產(chǎn)品的風(fēng)味不同“葡萄美酒夜光杯，欲飲琵琶馬上催。醉臥沙場君莫笑，古來征戰(zhàn)幾人回。”（唐·王翰）詩中提及的葡萄酒是人類利用微生物發(fā)酵制作而來的。通過微生物的發(fā)酵作用還可以制作葡萄醋。葡萄酒和葡萄醋都是以葡萄為原料發(fā)酵而來的飲品，為什么一個(gè)是醇厚濃郁、耐人尋味的酒，一個(gè)卻是酸味柔和、口感綿長的醋呢？它們的制作方法有什么不同？你想不想自己動(dòng)手制作葡萄酒和葡萄醋呢？

葡萄酒和葡萄醋都是由葡萄發(fā)酵而來，但是一個(gè)經(jīng)酵母菌無氧呼吸產(chǎn)生了酒精，另一個(gè)經(jīng)醋酸菌有氧呼吸產(chǎn)生了醋酸，因此口感不同?；顒?dòng)：體驗(yàn)傳統(tǒng)發(fā)酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋活動(dòng)：體驗(yàn)傳統(tǒng)發(fā)酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋1.制作原理酶反應(yīng)式：C6H12O6→2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量酶（2）在有氧條件下,酵母菌進(jìn)行有氧呼吸,大量繁殖。C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量（3）在無氧條件下，酵母菌能進(jìn)行酒精發(fā)酵。反應(yīng)式：酵母菌酒精發(fā)酵的參與者——酵母菌（1)代謝類型（既能進(jìn)行有氧呼吸，又能進(jìn)行無氧呼吸）異養(yǎng)兼性厭氧型異養(yǎng)需氧型（2）反應(yīng)式C2H5OH+O2CH3COOH+H2O+能量酶當(dāng)氧氣、糖源都充足時(shí)，醋酸菌可將葡萄汁中的糖分解成醋酸，反應(yīng)式為：醋酸發(fā)酵的參與者——醋酸菌（1）代謝類型C6H12O6＋2O2→2CH3COOH＋2CO2＋2H2O+能量酶制備裝置沖洗瀝干裝瓶酒精發(fā)酵挑選葡萄醋酸發(fā)酵果酒果醋產(chǎn)物檢測：聞氣味，酸性條件下重鉻酸鉀由橙色變?yōu)榛揖G色。產(chǎn)物檢測：酸堿指示劑（ph試紙）聞氣味。1號(hào)礦泉水瓶加入葡萄+白糖+干酵母（溫水調(diào)勻）2號(hào)礦泉水瓶加入葡萄+白糖注意：所放入的葡萄體積不要超過礦泉水瓶體積的1/22.方法步驟待不再有氣體產(chǎn)生時(shí)，停止發(fā)酵用小刀在發(fā)酵液面以上的甁壁戳一小洞果酒發(fā)酵與果醋發(fā)酵的裝置結(jié)構(gòu)作用酒精發(fā)酵時(shí)狀態(tài)醋酸發(fā)酵時(shí)狀態(tài)充氣口排氣口出料口通入空氣關(guān)閉打開，并接入氣泵排出CO2打開打開便于取樣監(jiān)測關(guān)閉關(guān)閉2023/6/14討論1.瓶中葡萄的總體積為什么不要超過礦泉水瓶體積的1/2？2.制作果醋時(shí)，為什么要選取酒味較重的一瓶果酒通入空氣？3.制作果醋時(shí)，為什么要給發(fā)酵好的果酒通入空氣？瓶中葡萄的總體積不超過瓶子體積的1/2，能為酵母菌的需氧呼吸、快速增殖提供氧氣，也保證發(fā)酵過程中不會(huì)有葡萄汁溢出。因?yàn)楣字械拇姿崾菑木凭D(zhuǎn)化而成的醋酸菌是好氧型細(xì)菌。通入氧氣，醋酸菌才能把酒精轉(zhuǎn)化為醋果酒制作與果醋制作的比較項(xiàng)目果酒制作果醋制作發(fā)酵菌種酵母菌醋酸菌菌種來源傳統(tǒng)的葡萄酒釀造采用自然發(fā)酵，菌種主要是附著在葡萄皮上的野生型酵母菌空氣中的野生型醋酸菌或購買醋酸菌的菌種或從食醋中分離醋酸菌發(fā)酵原理①

在有氧條件下：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量②

在無氧條件下C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量①

氧氣、糖源都充足時(shí)：C6H12O6+2O22CH3COOH+2CO2+2H2O+能量

②

缺少糖源時(shí)C2H5OH+O2CH3COOH+H2O+能量發(fā)酵條件溫度一般控制在18～30℃30～35℃時(shí)間10～12d7～8d氧氣初期需氧，后期不需氧始終需要氧pH最適pH為4.5～5.0最適pH為5.4～6.0酶酶酶酶體驗(yàn)傳統(tǒng)發(fā)酵——利用乳酸菌發(fā)酵制作泡菜1.制作原理（1）利用植物體表面天然的乳酸菌發(fā)酵。發(fā)酵期間，乳酸不斷積累。C6H12O6→2C3H6O3（乳酸）+能量酶（2）反應(yīng)式（在無氧的情況下能將葡萄糖分解成乳酸）常見的有植物乳桿菌、短乳桿菌和明串球菌等(3)代謝類型厭氧、兼性厭氧或微好氧菌（2）添加的調(diào)味品，如花椒、八角等。（3）白酒。（4）食糖和鹽（水與鹽質(zhì)量比4：1配制）（1）各種新鮮蔬菜均可，一般用白菜、洋白菜、黃瓜白蘿卜等。2.材料用具作用：抑制泡菜表面雜菌生長，調(diào)味劑增加醇香作用：滅菌。滲出蔬菜中水分，調(diào)味。注意：鹽含量過多，抑制乳酸菌自身繁殖；過少，雜菌滋生繁殖3.方法步驟選擇原料修整、洗滌、晾曬、切分成條狀或片狀稱取食鹽配制鹽水泡菜鹽水加入調(diào)味料，裝壇發(fā)酵成品[拓展]泡菜發(fā)酵過程中乳酸菌、乳酸和亞硝酸鹽含量的變化項(xiàng)目乳酸菌乳

