1、普 通 高 中 教 科 书生物学生物技术与工程生物学选择性必修3生物技术与工程普通高中教科书生物学选择性必修 3生物技术与工程上海科学技术出版社SHENGWUXUE上海科学技术出版社绿色印刷产品绿色印刷产品选择性必修 3定价 : 10.10 元生物学选择性必修 3普通高中教科书生物技术与工程上海科学技术出版社主编：赵云龙周忠良本册主编：张惠展编写人员：（以姓氏笔画为序）马昱澍李竹青何俊民高红亮鲍晓云责任编辑：杨硕吴玥美术设计：蒋雪静普通高中教科书生物学选择性必修 3生物技术与工程上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版上海世纪出版 ( 集团 ) 有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州
2、南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷当纳利（上海）信息技术有限公司版 次2021 年 3 月第 1 版印 次2021 年 3 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张8字 数160 千字书 号ISBN 978-7-5478-5299-6/G1037定 价10.10 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话： 12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于
3、支付报酬事宜可及时与出版社联系。细胞工程 33第 1 节第 2 节第 3 节利用植物细胞工程培育新植株探究 实验 2-1 月季的快速繁殖利用动物细胞工程改良动物细胞探究 活动 2-2 收集单克隆抗体的应用实例利用胚胎工程快速繁育优良动物品种发酵工程 1344357目录获得纯种微生物是发酵工程的基础 探究 实验 1-1 酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制探究 实验 1-2 酵母的分离和纯化探究 实验 1-3 土壤中分解尿素细菌的分离与计数发酵工程为人类提供多样化生物产品探究 实验 1-4 果酒和果醋的制作探究 实验 1-5 酸奶的制作探究 活动 1-6 虚拟仿真：发酵条件对微生物发酵的影响第 1 节第
4、 2 节21568123947171924第章第章121转基因产品的安全性引发社会广泛关注探究 活动 4-1 辩论：转基因食品是否安全？生殖性克隆人带来诸多伦理问题探究 活动 4-2 讨论：你是否支持设计试管婴儿？全面禁止生物武器基因工程 65第 1 节第 2 节第 3 节基因工程赋予生物新的遗传特性基因工程是一种重组 DNA 技术探究 建模 3-1 模拟限制性内切核酸酶的切割作用探究 实验 3-2 DNA 的提取和鉴定探究 实验 3-3 PCR 扩增 DNA 的原理和操作探究 建模 3-4 模拟 DNA 分子重组探究 实验 3-5 PCR 扩增产物的凝胶电泳鉴定蛋白质工程是基因工程的延伸生物
5、技术安全与伦理 103第 1 节第 2 节第 3 节6673891041111157579818386109113第章第章3421 第 节第 章1发酵工程新鲜的泥土有一种特别的土腥味，散发这种土腥味的微生物可以生产一种抗生素链霉素，用于治疗曾肆虐人类几千年的肺结核；从甜瓜上的一个霉斑可以找到生产另一种抗生素青霉素的微生物，这些抗生素的发现和使用极大地增强了人类抵抗细菌性感染的能力微生物为人类的生存和发展作出了巨大的贡献。那么，如何从自然环境中分离得到生产特定抗生素的微生物？抗生素又是如何在工厂中大规模生产的？这主要是利用了现代生物工程技术中的发酵工程技术。传统发酵主要利用微生物制作各种酸奶和泡
6、菜等食品；而现代发酵则利用自动化控制和工程化技术体系大规模生产抗生素、蛋白质药物和燃料乙醇等各类产品。发酵工程技术在食品、医药、资源与环境保护等领域有着越来越广泛的应用。12发酵工程第 1 章抗生素的生产菌种青霉素是人类最早发现的抗生素，现在抗生素的种类已达数千种，临床上常用的也有上百种。这些抗生素都是由不同种类的微生物产生的。表 1-1一些微生物生产的抗生素及菌种特征抗生素生产菌种菌种主要特征青霉素产黄青霉菌、点青霉菌霉菌常见于变质的面包、奶酪和水果上，大多为专性好氧的真核微生物灰黄霉素灰黄青霉菌头孢霉素 C头孢霉菌链霉素灰色链霉菌 链 霉 菌 是 一 种 放 线菌，主要分布在含水量较低、有
