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(共30张PPT)
第三节 发酵工程为人类提供多样的生物产品
1857年，法国微生物学家巴斯德(L.Pasteur , 1822-1895)通过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的，从而将酵母菌与发酵联系起来。1861年巴斯德用曲颈瓶试验证明了微生物的存在，发现了发酵的原理，为微生物学的发展奠定了坚实的基础。
一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的
知识背景：
一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的
知识背景：
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵为含酒精的饮料。后来，人们通过自然发酵或曲种传代的固体发酵方法生产其他食品，如酱油、醋、豆鼓、腐乳和酸奶等。这种传统发酵技术促进了中华民族特有的饮食文化的形成，但在几千年的时间里，人们并不明白其中的原理。
汉代砖刻上的酿酒图
一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的
1.传统发酵技术：
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。
泡菜、粮食白酒、腐乳、豆豉、酱、酱油等
产品：
豆瓣酱
泡菜
使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗？
思考辨析
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。
不属于
2.传统发酵产品不同风味的原因
（1）不同菌种在混菌发酵的不同阶段发挥的作用不同
（2）不同菌种的酶不同，产物不同
（3）菌株遗传性差异造成发酵产品的风味不同
（4）不同微生物代谢产物促进（或抑制）其他微生物生长，造成发酵产品的风味不同
“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。
活动：体验传统发酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋
活动：体验传统发酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋
1.制作原理
酶
反应式：
C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
酶
（2）在有氧条件下, 酵母菌进行有氧呼吸, 大量繁殖。
C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量
（3）在无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵。
反应式：
酵母菌
酒精发酵的参与者——酵母菌
（1)代谢类型
（既能进行有氧呼吸，又能进行无氧呼吸）
异养兼性厌氧型
异养需氧型
（2）反应式
C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量
酶
当氧气、糖源都充足时，醋酸菌可将葡萄汁中的糖分解成醋酸，反应式为：
醋酸发酵的参与者——醋酸菌
（1）代谢类型
C6H12O6＋2O2→2CH3COOH＋2CO2＋2H2O+能量
酶
制备装置
冲洗沥干
装瓶
酒精发酵
挑选葡萄
醋酸发酵
果酒
果醋
产物检测：闻气味，酸性条件下重铬酸钾由橙色变为灰绿色。
产物检测：酸碱指示剂（ph试纸）闻气味。
1号矿泉水瓶加入葡萄+白糖+干酵母（温水调匀）
2号矿泉水瓶加入葡萄+白糖
注意：所放入的葡萄体积不要超过矿泉水瓶体积的1/2
2.方法步骤
待不再有气体产生时，停止发酵
用小刀在发酵液面以上的甁壁戳一小洞
果酒发酵与果醋发酵的装置
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
2023/6/14
讨论
1.瓶中葡萄的总体积为什么不要超过矿泉水瓶体积的1/2？
2.制作果醋时，为什么要选取酒味较重的一瓶果酒通入空气？
3.制作果醋时，为什么要给发酵好的果酒通入空气？
瓶中葡萄的总体积不超过瓶子体积的1/2，能为酵母菌的需氧呼吸、快速增殖提供氧气，也保证发酵过程中不会有葡萄汁溢出。
因为果醋中的醋酸是从酒精转化而成的
醋酸菌是好氧型细菌。通入氧气，醋酸菌才能把酒精转化为醋
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 酵母菌 醋酸菌
菌种来源 传统的葡萄酒酿造采用自然发酵，菌种主要是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌 空气中的野生型醋酸菌或购买醋酸菌的菌种或从食醋中分离醋酸菌
发酵原理 ① 在有氧条件下： C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+能量 ② 在无氧条件下 C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量 ① 氧气、糖源都充足时：
C6H12O6+2O2 2CH3COOH+2CO2+2H2O+能量
② 缺少糖源时
C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量
发酵条件 温度 一般控制在18～30℃ 30～35℃
时间 10～12d 7～8d
氧气 初期需氧，后期不需氧 始终需要氧
pH 最适pH为4.5～5.0 最适pH为5.4～6.0
酶
酶
酶
酶
体验传统发酵——利用乳酸菌发酵制作泡菜
1.制作原理
（1）利用植物体表面天然的乳酸菌发酵。发酵期间，乳酸不断积累。
C6H12O6 →2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
