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高中三年级生物

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    酵母菌等微生物在人类的日常生活中发挥着越来越大的作用。请回答下列问题:
    (1)利用酵母菌将葡萄汁发酵后是否有酒精产生,可以用重铬酸钾来检验。在酸性条件下,重铬酸钾与酒精反应呈现_____色。在发酵过程中,随着酒精度的提高,发酵液逐渐呈现深红色,原因是__________。
    (2)为了提高葡萄酒品质可以在葡萄汁中加入人工培养的酵母菌,可利用_______培养基来分离获得较为纯净的酵母菌种。
    (3)具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌是理想的酒精发酵菌种的原因是_________。对野生酵母菌进行诱变可筛选出具有耐高糖和耐酸性的高产突变菌株,利用_________技术可大量获得突变菌所携带的特殊基因。
    (4)在酵母菌的纯化培养中,培养基上会出现一些分别由一个酵母菌繁殖而成的________。为了能反复利用,需要将纯化后并经过繁殖培育得到的酵母菌与海藻酸钠溶液混合制成“凝胶珠”,这是使用_______技术来固定酵母细胞。
    本题信息:2011年模拟题生物填空题难度较难 来源:姚瑶
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本试题 “酵母菌等微生物在人类的日常生活中发挥着越来越大的作用。请回答下列问题:(1)利用酵母菌将葡萄汁发酵后是否有酒精产生,可以用重铬酸钾来检验。在酸性条件下...” 主要考查您对

果酒和果醋的制作

细胞和酶的固定化

微生物发酵及其应用

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果酒和果醋的制作:

一、实验原理
(1)酵母菌的细胞呼吸
①酵母菌是营异养生活的真菌。
②酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖,表达式为:C6H12O6+O2→CO2+H2O+能量(反应中均需要酶的参与)
③酵母菌进行无氧呼吸产生酒精和二氧化碳,表达式为:C6H12O6→C2H5OH+CO2+能量(反应中均需要酶的参与)
(2)酵母菌发酵的最佳环境
①酵母菌在有氧和无氧的条件下都能生活:在有氧时,酵母菌大量繁殖,但是不起到发酵效果;在无氧时,繁殖速度减慢,但是此时可以进行发酵。
②在利用酵母菌发酵时最好是先通入足够的无菌空气在有氧环境下一段时间使其繁殖,再隔绝氧气进行发酵。
③20℃左右最适合酵母菌繁殖,酒精发酵的最佳温度是在18℃~25℃。
④pH最好是弱酸性。
(3)醋酸菌好氧性细菌,当缺少糖源时和有氧条件下,可将乙醇(酒精)氧化成醋酸。
①表达式为:C2H5OH→CH3COOH+H2O;当氧气、糖源都充足时,醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸。
②醋酸菌生长的最佳温度是在30℃~35℃
二、果酒果醋的制作
项目 果酒的制作 果醋的制作
主要菌种 酵母菌 醋酸菌
原理 果酒:酵母菌的无氧呼吸
果醋:醋酸菌有氧呼吸
(1)当氧气、糖源都充足时,糖→醋酸
(2)当缺少糖源时,乙醇→乙醛→醋酸
实验流程 挑选葡萄→冲洗→榨汁→酒精发酵→果酒 挑选葡萄→冲洗→榨汁→醋酸发酵→果醋
温度 18~25℃ 30~35℃
氧的需求 前期需氧,后期不需氧 需充足氧
提示 在果酒制作过程的前期通入空气或在发酵瓶中留有一定的空间(大约1/3),可以给酵母菌提供氧气,使其进行
有氧呼吸,为酵母菌的生长、增殖提供能量,酵母菌迅速增殖,缩短发酵时间。在生产酒精的阶段要求严格的无氧环境,此阶段如果有氧,则会抑制酒精发酵。
果醋制作过程中要求始终通氧,因为醋酸菌是好氧细菌,缺氧时醋酸菌的生长、增殖都会受到影响,另外醋酸的生成也会受到影响。




知识拓展:

1、注意问题:充气口是在醋酸发酵时连接充气泵进行充气用的;排气口是在酒精发酵时用来排出CO2的;出料口是用来取样的。排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接,其目的是防止空气中微生物的污染。使用该装置制酒时,应该关闭充气口;制醋时,应将充气口连接气泵,输入氧气。


