第 5 部分 生物技术与工程
第 22 章 发酵工程
第 1 节 传统发酵技术与发酵工程
一、发酵与传统发酵技术
概念 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
,
发酵
原理 不同的微生物具有产生不同代谢物的能力 利用它们就可以生产出人们所需要的多种产物
,
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
, 、
传统发酵技术 进行发酵 制作食品的技术 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
二、传统发酵食品的制作
1.制作腐乳和泡菜
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
腐乳 菌种 , 、 , .
毛霉 真核生物 真菌 代谢类型为异养需氧型 营腐生生活
的 :(１) , ;(２) ,
制作
发酵原理 豆腐中的蛋白质被微生物产生的蛋白酶分解成小分子的肽和氨基酸
菌种 原核生物 细菌 常见的乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌
——— (１) , ;(２) ;
乳酸菌 代谢类型为异养厌氧型 营腐生生活
(３) ,
酶
发酵原理 乳酸菌无氧呼吸产生乳酸 乳酸 能量
:C６H１２O６ →２C３H６O３( )＋
-F+ F NHLH
F+! )9 9 "
-F+ F
U-F+
泡菜 步骤 +!BF Q:9"U +! U+!
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的 及检测 _U& U UU "!F9U N*
制作 !U* U= ,U ,D!+!
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FKE
盐水要煮沸冷却后使用 煮沸的目的是杀灭杂菌 除去氧气 冷却的目的是防止高温杀死蔬
(１) , 、 ;
菜表面的乳酸菌等
注意 .
盐水要浸没全部菜料 目的是为乳酸菌发酵创造无氧环境
事项 (２) , .
盖好坛盖后 向坛盖边沿的水槽中注满水 原因是阻止空气进入 为乳酸菌发酵提供无氧环境
(３) , , , .
泡菜 咸而不酸 的原因可能是食盐浓度过高 发酵温度过低等导致泡菜未能正常发酵
(４) “ ” 、
小表达 ()(选必 改编)泡菜发酵时,常常会向泡菜坛中加入“陈泡菜水”,其原因是 .
１ ３P８
()(选必 )腐乳与豆腐相比,所含有机物的种类和能量有哪些变化? 为什么? .
２ ３P５
答案:()“陈泡菜水”中含有较多的乳酸菌,加入“陈泡菜水”相当于接种乳酸菌
１
()腐乳中有机物的种类增加了,所含的能量却减少了.因为豆腐中的蛋白质被分解成了小分子的肽和氨基酸
２
第 22章 发酵工程 １７５2.制作果酒和果醋
项目 果酒制作 果醋制作
酵母菌 单细胞真菌 代谢类型 异养兼性
:(１) ;(２) : 醋酸菌 细菌 代谢类型 异养需氧型 营腐生
菌种 厌氧型 营腐生生活 酿酒酵母的最适生长温 :(１) ;(２) : ,
, ;(３) 生活 多数醋酸菌的最适生长温度为
度约为 ;(３) ３０~３５℃
２８℃
酶
糖源充足时
有氧条件下 酵母菌进行有氧呼吸并大量繁殖 无 O２、 :C６H１２O６＋２O２ →２CH３COOH＋
, ;
能量
原理 氧条件下
,
酵母菌通过无氧呼吸产生酒精
:
２CO２＋２H２O＋ ;
酶
酶 充 足 缺 少 糖 源 时
能量 O２ 、 :C２ H５ OH ＋ O２ →
C６H１２O６ →２C２H５OH＋２CO２＋
能量
CH３COOH＋H２O＋
" E"99 !=* FF +"F FF
# _ F*
U KI +"FU E!U#
步骤
L%8 UL*3 *, 99F+M7 _U
+/K U 99+72E K_E
2*,F F"+
K_E
葡萄应先冲洗再去除枝梗 避免去除枝梗时葡萄破损 引起杂菌污染
(１) , , .
瓶中留约 的空间 可为发酵初期酵母菌大量繁殖提供 并防止发酵中产生的 造成发酵液溢出
(２) １/３ , O２, CO２ .
注意 果酒发酵过程中会产生 使瓶内气压升高 需拧松瓶盖放气 但不要完全打开 否则可能会被杂菌污染
(３) CO２ , , , .
