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第1章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
从社会中来
“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由葡萄发酵而来，但是一个经酵母菌无氧 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。
20 世纪 40 年代
利用发酵工程大规模生产青霉 素，随着链霉素、金霉素和土 霉素等抗生素的发现及生产， 抗生素发酵工业兴起。
1897 年
科学家发现了酶在酵母菌发
酵中的作用，之后微生物的 分离和纯化技术得到了应用。
20 世纪 80 年代以后
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。
1857 年
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，从而将酵母菌与发
从传统发酵技术到发酵工程 究竟什么是发酵呢？
1957 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。
20 世纪 70 年代以后
基因工程。细胞工程等
发展，人胰岛素和干扰 素大量生产。
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。
1850 1900 1940 1960 1970 1980
约9000年前
酵联系起来。
一、发酵与传统发酵技术
1、发酵
（1）概念： 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。
（2）原理： 不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力， 因此利用
它们既可以生产出人们所需要的多种产物。
需氧发酵（ 醋酸发酵、谷氨酸发酵）
厌氧发酵（ 酒精发酵、乳酸（泡菜、酸奶）发酵 ）
（3）类型：
一、发酵与传统发酵技术
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 保留下来的面团、卤汁等发酵物中微生物进行发酵，制作
食品的技术。
固体发酵（泡菜、粮食白酒、腐乳等）
半固体发酵（豆豉、酱、酱油等）
（2）类型：×
一、发酵与传统发酵技术
2、传统发酵技术
（3）实例——腐乳
①原料：豆腐。
②参与发酵的微生物：酵母菌、曲霉 和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉
。
一、发酵与传统发酵技术
2、传统发酵技术
（4）传统发酵技术的优点：
操作简单，适用于家庭式或作坊式生产，它是文化的传承等。
（5）传统发酵技术的缺点：
生产条件不易控制，产品容易受杂菌污染，生产效率较低等。
②作用： 在无氧情况下能将葡 乳酸链球菌（球状）
萄糖分解成乳酸
（1）应用的微生物：
乳酸菌 〈
表、人或动物肠道
④种类： 乳酸链球菌、乳酸杆菌
C6H12O6 酶 2C3H6O3 （乳酸） +能量
③分布广泛：空气、土壤、植物体
（一）发酵类型
1.乳酸发酵
⑤应用： 乳制品的发酵、泡菜的腌制
①代谢类型： 异养厌氧型
二、尝试制作传统发酵食品
（2）原理：
乳酸杆菌（杆状）
①代谢类型： 异养兼性厌氧型
②作用：在无氧情况下，
进行酒精发酵
③分布：含糖量较高的蔬菜、 酵母菌的出芽生殖
水果表面
④特点： 一类单细胞真菌
⑤应用： 酿酒、制作馒头和面包
C6H12O6 酶 2C2H5OH+二氧化碳+能量
（1）应用的微生物：
酵母菌
（一）发酵类型
2.酒精发酵
二、尝试制作传统发酵食品
（2）原理：
C6H12O6+2O2 酶→2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量
酶
C2H5OH+O2 →CH3COOH+H2O+能量
在氧气、糖都充足时， 能将糖分解成醋酸；
在缺糖时，能将乙醇 转化成乙醛，在将乙醛变 成醋酸
（一）发酵类型
3.醋酸发酵
（1）应用的微生物：
醋酸菌
二、尝试制作传统发酵食品
①代谢类型： 异养需氧型
③应用： 酿醋
②作用：
（2）原理：
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
1.制作泡菜的原理
（1）利用植物体表面天然的乳酸菌；
（2）发酵期间，乳酸会不断的积累，当它的质量百分比为
0.4%~0.8%时，泡菜的口味、品质最佳。
（3）反应式：
C6 H12O6 2C3 H6O3 （乳酸） +能量
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
2.材料用具
(1)各种新鲜蔬菜（选新鲜蔬菜或其他原料，因为亚硝酸盐的含量低） 均可， 一般用白菜、黄瓜、豇豆、胡萝卜、白萝卜等。
（2）调味品：如花椒、八角、生姜、蒜瓣及其他香辛料、白酒、白砂糖 和盐。
（3）泡菜坛或其他密封性良好的罐子。
泡菜坛子使用之前要检查密封性的目的：
给泡菜坛内创造无氧环境，严格控制厌氧条件
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；
调味；抑制其他微生物生长
②盐水浓度要适宜的目的：
过高：口味不佳，亚硝酸盐含量高； 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。
③盐水煮沸的目的：
杀灭微生物；去除水中的溶解氧
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；
④盐水冷却后使用的目的：
为了不影响乳
酸菌的生命活
动
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；
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中， 使盐水没过菜料，盖好坛盖
原料处理、 蔬菜装坛
配制盐水
封坛发酵
加盐水
①盐的作用：
3.制作流程
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
4.结果分析和评价
（1）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 目的是给泡菜坛内创造无氧环境，这说明泡菜制作需要在无氧条 件下进行。
（2）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。 （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）
