2018版高中生物 第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 3.1 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用課件 新人教版選修2.ppt

《2018版高中生物 第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 3.1 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用課件 新人教版選修2.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018版高中生物 第3章 生物科學(xué)與工業(yè) 3.1 微生物發(fā)酵及其應(yīng)用課件 新人教版選修2.ppt（31頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

第1節(jié)微生物發(fā)酵及其應(yīng)用,課程目標(biāo)導(dǎo)航,1.說出微生物發(fā)酵生產(chǎn)的基本過程。2.舉例說出微生物發(fā)酵與食品生產(chǎn)的關(guān)系。3.參與有關(guān)微生物發(fā)酵的調(diào)查活動。4.通過發(fā)酵工程發(fā)展的歷史，體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)、社會三者間的緊密聯(lián)系和互動。,知識點(diǎn)1發(fā)酵工程史話,知識梳理,1.四千年以前，我們的祖先就會利用將谷物發(fā)酵成酒類。2.1857年，法國微生物學(xué)家巴斯德用實(shí)驗(yàn)證明，酒精發(fā)酵是由活的引起的。3.1897年德國畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了在酵母發(fā)酵中的作用。4.20世紀(jì)40年代初，弗洛里和錢恩與許多科學(xué)家合作，研究出大規(guī)模生產(chǎn)的方法。,微生物,酵母,酶,青霉素,5.20世紀(jì)50年代起，發(fā)酵工業(yè)、酶制劑工業(yè)、多糖和維生素發(fā)酵工業(yè)相繼誕生。6.20世紀(jì)70年代以后，獲得具有特殊生產(chǎn)能力的基因工程菌發(fā)酵產(chǎn)生、等。,氨基酸,胰島素,生長激素,活學(xué)活用,1.在將鮮牛奶制成酸奶的過程中，盛鮮奶的容器必須密封的主要原因是防止(),A.空氣進(jìn)入容器B.產(chǎn)生的乳酸分解C.水分過度蒸發(fā)D.灰塵掉入容器思維導(dǎo)圖：,解析酸奶中含有乳酸，而乳酸是無氧呼吸產(chǎn)物，有氧存在時(shí)會抑制乳酸的生成。故制酸奶時(shí)容器應(yīng)密封。答案A歸納總結(jié)發(fā)酵對周圍環(huán)境的物理和化學(xué)條件十分敏感，任何一種微生物發(fā)酵均需要適宜的溫度、pH、溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)等，保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功獲得高產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵。,2.下列不需要利用發(fā)酵工程的是(),A.生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料B.通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚C.利用工程菌生產(chǎn)胰島素D.工廠化生產(chǎn)青霉素思維導(dǎo)圖：,解析生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)微生物菌體本身的過程。利用工程菌生產(chǎn)胰島素和工廠化生產(chǎn)青霉素是利用發(fā)酵工程。通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚是利用細(xì)胞工程的動物細(xì)胞培養(yǎng)。答案B反思領(lǐng)悟發(fā)酵工程應(yīng)用已非常廣泛，現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸等，還生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物。,歸納總結(jié),(1)原始發(fā)展時(shí)期人類有意無意地利用微生物已經(jīng)有幾千年的歷史，在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。最初可能是人類發(fā)現(xiàn)儲存水果會自然發(fā)酵變酒，而逐漸形成釀酒技術(shù)。相傳，在埃及和中亞兩河流域，在公元前40世紀(jì)至公元前30世紀(jì)已開始釀酒。我國利用微生物進(jìn)行谷物酒類發(fā)酵，至少是在四千年前的龍山文化時(shí)期。在夏禹時(shí)期已有了關(guān)于儀俠釀旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的記載。隨著社會的發(fā)展，又出現(xiàn)制醬和醬油、醋、泡菜、奶酒、干酪技術(shù)和面團(tuán)發(fā)酵。,這個(gè)時(shí)期，發(fā)酵技術(shù)原始，頂多是家庭小制作，技術(shù)進(jìn)步緩慢，完全是經(jīng)驗(yàn)式的。在幾千年的文明史中，人們只知道這樣做可以得到所需的東西，并不知道其中的原理。