1、第第3232讲讲 发酵工程发酵工程 第第1010单元单元 2022 第1课时 传统发酵技术和发酵工程 内 容 索 引 01 02 03 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 核心考点核心考点 能力提升能力提升 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 一、发酵与传统发酵技术 1.发酵:人们利用微生物,在适宜的条件下,将原料通过 的代谢转化 为人类所需要的产物的过程。 2.传统发酵技术:直接利用原材料中 的微生物,或利用前一次发 酵保存下来的面团、卤汁等 的微生物进行发酵、制作食品的 技术。 (1)发酵类型: 发酵、 发酵。 (2)产品举例:腐乳、酱、酱油、醋、泡菜和
2、豆豉等。 微生物 天然存在 发酵物中 固体 半固体 二、泡菜、果酒和果醋的制作 1.制作泡菜 5%20% 半坛 八成 水槽 2.制作果酒、果醋 70% 1/3 1830 1012 3035 3.果酒、果醋和泡菜的制作比较 比较 项目 果酒制作 果醋制作 泡菜制作 原 理 C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 +能量 当 时, C6H12O6+2O2 2CH3COOH +2H2O+2CO2+能量; 当 时, C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量 C6H12O6 2C3H6O3+能量 缺少糖源 O2、糖源充足 比较 项目 果酒制作 果醋制作 泡菜制作 温 度 室温 气 体 控 制
3、先通气一段时间后再密封发酵 容器或预留发酵容器 的 空间。发酵旺盛期的CO2产量 非常大,每隔12 h左右将瓶盖拧 松一次,防止发酵瓶爆裂 需不断通入氧气 ( ) 向坛盖边沿 的水槽中注 满水,密封发 酵容器 1830 3035 1/3 无菌空气 比较 项目 果酒制作 果醋制作 泡菜制作 杂菌 控制 实验材料的冲洗和实验用具的 ;酸性的发酵液具 有 的作用;发酵菌种迅速形成 种 检 测 指 标 可以嗅味和品尝、 用 检 验酒精含量,进行 酵母菌的镜检、 测定pH等工作 通过观察 的形成、 嗅味和品尝初步鉴定,再通 过检测和比较醋酸发酵前 后的pH进一步鉴定。还可 以在显微镜下观察发酵液 中是否
4、有醋酸菌 泡菜的色泽和风 味,还可以通过在 显微镜下观察比 较不同时期泡菜 坛中乳酸菌的含 量 联系 制作果醋可在酒精发酵的基础上进行醋酸发酵 灭菌 抑菌 优势 重铬酸钾 菌膜 归纳总结菌种比较 产品 菌种 类型 代谢类型 菌种来源 泡菜 乳酸菌 原核生物 异养厌氧型 天然菌种 果酒 酵母菌 真核生物 异养兼性厌氧型 天然菌种 果醋 醋酸菌 原核生物 异养需氧型 人工接种 三、发酵工程 1.发酵工程的基本环节 诱变 基因工程 扩大培养 微生物数量 温度 溶解氧 分离提纯 2.发酵工程的应用 (1)应用举例 应用 举 例 食品 工业 生产传统的发酵产品: 、酒类 生产食品添加剂:柠檬酸、 生产
5、:-淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和 脂肪酶等 医药 工业 采用 的方法,获得具有某种药物生产能力的微生 物 直接对菌种进行改造,再通过 技术大量生产所需要的 产品 酱油 味精 酶制剂 基因工程 发酵 应用 举 例 农牧 业 生产微生物 生产微生物 生产微生物 其他 方面 利用纤维废料发酵生产 、乙烯等能源物质 应用于生产实践 肥料 农药 饲料 酒精 极端微生物 (2)啤酒的工业化生产流程 发芽大麦种子发芽,释放淀粉酶 焙烤加热杀死 但不使淀粉酶失活 碾磨将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉 糖化淀粉分解,形成 蒸煮产生风味组分,终止酶的进一步作用,并对糖浆 种子胚 糖浆 灭菌 发酵酵母菌将糖转化为