7、机物较丰富和呈微碱性的土壤中，多为好氧的原核微生物卡那霉素卡那霉素链霉菌利福霉素地中海链霉菌土霉素龟裂链霉菌制霉菌素诺尔斯链霉菌井冈霉素吸水链霉菌思考与讨论：1. 欲大量生产抗生素，就要大规模培养对应菌种的微生物，微生物的培养需要满足哪些条件？2. 自然界中的微生物种类繁多，而且常常生活在一起，如何才能分离得到生产所需的纯种微生物？第 节获得纯种微生物是发酵工程的基础1带有酸味的醋、含苦味的啤酒、气味芳香的白酒，都是由谷物发酵而来，却能形成口味截然不同的产品，这都源于微生物的奇妙作用。人们利用微生物发酵制作食品的历史悠久，在此基础上发展而来的发酵工程技术则利用微生物大规模生长和代谢活动生产出更
8、多有价值的产品。微生物是发酵工程的灵魂，不同产品的发酵生产需要使用不同来源、不同种类的微生物。让我们从认识生产抗生素的微生物开始，逐步了解发酵工程。学习目标归 纳 和 概 括 微 生 物 所需 营 养 物 质 和 生 长 条件，进一步形成结构与功能等生命观念，并能基 于 这 些 观 念 设 计 合适 的 培 养 基， 选 择 合适的培养和计数方法，有 目 的 地 培 养 纯 种 微生物。归 纳 和 概 括 无 菌 技 术对 微 生 物 研 究 和 发 酵的 影 响， 阐 释 无 菌 技术的方法和应用。关注微生物特定功能在生产和生活中的应用。概念聚焦根 据 培 养 微 生 物 的 目的，可以有针
9、对性地设计培养基。分离和纯化微 生 物 常 用 平 板 划 线法和稀释涂布平板法。无菌技术是保障获得纯种微生物的关键技术。3获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节1 培养基为微生物提供所需营养物质微生物需要的营养物质在我们生活的周围，处处都有微生物在繁衍生息。微生物个体微小，在自然界中常常是多种微生物生活在一起。因此，分离、纯化和培养微生物是研究和利用微生物的前提。微生物的生存和生长依赖于适宜的营养物质和生长环境。培养基是一种由人工配制的适合微生物生长、繁殖并产生代谢产物的营养基质。只有了解微生物所需的营养物质和生长条件，才能设计出满足微生物培养需求的培养基。以微生物发酵生产维生素 B2的一
10、种培养基配方为例， 微生物所需的营养物质一般包括碳源、 氮源、 生长因子、无机盐和水等（图 1-1） 。图 1-1 微生物生长所需的营养物质水水是微生物生长和代谢必不可少的营养物质。生长因子生长因子通常是指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、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。酵母浸粉、牛肉浸膏或植物组织提取液等天然物质中含有不同的生长因子。某些微生物的生长不需要生长因子。该培养基中的生长因子由玉米浆提供。碳源碳源物质在细胞内经过一系列复杂的化学变化后，成为微生物自身的结构物质和代谢产物。自养微生物能够利用 CO2为唯一或主要碳源，异养微生物则利用葡萄糖、蔗糖
11、、麦芽糖、淀粉和纤维素等有机碳源。葡萄糖、大豆油和甘油是该培养基中的碳源。氮源氮源物质主要用于合成细胞中的蛋白质、核酸等，一般包括蛋白质及其不同程度的降解产物，如蛋白胨（多肽混合物） 、氨基酸，以及尿素、铵盐、硝酸盐等。该培养基中的氮源由酪蛋白和玉米浆提供。无机盐无机盐一般有磷酸盐、硫酸盐、氯化物以及含钠、钾、钙、镁等元素的化合物。此外，还需要锌、锰、钼、铁、铜等微量元素。微量元素往往存在于天然有机物、自来水等物质中，一般不需要特别添加。该培养基中的 KH2PO4是微生物生长和代谢所需要的无机盐。维生素 B2发酵的一种培养基配方4发酵工程第 1 章? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
12、图 1-2 培养基的不同分类选用或设计培养基首先要考虑选择适宜的营养物质。由于微生物具有不同的营养类型， 对营养物质的要求也各不相同， 且不同微生物生长、 繁殖和代谢产物积累所需的 pH 也不相同。因此， 必须根据各种微生物的特点及实验目的选用合适的培养基。培养基的类型根据成分来源、物理状态和基本用途，可对培养基进行不同的分类（图 1-2） 。用于工业生产的发酵培养基的原料还应具备来源丰富、价格低廉、质量稳定等特点。例如，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖和淀粉水解物等，常用的氮源有玉米浆、黄豆饼粉和各种蛋白水解物等。微 生 物 的 生 长 还 需 要能 源。 葡 萄 糖、 淀 粉等 碳 水 化 合 物
