传统发酵技术的应用+高二下学期生物人教版选择性必修3

从传统发酵技术到发酵工程科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用。1897年用微生物生产谷氨酸获得成功，酶制剂、多糖、维生素发酵工业兴起。1957年科学家开始运用数学、动力学、化学工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究。20世纪80年代以后法国微生物学家巴斯德通过实验证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的。1857年利用发酵工程大规模生产青霉素，抗生素发酵工业兴起。20世纪40年代基因工程、细胞工程等发展，人胰岛素和干扰素大量生产。20世纪70年代以后190019401960185019801970约9000年前我们祖先就会利用微生物将谷物、水果发酵为含酒精的饮料。DNA是主要遗传物质

第一章发酵工程第1节传统发酵技术的应用选必三RENJIAOBANGAOZHONGSHENGWUXUANBISAN

“葡萄美酒夜光杯，欲饮琵琶马上催。醉卧沙场君莫笑，古来征战几人回。”(唐·王翰)诗中提及的葡萄酒是人类利用微生物发酵制作而来的。通过微生物的发酵作用还可以制作葡萄醋。葡萄酒和葡萄醋都是以葡萄为原料发酵而来的饮品，为什么一个是醇厚浓郁、耐人寻味的酒，一个却是酸味柔和、口感绵长的醋呢?它们的制作方法有什么不同?你想不想自己动手制作葡萄酒和葡萄醋呢?葡萄酒和葡萄醋都是有葡萄发酵而来的，但是一个经酵母菌无氧呼吸产生酒精，另一个经醋酸菌有氧呼吸产生了乙酸，因此两者口感不同。资料一：约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成含酒精的饮料。夏禹时期，已有了关于杜康造秫酒的传说。酿酒技术给古代人民的生活也增添了丰富色彩。图1-1汉代砖刻上的酿酒图图1-2展示我国古代酿酒作坊的绘画作品图1-3酒仙---李白资料二：1857年，法国的微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的。酵母菌巴斯德资料三：我国酿造白酒的工艺在世界上独树一帜，白酒一般是以谷物为原料，加酒曲发酵而成的。研究人员用显微镜观察酒曲，发现酒曲内含有根霉、曲霉、毛霉、酵母菌、乳酸菌、醋酸菌等几十种微生物。1、酒曲是什么?2、酿酒加酒曲的目的是什么?微生物使原料通过微生物的代谢转化为人类所需的产物。

思考：1.发酵

(1)概念：(2)原理：(3)类型：指人们利用微生物，在适宜条件下，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。不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此利用它们就可以生产出人们所需要的多种产物。需氧发酵厌氧发酵如：醋酸发酵、谷氨酸发酵等如：酒精发酵、乳酸发酵等不同的微生物代谢途径有差异；同一种微生物处于不同环境条件下时，代谢途径也会出现差异。微生物的代谢类型:自养异养同化作用需氧厌氧兼性厌氧异化作用常见的发酵产品及其发酵使用的微生物发酵产品微生物发酵产品微生物馒头酵母菌酸奶乳酸菌啤酒酵母菌腐乳毛霉等泡菜乳酸菌陈醋醋酸菌2.腐乳的制作(1)制作原理：(2)参与的微生物：毛霉是一种丝状真菌(真核生物)，生殖方式为孢子生殖，代谢类型是异养需氧型。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。来自某些微生物产生的酶蛋白质小分子肽氨基酸+蛋白酶优点：味道鲜美，易于消化吸收，便于保存脂肪甘油脂肪酸+脂肪酶(3)腐乳制作的流程让豆腐上长出毛霉加盐腌制加卤汤装瓶密封腌制制腐乳坯利用干棕叶(或稻草)上的毛霉孢子，在15-18℃条件下，让豆腐上长出毛霉。加盐可以析出豆腐中的水，使豆腐变硬，盐也能抑制微生物的生长，避免豆腐块腐败变质。过高：影响风味过低：易腐败含水量70%左右为宜，含水量过高不易成形，过低不利于毛霉生长。卤汤是由酒(12%)及各种香辛料配置而成，抑制微生物的生长同时使腐乳有独特的香味。含酒量过高，时间延长；过低，易腐败。3.传统发酵技术(1)概念: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进行发酵、制作食品的技术。(2)类型：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。优点：操作简单、便于家庭式或作坊式生产。缺点：生产条件不易控制，容易受杂菌污染，生产效率低，产物不单一等。(3)发酵产品：利用传统发酵技术制作的食品还有酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等。3.传统发酵技术1.使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗？不属于使用前一次发酵保存下来的面团进行的才算。2.直接利用空气中毛霉孢子制作腐乳属于传统发酵技术吗？属于，若直接接种毛霉，则不属于。3.豆瓣酱的制作过程，回答以下问题：煮黄豆→冷却后在黄豆表面抹上一层面粉→发酵→加盐、加水→在烈日下暴晒、搅动，进一步发酵。(1)参与豆瓣酱发酵的微生物来自

