選修1《生物技術與實踐》
一、果酒和果醋的製作
1.果酒製作利用的微生物是酵母菌，該菌是兼性厭氧型的真菌（真核）。有氧條件：C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O +能量（條件：酶）；無氧條件：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量（條件：酶,場所：細胞質基質）。酒精發酵時一般將溫度控制在18~25℃，pH大約在4.0~5.8。
2.果醋製作利用的微生物是醋酸菌，該菌是一種好氧型細菌（原核），即使短時間中斷通入氧氣，也會引起醋酸菌死亡。糖源充足時：C6H12O6→3CH3COOH；缺少糖源時：C2H5OH +O2→CH3COOH+H2O。醋酸菌的最適生長溫度為30~35℃，pH大約在5.4~6.3。
3.實驗流程：挑選葡萄→衝洗→榨汁→酒精發酵（果酒）→醋酸發酵（果醋）。
裝置各部分功能：①充氣口：在釀酒時先打開，後關閉；在醋酸發酵時連接充氣泵進行充氣。②排氣口：在酒精發酵時用來排出CO2的。③出料口：用來取樣和出料的。
制果酒時先通氣是為了讓酵母菌進行有氧呼吸大量繁殖，建立種群優勢；後斷氣是為了讓酵母菌無氧呼吸產生酒精。果酒製作裝置保持通氣並提高溫度可用於製作果醋。
4.葡萄應先衝洗再去梗，避免除去枝梗時引起葡萄破損，增加被雜菌汙染的機會。家庭製作葡萄酒時，葡萄不能清洗得太乾淨，因為製酒過程需要的酵母菌來自葡萄表面的野生酵母菌。
5.裝瓶時留有1/3的空間是為了防止發酵液溢出汙染瓶口，並且酵母菌可以有氧呼吸大量繁殖。
6.用簡易裝置製作果酒適時擰松瓶蓋目的是放出CO2，防止爆瓶。不能擰開，防止雜菌汙染。
7.防止發酵液被汙染：①榨汁機、發酵裝置要清洗乾淨（可以用70%的酒精）；②每次排氣時只需擰松瓶蓋，不要完全打開瓶蓋。
8.果酒檢測：①嗅味和品嘗；②顯微鏡觀察酵母菌；③酸性條件下，重鉻酸鉀與酒精反應呈現灰綠色。果醋檢測：①觀察菌膜的形成；②嗅味和品嘗；③檢測和比較醋酸發酵前後的pH；④顯微鏡觀察發酵液中是否有醋酸菌。
9.葡萄酒一般呈深紅色的原因：紅葡萄皮的色素進入發酵液。
二、腐乳的製作
1.腐乳製作的微生物主要是毛黴（還有青黴、酵母、麴黴等）。原理：毛黴等微生物產生的蛋白酶能將豆腐中的蛋白質分解成小分子的肽和胺基酸；脂肪酶可將脂肪水解為甘油和脂肪酸。溫度：15~18℃。表面的「皮」是毛黴的匍匐菌絲。
2.腐乳製作的流程：讓豆腐上長出毛黴→加鹽醃製→加滷湯裝瓶→密封醃製。
3.腐乳製作的豆腐一般選擇含水量70%左右的豆腐，含水量過高不易成形，含水量過低不利於毛黴生長。
4.加鹽的作用是：①析出豆腐中的水分，使豆腐塊變硬；②抑制微生物生長，發避免豆腐塊腐敗變質。（③調味；④浸提毛黴菌絲中的蛋白酶）。鹽的用法用量：逐層加鹽，隨著層數的加高而增加鹽量，接近瓶口表面的鹽要鋪厚一些。
5.加酒可以抑制微生物的生長，同時能使腐乳具有獨特的香味。含量一般控制在12%左右。酒精含量過高，腐乳成熟的時間將會延長；酒精含量過低，不足以抑制微生物生長，可能導致豆腐腐敗。
6.香辛料可以調製腐乳的風味，也具有防腐殺菌的作用。
7.防止雜菌汙染：①玻璃瓶要洗淨並煮沸消毒；②裝瓶時，操作要迅速小心，瓶口要密封；密封時，最好將瓶口通過酒精燈火焰，防止瓶口被汙染。
三、微生物的分離和培養