13、 可 作 为异 养 微 生 物 的 能 源。对 于 不 能 固 氮 的 微 生物 来 说， 蛋 白 质 同 时具 有 氮 源、 碳 源 和 能源三种功能。学习提示5获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节2 无菌技术是微生物研究和发酵工程的基础在微生物发酵培养中，一般使用的是经过分离筛选获得的纯种微生物，全过程不能有杂菌污染，而且所用的微生物也不允许污染环境。这种防止纯种微生物被其他微生物污染，且自身也不污染操作环境的技术称为无菌技术。无菌技术贯穿于微生物分离、纯化、接种、培养及菌种保藏的整个过程。借助于不同的灭菌和消毒手段，可不同程度地减少或完全杀灭环境中的微生物，确保微生物研究和生产顺利进
14、行。灭菌是采用强烈的理化条件使物体内外的一切微生物（包括芽孢）丧失其生长繁殖能力的措施。相比之下，消毒则采用较温和的理化条件，仅杀死物体内外一部分对人体或动植物有害的病原菌，但对被消毒的对象基本无害。常用的灭菌方法有高温灭菌、过滤除菌和辐射灭菌等。高温灭菌适用于耐热物品，常用的方法有高压蒸汽灭菌、干热灭菌等。干热灭菌包括火焰灼烧和烘箱干燥灭菌。而含有热敏感物质（如尿素）的培养基以及好氧发酵所需的无菌空气则常用过滤除菌（图 1-3） 。过滤除菌是将含菌的液体或气体通过高温灭菌的过滤介质，阻截其中的微生物，以达到除菌的目的。辐射灭菌是利用电离辐射或紫外辐射等杀灭微生物的方法。紫外辐射一般用于对物体
15、表面和空气的灭菌，如超净工作台内部和无菌室等。图 1-3 过滤器和滤芯某 些 细 菌 产 生 的 芽 孢具 有 高 度 抗 热 且 很 难被 化 学 物 质 或 辐 射 破坏 的 特 性， 这 可 使 细菌 度 过 极 端 温 度、 干旱 或 营 养 物 质 匮 乏 的时期。学习提示蛋白质是微生物细胞的重要成分，是生命活动的关键物质。高温可使蛋白质变性，从而达到消灭微生物的目的。在实验室里，将待灭菌的物品放置在盛有适量水的高压蒸汽灭菌锅内（图 1-4） ，通过加热使锅内的水沸腾而产生蒸汽。待水蒸气将锅内的冷空气驱尽后，继续加热使锅内的气压逐步上升，温度也随之升到 100 以上，导致菌体蛋白质变
16、性凝固，从而达到灭菌的目的。当表压为0.1 MPa 时，温度可达 121 ，一般维持 20 30 min，即可杀死一切微生物及其孢子或芽孢，这也成为培养基的常规灭菌条件。高压蒸汽灭菌广角镜图 1-4 手提式高压蒸汽灭菌锅6发酵工程第 1 章1-1酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制探究实验你能想象德国科学家科赫（R. Koch）最早是用马铃薯片作为固体培养基培养细菌吗？之后，他又采用明胶作为培养基的凝固剂，但明胶容易融化。后来，科赫采用了助手建议的琼脂作为凝固剂，效果理想，从而沿用至今。从马铃薯片到琼脂的应用，科学家们发明的固体培养基使得研究人员可将目标微生物从“混居”环境中分离出来。实验目标：学习和
17、掌握配制培养基的一般方法和步骤。为了确保微生物实验操作过程中不污染杂菌，还需要人为提供一个无菌区域（图 1-5） 。进行微生物实验操作时，操作者的衣着和手需进行清洁和消毒；实验结束时，也一定要洗手，以防止被微生物感染。使用后的培养基丢弃前，一定要进行灭菌处理，以免污染环境。图 1-5 常见的无菌操作室? ? ?75% ? ? ? ? ? ? ? ?7获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节图 1-6 倒平板示意图实验原理：培养基一般含有微生物所必需的营养物质。酵母浸粉胨葡萄糖培养基中的葡萄糖主要提供碳源，蛋白胨和酵母浸粉主要提供氮源和生长因子。该培养基常用于酵母的培养。材料器具：烧杯、250
18、mL 三角烧瓶、三角烧瓶塞、量筒、培养皿、玻璃棒、牛皮纸、纱布、线绳、精密 pH 试纸、酒精灯、火柴、记号笔、1 mol/L NaOH 溶液、1 mol/L HCl 溶液、可加热的磁力搅拌器、天平、灭菌锅、注射器、无菌过滤器、超净工作台等。实验步骤：1. 称 量：参 照 表 1-2， 称 量 配 制 500 mL YPD 培 养 基所 需 的 酵 母 浸 粉 5 g、 蛋 白 胨 10 g、 琼 脂 10 g。 单 独 配 制20% 葡萄糖溶液 50 mL，备用。2. 溶 解：在 烧 杯 中 加 入 酵 母 浸 粉 和 蛋 白 胨， 并 加 入 约250 mL 蒸馏水，搅拌均匀，在磁力搅拌器上