。(2)每年进行同样的操作，但是每年制作的腐乳或豆瓣酱的口感都不完全相同，有些年份甚至制作不成功，你知道这是为什么吗？空气发酵的生产条件不易控制，且容易受杂菌污染。

阅读P5-P7相关内容，思考泡菜、果酒、果醋的制作过程中涉及的主要微生物、生物种类、形态结构、代谢类型、菌种来源、繁殖方式、最适生长温度、发酵原理、注意事项等。乳酸杆菌

酵母菌

醋酸菌（1）泡菜制作原理植物体表面的天然的乳酸菌来进行发酵，在无氧的条件下，乳酸菌将糖分解为乳酸。发酵期间，乳酸不断积累，当它的质量分数为0.4%—0.8%时，泡菜的口味和品质最佳。----泡菜（2）材料用具食盐、清水、新鲜蔬菜、蒜瓣、生姜及其它香辛料、泡菜坛或其它密封性良好的罐子等。亚硝酸盐的含量低1、乳酸发酵乳酸菌异养厌氧型C6H12O6

2C3H6O3（乳酸）酶+能量在无氧情况下，能将葡萄糖分解成乳酸原理：

乳酸链球菌（球状）

乳酸杆菌（杆状）空气、土壤、植物体表、人或动物肠道内（原核生物）乳制品的发酵、泡菜的制作等。①

代谢类型：②

菌种分布：③

应用：④

常见类型：乳酸链球菌和乳酸杆菌适宜的温度，18～20℃；根据室内温度控制发酵时间，严格控制厌氧条件等。舌尖上的中国——四川泡菜→将新鲜蔬菜洗净，切成块状或条状，混合均匀，晾干后装入泡菜坛内；装至半坛时，加入蒜瓣、生姜及其他香辛料，继续装至八成满；杀灭水中的微生物，除去水中的氧。过高：乳酸发酵受抑制，泡菜风味差；过低：杂菌易繁殖，导致泡菜变质。(4)制作泡菜的方法步骤配制盐水原料处理、装坛加盐水封坛发酵创造无氧环境的措施→将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖；→向坛盖边缘的水槽中注满水，在发酵过程中注意向水槽中补充水；根据室内温度控制发酵时间；不影响乳酸菌等微生物的生命活动调味、抑制微生物生长。→用清水和食盐配制质量百分比为5%-20%的盐水，并将盐水煮沸，冷却待用；泡菜发酵初期，大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，产生较多的CO2，防止发酵液溢出坛外；防止因太满使盐水未完全淹没菜料而导致菜料变质腐烂；留有一定空间，方便拿取泡菜。给泡菜坛内创造无氧环境无氧条件用水密封泡菜坛的目的是什么？这说明泡菜制作需要什么条件？1(5)结果分析与评价泡菜表面的白膜是酵母菌，这是由于制作过程中密封不好造成的(5)结果分析与评价(1)在泡菜发酵初期，由蔬菜表面带入的大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，它们可以进行发酵，发酵产物中有较多的二氧化碳，如果泡菜坛装的太满，发酵液可能会溢出坛外;(2)泡菜坛装的太满，会使盐水不太容易完全淹没菜料，从而导致坛内菜料变质腐烂。(3)泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。为什么泡菜坛只能装八成满？2(5)结果分析与评价如何判断你腌制的泡菜是否成功？色泽如何？口味如何？3①泡菜质量可以根据泡菜的色泽和风味进行初步的评定；③根据亚硝酸盐的含量来评定；④根据不同时期泡菜坛中乳酸菌的数量来评定。②可以通过在显微镜下观察乳酸菌的形态；一般来说，腌制成功的泡菜汤清亮，无浮膜，菜质脆嫩度适口，酸甜咸味适宜，具有一定的香气，咀嚼后无渣等。泡菜好吃，但不宜多吃，泡菜中亚硝酸盐会危及人体健康(5)结果分析与评价失败成功(5)结果分析与评价从开始制作到泡菜质量最佳这段时间内，泡菜逐渐变酸，泡菜坛中乳酸菌和其他杂菌的消长规律是什么？4乳酸菌数量增多，杂菌数量减少；因为乳酸菌比其他杂菌更耐酸。(6)进一步探究---亚硝酸盐亚硝酸盐为白色粉末，外观与食盐相似，有咸味，易溶于水，可作食品添加剂。