1.培養基是人們按照微生物對營養物質的不同需求，配製出供其生長繁殖的營養基質。一般成分：水、碳源（提供碳元素的物質）、氮源（提供氮元素的物質）和無機鹽。培養基還需要滿足微生物生長對pH、特殊營養物質以及氧氣的要求。
2.培養基按狀態分為液體培養基和固體培養基，可根據是否加入瓊脂來判斷。按功能可分為基本培養基、選擇培養基和鑑別培養基。
3.消毒是指使用較為溫和的物理或化學方法殺死物體表面或內部的部分微生物（不包括芽孢和孢子）。消毒方法：①煮沸消毒法：日常生活中的物品消毒；②巴氏消毒法：對於一些不耐高溫的液體，如牛奶；③化學試劑消毒法：如用酒精擦拭雙手、用氯氣消毒水源等。
4.滅菌是指使用強烈的理化因素殺死物體內外所有的微生物，包括芽孢和孢子。滅菌方法：①灼燒滅菌：如接種環、接種針或其他金屬用具；②乾熱滅菌：如玻璃器皿、金屬用具等；③高壓蒸汽滅菌：如培養基、玻璃器皿等。
5.固體培養基配製的一般步驟：計算→稱量→溶化→滅菌→倒平板。
6.培養基滅菌後，需要冷卻到50 ℃左右時（因為瓊脂在44℃以下會凝固），才能用來倒平板。可以用手觸摸盛有培養基的錐形瓶，感覺錐形瓶的溫度下降到剛剛不燙手時，就可以進行倒平板了。錐形瓶瓶口要通過火焰灼燒滅菌，防止瓶口的微生物汙染培養基。。平板冷凝後倒置是因為平板冷凝後，皿蓋上會凝結水珠，凝固後的培養基表面的溼度也比較高，將平板倒置，既可以使培養基表面的水分更好地揮發，又可以防止皿蓋上的水珠落入培養基，造成汙染。將空白平板置於恆溫培養箱中培養，若無雜菌生長即為合格的培養基。在倒平板的過程中，如果不小心將培養基濺在皿蓋與皿底之間的部位，空氣中的微生物可能在皿蓋與皿底之間的培養基上滋生，因此最好不要用這個平板培養微生物。
7.平板劃線操作時,操作的第一步灼燒接種環是為了避免接種環上可能存在的微生物汙染培養物；每次劃線前灼燒接種環是為了殺死上次劃線結束後，接種環上殘留的菌種，使下一次劃線時，接種環上的菌種直接來源於上次劃線的末端，從而通過劃線次數的增加，使每次劃線時菌種的數目逐漸減少，以便得到單菌落。劃線結束後灼燒接種環，能及時殺死接種環上殘留的菌種，避免細菌汙染環境和感染操作者。在灼燒接種環之後，要等其冷卻後再進行劃線，以免接種環溫度太高，殺死菌種。在作第二次以及其後的劃線操作時，要從上一次劃線的末端開始劃線是因為劃線後，線條末端細菌的數目比線條起始處要少，每次從上一次劃線的末端開始，能使細菌的數目隨著劃線次數的增加而逐步減少，最終能得到由單個細菌繁殖而來的菌落。
8.微生物純化常用的方法有平板劃線法和稀釋塗布平板法，後者適合計數。將未稀釋的菌液吸取1mL加入到9mL無菌水中即可稀釋10倍。
9.測定微生物數量常用方法有顯微鏡直接計數法、平板菌落計數法等。菌落是由一個細胞繁殖而來的肉眼可見的子細胞群體。一般選擇菌落數在30~300的平板進行計數。每克樣品中的菌株數=（C÷V）×M，C代表某一稀釋度下平板上生長的平均菌落數，V代表塗布平板時所用的稀釋液的體積（mL），M代表稀釋倍數。統計的菌落數往往比活菌的實際數目低。這是因為當兩個或多個細胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落。
10.實驗室中微生物的篩選原理：人為提供有利於目的菌株生長的條件（包括營養、溫度、pH等），同時抑制或阻止其他微生物生長。在微生物學中，將允許特定種類的微生物生長，同時抑制或阻止其他種類微生物生長的培養基，稱做選擇培養基。