19、加热溶解后，再加入琼脂并使之熔化。加热过程中需控制温度，并用玻璃棒不断搅拌。待琼脂充分熔化后，停止加热，补水至 450 mL。3. 调整 pH：用 1 mol/L NaOH 溶液或 1 mol/L HCl 溶液将 pH 调至 6.5。4. 分装：将烧杯中的培养基趁热倒入 250 mL 三角烧瓶中，每瓶加量约 90 mL，注意不要把培养基沾到瓶口。用瓶塞和牛皮纸包扎封口。5. 灭菌：将上述培养基与洗净、干燥并包扎好的培养皿一起放入灭菌锅于 121灭菌 20 30 min。6. 倒平板：在超净工作台中，将葡萄糖溶液用无菌过滤器除菌后，加入冷却至 50左右的培养基中（每 90 mL 培养基加入 10
20、 mL） 。混匀后，右手持三角烧瓶，左手将瓶塞拔出并用小拇指夹住，瓶口保持对着酒精灯火焰。然后，左手拿培养皿，将皿盖在火焰附近打开一缝，用酒精灯火焰迅速烧瓶口后，往培养皿中倒入约 15 mL 培养基（图 1-6） 。加盖后小心晃动培养皿，使培养基均匀分布在培养皿底部。最后，将培养皿平置于台面上，待凝固后即为平板。结果分析：1. 通过什么证据可判断你制作的培养基平板没有被污染？2. 培养基平板若出现冷凝水，会对微生物的分离纯化产生什么影响？在本实验过程中，你是采取什么方法来防止冷凝水出现的？表 1-2 酵母浸粉胨葡萄糖（YPD）培养基配方（1 L）酵母浸粉10 g蛋白胨20 g葡萄糖20 g琼脂
21、20 g蒸馏水1 L8发酵工程第 1 章3 分离和纯化微生物常用平板划线法和稀释涂布平板法自然环境中的微生物常常是混杂在一起的，因此要对其中某种微生物进行研究，就必须获得纯种培养物，以排除其他微生物的干扰。从混杂的微生物群体中，获得只含有某一种或某一株微生物的过程，称为微生物的分离和纯化，常用平板划线法和稀释涂布平板法（图 1-7） 。图 1-7 平板划线法和稀释涂布平板法示意图及其说明? ? ? ? ?1-2酵母的分离和纯化探究实验固体培养基发明后不久，科学家分离出了酿酒酵母，建立了酵母纯种培养方法。纯种酵母被用于酿酒业，使酒的产量和质量有了可靠的保障。可见，分离和纯化微生物是利用微生物资源
22、的重要手段。9获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节实验目标：1. 学会平板划线法和稀释涂布平板法的操作方法。2. 学会观察与区分平板划线法和稀释涂布平板法的实验结果。实验原理：通过平板划线法和稀释涂布平板法，使微生物在固体培养基上生长，形成由单个细胞繁殖而成的单菌落，从而可以挑取这种单菌落获得纯种培养物。材料器具：酵母液、接种环、涂布棒、移液器、0.1 mL 和 1 mL 无菌移液器吸头、酒精灯、火柴、试管、试管架、超净工作台、酵母浸粉胨葡萄糖培养基平板、生理盐水、75% 酒精、烧杯、记号笔、恒温培养箱等。实验步骤：一、微生物的平板划线1. 点燃酒精灯，将接种环在火焰上灼烧灭菌（图 1-8
23、） 。2. 拔掉盛有酵母液的三角烧瓶塞，使三角烧瓶口迅速通过 火 焰 后， 将 冷 却 的 接 种 环 伸 入 酵 母 液 中 蘸 取 一 环 酵 母 液，再次将三角烧瓶口通过火焰后塞上瓶塞。3. 小心揭开培养皿盖，以能使接种环轻松进入为宜。将接种环上的酵母液在平板边缘的一块区域连续划“之”字线，然后烧去接种环上的残余菌液，待冷却后，从第 1 区域划线的末端开始往第 2 区域内划线，继续在第 3 区域内重复以上操作。划线时一定要轻，不要划破培养基（图 1-9） 。二、微生物的稀释涂布1酵母液的稀释（1）取 6 支试管，分别加入 9 mL 生理盐水后封口，按101106的顺序编号，灭菌。（2）用
24、移液器吸取 1 mL 酵母液，注入 101倍稀释的试管中，混合均匀。（3） 从 101倍 稀 释 的 试 管 中 吸 取 1 mL 稀 释 液， 注 入102倍稀释的试管中，混合均匀。依此类推，直到完成最后一支试管 106倍的稀释（图 1-10） 。图 1-8 接种环的灭菌示意图图 1-9 划线方法示意图 1 2 3 10发酵工程第 1 章2. 涂布方法（1）将涂布棒浸在盛有 75% 酒精的烧杯中。（2）用移液器吸取 0.1 mL 稀释倍数为 104倍的酵母液，滴加到培养基平板表面的中央。（3）取出沾有少量酒精的涂布棒快速穿过火焰，待酒精燃尽后，冷却几秒钟。（4） 用 涂 布 棒 将 酵 母
25、液 均 匀 地 涂 布 在 整 个 平 板 的 表 面，确保整个平板的表面都被覆盖。（5）另取培养基平板，重复上述操作，分别涂布 105和106两个稀释倍数的酵母液。三、微生物的培养和菌落的观察将划线和涂布后的平板以及一个未涂布的平板都置于 30 恒温培养箱中，倒置培养 24 h 和 48 h 后，分别观察并记录结果。结果分析：1. 平板划线法和稀释涂布法培养的结果有何异同？2. 采用什么措施能确保获得单菌落？不同微生物在特定培养基上生长、繁殖所形成的菌落特征有很大差异。而同一种微生物在一定条件下培养，其特征往往有一定的稳定性，由此可以对不同微生物加以鉴别。菌落特征是衡量菌种纯度、辨认和鉴定菌