事项 先酿制果酒再生产果醋的优势
(４) :
先酿制果酒 发酵液能够抑制杂菌生长 有利于提高果醋产率
① , , ;
果酒有利于溶出水果中的风味物质并保留在果醋中
②
三、发酵工程及其应用
概念 发酵工程是指利用微生物的特定功能 通过现代工程技术 规模化生产对人类有用的产品
, ,
特点 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 产物专一 废弃物对环境污染小 易处理
; ; ; ,
83*' '+U
F %8
F@FM3D +%8
F4FUF .
E58. . 8
基本 /+(7U 3'
环节
7&*0EU 8F K " "+*'F
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8 CUD$!"0
.8 L! !0F
食品工业 生产传统发酵产品 食品添加剂 酶制剂等 医药工业 生产抗生素 氨基酸 激素 免疫调
(１) : 、 、 ;(２) : 、 、 、
应用 节剂 疫苗等 农牧业 生产微生物肥料 微生物农药 微生物饲料 如单细胞蛋白 等 其他方面 利
、 ;(３) : 、 、 ( ) ;(４) :
用纤维废料发酵生产酒精 乙烯等能源物质 嗜热菌 嗜盐菌可以用来生产洗涤剂
、 ; 、
*M 3
实例: F . S7 "1 U3 F F 8 D$A
啤酒的 "1F & 6U - .1 2 ?U 9 +E 2D "*'U 3
7=
7 & "1F . 2" & *U2 F F J F
工业化 F
" "%8 1 $0
生产
主发酵 完成酵母菌的繁殖 需要氧气 大部分糖的分解和代谢物的生成 后发酵 主发酵后发酵液
流程 (１) : ( )、 ;(２) :
不适合饮用 需在低温 密闭环境下储存一段时间进行后发酵 才能形成澄清 成熟的啤酒
, 、 , 、
１７６ 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学
学生用书 P153
真题选改判 的原理 发酵前都要在有氧
,
１( 江苏, )制作泡菜的菜料不宜完全淹没 的环境中 ( 山东, )(
．２０２４ １４ ２０２３ ２０ ２０２２
在煮沸后冷却的盐水中 湖北, )( 湖北,)( 山东, ).
. ( ) １１ ２０２１ ３ ２０２１ １２
１答案 ７答案 酵母菌无氧呼吸产生酒精 促进酵母
．
． ✕
菌的增殖
２( 河北, )从窖泥中分离的酿酒酵母扩大
．２０２４ １８
培养时 需在 或 环境中进行
８家庭果酒酿制时榨汁后直接可以发酵 工业
, CO２ N２ . ( ) ． ,
上大规模生产时 通常需要先通过
２答案
,
． ✕
技术获得单一菌种 再将它们接种到物
３( 江苏,)酵母菌培养液使用前要灭活所
,
．２０２４ ９
料中进行发酵 目的是
有细菌 但不能灭活真菌
, . ( )
,
３答案 (选必 )
３P８ .
． ✕
４( 江苏, )某醋厂在醋酸发酵过程中经常
８答案 微生物培养 缩短发酵时间 确保品
． ,
．２０２３ １６
质稳定
翻动发酵物 此操作可控制发酵温度和改善
,
通气状况
９利用高粱 大麦等粮食进行白酒或啤酒发酵
. ( ) ． 、
时 需先将 该过程称为糖
４答案
, (
． √
５( 山东, )啤酒的工业化生产 发酵结束 化 然后才能发酵(选必 ) 白酒酿造和
．２０２３ ２０ , ), １P２４ .
啤酒酿造的区别 白酒酿造利用酒曲中的霉
后必须进行消毒以延长保存期
:
. ( )
５答案 菌进行糖化 将淀粉分解为葡萄糖( 浙江
, ２０２３
． √
６( 山东, )工业化生产青霉素时 选育出 月选考, )啤酒酿造利用了
．２０２２ １４ , ６ １２ ,
的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐 进行糖化(选必 )( 山东, )
３P２４ ２０２２ ２０ .