2、特别提醒:在葡萄酒的自然发酵过程中,起主要作用的事附着在葡萄皮上的野生型酵母菌。发酵过程中,随着酒精度地提高,红葡萄皮的色素也进入发酵液,使葡萄酒呈深红色。在缺氧、呈酸性的发酵液中,酵母菌能大量生长繁殖,而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制。
3、注意事项:
(1)果醋的制作需用醋酸菌,醋酸菌是一种好氧菌,所以在制作过程中需通氧气;当氧气、糖源充足时,醋酸菌可将葡萄糖氧化成醋酸;醋酸菌的呼吸作用为严格的有氧呼吸。
(2)防止发酵液被污染的方法:
①榨汁机要清洗干净,并晾干
②发酵瓶要清洗干净,用体积分数为70%的酒精消毒
③装入葡萄汁后,封闭充气口
④发酵装置的排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接
(3)榨汁机要清洗干净并晾干;将先冲洗后除梗的葡萄放入冲洗晾干的榨汁机内进行榨汁。
(4)产醋最多的措施:往果酒中加入变酸的酒表面的菌膜,并通气。醋酸菌能将葡萄汁中的糖分解成醋酸的条件:氧气、糖源充足。
(5)在家庭中用鲜葡萄制作果酒时,正确的操作是给发酵装置适时排气。
(6)发酵条件:葡萄汁装入发酵瓶时,要留有约1/3的空间;制葡萄酒的过程中,除在适宜的条件下,时间应控制在10d~12d左右;制葡萄醋的温度要比制葡萄酒的温度高些,但时间一般控制在7d~8d左右。
(7)酒精与重铬酸钾在酸性条件下发生的颜色反应为灰绿色。
细胞核酶的固定化:

1、概念:使用固定化酶技术,将这种酶固定在一种颗粒状的载体上,再将这些酶颗粒装到一个反应柱内,柱子底端装上分布着许多小孔的筛板。酶颗粒无法通过筛板的小孔,而反应溶液却可以自由出入。生产过程中,将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入,使葡萄糖溶液流过反应柱,与固定化葡萄糖异构酶接触,转化成果糖,从反应柱的下端流出。反应柱能连续使用半年,大大降低了生产成本,提高了果糖的产量和质量。
2、固定方法:
名称 原理 图示 适用范围
包埋法 将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中 多用于细胞的固定
化学结合法 利用共价链、离子键将酶分子或细胞相互结合,或将其结合到载体上 多用于酶的固定
物理吸附法 欧诺个过物理吸附作用,把酶固定在纤维素、琼脂糖、多孔玻璃和离子交换树脂等载体上

3、载体:包埋法 固定化细胞常用的是不容于水的多孔性载体材料,如明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
4、优点:
(1)固定化酶优点:使酶既能与反应物接触,又能与产物分离,还可以被反复利用。
(2)固定化细胞优点:成本更低,操作更容易,可以催化一系列的化学反应。
5、固定化没的反应实例——生产高果糖浆
(1)高果糖浆的生产原理

(2)葡萄糖异构酶的固定:将葡萄糖异构酶固定在颗粒状载体上,装入反应柱中。
(3)高果糖浆的生产操作:(如图)从反应柱上端注入葡萄糖溶液,从下端流出果糖溶液,一个反应拄可连续使用半年。
6、固定化细胞的应用实例——固定化酵母细胞


知识点拨:

1、注意事项
(1)配制海藻酸钠溶液:小火、间断加热、定容,如果加热太快,海藻酸钠会发生焦糊。
(2)海藻酸钠溶液与酶母细胞混合:冷却后再混合,注意混合均匀,不要进入气泡
(3)制备固定化酵母细胞:高度适宜,并匀速滴入
(4)刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间,以便Ca2+与Na+充分交换,形成的凝胶珠稳定。检验凝胶珠是否形成,可用下列方法:用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压,如果不容易破裂,没有液体流出就表明成功地制成了凝胶珠,还可以用手将凝胶珠在实验桌上用力摔打,如果凝胶珠很容易弹起,也表明制备的凝胶珠是成功的。
(5)凝胶珠的颜色和形状
如果制作的凝胶珠颜色过浅、呈白色,说明海藻酸钠的浓度偏低,固定的酵母细胞数目较少;如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形,则说明海藻酸钠的浓度偏高,制作失败,需要再作尝试。
(6) 海藻酸钠在水中溶解的速度较慢,需要通过加热促进其溶解。溶解海藻酸钠,最好采用小火间断加热的方法。例如,加热几分钟后,从石棉网上去下烧杯冷却片刻,并不断搅拌,再将烧杯放回石棉网继续加热,如此重复数次,直至海藻酸钠完全溶化。如果加热太快,海藻酸钠会发生焦糊。
2、酵母菌活化时体积会变大,因此活化前应选择体积足够大的容器,防止酵母菌细胞的活化液溢出。
3、海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母细胞的关键,因为如果海藻酸钠浓度过高,将很难形成凝胶珠,如果浓度过低,形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数量少,也会影响实验效果。
4、溶化海藻酸钠时要用小火或间断加热,避免海藻酸钠发生焦糊。
 5、将溶化后的海藻酸钠先冷却至室温,再与酵母菌混合,避免高温杀死酵母细胞。
微生物发酵及其应用:

1、发酵工程的历史发展
(1)自然发酵时期早在数千年前,我国劳动人民就懂得酿酒、制酱油、酿醋等。酿酒工业是历史上最古老的微生物工业,但当时人们并不知道它与微生物的关系,也不清楚发酵的原因,只是靠口传身授,在实践中应用微生物。例如,嫌气性发酵用于酒类酿造,好气性发酵用于酿醋、制曲,这是古典发酵的特点,这一时期称为自然发酵时期。
(2)纯培养技术时期
1667年,荷兰人列文霍克(AntonyVanLeowenhoek)发明了显微镜,揭开了微生物世界的秘密。随着微生物的发现,1850-1880年法国巴斯德(LouisPasteur)通过实验发现了发酵原理,认识到发酵是由微生物的活动引起的。随着微生物纯培养技术的逐步完善,开创了人为控制微生物的新时代。采用杀菌操作,发明了简便的密闭式发酵罐等技术设备,使发酵失败现象(如腐败)大大减少,即人工控制环境条件使发酵效率迅速提高。嫌气性发酵由此逐步发展起来,产品包括酒精、丙酮、丁醇等。在世界范围内利用微生物分解代谢进行规模化工业生产经历了100多年的历史。因此,微生物纯培养技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第一个转折时期。
(3)通气搅拌的好气性发酵工程技术时期
1929年,英国细菌学家傅莱明(Fleming)发现了青霉素。随着青霉素大规模生产的成功,实验室采用摇瓶通风培养以及空气纤维过滤的高效除菌,在20世纪40年代创立了好气性发酵通气搅拌工程技术。抗生素工业的兴起不仅使微生物技术应用到医药工业,而且大大促进了好气性发酵工程和微生物工业的发展。微生物工程已经从分解代谢转为生物合成代谢,可以利用微生物合成积累大量有用的代谢产物,如各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等,这已超越微生物正常代谢的范围。因此,通气搅拌的好气性发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第二个转折时期。
(4)人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术时期
随着微生物遗传学、生物化学和分子生物学的发展,促进了20世纪60年代氨基酸、核苷酸微生物工业的建立,这是遗传水平上控制微生物代谢的结果。日本于1956年用发酵法生产谷氨酸获得成功,至今可用发酵法生产22种氨基酸,其中18种是直接发酵,4种是酶法转化。氨基酸发酵工业采用了人工诱变育种与代谢控制发酵的新技术,即首先将微生物进行人工诱变,得到适合生产某种产物的突变株,然后通过人工控制培养,选择性地大量生产人们所需要的物质。此项工程技术已用于核苷酸类物质、有机酸和一部分抗生素的发酵生产。因此,代谢控制发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第三个转折时期。
(5)发酵动力学和连续化、自动化发酵工程技术时期
随着微生物工业向大型发酵罐的连续化、自动化方向发展,以数学、动力学、化工原理等为基础,通过计算机实现发酵过程自动化控制的研究,使发酵过程的工艺控制更为合理,相应的新工艺、新设备也层出不穷。例如,日本的塔式连续发酵设备适用于各种连续通风发酵。法国L-M型单级连续发酵槽用于酵母菌连续培养,其结构简单而效率却相当高。世界上最新设计的实验型万能发酵罐适于任何发酵生产,可同时记录24个物理、化学和生物化学数据。目前,发酵过程的基本参数,包括温度、pH值、罐压、溶解氧、氧化还原电位、通气流量、CO2含量等均可自动记录和控制。可见,发酵的连续化、自动化工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第四个转折时期。
(6)微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术时期
随着微生物合成工程技术与化学合成工程技术的不断应用,矿产物的开发和石油化工的发展为化学合成法提供了丰富的原料,用于生产一些低分子的有机化合物,如乙醇、丙酮及丁醇等,美国工业应用化学合成法可以生产100多种发酵产品,如大部分的酒精、丙酮、丁醇等,部分的葡萄糖酸、谷氨酸、乳酸等。对于那些用化学合成法不能生产的一些复杂化合物,采用微生物发酵合成法可以在常温、常压下一步完成,特别是可以直接生产一些具有立体特异性的化合物,且生产设备投资较少。但发酵法也存在目的代谢产物浓度较低、分离较困难、生产周期较长等不利因素。
而微生物酶反应生物合成与化学合成工程技术的结合,可生产许多过去不能生产的有用物质。例如,抗生素的化学结构改造是获得新的高效抗生素的重要来源,而维生素C是最早成功的例子,即先利用微生物将山梨糖醇发酵转变为山梨糖,再通过化学合成法生产维生素C。或者先用化学合成法生产廉价的前体,再用发酵法生产出贵重产品。目前,采用此项新技术可大规模生产多种物质,如激素、核苷酸、新抗生素(如半合成头孢霉素、卡那霉素、氯霉素等)、某些氨基酸(如L-酪氨酸、L-色氨酸、L-赖氨酸等)等,随着研究的深入将能生产更多有用的物质。因此,微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第五个转折时期。
2、发酵生产过程探秘
(1)发酵是利用微生物,在适宜的条件下,将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。
(2)由于不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力,因此,利用不同的微生物就可以产生出人们所需要的多种产物。
(3)现代发酵工业产品大多数是好氧微生物发酵产生的,但也有一部分产品是利用厌氧微生物发酵产生的。
3、发酵与食品生产:菌种选育→菌种的扩大培养→培养基的配制→灭菌和接种→发酵条件的控制→分离和提纯。
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