6、消毒杀死啤酒中的大多数 ,延长它的保存期 终止过滤、调节、分装啤酒进行出售 微生物 酒精和CO2 概念检测 1.基于果酒、果醋的制作流程,判断下列表述是否正确。 (1)在果酒发酵后期,拧开瓶盖的间隔时间可延长。( ) (2)在家庭中用鲜葡萄制作果酒时,向发酵装置中通入空气。( ) (3)苹果酒的发酵过程中,若发酵液表面出现菌膜,最可能的原因是发酵瓶 漏气。( ) (4)酵母菌是嗜温菌,所以果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵所需的最 适温度。( ) (5)红葡萄酒中的红色是红葡萄皮中的色素进入发酵液产生的。( ) (6)在葡萄酒自然发酵过程中,需要人工添加酵母菌种。( ) 答案 (1) (2)
7、(3) (4) (5) (6) 2.制作传统泡菜是利用植物体表面天然的乳酸菌进行发酵的,判断下列表 述是否正确。 (1)泡菜制作的前期需要通入氧气,后期应严格保持无氧条件。( ) (2)泡菜坛的选择、发酵过程中坛沿要注满水都有利于泡菜的无氧发酵。 ( ) (3)泡菜制作过程可以随时取出食用不同酸味的泡菜。( ) (4)制作泡菜过程中,有机物的干重和种类将减少。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) 3.发酵工程能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,基于对发 酵工程的认识,判断下列表述是否正确。 (1)人工诱变、细胞工程、基因工程等都能对微生物进行定向改造。( ) (2)环境条件的
8、变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢 途径。( ) (3)发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢产物的形成都与搅拌速度有关。 ( ) (4)单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) 教材拓展 (人教版选择性必修3 P8“拓展应用”改编)某同学在制作泡菜前,查阅资料得 知,可以向泡菜坛中加入一些“陈泡菜水”;在用不同浓度的食盐水制作泡菜 时,不同的时间段亚硝酸盐的含量不同(见下图),请据图解决下列问题。 (1)加入“陈泡菜水”的目的是什么? 提示 “陈泡菜水”中含有乳酸菌的菌种,可使乳酸菌的种群数量快速增加。 (2)影响泡菜中的亚硝酸盐含量的因素
9、有哪些? 提示 腌制的时间和盐浓度影响泡菜中的亚硝酸盐含量。 (3)请分析经过13 d发酵后,高浓度的食盐浓度泡菜中的亚硝酸盐含量较低 的原因。 提示 低浓度的食盐溶液可能对微生物生长的抑制作用较小,而7%的食盐 溶液则对微生物的生长有较大的抑制作用,因此,高浓度的食盐浓度泡菜中 的亚硝酸盐含量较低。 核心考点核心考点 能力提升能力提升 考点一考点一 制作泡菜制作泡菜 合作探究合作探究 探究传统泡菜利用植物体表面的天然乳酸菌进行发酵 泡菜古称葅,北魏贾思勰的齐民要术一书中,就有制作泡菜的叙述。泡 菜使用低浓度的盐水,再经乳酸菌发酵,制成一种带酸味的腌制品,只要乳 酸含量达到一定的浓度,并使产品
10、隔绝空气,就可以达到久贮的目的。下图 是泡菜在腌制过程中,乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化规律,据图分析回答 下列问题。 (1)从生物间的相互关系和条件变化分析,乳酸菌数量呈现这种变化规律的 原因是什么? 提示 发酵初期以不产酸的大肠杆菌和酵母菌的活动为主,同时还有一部 分硝酸盐还原菌在该时期利用氧气,产生了无氧环境,乳酸菌开始活动;发 酵中期由于乳酸菌产生了大量乳酸,其他细菌活动受到抑制,乳酸菌活动增 强;发酵后期由于乳酸的积累,酸度继续增长,乳酸菌活动也受到抑制,乳酸 菌数量下降。 (2)乳酸含量开始很低,中后期急剧增加的原因是什么? 提示 发酵初期有氧气,乳酸菌活动较弱,中后期氧气含量减少,
11、乳酸菌大 量繁殖,乳酸的含量迅速积累。 (3)分析亚硝酸盐含量变化的原因。 提示 发酵初期,乳酸菌和乳酸的量都比较少,由于硝酸盐还原菌的活动, 亚硝酸盐含量逐渐增加;后期由于硝酸盐还原菌受抑制,同时形成的亚硝酸 盐又被分解,因而亚硝酸盐含量下降。 (4)泡菜发酵时间是不是越长越好?说明理由。 提示 不是。泡菜发酵时间延长,亚硝酸盐含量相对降低,但是发酵时间过 长,会产生其他有害物质。 归纳总结泡菜制作过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化情况分析 发酵 阶段 乳酸菌 乳 酸 亚硝酸盐 发酵 初期 少(有氧气,乳酸菌活动 受到抑制) 少 增加(硝酸盐还原菌作用) 发酵 中期 最多(乳酸抑制其他菌 活