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
4.结果分析和评价
（3）如何判断你腌制的泡菜是否成功？色泽如何？口味如何？
泡菜质量可以根据泡菜的色泽和风味进行初步的评定；
可以通过在显微镜下观察乳酸菌的形态；
根据亚硝酸盐的含量来评定；
根据不同时期泡菜坛中乳酸菌的数量来评定。
一般来说，腌制成功的泡菜汤清亮，无梅花浮膜，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。
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
5.进一步探究
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；
查阅资料，设计实验跟踪检测泡菜在制作过程中亚硝酸盐含 量的变化，并探索腌制方法、时间长短和温度高低等条件对亚 硝酸盐含量的影响，寻求提高泡菜质量的措施。
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
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
5.进一步探究
（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10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）.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。
（4）.他第一次制作出的泡菜“咸而不酸 ”，造成这个结果最可能的
盐浓度高，杀死了乳酸菌等微生物
原因是什么？
发酵时期 乳酸菌 乳酸
亚硝酸盐
发酵前期 少（O2抑制乳酸 菌活动） 少
增加（硝酸盐还原菌 的作用）
发酵中期 最多（无氧条件 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）
发酵后期 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）
变化曲线
二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜
6. 腌制中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
1.制作原理
①许多新鲜水果的果皮表面附着有大量的不同种类的 野生酵母菌；
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。
+ 2+ （ 1
C2H5OH+O2 酶 CH3COOH（醋酸） +H2O+能量 果醋 酶
5
④相关
能量
量
O2
+
C
0
酒精
6CO2
OH
酶
H
O
2
2
C
H
2
6
酶
6O
6
6
O
O
2
2
1
1
H
H
6
6
酒
应
果
反
C6H12O6+2O2 > 2CH3COOH（醋酸） +2H2O+2CO2+能量
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
制作果酒 制作果醋
醋酸杆菌
细菌
酵母菌
真菌
菌种名称 生物学分类 代谢类型 适宜温度 繁殖方式
对氧的需求
酵母菌 真核生物 异养 兼性厌氧型 约为28 ℃ 出芽生殖
前期需氧，
后期不需氧
醋酸菌 原核生物 异养 需氧型 30—35℃ 二分裂
一直需氧
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
菌种繁殖方式和代谢类型
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
2.材料用具
①新鲜的水果（如葡萄、苹果、山楂和
龙眼等）
②洗洁精、体积分数70%的酒精、发酵瓶、
纱布和榨汁机等
①70%的酒精的作用： 消毒
②冲洗的目的： 去除表面灰尘、污物 ③冲洗1-2次即可，能否反复冲洗，
为什么？ 不能，
防止野生菌种数量减少，影响发酵
④为什么去梗前冲洗：
以防葡萄汁流失和破损导致杂菌污染
⑤葡萄汁装入发酵瓶时，为何要留有 1/3的空间？
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
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.
取新鲜葡萄，用清水冲洗1-2
次 ，再去除枝梗和腐烂的籽粒，
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
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
⑦拧松但不打开的目的：
防止O2进入和杂菌污染
榨汁装瓶
酒精发酵
冲洗葡萄
器具消毒
3.制作流程
排出气体
沥干
的：
⑧如何检测果酒的发酵情况
（检测是否产生酒精）？
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
⑨醋酸菌从何而来？
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
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；
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。
可通过从发酵瓶口取样来对发 酵的情况进行检测
果酒检测
⑩如何检测果醋的发酵情况？ 利用乙醇）而不能繁殖
果醋检测
3.制作流程
结构 作用 酒精发酵时状态
醋酸发酵时状态
充气口 通入空气 关闭
打开，并接入气泵
排气口 排出CO2 打开
打开
出料口 便于取样监测 关闭
关闭
排气口要通过一个长而弯曲的胶管
与瓶身连接，为什么？
其目的是防止空气中微
生物的污染。
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
4.果酒发酵与果醋发酵的装置
2023/4/18
果酒发酵
果醋发酵
发酵菌种 酵母菌
醋酸菌
菌种来源 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
菌种代谢类型 异养兼性厌氧型
异养需氧型
菌种生物类型 真核生物
原核生物
发酵原理
发酵条件 温度 18～30℃
30～35℃
时间 10～12d
7～8d
氧气 前期需氧，后期不需氧
始终需氧
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