(2)傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)時(shí)期1857年法國微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明了酒精發(fā)酵是由活的酵母引起的。1897年德國的畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，即使將酵母磨碎，仍然能使糖發(fā)酵形成酒精，他將這種具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為酶。從而人們才開始了解發(fā)酵現(xiàn)象的本質(zhì)。,從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，隨著人們對微生物世界認(rèn)識的不斷深入和發(fā)展，利用微生物生產(chǎn)的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、檸檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。這些產(chǎn)品的生產(chǎn)，采用開放式的發(fā)酵方式，生產(chǎn)過程較為簡單，對生產(chǎn)設(shè)備要求不高，規(guī)模一般不大，因此被稱為傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)。,(3)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)時(shí)期1928年，弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素能殺菌。青霉素的發(fā)現(xiàn)和工業(yè)化生產(chǎn)，給人們帶來巨大啟迪。不久，鏈霉素、金霉素、土霉素等相繼問世，從而興起了一個(gè)新的工業(yè)抗生素工業(yè)。生產(chǎn)抗生素的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備很快被引用到其他發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)上，極大地促進(jìn)了這些產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，從而形成了一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)。,20世紀(jì)50年代的氨基酸發(fā)酵工業(yè)，60年代的酶制劑工業(yè)，70年代的多糖、維生素發(fā)酵工業(yè)，70年代以后生物大分子發(fā)酵技術(shù)相繼誕生。這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)技術(shù)要求高(由于多為好氧純種發(fā)酵，需要通入無菌空氣和保持無菌條件)；生產(chǎn)規(guī)模大(用于青霉素生產(chǎn)的攪拌通氣發(fā)酵罐的體積達(dá)到500m3，單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)用的氣升式發(fā)酵罐已達(dá)到2000m3)；技術(shù)發(fā)展速度快。因此，菌種的生產(chǎn)能力大幅度提高，新產(chǎn)品、新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用達(dá)到前所未有的程度。,(4)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)時(shí)代現(xiàn)在人們可以將源于動物或植物，甚至源于人的基因轉(zhuǎn)移到諸如大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌等微生物中，獲得具有特殊生產(chǎn)能力的基因工程菌。由于基因表達(dá)的產(chǎn)物均為蛋白質(zhì)，因此在工業(yè)上利用基因工程菌大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，主要是用于治療各種疾病的藥物，又稱為基因工程藥物(如人胰島素、人干擾素、人生長激素等，大約有40多種)，同樣也可以用于不同目的的酶(比如用于將葡萄糖轉(zhuǎn)化為高果糖糖漿的葡萄糖異構(gòu)酶，用于生產(chǎn)青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗衣粉中的堿性蛋白酶等等)。除了利用基因工程開發(fā)新的產(chǎn)品外，利用基因工程對傳統(tǒng)發(fā)酵和現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)上使用的菌種進(jìn)行改造，也獲得了巨大成功。,知識點(diǎn)2發(fā)酵生產(chǎn)過程探秘與食品生產(chǎn),知識梳理,1.發(fā)酵,是利用在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。,2.原理,不同的微生物具有產(chǎn)生不同的能力。例如：谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn)；黃色短桿菌發(fā)酵可以生產(chǎn)。,微生物,代謝途徑,代謝產(chǎn)物,味精,賴氨酸,3.發(fā)酵過程,(1)選育菌種：可采用自然界選種、_育種、_育種等。(2)配制培養(yǎng)基：根據(jù)微生物的營養(yǎng)需要提供、氮源、無機(jī)鹽和水。(3)滅菌：培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備均需嚴(yán)格滅菌。