12、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) 发酵 后期 减少(乳酸积累,pH下 降,抑制其活动) 继续增多,pH 继续下降 下降至相对稳定(硝酸盐 还原菌被完全抑制) 考向突破考向突破 考向 泡菜的制作原理和过程分析 某研究小组以“泡菜腌制过程中亚硝酸盐含量变化”为课题开展了如下表 所示的研究。分析并回答下列问题。 实验步骤 泡菜坛 A B C 加入洗净的新鲜大 白菜 0.6 kg 0.6 kg 0.6 kg 加入2 L盐水(浓度) 4% 14% 24% 密封 置于同一环境中 测定亚硝酸盐含量 封坛前进行第一次测定,以后定期测定,如图 (1)实验中盐水需煮沸并
13、冷却后才可使用,原 因: 。 (2)图中曲线1是 坛测定的结果,原因 是 。 泡菜的口味是 。制作 泡菜效果最好的盐水浓度为 。 (3)为了使实验结果更准确,测定亚硝酸盐含量 时应 。 答案 (1)煮沸是为了除去水中的氧气和杀灭杂菌,冷却后使用是为了避免 高温杀死乳酸菌等发酵菌种 (2)A 盐水浓度过低导致亚硝酸盐含量过 高而不下降 酸而不咸 14% (3)设置重复实验,多次测定后取平均值 解析 (1)制作泡菜时泡菜盐水要煮沸冷却后才可使用,其中煮沸是为了除 去水中的氧气和杀灭杂菌,冷却是为了避免高温杀死乳酸菌等发酵菌种。 (2)由图可知,曲线1所示亚硝酸盐含量过高而不下降,原因是盐浓度过低,
14、应 为A坛测定的结果。该坛中泡菜的口味是酸而不咸。根据亚硝酸盐含量 的变化,制作泡菜效果最好的是B坛,其盐水的浓度为14%。(3)为了减少误 差,避免实验的偶然性,应设置重复实验,要多次测定后取平均值。 考点二考点二 制作果酒和果醋制作果酒和果醋 合作探究合作探究 探究利用酵母菌和醋酸菌在不同条件下发酵制作果酒和果醋 北方盛产山楂,常添加白砂糖和酵母菌进行发酵,酿成甜美的山楂酒。如果 将山楂酒过滤后进行稀释,再添加醋酸菌,在一定条件下发酵,还可生产山 楂果醋。据图分析讨论下列问题。 (1)图中甲、乙、丙的作用分别是什么? 提示 通入空气(氧气)、排气、取样(对发酵的情况进行及时的监测)。 (2
15、)利用山楂制作果酒时添加白砂糖的目的是什么?图中发酵瓶中山楂汁的 量是否恰当?为什么? 提示 为酵母菌提供营养(碳源),有利于酒精的生成。不恰当,因为山楂汁 的量不能超过发酵瓶体积的2/3,而且不能将排气口淹没。 (3)醋酸菌进行醋酸发酵时,无论是利用糖源还是酒精,甲都需要打开。请 说明原因。 提示 醋酸菌是需氧菌,在生活过程中始终需要氧气,如果氧气中断则会引 起醋酸菌的死亡。 (4)若要将发酵液中的葡萄糖直接发酵产生醋酸,除需要接种醋酸菌、通入 无菌空气外,还应控制的发酵条件是什么? 提示 控制发酵温度,维持在3035 。 考向突破考向突破 考向1 果酒果醋的制作原理 1.(2020山东)我
16、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 答案 C 解析 由题干可知,“浸曲发”是将酒曲浸到活化,在酵母菌活化的过程中酵 母菌细胞吸水,代谢加快,A项正确;由题干可知
17、,“鱼眼汤”是冒出鱼眼大小 的气泡,气泡是酵母菌进行呼吸作用产生的CO2外溢形成的,B项正确;“炊作 饭”,即将米蒸熟,这是消除杂菌对酿酒过程的影响的主要措施,“净淘米”是 防止一些杂质影响酒的品质,C项错误;由题干可知,“舒令极冷”是将蒸熟的 米摊开冷透,其目的是防止蒸熟的米温度过高致使酒曲中的微生物死亡,D 项正确。 考向2 果酒、果醋制作的过程和条件的控制 2.(2020江苏常州期中考试)下图为某同学设计的酿制苹果醋的基本流程图 和发酵装置示意图。下列有关叙述正确的是( ) A.过程要先切块后清洗以减少杂菌的污染 B.过程发酵瓶中留1/3的空间可防止发酵时培养液溢出 C.酵母菌发酵和醋酸