26、种的重要依据。菌落特征取决于组成菌落的细胞结构和生长行为。特征描述一般包括：菌落的大小、形态、颜色、透明度、隆起状态、边缘特征等（图1-11） 。菌落形态大小也受到邻近菌落的影响。菌落靠得太近，则有限的营养物质、有害代谢物的分泌与积累使菌落生长受到抑制。此外，培养时间的长短也会影响菌落应有特征的表现。根据菌落特征区分微生物广角镜图 1-11 各种菌落图 1-10 稀释操作示意图金黄色葡萄球菌枯草芽孢杆菌阿维丁链霉菌酿酒酵母11获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节图 1-12 样品的稀释和稀释液的取样培养流程示意图4 测定微生物数量可间接了解微生物的生长状况微生物的生长与繁殖分别表现为细胞物
27、质的增加和细胞数量的增加。测定微生物细胞数量可以间接了解微生物的生长状况，常用方法是稀释涂布平板法和显微镜计数法。稀释涂布平板法也可以用来进行活菌计数。该方法将待测菌液经适当稀释，涂布在平板上，经培养形成菌落后，统计菌落数。由于一个单菌落是由原样品中一个活的菌体细胞生长繁殖而成，因此，通过统计菌落数并根据其稀释倍数和取样量，可换算出单位样品中的活菌数（图 1-12） 。为了保证结果准确，一般选择菌落数在 30300 的平板进行计数。显微镜计数法是利用血细胞计数板在显微镜下直接观察微生物细胞并进行计数的方法。计数时，将菌液充满计数室，通过对微生物数量的读取，计算原菌液中的微生物数量。该方法具有直
28、观、简便和快速的优点，适用于个体相对较大的酵母细胞和霉菌孢子等微生物的计数。但是，这种方法测得的是所有细胞的总数，不能区别死细胞或活细胞；对运动能力强的活细胞也难以计数。12发酵工程第 1 章1-3土壤中分解尿素细菌的分离与计数探究实验土壤是微生物生活的大本营，一些微生物的生命活动增加了土壤的肥力。因此，土壤是寻找和发现有应用潜力的微生物的重要来源。尿素是农业上一种常用的氮肥，但是农作物不能直接利用尿素，只有脲酶将尿素分解成氨之后，才能被农作物利用。土壤中的脲酶是由一类能分解尿素的细菌产生的。实验目标：学会从土壤中分离得到分解尿素细菌的方法；通过计数，统计 1 g 土样中分解尿素细菌的数量。实
29、验原理：若培养基中唯一的氮源是尿素，那么只有能合成脲酶的细菌才能分解尿素，以尿素作为氮源。无法合成脲酶的其他微生物则由于缺乏氮源而不能生长、繁殖。所以，用这种选择培养基就能从土壤微生物中分离出分解尿素细菌。材料器具：土 壤 样 品、 烧 杯、 量 筒、250 mL 和 100 mL 三 角 烧瓶、三角烧瓶塞、15 mm150 mm 试管、试管架、培养皿、玻 璃 棒、 涂 布 棒、 移 液 器、0.1 mL 无 菌 移 液 器 吸 头、 酒 精灯、牛皮纸、线绳、精密 pH 试纸、火柴、无菌水、1 mol/L NaOH 溶液、1 mol/L HCl 溶液、记号笔、过滤除菌器、可加热的磁力搅拌器、天
30、平、振荡器、恒温培养箱、超净工作台等。实验步骤：一、配制培养基1. 参 照 表 1-3， 配 制 500 mL LB 琼 脂 培 养 基， 灭 菌，制作平板。2. 参照表 1-4，配制 500 mL 尿素琼脂培养基，灭菌后待冷却至 60 时，加入过滤除菌后的 10 mL 尿素溶液（内含 0.5 g 尿素） ，摇动，混合均匀后，制作平板。二、制备细菌悬液在无菌条件下，将 10 g 土样加到有 90 mL 无菌水的三表 1-4 尿素琼脂培养基配方（1 L）葡萄糖10.0 g尿素1.0 gKH2PO41.4 gNa2HPO42.1 gMgSO4 7H2O0.2 g琼脂20.0 g蒸馏水1 L尿素需要
31、单独过滤除菌；配制完成后，将 pH 调至 7.2表 1-3 LB 琼脂培养基配方（1 L）胰蛋白胨10.0 g酵母浸粉5.0 gNaCl10.0 g琼脂20.0 g蒸馏水1 L配制完成后，将 pH 调至 7.013获得纯种微生物是发酵工程的基础第 1 节角烧瓶中，振荡 10 min，即成 101倍土壤稀释液。依次用试管稀释制备 102、103、104、105稀释倍数的土壤稀释液。取样时，尽量只取悬液。三、微生物的涂布取 103、104和 105倍土壤稀释液各 0.1 mL，分别加到LB 琼脂培养基平板和尿素琼脂培养基平板上，用涂布棒将菌液涂布到整个培养基平板上。四、微生物的培养、观察和计数1.
