1.1 传统发酵技术的应用 课件41张2020-2021学年人教版（2019）高中生物选择性必修三

发酵工程
发酵工程是指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，它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面；
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
从传统发酵技术到发酵工程
1857年，巴斯德证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的
1897年，科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用
微生物的分离和纯化技术得到了应用，发酵生产的工艺和设备不断完善，传统的固体发酵开始向半固体发酵和液体发酵演变，作坊式手工生产向现代工业化生产方向发展
20世纪40年代，在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层通气液体发酵技术
1957年，通过人工诱变特定微生物，获得具有更高生产能力的突变类型
20世纪70年代以后，基因工程和细胞工程等的发展，使发酵工程进入定向育种的新阶段
20世纪80年代，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，以更加合理地控制发酵过程，目前人类已经能够自动记录和控制发酵过程的全部参数
问题探讨
“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？
讨论：
它们的制作方法有什么不同？
葡萄酒和葡萄醋都是由葡萄发酵而来；
但是一个经酵母菌的无氧呼吸产生了酒精，
另一个经醋酸菌有氧呼吸产生了醋酸，因此口感不同。
一、发酵概述
1.发酵概念
2.发酵原理
发酵是指人们利用_______，在_____的条件下，将原料通过___________转化为人类所需要的产物的过程
微生物
适宜
微生物的代谢
_________________________________，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物
3.发酵类型
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力
好氧发酵
厌氧发酵
醋酸发酵
酒精发酵、乳酸发酵
*必修一中提到的发酵特指“微生物的无氧呼吸”，是狭义的发酵概念
二、传统发酵技术
1.传统发酵技术概念
直接利用原材料中________的微生物，或利用_________保存下来的面团、卤汁等______中的微生物进行发酵、制作食品的技术
天然存在
前一次发酵
发酵物
2.特点
传统发酵以混合菌种的________及__________为主，通常是_______或_______的；
固体发酵
半固体发酵
家庭式
作坊式
3.常见产品
腐乳、酱、酱油、醋、泡菜、豆豉
思考辨析：
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；
例如直接利用空气中毛霉孢子制作腐乳属于传统发酵技术，若直接接种毛霉，则不属于；
4.传统发酵常见菌种
（1）乳酸菌
①代谢特点
_____细菌，代谢类型为__________；
在_____的情况下能将_______分解成______；
②发酵原理（反应简式）

③生产应用
可用于____________、__________等
④分布
_____、____、________、_______________
⑤常见类型
__________和________
厌氧
无氧
葡萄糖
乳酸
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+能量
乳制品的发酵
泡菜的腌制
空气
土壤
植物体表
人或动物的肠道内
乳酸链球菌
乳酸杆菌
异养厌氧型
（2）酵母菌
①代谢特点
是一类_________，是________微生物；
在_____的条件下能进行________
②重要影响因素
____是影响酵母菌生长的重要因素；
酿酒酵母的最适生长温度约为_____；
③发酵原理（反应简式）

④生产应用
可用于_____、____________等
⑤分布
在一些_________的____、____ _____
单细胞真菌
无氧
酒精发酵
温度
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
酿酒
制作馒头和面包
兼性厌氧
28℃
含糖量较高
水果
蔬菜
表面
（3）醋酸菌
①代谢特点
_____细菌，代谢类型是__________；
当______________时，能将___分解为____；
当________时则将_____转化为_____，
再将_____变为____；
多数醋酸菌的最适生长温度为________；
②发酵原理（反应简式）
③生产应用
醋酸菌可用于制作各种风味的____
好氧
O2、糖源都充足
乙醛
C6H12O6+2O2
酶
2CH3COOH（醋酸）+2H2O+2CO2+能量
醋
异养需氧型
30-35℃
糖
醋酸
缺少糖源
乙醇
乙醛
醋酸
C2H5OH+O2
酶
CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
三、传统发酵技术实例
（一）制作腐乳
1.参与发酵的微生物：
多种微生物，如_____、_____和___________等；
2.发酵原理
毛霉等微生物能产生______和_____等；
经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解为
_________________；
（*此外，微生物还可以产生脂肪酶，将脂肪分解为脂肪酸和甘油）
酵母
曲霉
毛霉（主要）
蛋白酶
肽酶
小分子的肽和氨基酸
3.制作流程
让豆腐长出毛霉
直接利用空气中的毛霉孢子或者直接接种毛霉
目的：让毛霉等产生蛋白酶和脂肪酶
加盐腌制
目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长
加卤汤装瓶
卤汤包括酒和香辛料
酒：抑制微生物生长，并使腐乳具有独特香味；
香辛料：调味，防腐杀菌
密封腌制