18、杆菌发酵所需的温度基本相同 D.过程需要将发酵装置中的充气口开关关闭 答案 B 解析 过程如果先切块,则内部组织容易被杂菌污染,所以应先清洗后切 块,A项错误;过程发酵瓶中留1/3的空间可防止发酵时培养液溢出,B项正 确;酵母菌发酵和醋酸杆菌发酵所需的温度不同,前者的适宜温度是1830 ,后者是3035 ,C项错误;过程为果醋发酵,参与果醋发酵的醋酸菌是 好氧菌,因此发酵装置中的充气口要一直打开,D项错误。 归纳总结(1)果酒和果醋发酵装置的设计思路 因酵母菌在有氧条件下的繁殖速度快,醋酸菌是好氧菌,所以在果酒制作 的前期和果醋制作的整个过程中都需要氧气。因酵母菌产生酒精是在无 氧条件下,应控
19、制氧气的进入,故应在充气口设置开关。 由于在发酵过程中都产生CO2,因此需要设排气口;为防止空气中微生物 的污染,排气口应连接一个长而弯曲的胶管。 因要对发酵的情况及时进行监测,应设置出料口以便于取料。 (2)防止发酵液被污染的方法 榨汁机要清洗干净并晾干。 发酵瓶要洗净并用体积分数为70%的酒精消毒,或用洗洁精洗涤。 装入葡萄汁后要封闭充气口。 考点三考点三 发酵工程发酵工程 合作探究合作探究 探究发酵工程在食品工业、医药工业及其他工农业生产上有重要的应用 价值 随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐 的设计成功,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,
20、发酵 工程逐步形成。结合下列发酵工程流程讨论解决下列问题。 (1)通过哪些途径获得发酵工程使用的优良菌种? 提示 若生产的是微生物直接合成的产物,如青霉素、谷氨酸等,则可从自 然界中分离出相应菌种,也可以用物理或化学的方法诱变育种,从突变个体 中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品, 则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造,以构 建工程细胞或工程菌,从而达到生产相应产品的目的。 (2)获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养? 提示 工业发酵要想在较短时间内得到大量的发酵产物,则需要大量的菌 体,因此需要进行扩大培养。 (3)引起温度和pH变化的原因
21、有哪些?发酵工程中如何调节温度和pH? 提示 微生物分解有机物释放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分以 热能形式散失,会引起发酵温度升高;机械搅拌也会引起温度升高。可以利 用冷却水进行温度的调节。pH发生变化的主要原因是培养基中营养成 分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生 成谷氨酸时,培养液的pH就会下降;而碱性物质的消耗和氨的生成等则会 导致培养液的pH上升。调节和控制培养液pH的方法是在培养基中添加缓 冲液,在发酵过程中加酸或碱。 归纳总结发酵条件的控制方法 (1)温度:通过冷却水调节温度。 (2)pH:在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或碱。 (3)溶解
22、氧:通入无菌空气。 考向突破考向突破 考向 发酵工程的流程分析 某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究,下列叙述错 误的是( ) A.夏季生产果酒时,常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质,故发酵过程中空气的进气量不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵 答案 B 解析 果酒发酵的适宜温度为1830 ,因此夏季生产果酒时,常需对罐体 进行降温处理,A项正确;乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物,因此分解过程中不 需要通入空气,B项错误;无氧呼吸产生了二氧化碳,但是没有消耗氧气,因 此发酵罐中的气压不会低于大气压,C项正确;葡萄酒发酵的原料是糖类,因 此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵,D项正确。