32、 将平板倒置于 37 恒温培养箱中培养 2448 h。观察和统计两种培养基平板上的菌落数。2. 根据平均菌落数推算样品中分解尿素细菌的数量：每克样品中的菌株数 =（CV）M其中：C 表示某一稀释倍数下平板上生长的平均菌落数；V 表示涂布平板上所用的稀释液的体积；M 表示稀释倍数。结果分析：1. 两种培养基平板的菌落数量有何差异？为什么会出现这种差异？2. 若培养基平板上的菌落数太少，或是太多，对计算活菌数量有何影响？拓展探究：如果本实验使用同一取样地一年中不同时段收集的土壤，或者同一时间收集不同地区的土壤，会出现怎样的结果？想想看，如何征集这样的“土壤细菌大数据”？你能从中挖掘出哪些更有趣的结
33、果？1. 橘子、草莓等水果放久了，其表面就可能长出灰白色、黄色或绿色的霉斑，由此可初步判断水果已被霉菌污染。（1） 霉菌生长所需的碳源物质可能有哪些？（2） 若接种水果上的霉菌并培养，则表1-5 中操作步骤正确的是。自我评价表 1-5操作步骤序号器材灭菌方法培养皿75% 酒精擦拭菌种稀释液紫外线照射接种环火焰灼烧培养基平板高压灭菌14发酵工程第 1 章（3） 用平板划线法和稀释涂布平板法分别接种霉菌于同种培养基上，培养相同时间得到菌落。下列关于两者菌落的描述，正确的是（） 。A. 数量基本一致 B. 特征基本一致C. 分布均匀程度一致 D. 聚集成菌苔的程度一致2. 土壤中微生物的种类繁多，有
34、些是对人类有益的微生物，如能分解尿素的细菌和分解纤维素的细菌，人类将其从土壤中分离出来后可应用于生产实践。表 1-6 显示了分离土壤中微生物的两种培养基配方，其中水解酪素是酪蛋白的水解产物。（1） 就微生物需要的营养物质而言，甲培养基中有哪类营养物质？（2） 根据物理状态，甲培养基与乙培养基分别属于何种培养基？（3） 若要分离土壤中的纤维素分解菌，应选择哪种培养基？试设计一个对照实验，说明选择培养基的作用。（4） 纤维素分解菌能够分泌纤维素酶，从而分解纤维素。经分离和纯化的纤维素分解菌在生产和生活中有哪些应用？写出一项应用，并阐述理由。表 1-6培养基配方甲培养基配方乙培养基配方葡萄糖10.0
35、 g纤维素粉0.5 g尿素1.0 g酵母浸粉0.5 gKH2PO41.4 g水解酪素5.0 gNa2HPO42.1 gNaNO31.0 gMgSO4 7H2O0.2 gNa2HPO41.2 g琼脂20.0 gKH2PO40.9 g蒸馏水1 LMgSO4 7H2O0.5 gKCl0.5 g蒸馏水1 L3. 淀粉经过多种淀粉酶水解后可以生成葡萄糖。葡萄糖是一种重要的工业原料。淀粉酶产生菌的主要来源是土壤。已知某种淀粉酶产生菌能在 55 生长，最适生长 pH为 7.0 8.0。试设计一个从土壤中筛选此种淀粉酶产生菌的方案。15发酵工程为人类提供多样化生物产品第 2 节酱油的制作醋、酱油、味精是厨房必
36、备的调味品，你知道它们都是发酵而来的吗？通过图 1-13，你可以初步了解酱油的制作过程。思考与讨论：1. 根据已有知识分析，米曲霉在发酵制酱曲的过程中起了什么作用？2. 在发酵池发酵制酱醅的过程中，必须控制哪些条件才能满足乳酸菌和酵母的发酵？3. 为什么大豆、小麦等原料经过发酵，能产生酱油特有的鲜味？第 节发酵工程为人类提供多样化生物产品2传统发酵以生产食品为主，现代发酵产品则涉及人们生产与生活的方方面面，如减少白色污染的可降解塑料聚乳酸、缓解能源危机的燃料乙醇、防治疾病的抗生素和疫苗发酵工程是利用微生物的生命活动大量生产人们所需产品的工程技术体系。人们逐渐掌握了发酵过程中微生物细胞积累代谢产
37、物的规律和特征，可以有效地控制发酵过程。随着发酵过程中工程化体系和自动化控制系统的快速发展，发酵工程正为人类提供越来越多样的生物产品。让我们从传统发酵食品开始，深入认识造福人类的发酵工程吧。学习目标结合微生物发酵的实例，基于结构与功能、物质与能量等观念，阐明现代发酵技术的基本原理。在制作发酵食品、模拟发酵过程调控等探究过程中，记录和分析微生物发酵过程的动态变化，阐释微生物发酵的调控过程。关注发酵工程产品的应用，能对发酵技术在生产、生活中的应用提出初步构想。概念聚焦运用传统发酵技术可以生产果酒、酸奶等食品。微生物的菌种筛选及其生长代谢调控是发酵工程的基础。图 1-13 酱油制作工艺流程图大豆、小