泡菜在腌制过程中会有亚硝酸盐产生。膳食中的亚硝酸盐一般不会危害人体健康，但是，当人体摄入的亚硝酸盐总量达到0.3～0.5g时，会引起中毒，当摄入总量达到3g时，会引起死亡。(亚硝酸盐为强氧化剂，能够把血液中的低铁血红蛋白转变为高铁血红蛋白，从而导致缺氧性中毒症状。)

蔬菜水果亚硝酸盐PH、温度微生物亚硝胺硝酸盐硝酸盐还原菌维生素C、E酚类物质注意：(6)进一步探究---亚硝酸盐亚硝酸盐本身并不致癌，亚硝酸盐会转化为亚硝胺(致癌、致畸和致突变)作用。2.某同学在制作泡菜前，查阅资料得知，可以向泡菜坛中加些“陈泡菜水”；在用5%的食盐水制作泡菜时，他在不同时间测定了泡菜中亚硝酸盐的含量，结果见右栏曲线图，请你帮他分析问题。(1)据图分析，从亚硝酸盐含量来看，你认为该泡菜在什么时间食用比较合适？为什么？(2)他第一次制作出的泡菜“咸而不酸”，造成这个结果最可能的原因是什么？(3)加入“陈泡菜水”的目的是什么？10天后食用比较好，因为此时的亚硝酸盐含量低。可能是食盐浓度过高、发酵温度过低等原因导致泡菜未能正常发酵。“陈泡菜水”中含有纯度较高的乳酸菌，加入“陈泡菜水”相当于接种乳酸菌。泡菜发酵过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的含量变化时期乳酸菌乳酸亚硝酸盐发酵前期发酵中期发酵后期变化曲线注意少(有O2，乳酸菌活动受抑制)少增加(硝酸盐还原菌的作用)最多(乳酸抑制其他菌活动)积累、增多、pH下降下降(硝酸盐还原菌受抑制，部分亚硝酸盐被分解)减少(乳酸继续积累，pH继续下降，抑制乳酸菌活动)继续增多，最后保持稳定下降至保持相对稳定(硝酸盐还原菌被完全抑制)亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的，不是硝化细菌氧化铵形成的发酵温度高；食盐用量过低；发酵时间短等，容易导致硝酸还原菌大量增殖，产生较多的亚硝酸盐。【制作泡菜的注意事项】(1)制作泡菜的蔬菜应新鲜，若放置时间过长，蔬菜中的亚硝酸盐含量相对较高。(2)用清水和食盐配制质量分数为5%～20%的盐水。食盐的用量过高，乳酸发酵受抑制，泡菜风味差；用量过低，杂菌易繁殖，导致泡菜变质。(3)控制严格的厌氧条件的措施①选择合适的发酵容器，如泡菜坛，这是一种既科学又简单的厌氧发酵容器。②盐水煮沸后冷却待用。③装坛时压实，使盐水没过全部菜料。④泡菜坛用水封口，发酵期间不宜开盖，并注意在发酵过程中经常向水槽中补充水。(4)控制适宜的发酵温度：温度过高易导致杂菌滋生；温度过低不利于乳酸发酵，会使发酵时间延长。(5)控制发酵时间：一般在腌制10天后，亚硝酸盐含量明显下降。但泡菜发酵时间并不是越长越好，一方面发酵时间过长，可能会产生其他有害物质；另一方面，发酵时间过长，乳酸含量过高，口味不佳。【误区警示】泡菜制作的两个易错点（1）误认为只有乳酸菌发酵：前期主要是有氧发酵消耗氧气，形成无氧环境，后期主要是乳酸发酵。（2）误认为泡菜制作全过程都是无氧发酵，蔬菜装坛能装满：装八成满，防止早期发酵产生的CO2使发酵液溢出。（真核生物）③菌种分布：②代谢类型：①类型：异养兼性厌氧型含糖量较高的蔬菜水果表面一类

真菌单细胞④繁殖方式：主要为无性生殖（多以出芽生殖为主，分裂生殖、孢子生殖）2、酒精发酵酵母菌原理：在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量酶在无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵C6H12O6