*卤汤中酒的含量应控制在12%左右，过高会延长腐乳成熟的时间，过度不足以抑制微生物生长，可能导致豆腐腐败
（二）制作泡菜
1.参与发酵的主要微生物及来源：
____________________；
2.发酵原理
①利用____________________来进行发酵；
②发酵期间，乳酸会________，当它的质量百分比为_________时，泡菜的口味、品质最佳；
③相关反应式
3.发酵条件
适宜的_____；
严格控制_____条件；
植物体表面天然的乳酸菌
植物体表面天然的乳酸菌
不断积累
0.4%-0.8%
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+能量
温度
*根据室内温度控制发酵时间
厌氧
4.制作流程
配制盐水
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；
原料处理、蔬菜装坛
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；
加盐水
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖
封坛发酵
向坛盖边缘的水槽中注满水，并在发酵过程中注意经常向水槽中补充水；
根据室内温度控制发酵时间；
5.实验分析与思考
①盐的作用：
②盐水浓度要适宜的目的：
③盐水煮沸的目的：
④盐水冷却后使用的目的：
⑤泡菜坛子使用之前要检查密封性的目的：
调味，抑制其他微生物生长
过高，乳酸发酵将受抑制；过低，杂菌易繁殖，导致泡菜变质
杀菌，去除水中的溶解氧
为了不影响乳酸菌的生命活动
给泡菜坛内创造无氧环境，严格控制厌氧条件
⑥用水密封泡菜坛的目的：
⑦以上说明泡菜制作需要什么条件？
⑧泡菜制作过程中，是否只有乳酸菌起作用？
⑨为什么泡菜坛只能装八分满？
给泡菜坛内创造无氧环境，严格控制厌氧条件
说明泡菜制作需要在无氧条件下进行（即厌氧条件）
不是，还有一些酵母菌和大肠杆菌
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；
同时留有一定空间，也更方便拿取泡菜。
（防止由于产生CO2而导致发酵液溢出坛外；
防止因装太满使盐水未完全淹没菜料而导致菜料变质腐烂）
拓展思考：
为什么含有抗生素的牛奶不能发酵为酸奶？
牛奶发酵为酸奶主要依靠乳酸菌的作用，
而抗生素能够杀死或抑制乳酸菌
拓展了解——亚硝酸盐：
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，但如果人体摄入过量，会发生中毒，甚至死亡；
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；
膳食中的绝大部分亚硝酸盐随尿排出，但在适宜的pH、温度和一定的微生物作用下会转变成致癌物质亚硝胺（霉变的食品亚硝胺可增至数十倍至数百倍）
6.实验拓展——腌制中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}发酵时期
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
少（O2抑制乳酸菌活动）
少
增加（硝酸盐还原菌的作用）
最多（乳酸积累，抑制其他菌活动）
增多
达到最多后开始下降（硝酸盐还原菌受抑制，部分亚硝酸盐被分解）
减少（乳酸积累，pH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）
思考：
发酵中期时，由于前期乳酸的积累，pH下降，嫌气状态形成，乳酸杆菌进行活跃的同型乳酸发酵（发酵产物只有乳酸或达到80%以上），大肠杆菌、酵母菌等微生物的活动受到抑制。
试分析这种微生物消长现象的原因（为什么乳酸菌会逐渐成为优势菌种）；
乳酸菌比其他种类微生物更耐酸；
发酵中期pH下降，导致其他种类的微生物的生命活动受到抑制；
拓展应用：
某同学在制作泡菜前，查阅资料得知，可以向泡菜坛中加人一些“陈泡菜水”；在用质量百分比为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，结果见曲线图。请你帮他分析相关问题
1.泡菜制作过程中影响亚硝酸盐含量的因素哪些？
腌制方法、腌制时间长短、温度高低
2.据图分析，从亚硝酸盐的含量来看，你认为该泡菜在什么时间食用比较合适?为什么?
应该在11天后食用比较合适；
因为这时亚硝酸盐含量已经降到较低的水平；
3.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?
可能是食盐浓度过高，抑制乳酸菌生长，产生乳酸较少，导致泡菜未能正常发酵（也可能是由于温度较低）
4.加入“陈泡菜水”的目的是什么？
“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。
（三）制作果酒
1.参与发酵的主要微生物及来源：
______________________________；
2.发酵原理
①许多________________附着有大量的不同种类的___________；
②在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒（通过有氧呼吸大量繁殖，通过无氧呼吸产酒精）；
③相关反应式
新鲜水果的果皮表面附着的野生酵母菌
新鲜水果的果皮表面
野生酵母菌
C6H12O6+6O2+6H2O
酶
6CO2+12H20+能量
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
3.发酵条件：
①温度——将温度控制在________进行发酵；
②氧气含量
a.氧气充足的情况下，_________；
b.无氧条件下，进行_________；
18-30℃
大量繁殖
酒精发酵
5.制作流程
器具消毒
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
冲洗葡萄
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
榨汁装瓶
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
酒精发酵
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.
