传统发酵技术的应用 发酵工程及其应用

生物技术与工程

第35课传统发酵技术的应用发酵工程

及其应用

A学业质・水平要求＜

1.结合泡菜的制作，科学认识生活中用到的生物学知识。（生命观念、科学

探究）

2.通过果酒和果醋的制作，认识不同类型微生物的应用，并根据各自的特

点理解其操作过程。（生命观念、科学思维）

3.结合生活或生产实例，举例说出发酵工程的原理并进行简单的设计和制

作。（生命观念、科学探究）

Q,层级构建必备知识培养关键能力

考点一传统发酵技术的应用

概念梳理

i.发酵与传统发酵技术

⑴发酵

①概念：发酵是人们利用微生物,在适宜的条件下，将原料通过微生物的

代遢转化为人类所需要的产物的过程。

②实例——腐乳

a.原理：经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解成小分子的肽和氨基

酸。

b.起主要作用的微生物：毛霉。

（2）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、图±等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。

②类型：以混合菌种的固体发酵和半固体发酵为主。

2.传统发酵食品的制作

（1）泡菜的制作

①菌种来源：附着在植物体表面上的乳酸菌，常见种类有乳酸链球菌和乳

酸杆菌。

酶

②原理：乳酸菌的无氧呼吸，反应简式为C6Hl2。6―>2C3H6。3（乳酸）+能

量。

③制作过程

如水配制质址分数为5%~20%的噌水,煮沸,冷却

配制待用

束料新鲜蔬菜洗净切块，晾干装半坛，放入香辛料,

处理继续装至八成满

密封冷却盐水倒入坛中，盐水没过菜料,盖好坛盖,

菜坛向坛盅边沿的水槽中注左,创造至皂条件

（2）果酒和果醋的制作

①制作原理与发酵条件

:果酒制作：：果醋制作:

*vv

酵母菌<=（主要一种金酸菌

畿器般画画=>变酸酒表面的菌膜

氧气、糖源都充足时:

行辄条件下：楹54+20*

CMQ,+6O于6Hq上

2CH,COOH+2CO：

6cCVI2HQ+能量

----------------<=［）=>+2%0+能量

无氧条件下:”糖源时：

CHQ6旦2c?HQHGHsOH+O?®

+2CO,+能用C认C00H+Hq+能量

②制作过程

［鹿备卜发醉帆榨汁机等用洗洁新清洗,酒精消毒,晾r备用

（取材）-取新鲜前前.清洗”次.去除成梗和腐烂籽粒.沥干

:1:

画逡册-榨取前衢汁•装瓶（团大约坦空间）,盖好瓶盖

:1：

［果用发辞）-18-30笃发林.每隔12h松盖一次再拧紧.发醉10/2d

「布再前萄酒制作完成后,打开瓶盖.盖上一乂位.温度

I人命发酹卜3a35t,时间7~8d

「概念辨析」

I.乳酸菌是厌氧细菌，无氧呼吸产物是乳酸与CO2。（X）

2.亚硝酸盐会危害人体健康，一定要禁止食用。（X）

3.葡萄酒的自然发酵中，起主要作用的是突变型酵母菌。（X）

4.只要02充足醋酸菌发酵的产物是一样的，（X）

5.制作泡菜过程中可在坛内加入少量白酒，防止泡菜变质。（V）

核材细节命题］

1.（选择性必修3P6探究•实践）为什么泡菜坛只能装八成满？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，它们可进行发酵，发酵

产物中有较多的CO2,如果泡菜坛装得太满，发酵液可能会溢出坛外。另外，

泡菜坛装得太满，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。泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。