11.設置對照的主要目的是排除實驗組中非測試因素對實驗結果的影響，提高實驗結果的可信度。微生物計數時，通常設置空白對照來排除培養基汙染帶來的誤差。
12.分解尿素的微生物可以用以尿素作為唯一氮源的培養基篩選。在細菌分解尿素的化學反應中，細菌合成的脲酶將尿素分解成了氨，氨會使培養基的鹼性增強，pH升高。在以尿素為唯一氮源的培養基中加入酚紅指示劑，培養某種細菌後，如果pH升高，指示劑將變紅。
13.纖維素酶是一種複合酶，一般認為它至少包括三種組分，即C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，前兩種酶使纖維素分解成纖維二糖，第三種酶將纖維二糖分解成葡萄糖。篩選纖維素分解菌可以採用剛果紅染色法。剛果紅可以與纖維素形成紅色複合物，當纖維素被纖維素酶分解後，剛果紅-纖維素的複合物就無法形成，培養基中會出現以纖維素分解菌為中心的透明圈。通過是否產生透明圈來篩選纖維素分解菌。
四、酶的研究與應用
1.加酶洗衣粉是指含有酶製劑的洗衣粉。目前常用的酶製劑有：蛋白酶、脂肪酶、澱粉酶和纖維素酶，其中，應用最廣泛、效果最明顯的是鹼性蛋白酶和鹼性脂肪酶。
2.加酶洗衣粉可以使汙漬中的大分子水解成小分子，從而使汙跡容易從衣物上脫落，因而具有更好的去汙能力。
3.溫度、酸鹼度和表面活性劑都會影響酶的活性，將酶直接加入洗衣粉中，酶很快就會失活。科學家通過基因工程生產出了能夠耐酸、耐鹼、忍受表面活性劑和較高溫度的酶，並且通過特殊化學物質將酶包裹使其與洗衣粉的其他成分隔離。
4.固定化酶和固定化細胞技術是利用物理或化學方法將酶或細胞固定在一定空間內的技術。這樣使酶既能與反應物接觸，又能與產物分離，還可以反覆利用。包括包埋法、化學結合法和物理吸附法。酶更適合採用化學結合法和物理吸附法固定化，而細胞多採用包埋法固定化。
5.固定化酵母細胞分析：①酵母活化：讓處於休眠狀態的酵母菌重新恢復正常的生活狀態。②海藻酸鈉：要小火或不間斷加熱並不斷攪拌，冷卻到室溫再與酵母細胞混合。③CaCl2溶液：使海藻酸鈉形成凝膠珠（Ca2+能穩定海藻酸鈉凝膠的結構，是一種交聯劑）。④凝膠珠質量：凝膠珠呈現球形或橢球形，顏色呈淡黃色（如果凝膠珠不是球形或橢球形，說明海藻酸鈉濃度過高；如果凝膠珠顏色過淺呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母細胞數目較少。
五、DNA的粗提取與鑑定
1.DNA粗提取的基因思路是利用DNA與RNA、蛋白質和脂質等在物理和化學等方面的差異，提取DNA，去除其他成分。
2.DNA在濃度為0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低，在蒸餾水和2mol/L的NaCl溶液中溶解度都較高。
3.將DNA與蛋白質分離有3種方案：①通過控制NaCl的濃度使DNA溶解或析出；②直接在濾液中加入嫩肉粉，嫩肉粉中的木瓜蛋白酶能夠分解蛋白質；③將濾液放在60~75℃的恆溫水浴箱中保溫。
4.提取DNA的實驗材料：原則上，凡是含有DNA的生物材料都可以考慮，但是，選用DNA含量相對較高的生物組織，成功的可能性更大。動物材料常選用雞血紅細胞，植物材料常選用菜花。