2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量酶温度控制：一般酒精发酵18～30℃，酿酒酵母菌繁殖最适为28℃左右。气体控制：前期需氧，后期无氧。2、酒精发酵②菌种分布：①代谢类型：③繁殖方式：异养需氧型空气中二分裂3、醋酸发酵醋酸菌（原核生物）④应用：用于制作各种风味的醋。3、醋酸发酵“糖制醋”“酒制醋”②当缺少糖源时，能将乙醇转化成乙醛，再将乙醛变成乙酸酶C2H5OH＋O2

CH3COOH（乙酸）＋H2O+能量原理：①当氧气、糖源充足时，能将糖分解成乙酸;C6H12O6＋2O2

2CH3COOH（乙酸）＋2CO2＋2H2O+能量酶温度控制：最适为30～35℃。气体控制：需要充足的氧气。（1）制作原理

许多新鲜水果（如葡萄）的果皮表面附着有大量的不同种类的野生酵母菌。在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒。在有氧的条件下，果酒经醋酸菌的作用还可以进一步发酵成果醋。-----果酒、果醋（2）材料用具新鲜的葡萄、洗洁精、70%的酒精、发酵瓶、纱布和榨汁机等。4102(3)果酒制作步骤：器具消毒冲洗葡萄榨汁装瓶果酒发酵→将发酵瓶、榨汁机等器具用洗洁精清洗干净，并用体积分数为70%的酒精消毒，晾干备用;避免葡萄破损，减少杂菌污染去除表面灰尘、污物①有氧条件，利于酵母菌快速繁殖；耗尽O2后，再进行酒精发酵；②防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出→用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶(注意：要留有大约1/3的空间)，盖好瓶盖;排出CO2，防止爆裂防止杂菌污染→将温度控制在18-30℃进行发酵，在发酵过程中，每隔12h左右将瓶盖拧松一点(注意：不是打开瓶盖)，此后再拧紧瓶盖。发酵时间为10-12d。可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行监测。防止污染发酵液→取新鲜葡萄，用清水冲洗1-2次，再去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干;防止菌种减少，影响发酵先洗后去，顺序不能反(4)果醋制作步骤：器具消毒冲洗葡萄榨汁装瓶果酒发酵→将发酵瓶、榨汁机等器具用洗洁精清洗干净，并用体积分数为70%的酒精消毒，晾干备用;避免葡萄破损，减少杂菌污染去除表面灰尘、污物①有氧条件，利于酵母菌快速繁殖；耗尽O2后，再进行酒精发酵；②防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出→用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶(注意：要留有大约1/3的空间)，盖好瓶盖;排出CO2，防止爆裂防止杂菌污染→将温度控制在18-30℃进行发酵，在发酵过程中，每隔12h左右将瓶盖拧松一点(注意：不是打开瓶盖)，此后再拧紧瓶盖。发酵时间为10-12d。可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行监测。防止污染发酵液→取新鲜葡萄，用清水冲洗1-2次，再去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干;防止菌种减少，影响发酵果酒发酵空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖→当葡萄酒制作完成后，打开瓶盖，盖上一层纱布，进行葡萄醋的发酵。发酵温度为30-35℃，时间为7-8d。(1)在葡萄酒的制作过程中，发酵液(会或不会)

产生气泡，这是因为酵母菌发酵产生

;如果是用紫葡萄制作葡萄酒，随着发酵时间的延长，由果皮进入发酵液的

会越来越多，因而发酵液的颜色会逐渐加深变成

。(2)果醋发酵过程中一般(会或不会)

出现气泡，发酵完成时，在发酵液的液面会出现一层菌膜，是

菌膜。(3)最明显的变化：发酵后10天后会花青素深红色不会醋酸菌(5)结果分析和评价：在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？其中最明显的变化发生在发酵后多少天？引起变化的原因是什么？1CO2(5)结果分析和评价：在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？其中最明显的变化发生在发酵后多少天？引起变化的原因是什么？1发酵酒精发酵醋酸发酵气味和味道气泡和泡沫发酵液颜色酒味有气泡和泡沫加深变成深红色酸味无气泡和泡沫浑浊，形成白色菌膜