(4)擴(kuò)大培養(yǎng)和接種：大規(guī)模生產(chǎn)中需要使達(dá)到一定數(shù)量；將菌種接種到培養(yǎng)基上，接種時(shí)防止雜菌污染。(5)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：要隨時(shí)檢測發(fā)酵進(jìn)程，要及時(shí)滿足需求，還要嚴(yán)格控制、pH、等發(fā)酵條件。,誘變,基因工程,碳源,生長因子,菌種,營養(yǎng),溫度,溶解氧,4.生產(chǎn)日常食品5.生產(chǎn)食品添加劑,(6)分離、提純產(chǎn)物：如果產(chǎn)品是菌體，可采用、沉淀等方法；如果產(chǎn)品是，可采用提取、和純化措施來獲得產(chǎn)品。如饅頭、面包、泡菜、等。如味精、醋、醬油等調(diào)味劑，各種食品營養(yǎng)增強(qiáng)劑，食品防腐劑，。,過濾,代謝產(chǎn)物,分離,腐乳,葡萄酒,食品色素,活學(xué)活用,1.19世紀(jì)初，德國一位科學(xué)家發(fā)明了微生物分離與純化技術(shù)，開創(chuàng)了人為控制微生物的時(shí)代。這位科學(xué)家是(),A.科赫B.施萊登C.施旺D.達(dá)爾文解析1905年德國微生物學(xué)家科赫建立了微生物的培養(yǎng)技術(shù)，故選A。答案A,2.1857年，微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理后才逐步形成了發(fā)酵工程，這位微生物學(xué)家是(),A.巴斯德B.拉馬克C.列文虎克D.科赫解析1857年，微生物學(xué)家巴斯德通過實(shí)驗(yàn)證明酒精是由活的酵母引起的，發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的原理。答案A,歸納總結(jié),1.好氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)的流程圖及其分析說明,(1)選育菌種根據(jù)微生物遺傳變異的特點(diǎn)，人們在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)試驗(yàn)出一套行之有效的微生物育種方法。主要包括自然選育、誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等。,(2)擴(kuò)大培養(yǎng),(3)配制培養(yǎng)基在菌種確定之后，要根據(jù)培養(yǎng)基的配制原則，選擇原料制備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基中應(yīng)包含微生物需要的營養(yǎng)物質(zhì)如碳源、氮源、生長因子、無機(jī)鹽和水等。配制培養(yǎng)基的原則：目的明確、營養(yǎng)物質(zhì)協(xié)調(diào)、pH適宜。如培養(yǎng)基中C/N比影響代謝：C/N4時(shí)，細(xì)菌繁殖較快；真菌在C/N10時(shí)，生長較快。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，C/N4時(shí)，菌體繁殖快、產(chǎn)物少；C/N3時(shí)，菌體繁殖慢、產(chǎn)物多。細(xì)菌適宜pH約為4.56.0。,(4)滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用單一菌種發(fā)酵，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌，并進(jìn)行無菌操作，一般采用高壓蒸汽滅菌法。(5)接種將多次擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種接入工業(yè)發(fā)酵罐中，菌種的體積與發(fā)酵罐的體積比約為110。,(6)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵發(fā)酵過程中，要隨時(shí)檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營養(yǎng)組分，以滿足微生物的營養(yǎng)需求。同時(shí)，要嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件。這是因?yàn)榄h(huán)境條件的變化，不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝產(chǎn)物的形成。(7)分離、提純產(chǎn)物將發(fā)酵液中的發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行分離純化，是制取發(fā)酵產(chǎn)品不可缺少的階段。產(chǎn)品不同，分離提純的方法也不同。如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離，干燥即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來獲得產(chǎn)品。,2.影響發(fā)酵的因素,(1)菌種發(fā)酵是利用微生物來生產(chǎn)產(chǎn)品，因此菌種至關(guān)重要?，F(xiàn)在工業(yè)上用于生產(chǎn)青霉素的微生物主要是青霉菌，生產(chǎn)味精的微生物是谷氨酸棒狀桿菌，生產(chǎn)檸檬酸的微生物主要是黑曲霉。這是因?yàn)槊恳环N微生物的代謝特征不同，它們產(chǎn)生特定產(chǎn)物的能力也不同。