酸亞硝酸鹽發(fā)酵初期發(fā)酵中期發(fā)酵后期變化曲線少(有氧氣,乳酸菌活動(dòng)受抑制)最多(乳酸抑制其他菌活動(dòng))減少(乳酸繼續(xù)積累,pH繼續(xù)下降,抑制自身活動(dòng))少增多,pH下降繼續(xù)增多,pH繼續(xù)下降增加(硝酸鹽還原菌的作用)下降(硝酸鹽還原菌受抑制,部分亞硝酸鹽被分解)下降至相對穩(wěn)定(硝酸鹽還原菌被完全抑制)討論1.為什么用水封閉壇口？若不封閉會(huì)有什么結(jié)果？2.在泡菜腌制過程中，泡菜壇中冒出氣體說明什么？3.泡菜腌制不成功的原因可能有哪些？泡菜壇中鹽水未灌滿，導(dǎo)致厭氧的乳酸菌未能快速生長繁殖，而其他好氧型微生物生長導(dǎo)致蔬菜腐爛；泡菜壇清洗不徹底，一些厭氧型、非乳酸菌發(fā)酵型的微生物生長導(dǎo)致蔬菜腐爛。乳酸發(fā)酵不會(huì)產(chǎn)氣。泡菜壇中連續(xù)產(chǎn)氣的原因可能有：鹽水未裝滿，蔬菜表面的好氧型微生物活動(dòng)旺盛；泡菜壇清洗得不徹底，其他厭氧型微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生了氣體；等等用水封閉壇口可以保證壇外空氣中的氧氣不能進(jìn)入，壇內(nèi)產(chǎn)生少量氣體可隨時(shí)排出。同時(shí)壇口加滿水造成的無氧環(huán)境，也可為乳酸菌進(jìn)行乳酸發(fā)酵創(chuàng)造了條件。如果有氧氣進(jìn)入，則會(huì)有許多需氧型細(xì)菌生長，蔬菜會(huì)腐爛。菌種名稱生物分類代謝類型適宜溫度繁殖方式發(fā)酵對氧的需求乳酸菌酵母菌醋酸菌真核生物異養(yǎng)

兼性厭氧出芽生殖

前期需氧，

后期不需氧原核生物異養(yǎng)需氧30—35℃二分裂一直需氧原核生物異養(yǎng)厭氧二分裂密閉不需氧三種微生物繁殖方式和代謝特點(diǎn)18—25℃18—20℃【問題情境】單價(jià)：1元問題：在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？青霉素制劑發(fā)酵工程。即利用微生物的特定的功能，通過現(xiàn)

代工程技術(shù)，規(guī)模化生產(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.選育菌種（1）目的：獲得_______________________高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、________或____________________。誘變育種基因工程育種（3）菌種要求二、發(fā)酵工程利用現(xiàn)代工程技術(shù)及微生物的特定功能，工業(yè)化生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品

討論：微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)，需要考慮哪些因素？1.生產(chǎn)需要(微生物的繁殖速度快、代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量高等)2.菌種不易變異、退化等3.發(fā)酵條件易控制4.考慮氣候條件、發(fā)酵裝置等2.擴(kuò)大培養(yǎng)（1）目的：獲得___________更多的菌種（2）原因：

工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發(fā)酵之前還需要對菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基：①結(jié)合菌種代謝特點(diǎn)，選擇原料制備培養(yǎng)基；

。②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）4.滅菌：（1）滅菌原因：

發(fā)酵工程種所用的菌種大多是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大降低。（2）培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌；5.接種：將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種投放到

中發(fā)酵罐6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）要求：①發(fā)酵過程中，要隨時(shí)檢測培養(yǎng)液中微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程；②要及時(shí)添加_______________，要嚴(yán)格控制_____、____和______等發(fā)酵條件；必需的營養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶氧量（2）嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：①環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)：均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測和控制，還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)

討論：與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)是什么?7.分離、提純產(chǎn)物方法：可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用

、

等方法將菌體分離和干燥；過濾沉淀真空發(fā)酵吸附發(fā)酵萃取發(fā)酵8.獲得產(chǎn)品可采用

、

和

等方法進(jìn)行提取。①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身時(shí)②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物時(shí)分離后的生物產(chǎn)品還需要進(jìn)一步提純，經(jīng)過質(zhì)檢合格后才能成為產(chǎn)品。三、發(fā)酵工程在醫(yī)藥、食品及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要應(yīng)用價(jià)值1.發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)條件溫和；②原料來源豐富且價(jià)格低廉；③產(chǎn)物專一；④廢棄物對環(huán)境的污染小和容易處理；

因此，發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。2.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食