2.（选择性必修3P7探究•实践）在制作葡萄酒和葡萄醋的过程中，发酵液分

别有哪些变化？在葡萄酒的制作过程中，发酵液中会产生气泡，这是因为酵母

菌发酵产生CCh;如果是用紫色葡萄制作葡萄酒，随着发酵时间的延长，由果

皮进入发酵液的花青素会越来越多，因而发酵液的颜色会逐渐加深变成深红色。

葡萄醋发酵过程中一般不会出现气泡，发酵完成时，在发酵液的表面上会出现

一层菌膜，这是醋酸菌膜。

「概念探研」

1.泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化

发酵时期乳酸菌乳酸亚硝酸盐

发酵少（有02,乳酸菌活增加（硝酸盐还原菌

少

初期动受抑制）的作用）

下降（硝酸盐还原菌

发酵最多（乳酸抑制其他

积累增多、pH下降受抑制，部分亚硝

中期菌活动）

酸盐被分解）

减少（乳酸继续积下降至相对稳定（硝

发酵继续增多，pH继续

累，pH继续下降，酸盐还原菌被完全

后期下降

抑制乳酸菌活动）抑制）

匐

变化II

曲线

0发醉时向tkx

o发醉时间°发解时间

亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的，而不是硝化

注意

细菌氧化氨形成的

2.制作泡菜的注意事项

(1)营造无氧环境

①选择的泡菜坛密封性要好；②加入蔬菜后要注入煮沸后冷却的盐水，使

盐水没过全部菜料；③盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满清水。

(2)控制适宜的发酵温度

温度过高易致杂菌滋生；温度过低不利于乳酸发酵，会使发酵时间延长。

(3)控制发酵时间

一般在腌制10天后，亚硝酸盐含量开始下降。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，导致泡菜口味不佳。

3.果酒和果醋改进装置及其分析

｛充气口)—［排一口)—>

发醉前期充气口打开,排出酒精发醉

输入无菌空气,让酵时产生的coZ

母菌增殖,后期关闭

充气口,进行酒精发

醉；在醋酸发酵时连

排气口通过一

接充气泵进行充气

个K而弯曲的

胶管与瓶身连

接，其目的是

用来取样.及时监测防止空气中微

发解进行的情况生物的污染

装置的使用：使用该装置制作果酒时，应该关闭充气口；制作果醋时，应

将充气口连接充气泵，输入空气。

「案例导引」

考向II发酵及传统发酵技术概念的判断

1.关于发酵的叙述，错误的是()

A.发酵就是无氧呼吸

B.发酵是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

C.酒精发酵是由活的酵母菌引起的

D.利用微生物能够生产出人们所需的多种产物的原因是不同的微生物具有

产生不同代谢物的能力

A解析：发酵包括有氧发酵和无氮发酵，A错误；发酵是指人们利用微生

物，在适宜的条件下，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，B正确；酒精发酵是由活的薛母茵引起的，C正确；不同的微生物具有产生