中
９答案 淀粉分解形成糖浆 大麦种子发芽释
. ( ) ．
６答案 放的淀粉酶
． √
从真题到教材
７传统酿酒技术与工业酿酒技术都利用了
．
第 22章 发酵工程 １７７
第 2 节 微生物的培养技术与应用
一、培养基
一般都含有水 碳源 提供碳元素的物质 氮源 提供氮元素的物质 和无机盐等营养物质
、 ( )、 ( )
功能 构成细胞物质 有机碳源既是碳源又是能源
;
碳源 无机碳源 等
培养 来源 (１) :CO２、NaHCO３、CaCO３ ;
有机碳源 糖类 脂质 蛋白质 有机酸 牛肉膏 蛋白胨等
基的 (２) : 、 、 、 、 、
功能 用于合成蛋白质 核酸及其他含氮的物质
氮源 、
成分
来源 无机氮源 硝酸盐 等 有机氮源 蛋白胨 尿素 氨基酸等
(１) :N２、 、NH３ ;(２) : 、 、
生长 微生物自身不能合成或合成量不足 但又是微生物生长和代谢所必需的小分子 如某些维生素 氨
, , 、
因子 基酸 嘌呤 嘧啶等
、 、续表
8.. E "
培养 6 ')
>*'+D
基的 B
8.G G
.G@
分类
注 与液体培养基相比 固体培养基及半固体培养基还需要加入凝固剂 如琼脂
: , ,
概念 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
,
基础培养基 青霉素 分离酵母菌等真菌 以尿素为唯一氮源的培养基 分离分
选择 ＋ → →
无碳源培养基 分离自养微生物 解尿素的细菌
培养基 实例 →
以纤维素为唯一碳源的培养基 分离
无氮源培养基 分离固氮微生物 →
→ 纤维素分解菌
在基础培养基中 加入某种特殊的化学物质 这种物质会与某种微生物的代谢物发生反应
应用 内容 , , ,
产生明显的特征性变化 根据这种特征性变化 将该种微生物与其他微生物区分开来
, ,
伊红 亚甲蓝琼脂培养基鉴别大肠杆菌 菌落呈深紫色 并带有金属光泽
鉴别 (１) — → , ;
加入酚红指示剂的培养基鉴别分解尿素的微生物 菌落周围变成红色
培养基 (２) → ;
实例 加入刚果红的培养基鉴别纤维素分解菌 菌落周围产生透明圈
(３) → .
注 根据透明圈直径与菌落直径的比值 可以判断纤维素分解菌分解纤维素的能力 比值越
: , ,
大 分解能力越强
,
知识归纳 ()培养乳酸杆菌时,需要在培养基中添加维生素.()培养霉菌时,一般需要将培养基调至酸性.
１ ２
()培养细菌时,一般需要将培养基调至中性或弱碱性.()培养厌氧微生物时,需要提供无氧的条件.
３ ４
知识拓展 基础培养基、完全培养基和补充培养基
()基础培养基:含一般微生物生长繁殖所需要的基本物质,仅能满足野生型菌株生长需要的培养基.
１
()完全培养基:能够满足各种营养缺陷型菌株生长需要的培养基.
２
()补充培养基:能满足相应的营养缺陷型菌株生长需要的培养基.
３
二、无菌技术
定义 使用较为温和的物理 化学或生物等方法杀死物体表面或内部一部分微生物
、
煮沸消毒法 如制作泡菜时将盐水煮沸 巴氏消毒法 如对新鲜牛奶消毒 可以杀死牛奶中的绝
消 (１) , ;(２) , ,
常见 大多数微生物 并且基本不破坏牛奶中的营养成分 化学药物消毒 如 酒精为外植体消毒
毒 , ;(３) , ７０％ ;
方法 紫外线消毒 如细胞培养室 培养箱 接种室 超净工作台等用紫外线消毒 紫外线照射前 适量
(４) , 、CO２ 、 、 , ,
喷洒苯酚或煤酚皂溶液等消毒液
使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物 包括芽孢和孢子 注意 灭菌也会使实验所用的生物
定义 , ( :
学材料灭活
)
湿热灭菌 可用高压蒸汽灭菌锅进行 适用于培养基等的灭菌
灭 (１) :① ;② .