38、麦、麦麸、米曲霉米曲霉发酵制酱曲发酵池发酵制酱醅浸出法提取酱油酵母、乳酸菌高浓度食盐水酱油16发酵工程第 1 章1 运用传统发酵技术生产多种食品酿酒是最传统的发酵技术之一，我国早在 4 000 年前的龙山文化时期，就出现了黄酒酿造技术。在长期的生活实践中，人们又逐渐掌握了制作酱油、泡菜、酸奶、奶酪和果酒等传统发酵技术。传统发酵以自然发酵工艺为主，生产过程难以精确控制，主要依靠操作者的经验判断。至今，传统发酵技术仍然应用于很多食品的生产。果酒和果醋很早以前，人类就发现熟透或刚开始腐烂的果子会发出醉人的香味。随着经验的积累，人类逐渐掌握了制作果酒的技术。公元前 3 000 年左右，埃及金字塔的壁画
39、就记载了葡萄采摘和葡萄酒的酿造过程（图 1-14） 。19 世纪中期，法国科学家巴斯德（L. Pasteur）指出，酵母在葡萄酒制作过程中起关键作用，并发现葡萄酒变酸是由于细菌的污染。如果把酒加热到 62 ，保持 30 min，就能杀死其中的微生物，这种方法就是著名的“巴氏消毒法” 。果酒是以新鲜水果或果汁为原料、经酵母发酵而成的、含有一定酒精的发酵酒。果酒在发酵过程中发生了一系列复杂的生化反应，最终形成果酒独特的风味和色泽。图 1-14 记载葡萄采摘及葡萄酒酿造过程的埃及金字塔壁画巴 氏 消 毒 法 是 一 种 低温 杀 菌 法， 主 要 用 于杀死液体中的病原菌，具 体 的 杀 菌 温 度
40、 和 时间 需 要 按 照 杀 菌 对 象和 它 所 含 微 生 物 的 不同来确定。学习提示17发酵工程为人类提供多样化生物产品第 2 节图 1-15 制作果酒和果醋的流程示意图果醋是在果酒基础上，进行醋酸发酵酿制而成的饮料醋（图 1-15） ，兼具水果和醋的香味。果醋中含有机酸、氨基酸、醇类及多种维生素等成分，营养丰富。1-4果酒和果醋的制作探究实验我国水果资源非常丰富，从汉代开始就有果酒生产的相关记载，包括枸杞酒、梅子酒、大枣酒等。果酒以其独特的风味受到人们的喜爱。实验目标：掌握果酒和果醋的制作原理；学习果酒和果醋的制作方法。实验原理：果酒的制作利用了酵母在有氧和无氧条件下的不同生理过程
41、。在有氧条件下，酵母将有机物彻底分解为二氧化碳和水， 大 量 繁 殖；在 无 氧 条 件 下， 则 进 行 酒 精 发 酵。 果 醋 是 在果酒基础上，利用醋酸菌进行发酵酿制而成。醋酸菌是好氧菌，在氧气充足条件下，可将果酒中乙醇转化为乙醛，再将乙醛转化为醋酸。材料器具：新鲜、成熟的葡萄或苹果等水果、培养好的酿酒酵母和醋酸菌、烧杯、广口瓶、三孔胶塞、温度计、纱布、硅胶管、止水夹、过滤器、榨汁机、可加热的磁力搅拌器、玻璃酒精计、pH 计、玻璃瓶等。18发酵工程第 1 章实验步骤：一、果酒的制作1. 将去梗的水果洗净后捣碎，用榨汁机榨汁，或用纱布滤出果汁。2. 将 果 汁 迅 速 倒 入 灭 过 菌
42、 的 发 酵 瓶 内（ 图 1-16） ， 留出 1/3 的 空 间， 按 照 10% 的 体 积 比 加 入 酵 母 培 养 物， 塞 好瓶 塞， 夹 紧 进 气 管 和 出 气 管， 在 1825 条 件 下 厌 氧 发 酵1012 d。发酵期间通过打开出气管，间或放气几次。3. 待发酵结束后，用玻璃酒精计检测酒精含量。果酒的酒精度一般在 15 以下。4. 将酒液过滤，装入经消毒的玻璃瓶中，完成果酒的制作。5. 记录果酒的色泽、香气等特征。二、果醋的制作1. 将 制 作 好 的 果 酒 按 照 10% 的 体 积 比 加 入 醋 酸 菌 液，塞 好 瓶 塞。 打 开 进 气 管 和 出 气
43、 管， 在 3035 条 件 下 发 酵34 d。2. 待发酵结束后，用 pH 计测定果醋的 pH。果醋的 pH一般约为 3。3. 记录果醋的外观、香气等特征。结果分析：1. 与表 1-7 列出的果酒鉴定指标作比较，看看你制作的果酒是否成功？2. 在制作果酒和果醋的过程中，你认为可以从哪些方面防止产物被污染？酸奶酸奶是以牛奶为主要原料，经乳酸菌发酵生产的一种具有较高营养价值的特殊风味产品。用于酸奶发酵的乳酸菌主要是德氏乳杆菌保加利亚亚种和唾液链球菌嗜热亚种。发酵过程中，牛奶中的糖类、蛋白质被分解成更易消化和吸收的小分子物质，还可产生多种维生素。同时，由于乳酸菌可将牛奶中的乳糖转化成乳酸，因此，
44、酸奶还适合乳糖不耐受的人群饮用。图 1-16 发酵瓶装置示意图表 1-7果酒鉴定指标色泽具有原果实的真实色泽， 清 亮 透 明， 无 明显悬浮物，无沉淀香气具有原果实特有的香气和浓郁的果酒香19发酵工程为人类提供多样化生物产品第 2 节1-5酸奶的制作探究实验19 世 纪， 俄 国 科 学 家 梅 契 尼 可 夫（I. Mechnikov） 研究发现，保加利亚的很多百岁老人很喜欢吃一种用牛奶发酵而成的、味道酸酸的“小零食” 。梅契尼可夫从中分离出了使牛奶变酸的乳酸杆菌，并指出该菌在人体的肠道内可以抑制有害菌的繁殖，从而逐渐引发人们对酸奶的关注。实验目标：掌握酸奶的制作方法；了解微生物在生产实践