不同代谢物的能力，因此利用微生物能够生产出人们所需的多种产物，D正确。

2.（2021•湖北卷）中国的许多传统美食制作过程蕴含了生物发酵技术。下列

叙述正确的是（）

A.泡菜制作过程中，酵母菌将葡萄糖分解成乳酸

B.馒头制作过程中，酵母菌进行呼吸作用产生CO2

C.米酒制作过程中，将容器密封可以促进酵母菌生长

D.酸奶制作过程中，后期低温处理可产生大量乳酸杆菌

B解析：泡菜制作过程中，主要是乳酸菌将葡萄糖分解成乳酸，A错误；

做馒头或面包时，酵母菌可以分解面粉中的葡萄糖，产生CO2和酒精，CO2是

气体，遇热膨胀而形成小孔，使得馒头或面包暄较多孔，B正确；酵母菌在有氧

条件下可以大量繁殖，在密封即无氧条件下产生酒精，C错误；酸奶制作过程中，

后期低温处理时大部分乳酸杆菌已死亡，不会大量繁殖，D错误。

考向2|泡菜的制作原理和过程的分析

3.（2021•山东淄博一模）下图为泡菜制作过程中乳酸、乳酸菌和亚硝酸盐含

量的变化曲线。据图分析，下列叙述不合理的是（）

A.发酵初期，发酵液中的02抑制部分乳酸菌代谢，乳酸产量少

B.发酵初期，亚硝酸盐含量较低，是泡菜风味品质最好的时期

C.发酵中期，乳酸大量积累导致pH下降，抑制其他微生物生长

D.发酵后期，乳酸量增加到一定浓度后，会导致乳酸菌数量下降

B解析：乳酸菌属于厌氧型微生物，发酵初期，发酵液中的02抑制部分

乳酸菌代谢，乳酸产量少，A正确；发酵初期，由于发酵程度低，乳酸产量少，

泡菜风味品质不好，B错误；由图可知，发酵中期，乳酸大量积累导致发酵液

pH下降，抑制其他微生物生长，C正确；发酵后期，乳酸含量增加到一定浓度

后，会抑制乳酸菌的生长，导致乳酸菌数量下降，D正确。

考向3|果酒、果醋的制作原理和过程的分析

4.（2021・山东卷）葡萄酒的制作离不开酵母菌。下列说法错误的是（）

A.无氧条件下酵母菌能存活但不能大量繁殖

B.自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是野生型酵母菌

C.葡萄酒颜色是葡萄皮中的色素进入发酵液形成的

D.制作过程中随着发酵的进行发酵液中糖含量增加

D解析：酵母菌进行有氧呼吸获得能量可大量繁殖，无氧条件下，酵母菌

发酵产生酒精，故无氧条件下酵母菌能进行无氧呼吸，可存活但不能大量繁殖，

A正确；自然发酵制作葡萄酒时起主要作用的菌是葡萄皮上的野生型酵母菌，B

正确；葡萄皮中的色素进入发酵液使葡萄酒呈现颜色，C正确；制作葡萄酒过程

中随着发酵的进行发酵液中糖含量减少，D错误。

5.（2021•辽宁卷）利用菠萝蜜制作果醋的大致流程为：先在灭菌的果肉匀浆

中接种酵母菌，发酵6天后，再接入活化的醋酸杆菌，发酵5天。下列有关叙述

错误的是（）

A.乙醇既是醋酸发酵的底物，又可以抑制杂菌繁殖

B.酵母菌和醋酸杆菌均以有丝分裂的方式进行增殖

C.酵母菌和醋酸杆菌发酵过程中控制通气的情况不同

D.接入醋酸杆菌后，应适当升高发酵温度

B解析：当缺少糖源时，醋酸菌将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为乙酸，同

时乙醇还可以抑制杂菌繁殖，A正确。酵母菌一般以出芽的方式繁殖，醋酸杆菌

以二分裂的方式进行增殖，B错误。酵母菌发酵过程中先通气使其大量繁殖，再

密闭发酵产生乙醇；醋酸杆菌为好氧菌，需持续通入无菌氧气，C正确。酵母菌

发酵的适宜温度是18〜30°C,醋酸杆菌发酵的适宜温度为30〜35°C,D正确。

考点二发酵工程及其应用

概念梳理

1.概念：利用微生物的特定功能,通过现代工程技术，规模化生产对人类

有用的产品。

2.发酵工程的基本环节

丽丽l~r从自然界筛选

~干厂匚通过一变育种或基因工程育种获得

厂I扩大培养/在发醉前需要对菌种进行扩大培养

I配制培养基1根据菌种选择原料配制培养基

.I

懑｝一对培养眼和发酵设备进行严格灭菌

~摩卜r将菌种接种到培养基上培养

r-J~随时检测培养液中的微生物数量和产物浓度

发磬瞿内。及时添加必需的，养组分.严格控制温度、

|pH和溶解气等发酵条件

__L微生物细胞：采用过，、沉淀等方法

提般初一将菌体分离和干燥

T—一代谢物：根据产物的性质进行提取、

,分离和纯化

I获得产品

3.发酵工程的应用

(1)在食品工业上的应用：①生产传统的发酵产品。②生产各种各样的食品

添加剂。③生产酶制剂。

(2)在医药工业上的应用

①竟霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。

②发酵工程逐步扩展到了其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等

的生产领域。

(3)在农牧业上的应用：①生产微生物肥料。②生产微生物农药。③生产微

生物饲料。

(4)在其他方面的应用

发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康

和能源等方面的重大问题上，做出越来越大的贡献。

概念辨析

1.发酵工程中所需的性状优良的菌种只能从自然界中筛选出来。(X)

2.在菌种确定之前就要选择原料制备培养基。(X)

3.发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。(V)

4.发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用。

(V)