干热灭菌 使用干热灭菌箱进行 适用于玻璃器皿 如培养皿 金属用具等耐高温的和需要保
菌 常见 (２) :① ;② ( )、
持干燥的物品的灭菌
方法 .
灼烧灭菌 在酒精灯火焰的充分燃烧层灼烧 适用于接种工具 如涂布器 接种环 以及接种过
(３) :① ;② ( 、 )
程中的试管口或瓶口等容易被污染的部位
三、微生物的纯培养
概念 由单一个体繁殖所获得的微生物群体称为纯培养物 获得纯培养物的过程就是纯培养
,
１７８ 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学续表
.(
89
接种
; 8"
平板 %&%8 3
微生
划线 ?A
物的
.(%&
法
方法 ; 8" 3 0 3 3+ 0
U,+5K+8E /FU8
889 89
注意 最后一次的划线不能与第一次的划线相连
:
4 U/F
2/F "
E
.889
接种 稀释
微生 涂布
H N- N-N- N- N- N- "
物的 平板
方法 法 f
NNN---
8"U F1 %&" U 8"
N- ffffff $ &F1 "
8! A0 N-8! =L " =L
. .F 8 F 8
实例:酵母 F U . + .+
%8U +E=&%8U *P9!%8U U&U 4U#
菌的纯培养
U 7 U F1%%&KDE= _I
注意 要将冷却凝固的平板倒置 以防止冷凝水滴落在培养基上造成污染
: ,
知识归纳 平板划线中不同阶段灼烧接种环的目的
()第一次操作:杀死接种环上原有的微生物;
１
()每次划线之前:杀死上次划线后接种环上残留的菌种,使本次划线的菌种仅来源于上次划线的末端;
２
()划线结束后:杀死接种环上残存的菌种,避免微生物污染环境和感染操作者.
３
易混易错 ()平板划线法可用于微生物纯培养,但一般不用于计数;稀释涂布平板法既可用于微生物纯培养,又
１
便于计数.
()菌落是指分散的微生物在适宜的固体培养基表面或内部繁殖形成的肉眼可见的、有一定形态结构的子细胞群体,
２
常依据大小、形状、隆起程度、颜色等特征来区分不同菌种.
四、微生物的计数
显微镜 用具 血细胞计数板 酵母菌 霉菌孢子等计数 或细菌计数板 细菌等计数 误差 计
(１) : ( 、 ) ( );(２) :
直接计 数活菌数时 该结果较实际结果偏大 原因是观察时无法区分死菌和活菌 将死菌计入总数
, , , ;
数法 改进措施 可在计数前使用台盼蓝染液染色 死细胞会被染成蓝色 活细胞不着色
(３) : , ,
方法 活菌计 原理 当样品的稀释度足够高时 培养基表面生长的一个单菌落 来源于样品稀释液中的
(１) : , ,
数 一个活菌 计算公式 每克样品的菌体数 CV M C 某一稀释度下 平板上生长的平
——— ;(２) : ＝(/ )× ( : ,
稀释涂 均菌落数V 涂布的稀释液体积 M 稀释倍数 误差 该实验结果较实际结果偏小 原因
;: ; : );(３) : ,
布平板法 是当两个或多个细胞连在一起时 平板上只能观察到一个菌落
,
第 22章 发酵工程 １７９续表
只有能合成脲酶的微生物才能分解尿素 脲酶能催化尿素分解产生 可以作为细
原理 (１) , NH３,NH３
菌生长所需的氮源 利用以尿素为唯一氮源的培养基可从土壤中分离出能分解尿素的细菌
实例: ;(２)
分离 用稀释涂布平板法分离分解尿素的细菌
土壤中
升高可使酚红指示剂变红 脲酶可将尿素分解成氨 使培养基 升高 故在培养基中加入
分解尿 鉴别 pH , , pH ,
酚红指示剂 若指示剂变红 则说明该细菌能分解尿素
素的 , ,
培养 恒温培养箱中培养 一般选择 倍稀释的稀释液进行平板培养
４ ５ ６
细菌的 . １×１０、１×１０、１×１０
计数 一般选取菌落数为 的平板进行计数
分离与 ３０~３００
选取菌落数目稳定时的记录作为结果 为了防止因培养时间不足而遗漏菌落数目
计数 注意 (１) → ;
在同一稀释度下 应至少对 个平板进行重复计数 取平均值 可减少偶然误差
事项 (２) , ３ , → ;
设置空白平板作对照组 排除平板被杂菌污染的可能性
(３) →
易混易错 微生物培养中相关对照的设置
()要确定培养基是否被污染:根据空白(未接种)培养基是否有菌落生长,若有则被污染.