5.果酒发酵与果醋发酵的比较
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
6.结果分析与评价
①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？
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CO2；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。
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。
果醋发酵过程中一般不会出现气泡，发酵完成时，在发酵 液的液面上会出现一层菌膜，这是醋酸菌膜。
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
6.结果分析与评价
②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？
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、甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。
可以通过调节发酵的温度、果酒的pH等来控制乳酸菌的含量。
在有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸；在缺少糖源的情况 下，乙醇便是醋酸菌的碳源和能源，它将乙醇转化为乙醛，再将乙醛 变为醋酸。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O2含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。 此外，通过调节发酵的温度、果酒的pH等同样可以控制醋酸菌的含量。
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
6.结果分析与评价
③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？
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。
在我们的实验条件下，当打开瓶盖后， 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(实际上是醋酸菌)，用这层 薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。
二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋
6.结果分析与评价
④你制作的果酒和果醋的口味如何？如果你对结果不满意，应该 如何改进？
制作成功的葡萄酒爽口，柔和，有浓郁的果香味；
制作成功的果醋有特有的果香，酸味柔和，稍有甜味，不涩。
如果对制作结果不满意，应从制作过程全面考虑改进措施，如 严格控制发酵条件，发酵所用装置要进行清洗、晾干、消毒等。
到社会中去
少量制作转向大规模生产时，会遇到许多新问题。例如，少量制 作果醋时，不需要专门的搅拌装置。而大规模生产果醋时，由于发酵 罐容积很大，就需要安装搅拌器，以保障醋酸菌对O2的需求。可见在 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。 自己制作的果酒和果 醋并非商品意义上的产品。在实际生产中还需要经过沉淀、过滤、灭 菌、装瓶等过程才能获得成品酒或醋。果酒还需要在一定条件下进行 后续发酵，以获得特定的风味和色泽。通过深入思考，可以感悟到， 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。
2023/4/18
概念
来源
类型
结果
实质
应用
优点
缺点
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。
原材料中天然存在或面团、卤汁等发酵物中的微生物
固体发酵及半固体发酵
有氧或无氧条件下的物质氧化分解
生产人们需要的各种发酵产品
果酒、果醋、泡菜、酱油等的制作
操作简单，便于家庭式或作坊式生产，是文化的传承等
生产条件不易控制，容易受杂菌污染，生产效率较低等。
传统发酵技术
洗净，切块 或条状，混 合均匀，晾 干装坛
装至半坛时， 加入香辛料， 然后装至八 成满
称取食盐 配制盐水 煮沸冷却
测定亚硝 酸盐含量
制作泡菜
发
酵
选择材料
成 品
18~30℃ 30~35℃
果酒 果醋
果酒和果醋的制作
无氧 有氧
榨 汁
监测与 鉴定
发酵器 具消毒
乙酸 发酵
酒精 发酵
挑选 葡萄
10-12d 7-8d
冲 洗
一、概念检测
1. 油炸臭豆腐是我国一些地方的风味小吃。制作时需要将豆腐浸入含有
乳酸菌、芽抱杆菌等微生物的卤汁中发酵。判断下列相关表述是否正确。
（1）卤汁中的乳酸菌和芽抱杆菌不存在竞争关系。 (× )
（2）乳酸菌发酵产生了乳酸和CO2。 ×()
（3）微生物发酵产生了不同的代谢物使得该臭豆腐具有特殊的味道。 (√ )
一、概念检测
2. 传统发酵食品的制作需要各种各样的微生物。下列相
关叙述错误的是（ D）
A. 腌制泡菜利用了乳酸菌的乳酸发酵
B. 制作腐乳利用了毛霉等产生的蛋白酶
C. 制作果酒利用了酵母菌在无氧条件下产生酒精
D. 制作果醋利用了醋酸菌在无氧条件下产生醋酸
二、拓展应用
1.请举例说说你身边的传统发酵食品有哪些，它们的制作原理是
什么。有机会的话，你也可以尝试做一做。
提示：腐乳、泡菜、酱、豆豉等都是生活中常
见的传统发酵食品。
C同学的装置更适合制作果醋。出料口可以用来取样；充气口可
以在发酵时连接充气泵进行充气，从而有利于醋酸菌更好地进行有 氧呼吸，提高发酵效率；排气口可以用来排出在发酵过程中产生的 气体，它通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，其目的是防止空气 中微生物的污染。进一步改进：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。
3.有3位同学分别采用了3种不同的发酵装置来制作果醋。 A同学用的是 带盖的塑料瓶； B同学用了没有盖的塑料瓶，在发酵过程中无盖的瓶口 一直由捆绑在瓶口的8层纱布覆盖； C同学则设计了如右图所示的发酵 装置。结合果醋的制作原理，你认为哪一种发酵装置更适合制作果醋 你还能继续改进这种装置吗？
二、拓展应用

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