5.在雞血細胞液中加入一定量的蒸餾水（雞血細胞就會吸水破裂），同時用玻璃棒攪拌，過濾後收集濾液即可。
6.利用植物材料提取DNA時，需要加入一定的洗滌劑和食鹽，進行充分地攪拌和研磨，過濾後收集研磨液。洗滌劑能夠瓦解細胞膜，食鹽能夠溶解DNA。
7.實驗室獲得高純度的DNA常用十六烷基溴化銨（CTAB）、十二烷基硫酸鈉（SDS）或吐溫等化學試劑。
8.冷卻的95%酒精的作用：①抑制核酸水解酶活性，防止DNA分子降解；②降低分子運動，易於形成沉澱析出；③低溫有利於增加DNA分子柔韌性，減少斷裂。
9.DNA鑑定：將DNA溶於2mol/L的NaCl溶液中，然後加入二苯胺試劑，沸水中加熱變藍。二苯胺試劑要現配現用。
六、植物有效成分的提取
1.蒸餾法 壓榨法 萃取法。蒸餾法一般用於難溶於水，揮發性較強，化學性質比較穩定加熱不易分解的物質提取。壓榨法一般用於難溶於水，化學性質不穩定，受熱易分解，或者原料加熱易焦糊的物質提取。萃取法一般用於提取物難溶於水，易溶於有機溶劑的物質提取。
2.水蒸氣蒸餾法的原理是利用水蒸氣將揮發性較強的的植物芳香油攜帶出來，形成油水混合物，冷卻後，混合物又會重新分出油層和水層。水蒸氣蒸餾法分為:水中蒸餾、水上蒸餾、水氣蒸餾。
3.玫瑰精油的化學性質穩定，難溶於水，易溶於有機溶劑，能隨水蒸氣一同蒸餾。流程詳見教材P73，圖6-1。提取需要蒸餾裝置、冷凝裝置、油水分離裝置三部分。剛蒸餾得到的產物是乳白色的乳濁液，為油水混合物，先加入NaCl增大鹽溶液濃度，即可出現油水分離，放出分液漏鬥下方的水層，再加入一些無水硫酸鈉即可除去殘餘水分，得到玫瑰精油了。
4.橘皮精油的有效成分在用水蒸氣蒸餾時會發生部分水解，同時使用水中蒸餾時會發生原料焦糊的問題。提取流程詳見教材P74，圖6-4。為了提高橘皮精油的出油率，需要先將橘皮乾燥去水，並用石灰水浸泡。浸泡後的橘皮需要用流水漂洗去除石灰水。為使橘皮油易與水分離，需要加入相當於橘皮質量0.25%的NaHCO3和5%Na2SO4,並調節pH至7~8。
5.胡蘿蔔素在人或動物體內被氧化成兩分子維生素A。微生素A可以治療夜盲症，幼兒發育不良，還可以作為食用色素，治療癌細胞等。工業上一般從植物、巖藻、發酵的微生物中提取胡蘿蔔素。
6.胡蘿蔔素是橘黃色結晶，化學性質比較穩定，不溶於水，難溶於乙醇，易溶於石油醚等有機溶劑。故採用有機溶劑萃取的方法提取胡蘿蔔素。提取流程詳見教材P78，圖6-6。胡蘿蔔的粉碎和乾燥都是為了提高萃取效率，粉碎越小越好，乾燥要注意控制時間和溫度不要太高，乾燥時間太長和溫度太高會導致胡蘿蔔素分解。萃取過程要注意萃取劑的性質和用量還有用水浴加熱控制萃取溫度，以及用冷凝回流裝置防止萃取劑揮發引發爆炸危險。萃取結束需要過濾去除不溶物，後經過濃縮裝置的濃縮就可以得到胡蘿蔔素了。
7.因為胡蘿蔔素不溶於水，難溶於乙醇，故採用有機溶劑提取，並且使用水不溶性有機溶劑。由於胡蘿蔔素化學性質穩定，為了提高萃取效率可以採用高沸點的石油醚有機溶劑。
8.萃取的效率主要取決於萃取劑的性質和使用量，同時還受到原料顆粒大小、緊密程度、含水量、萃取的溫度和時間等條件的影響。
9.萃取裝置詳見教材P78圖6-7提取裝置和教材P74圖6-2蒸餾濃縮裝置。需要水浴加熱和冷凝回流裝置來防止萃取劑的揮發引發爆炸。萃取液的濃縮可以直接使用蒸餾裝置。
10.鑑定胡蘿蔔素用紙層析法。