概念涂研

1.发酵工程中心环节的分析

2.啤酒的工业化生产的过程分析

（1）啤酒发酵的过程及内容

西旬病容，

"y''V

［主发酵一酵母菌的繁殖、大部分糖的分解、代谢物的生成

▼

［后发醉♦低温、密闭环境卜.储存

⑵“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别

产拓前-诲诩屡丽"应「丽布

只使用麦芽、啤酒_r^n_麦芽、啤酒花、酵母菌、

花、醉母菌和水皆r水、大米、玉米、淀粉等

不添加T是否添加A品添加剂「添加

较高,口味浓郁T麦芽,浓度1度低,口味清淡

发酵时间长,发酵时间短.通常

达2个月T发酵时间L7天左右

产量低、价格高T特点1产一高、价格低

「案例导引」

1.下面是有关啤酒的工业化生产的流程。下列有关叙述错误的是（）

发芽一焙烤一碾磨一糖化一蒸煮一发酵一消毒一终止

A.啤酒的发酵过程包括主发酵和后发酵两个阶段

B.发芽的过程中大麦会产生淀粉酶，便于将大麦中的淀粉分解为葡萄糖进

行酒精发酵

C.发酵的过程就是酵母菌进行有氧呼吸的过程

D.消毒的目的是杀死啤酒中的大多数微生物，以延长它的保存期

C解析：发酵的过程是酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的过程，C错误。

2.（2021•山东济南二模）发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物

的某些特定功能，为人类生产有用的产品。常用好氧菌谷氨酸棒状杆菌利用图1

的发酵罐来大量生产味精，发酵流程如图2所示。下列叙述正确的是（）

电动机

图I

图2

A.发酵中所使用的谷氨酸棒状杆菌菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育

种、杂交育种或基因工程育种获得

B.为了保证发酵产品的产量和品质，图中发酵配料及发酵罐需经过严格的

灭菌

C.在发酵过程中，通过加料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量

D.图中发酵过程需通入无菌空气，并通过搅拌使培养液与菌种充分接触后

关闭通气口

B解析：谷氨酸棒状杆菌属于原核生物，不能进行有性生殖，无法通过杂

交育种获得，A错误；严格灭菌可以杀死发酵配料及发酵罐中的所有微生物，防

止杂菌污染，从而保证发酵产品的产量和品质，B正确；在发酵过程中，应通过

放料口取样，随时监测产物浓度和微生物数量，C错误；谷氨酸棒状杆菌属于好

氧菌，在发酵过程中要不断地通入无菌空气，不能关闭通气口，D错误。

【归纳总结】

(1)啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩

大培养，缩短生产周期。

（2）熔烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。

⑶蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。

（4）发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。

⑸接种前要对发酥罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。

凝练学科素养探析高考命题

【命题动态】针对人类生产或生活的某一需求，结合生活或生产实例，考

查传统发酵技术及发醉工程的应用。呈现形式一般以选择题为主，难度较低或

中档。

对接高考真题

L（2020・山东卷）我国的酿酒技术历史悠久，古人在实际生产中积累了很多

经验。《齐民要术》记载：将蒸熟的米和酒曲混合前需“浸曲发，如鱼眼汤，净

淘米八斗，炊作饭，舒令极冷”。意思是将酒曲浸到活化，冒出鱼眼大小的气

泡，把八斗米淘净，蒸熟，摊开冷透。下列说法错误的是（）

A.“浸曲发”过程中酒曲中的微生物代谢加快

B.“鱼眼汤”现象是微生物呼吸作用产生的CO2释放形成的

C.“净淘米”是为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主要措施

D.“舒令极冷”的目的是防止蒸熟的米温度过高导致酒曲中的微生物死亡

［思维培养］

信“酒曲浸到“冒出鱼眼大由“淘净”可

息“冷透”避

活化”可知小的气泡”可知去沙土；

获.“蒸熟”是-免高温杀死

取醉母菌遇水知醉母菌代谢

微生物

代谢增强产生气体消除杂菌

知

识

网

用

C解析：“浸曲发”是将酵母菌活化，可以使微生物代谢加快，A正确；

“鱼眼汤”是指酵母菌在呼吸过程中产生CO2,便溶液中出现气泡，B正确；在

做酒过程中，为消除杂菌的影响而采取的主要措施是“炊作饭”，即蒸熟，C错

误；“舒令极冷”是将米饭摊开冷透，目的是防止温度过高导致微生物（酵母菌）

死亡，D正确。

2.（2021•广东卷）中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H,

以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室发酵生产PHA等