果酒检测
可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行检测
6.实验分析与思考
①体积分数为70%的酒精的作用：
②冲洗的目的：
③冲洗1-2次即可，能否连续冲洗，为什么：
④为什么去梗前冲洗：
⑤葡萄汁装入发酵瓶时，为何要留有1/3的空间？
消毒
去除表面灰尘、污物
不能，防止果皮表面的野生菌种数量减少
避免葡萄破损，减少被杂菌污染的机会
a.先让酵母菌进行有氧呼吸，快速繁殖，耗尽O2后，再进行酒精发酵；
b.防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出
⑥每隔12h左右将瓶盖拧松一点的目的：
⑦拧松但不打开的目的：
⑧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吗？如果有，如何避免这种影响？
排出气体
防止杂菌污染
还有一些乳酸菌和醋酸菌；
乳酸菌能将糖分解为甘油、酒石酸等，从而使果酒变质，而在有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸或者把乙醇转化为乙醛进而转化为醋酸。
可以通过调节发酵的温度、pH等来控制乳酸菌含量；
可以通过减少O2含量、调节发酵温度、pH来控制醋酸菌含量；
⑨如何检测果酒的发酵情况（检测是否产生酒精）？
⑩果酒制作过程中，在不灭菌的情况下，酵母菌是如何成为优势菌种的？
a.闻
b.品尝
c.用酸性条件下的重铬酸钾溶液检测（橙色→灰绿色）
发酵后期在缺氧和酸性发酵液中，绝大多数微生物的生命活动受到抑制，而酵母菌可以适应这一环境成为优势菌种
（四）制作果醋
1.参与发酵的主要微生物及来源：
____________________________；
2.发酵原理
①在_____的条件下，果酒经醋酸菌的作用可以进一步发酵成果醋；
②当糖源充足时，醋酸菌还可以直接将糖分解为醋酸；
③相关反应式
空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌
有氧
C6H12O6+2O2
酶
2CH3COOH（醋酸）+2H2O+2CO2+能量
C2H5OH+O2
酶
CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
3.发酵条件：
①温度——发酵温度为_______；
②氧气含量
氧气供应______
4.制作流程（以乙醇为底物的类型为例）

30-35℃
充足
果酒制作
打开瓶盖，盖上纱布
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。
果醋检测
5.实验分析与思考
①在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？
②醋酸菌从何而来？
③采用什么措施可以加快果醋的制作？
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，不会继续发酵。
打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖，其他的菌因不适应环境条件（不能利用乙醇）而不能繁殖
在工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌；
或者买一瓶醋，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（即醋酸菌膜），用这层薄膜进行接种亦可；
④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？
a.在葡萄酒的制作过程中，发酵液会产生气泡，这是因为酵母菌发酵产生了CO2；
b.开始发酵后，CO2产生越来越多，会使发酵液出现“沸腾”现象，在发酵的10天后，这种现象最明显；
c.发酵过程产热，会使发酵液温度上升，应注意控温；
d.发酵过程中，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；
e.果醋发酵完成后，发酵液的液面上会出现一层菌膜，即醋酸菌膜；
⑤在果酒和果醋制作中，哪些做法可防止发酵液被污染？
⑥如何检测果醋的发酵情况？
a.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；
b.处理葡萄时应先冲洗再去除枝梗；
c.排气时只需拧松瓶盖，不要打开瓶盖
a.闻；
b.品尝；
c.使用pH试纸检测检测和比较发酵前后的pH值；
d.观察醋酸菌膜是否形成；
6.果酒发酵与果醋发酵的比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
果酒发酵
果醋发酵
发酵菌种
菌种来源
菌种代谢类型
菌种生物类型
发酵原理
发酵条件
温度
时间
氧气
酵母菌
醋酸菌
附着在新鲜水果果皮表面的野生酵母菌
空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌
异养兼性厌氧型
异养需氧型
真核生物
原核生物
18-30℃
30-35℃
10-12d
7-8d
前期需氧，后期不需氧
始终需氧
7.果酒发酵与果醋发酵的装置
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}结构
作用
酒精发酵时状态
醋酸发酵时状态
充气口
排气口
出料口
通入空气
关闭
打开，并接入气泵
排出CO2
打开
打开
便于取样监测
关闭
关闭
思考：
1.为什么排气口胶管长而弯曲？
2.该装置还能继续改进吗？
防止空气中微生物的污染
可以在充气口填充棉花或者安装其他过滤装置，以防止充入的气体携带外来杂菌污染发酵液等