１
()要确定选择培养基是否有选择作用:根据接种后的完全培养基上的菌落数是否明显多于选择培养基上的菌落数,
２
若多则有选择作用.
学生用书 P156
真题选改判 培养基上划线接种纤维素降解细菌 培养结果
,
１( 江苏, )制作酸奶的牛奶须经过高压蒸 如图所示 下列叙述正确的是
．２０２４ １４
. ( )
汽灭菌后再接种乳酸菌
. ( )
１答案
． ✕
２( 浙江 月选考, )以尿素为唯一氮源的
．２０２４ ６ １４
培养基可用于筛选产脲酶细菌
. ( )
２答案
． √
３( 湖北,)为防止蛋白质变性 不能用高压 倒平板后需间歇晃动 以保证表面平整
．２０２２ ５ , A． ,
蒸汽灭菌法对牛肉膏蛋白胨培养基进行灭菌 图中 区的细菌数量均太多 应从 区挑
. B． Ⅰ、Ⅱ , Ⅲ
取单菌落
( )
３答案 该实验结果因单菌落太多 不能达到菌种纯
． ✕ C． ,
４( 辽宁, )通常微生物培养所用的培养基 化的目的
．２０２２ １８
及接种工具分别采用湿热灭菌和灼烧灭菌 菌落周围的纤维素被降解后 可被刚果红染
. D． ,
成红色
( )
４答案 答案 B
． √
５( 江苏, )将培养基分装于培养皿中后灭
链接教材 选必 纤维素分解菌的分离与筛选
．２０２１ １８
３P２０
菌 可降低培养基污染的概率
, . ( ) 地球上植物每年产生的纤维素超过 亿吨 其
７０ ,
５答案
． ✕ 中 能被土壤中某些微生物分解利
４０％~６０％
６( 浙江 月选考, )配制培养基时应根据
．２０２０ ７ １９ 用 这是因为它们能够产生纤维素酶 对这些
, .
微生物的种类调整培养基的
pH. ( ) 微生物的研究与应用 使人们能够利用秸秆等
,
６答案
． √ 生产酒精 用纤维素酶处理服装面料等 已知
, .
教考衔接
刚果红是一种染料 它可以与像纤维素这样的
,
典例 ( 江苏, , 分)为纯化菌种 在鉴别 多糖物质形成红色复合物 但并不与水解后的
２０２０ １９２ , ,
１８０ 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学
纤维二糖 葡萄糖等发生这种反应 当我们在 ２你打算到什么环境中去寻找纤维素分解菌
、 . ． ?
含有纤维素的培养基中加入刚果红时 刚果红 为什么
, ?
与纤维素形成红色复合物 而当纤维素被纤维 ２答案 纤维素分解菌大多分布在富含纤维素
; ．
素分解菌分解后 复合物就无法形成 培养基中 的环境中 采集土样时 可以选择纤维素丰富
, , , ,
会出现以这些菌为中心的透明圈 请回答下列 的环境 如树林中多年落叶形成的腐殖土等
. , .
问题 ３有同学说 可以把滤纸埋在土壤中 经过一段
. ． , ,
１现在要从土壤中分离纤维素分解菌 请你给 时间后 再从已腐烂的滤纸上筛选纤维素分
． , ,
出详细的实验方案 解菌 请你评价这一做法
. . .
１答案 富含纤维素的 土壤取样 样品稀释 ３答案 这是人工设置适合纤维素分解菌生存
． ( ) → ．
适宜倍数 接种 以纤维素为唯一碳源的 的环境 腐烂的滤纸上很可能有纤维素分
( )→ ( ,
选择培养基 微生物培养与观察 适宜温度 解菌
)→ ( .
培养 观察并记录菌落特征
, )
第 22章 发酵工程 １８１