45、中的应用。实验原理：乳酸菌在发酵过程中产生乳酸，乳酸可以使牛奶中的蛋白质凝固，同时产生酸奶独特的风味物质。材料器具：优质全脂奶粉或新鲜牛奶、蔗糖、新鲜优质酸奶或市售酸奶菌粉（含活菌） 、250 mL 三角烧瓶、恒温水浴锅、恒温培养箱、冰箱等。实验步骤：1. 原 料 配 制：将 30 g 全 脂 奶 粉 加 入 三 角 烧 瓶 中， 再 加5 g 蔗 糖 和 70 mL 蒸 馏 水；或 在 100 mL 新 鲜 牛 奶 中 加 入5 g 蔗糖，摇匀，用封口膜封好三角烧瓶的瓶口。2. 消 毒：将 上 述 三 角 烧 瓶 置 于 8590 的 恒 温 水 浴 锅中消毒 15 min，注意要将瓶中液体
46、部分完全浸没在热水中，并不时摇动。3. 冷却：将消毒好的三角烧瓶用冷水冲洗其外壁，冷却至 45 左右。4. 接 种：开 启 封 口 膜， 按 约 10% 比 例 将 新 鲜 酸 奶 作 为菌种或按 0.1%1% 的比例将酸奶菌粉接入冷却后的原料中，充分搅匀，封好封口膜。5. 保 温：将 接 种 后 的 原 料 置 于 4042 的 恒 温 培 养 箱中保温 46 h（具体时间视凝乳速度而定） ，待凝固后从恒温培养箱中取出，停止发酵。6. 后熟：已形成凝固态的酸奶在 4 左右的低温下保持1224 h。20发酵工程第 1 章7. 感官评定：记录酸奶的色泽、组织状态、气味和滋味等特征。结果分析：1.
47、 好的酸奶外观色泽均匀一致，呈乳白色，组织均匀细腻，无大块颗粒，具有酸奶特有的香味且酸甜可口。你制作的酸奶达到这个标准了吗？2. 若酸奶发酵中污染了杂菌，酸奶会出现什么现象？2 发酵工程是生产特定产品的现代生物工程技术体系现代发酵工业出现在第一次世界大战期间，由于微生物分离纯化和无杂菌发酵技术的建立，英国能够工业化大规模生产丙酮和丁醇，德国则用酵母发酵法生产甘油，产品产量和质量控制水平都大幅度提高；在第二次世界大战时期，青霉素需求量的急剧增加推动了好氧液体发酵技术的发展，建立了完整的好氧发酵技术体系和装备，奠定了现代发酵工程技术的理论和实践基础。微生物菌种发酵工业依靠微生物的生命活动，能在生产
48、设备中把各种原料转化成产品。发酵生产所用的菌种是具有特定功能的微生物。利用这些特定功能可以生产人们所需的各种产品。菌种是发酵工业的灵魂。目前，工业生产应用的优良菌种绝大多数是从自然界中分离得到野生型菌株，再经过筛选、纯化和诱变育种后才选育成功的。而采用基因工程改造或构建工业生产菌种，已成为最新、最有力的育种技术手段。在现代发酵工业中，一些产品如味精、柠檬酸、抗生素等的发酵规模越来越大。因此，发酵前需要准备足够数量且活力旺盛的纯种培养物，即发酵的种子。菌种保藏管中处于休眠状态的菌种需经过斜面培养、三角瓶和种子罐的扩大培养而获得大量的种子，这称为微生物菌种的逐级扩大培养。微生物菌种的逐级扩大培养广
49、角镜21发酵工程为人类提供多样化生物产品第 2 节生物反应器生物工程中为微生物或动植物细胞的生长代谢提供场所，使其大量积累目的产物的装置称为生物反应器。发酵罐（图 1-17）是发酵工业中常用的生物反应器，一般采用计算机自动化控制、自动收集和分析数据，并实现最优条件控制。现代发酵常用的大型发酵罐，规模可以从几十立方米到几百立方米。图 1-17 发酵罐结构及工艺控制示意图种子培养基要求原料精细、营养丰富完全，菌种能够迅速生长；发酵培养基则要求菌种能大量生产目的产物，所用原料廉价且易于获得，两者成分区别很大。在实际生产中，种子罐的培养基成分往往更接近于发酵培养基，因此菌种扩大培养过程也是微生物逐渐适
50、应发酵培养基的过程。现代发酵工业大多数是纯种培养，发酵过程一旦污染杂菌后， 杂菌会与生产菌争夺营养， 并分泌一些抑制生产菌生长、改变培养液性质或抑制产物合成的有毒副作用的物质，导致产品产量降低、质量下降，造成严重的经济损失。因此，在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和附属设备进行灭菌。22发酵工程第 1 章图 1-19 工业发酵流程示意图将发酵原料配制成液体培养基，经灭菌后在发酵罐中接入微生物菌种，在发酵过程中通入空气并进行搅拌的培养方法，称为液体发酵。这种方法适用于大规模生产，易于获得混合均一的菌体悬浮液，从而便于对系统进行自动化控制。抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等许多产品都是通