醋酸菌大量繁殖形成的。在制作果酒的过程中，除了酵母菌，是否还有其他微生物生长？它们会对果酒发酵产生影响？如果有，如何避免这种影响？2果酒中除了酵母菌，还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。乳酸菌可能分解果酒中的糖等，从而使果酒变质。可以通过发酵的温度、果酒的PH等老控制乳酸菌的含量。醋酸菌可以将糖或乙醇转化为乙酸，由于醋酸菌在有氧的条件下才能进行旺盛的代谢活动，因此在制作果酒的过程中尽量减少氧气含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。此外，通过改变发酵的温度、果酒的pH等同样可以控制醋酸菌的含量。在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？醋酸菌从何而来？采用什么措施可以加快果醋的制作？3随着醋酸发酵的进行，发酵液的PH、发酵温度等均不利于酵母菌的生长繁殖，因此酵母菌活性很低。打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入发酵液中大量繁殖，其他的菌因不适应环境条件而不能繁殖。在工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌。我们制作果醋时，可以先买一瓶醋，将其打开暴露于空气中，一段时间后在醋的表面会有一层薄膜，用这层薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。如何检测果酒、果醋的发酵情况(口味如何？检测是否产生酒精、醋酸)？4如何评价果酒的制作是否成功？

嗅味和品尝进行初步鉴定(闻一闻，尝一尝有没有酒味)

酸性条件下用重铬酸钾检测是否含有酒精(由橙色变为灰绿色)如何评价果醋的制作是否成功？橙色灰绿色

观察有无菌膜的形成

嗅味和品尝进行初步鉴定(闻一闻，尝一尝有没有醋味)

通过酸碱指示剂(ph试纸)检测和比较醋酸发酵前后的pH值变化还可通过显微镜观察酵母菌\醋酸菌，并统计其数量果酒制作与果醋制作的比较：项目果酒制作果醋制作发酵菌种

菌种来源菌种代谢类型

菌种细胞类型发酵原理

发酵条件温度

时间氧气

酵母菌醋酸菌主要是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌异养兼性厌氧型异养需氧型真核细胞原核细胞空气中的野生型醋酸菌28℃30-35℃10-12d7-8d初期需氧，后期不需氧需要氧气氧气、糖源都充足时：缺少糖源时：在有氧条件下：在无氧条件下：C6H12O6+6H2O+6O2

6CO2+12H2O+能量酶C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量酶C6H12O6+2O2

2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量酶C2H5OH+O2

CH3COOH+H2O+能量酶【果酒、果醋制作过程中防止杂菌污染的措施】(1)榨汁机、发酵瓶等器具要用洗洁精清洗干净并用体积分数为70%的酒精消毒，晾干。(2)清洗葡萄时要先冲洗后去除枝梗和腐烂的籽粒，以避免除去枝梗时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会。(3)用带盖的瓶子制作果酒时，每隔12h左右排气时只需拧松瓶盖，不要完全揭开瓶盖。

查阅关于果酒和果醋工业化生产的工艺流程，比较自己制作果酒和果醋的方法与这些流程有哪些异同。在此基础上，请思考：当把少量制作转化为大规模生产时，需要解决哪些实际问题？你能从中体会到技术与工程的区别和联系吗？在大规模生产发酵产品时，需要进行更为全面周详的考虑，如考虑原料的来源与选样、菌种的选育与培养、发酵设备的选择、发酵条件的自动化控制、发酵产品的质量控制、成本价格等。工程、技术与科学的不同——科学以“发现”为核心，技术以“发明”为核心，工程以“建造”和“产品”为核心。技术要通过工程设计等环节，将一系列相关技术体系化地组合起来，才能转化应用在工程中，大规模生产人们需要的产品。发酵瓶果酒和果醋实验设计流程图无氧有氧挑选葡萄冲洗榨汁醋酸发酵酒精发酵果酒果醋果酒制作与果醋制作的比较项目果酒制作果醋制作发酵菌种

菌种来源菌种代谢类型

菌种细胞类型发酵原理在有氧条件下：在无氧条件下：

氧气、糖源都充足时：缺少糖源时：发酵条件温度

时间氧气

酵母菌醋酸菌主要是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌异养兼性厌氧型异养需氧型真核细胞原核细胞C6H12O6+6H2O+6O2

6CO2+12H2O+能量酶C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量酶空气中的野生型醋酸菌C6H12O6+2O2

2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量酶C2H5OH+O2

CH3COOH+H2O+能量酶28℃30-35℃10-12d7-8d初期需氧，后期不需氧需要氧气4、传统发酵食品制作过程中存在的问题

在上述传统发酵食品的制作过程中：我们没有接种菌种，而是利用了天然存在的菌种。菌种差异、杂菌情况不明和发酵过程的控制缺乏标准等，往往会造成发酵食品的品质不一。

工业大规模生产：先通过微生物培养技术获得单一菌种，再将它们接种到物料中进行发酵，从而缩短发酵时间，确保品质稳定。5、改善果酒果醋腐乳泡菜微生物原理反应条件检测方法酵母菌