新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。工艺流程如下图。

开放式发醉系统

回答下列问题：

（1）为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖

作为，并不断提高其浓度，经多次传代培养（指培养一段时间后，将部

分培养物转入新配的培养基中继续培养）以获得目标菌株。培养过程中定期取样

并用的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。此外，选育

优良菌株的方法还有（答出两种方法即可）等。

（2）基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要

灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60g/L,pH为10,菌株H可正常持续

发酵60d以上。该系统不需要灭菌的原因是_______________________________

________________________________________。（答出两点即可）

（3）研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下

发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了

少量乙醇等物质，说明发酵条件中可能是高密度培养的限

制因素。

（4）菌株H还能通过分解餐厨垃圾（主要含蛋白质、淀粉、油脂等）来生产

PHA,说明其能分泌___________________________________

解析：（1）根据题意分析，该实验的目的是提高菌株H对蔗糖的耐受能力和

利用效率，结合微生物的代谢需求，其液体培养基应该以蔗糖作为唯一碳源，

并不断提高其浓度，经多次传代培养以获得目标菌株。培养过程中定期取样并

用血细胞计数板计数的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。此外，选育优

良菌株的方法还有诱变育种、基因工程育种等。（2）已知菌株H具有嗜盐、酸碱

耐受能力强等特性，因此当培养基盐浓度为60g/L,pH为10时，菌株H可正

常持续发酵60d以上，而盐浓度为60g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死

亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制，故该系统

不需要灭菌。（3）分析题意，扩大培养时，营养物浓度、温度、pH等条件适宜，

而发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物

质，说明发酵条件中氧气不足，使菌种进行无氧呼吸产生乙醇，即氧气（02或溶

解氧）可能是限制高密度培养的重要因素。（4）根据酶的专一性可知，菌株H能通

过分解主要含蛋白质、淀粉、油脂等的餐厨垃圾来生产PHA,说明其能分泌蛋

白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

答案：（1）唯一碳源血细胞计数板计数诱变育种、基因工程育种⑵盐

浓度为60g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其

他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制（3）氧气（02或溶解氧）（4）蛋白酶、淀

粉酶、脂肪酶等

「情境试题预测」

1.（生活、学习和实践情境）与啤酒、葡萄酒并称世界三大古酒的黄酒是中

国特产，即墨老酒是黄酒中的珍品，按照“黍米必齐、曲蕖必时、水泉必香、

陶器必良、湛炽必洁、火剂必得”的古代造酒六法（古遗六法）酿制而成。下列关

于我国传统黄酒发酵的叙述，错误的是（）

A.黄酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢产物

B.“曲蕖”指酿造老酒的酵母菌，在酿造黄酒过程中进行有氧呼吸和无氧

呼吸

C.“湛炽必洁”为消除杂菌对酿酒过程的影响而采取的主耍措施

D.“火剂必得”的目的是大火升温，保持高温是促进酵母菌无氧呼吸酿酒

的前提

D解析：黄酒中的酒精是糖类经酵母菌无氧呼吸产生的代谢物，因为酵母

菌无氧呼吸的产物是酒精，A正确；在黄酒制作过程中同样需要酵母菌先进行有

氧呼吸大量繁殖，而后经过无氧呼吸产生酒精，据此可推测，“曲篥”指酿造老

酒的酵母菌，在酿造黄酒过程中进行有氧呼吸和无氧呼吸，B正确；避免杂菌污

染是酿酒过程中的必要措施，因此，“灌炽必洁”为消除杂菌对酿酒过程的影响

而采取的主要措施，C正确；“火剂必得”是指控制适宜的温度保证酵母菌发酵

所需，通常为18〜30C,D错误。

2.（生命科学史情境）传统的酱油制作工艺采用面粉、黄豆做成酱饼，通过

蒸熟、发酵、摊晒，然后将酱饼捣碎和盐汤盛入缸中，主要利用黑曲