為了利用發(fā)酵生產(chǎn)所需的產(chǎn)物，不是隨便拿來一個(gè)菌種就行。直接從自然界分離到的微生物不一定具有生產(chǎn)特定產(chǎn)物的能力，須在實(shí)驗(yàn)室里對幾百株、數(shù)千株微生物進(jìn)行篩選。,(2)純種發(fā)酵與滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用純種發(fā)酵，可以保證高產(chǎn)及生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵，它會使發(fā)酵失敗，造成巨大損失。因此，滅菌和無菌操作成為發(fā)酵工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。(3)發(fā)酵培養(yǎng)基現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，多采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細(xì)胞生長、繁殖的需要，因?yàn)闆]有大量的細(xì)胞就不可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)物；但是細(xì)胞的過分生長會消耗大量的營養(yǎng)物，有時(shí)又會影響細(xì)胞的生產(chǎn)能力，會使產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產(chǎn)物。因此，培養(yǎng)基的組成十分關(guān)鍵。,(4)溫度對微生物生長的影響溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性來影響微生物的生命活動。一方面，隨著溫度的升高，細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)速度加快；另一方面，隨著溫度的進(jìn)一步升高，生物活性物質(zhì)(蛋白質(zhì)、核酸等)發(fā)生變性，細(xì)胞功能下降，甚至死亡。所以，每種微生物都有最適生長溫度。,(5)pH對微生物生長的影響培養(yǎng)基的pH對微生物生長的影響主要是引起細(xì)胞膜電荷變化，以及影響營養(yǎng)物離子化程度，從而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收；pH也會影響生物活性物質(zhì)，如酶的活性。與溫度對微生物的影響類似，微生物存在最低生長pH、最適生長pH和最高生長pH。不同微生物對環(huán)境pH適應(yīng)的范圍不同。一般微生物生長的最適pH在4.09.0范圍內(nèi)。真菌生長的范圍寬，細(xì)菌較窄(pH在3.04.0范圍內(nèi))，細(xì)菌、放線菌一般適應(yīng)于中性偏堿性環(huán)境，而酵母菌、霉菌適應(yīng)于偏酸性環(huán)境。,(6)溶氧的影響工業(yè)上大部分為好氧發(fā)酵，如抗生素、氨基酸、維生素、多糖、有機(jī)酸(細(xì)胞發(fā)酵生產(chǎn)乳酸例外)等發(fā)酵均需要往發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物生長代謝過程對氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細(xì)菌發(fā)酵為厭氧發(fā)酵，發(fā)酵過程不需要氧。發(fā)酵工程在食品工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛，主要包括以下三方面。生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品：如啤酒、果酒、白酒和食醋等，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)得到明顯的提高，特別是酒精飲料，是食品發(fā)酵工業(yè)中產(chǎn)量最大的一類產(chǎn)品。乳制品是僅次于酒精飲料的第二大食品發(fā)酵產(chǎn)品，其中酸奶是主要產(chǎn)品之一。,生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑(如下表)，改善了食品的品質(zhì)及色、香、味。,隨著人口的增長，糧食短缺已成為困擾人類的社會問題之一，而發(fā)酵工程的發(fā)展將為解決這一問題開辟新的途徑。研究表明，微生物中含有豐富的蛋白質(zhì)，如細(xì)菌的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的60%80%，酵母菌的蛋白質(zhì)含量占45%65%，而且它們生長繁殖的速度很快。許多國家通過發(fā)酵獲得大量的微生物菌體，這種微生物菌體就叫單細(xì)胞蛋白。單細(xì)胞蛋白用作飼料，能使家畜、家禽增重快，使產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。用酵母菌等生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白可作為食品添加劑。最近國外市場上出現(xiàn)的一種真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特點(diǎn)受到了消費(fèi)者的歡迎。,除以上所述，發(fā)酵工程在生產(chǎn)生物殺蟲劑、生物肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)物資以及在生物能源開發(fā)方面也發(fā)揮了重要作用。此外，發(fā)酵工程也應(yīng)用于生物冶金(如銅、鈾、鈷、錳等)。,