（2）反应式
（在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸）
常见的有植物乳杆菌、短乳杆菌和明串球菌等
(3)代谢类型
厌氧、兼性厌氧或微好氧菌
（2） 添加的调味品，如花椒、八角等。
（3） 白酒。
（4） 食糖和盐（水与盐质量比4：1配制）
（1） 各种新鲜蔬菜均可，一般用白菜、洋白菜、黄瓜白萝卜等。
2. 材料用具
作用：抑制泡菜表面杂菌生长，调味剂增加醇香
作用：灭菌。渗出蔬菜中水分，调味。
注意：盐含量过多，抑制乳酸菌自身繁殖；过少，杂菌滋生繁殖
3. 方法步骤
选择
原料
修整、洗涤、晾晒、切分成条状或片状
称取
食盐
配制
盐水
泡菜
盐水
加入调味料，装坛
发
酵
成品
[拓展]
泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化
项目 乳酸菌 乳　酸 亚硝酸盐
发酵初期
发酵中期
发酵后期
变化曲线
少(有氧气,乳酸菌活动受抑制)
最多(乳酸抑制其他菌活动)
减少(乳酸继续积累,pH继续下降,抑制自身活动)
少
增多,pH下降
继续增多,pH继续下降
增加(硝酸盐还原菌的作用)
下降(硝酸盐还原菌受抑制,部分亚硝酸盐被分解)
下降至相对稳定(硝酸盐还原菌被完全抑制)
讨论
1.为什么用水封闭坛口？若不封闭会有什么结果？
2.在泡菜腌制过程中，泡菜坛中冒出气体说明什么？
3.泡菜腌制不成功的原因可能有哪些？
泡菜坛中盐水未灌满，导致厌氧的乳酸菌未能快速生长繁殖，而其他好氧型微生物生长导致蔬菜腐烂；泡菜坛清洗不彻底，一些厌氧型、非乳酸菌发酵型的微生物生长导致蔬菜腐烂。
乳酸发酵不会产气。泡菜坛中连续产气的原因可能有：盐水未装满，蔬菜表面的好氧型微生物活动旺盛；泡菜坛清洗得不彻底，其他厌氧型微生物的代谢活动产生了气体；等等
用水封闭坛口可以保证坛外空气中的氧气不能进入，坛内产生少量气体可随时排出。同时坛口加满水造成的无氧环境，也可为乳酸菌进行乳酸发酵创造了条件。如果有氧气进入，则会有许多需氧型细菌生长，蔬菜会腐烂。
菌种名称 生物分类 代谢类型 适宜温度 繁殖方式 发酵对氧的需求
乳酸菌
酵母菌
醋酸菌
真核生物
异养
兼性厌氧
出芽生殖
前期需氧，
后期不需氧
原核生物
异养需氧
30—35℃
二分裂
一直需氧
原核生物
异养厌氧
二分裂
密闭不需氧
三种微生物繁殖方式和代谢特点
18—25℃
18—20℃
【问题情境】
单价：1元
问题：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
青霉素制剂
发酵工程。即利用微生物的特定的功能，通过现
代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
发酵工程的基本环节
1.选育菌种
（1）目的：
获得_______________________
高产、优质的菌种
（2）菌种来源：
从自然界中筛选、________或____________________。
诱变育种
基因工程育种
（3）菌种要求
二、发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品
讨论：微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？
1.生产需要(微生物的繁殖速度快、代谢产物的产量高等)
2.菌种不易变异、退化等
3.发酵条件易控制
4.考虑气候条件、发酵装置等
2.扩大培养
（1）目的：
获得___________
更多的菌种
（2）原因：
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
3.配制培养基：
①结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基；
。
②在生产实践中，培养基的配方要经过反复实验才能确定（即不断优化培养基）
4.灭菌：
（1）灭菌原因：
发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。
（2）培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌；
5.接种：
将扩大培养后的菌种投放到 中
发酵罐
6.发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
（1）要求：
①发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
②要及时添加_______________，要严格控制_____、____和______等发酵条件；
必需的营养物质
温度
pH
溶氧量
（2）严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
现代发酵工程使用的发酵罐的优点：均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制，还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态
讨论：与传统发酵技术相比，现代发酵工程使用的发酵罐的优点是什么
7.分离、提纯产物
方法：
可在发酵结束之后，采用 、 等方法将菌体分离和干燥；
过滤
沉淀
真空发酵
吸附发酵
萃取发酵
8.获得产品
可采用 、 和 等方法进行提取。
①发酵产品是微生物细胞本身时
②发酵产品是代谢产物时
分离后的生物产品还需要进一步提纯，经过质检合格后才能成为产品。
三、发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要应用价值
1.发酵工程的优点：
①生产条件温和；
②原料来源丰富且价格低廉；
③产物专一；
④废弃物对环境的污染小和容易处理；
因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。
2.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵食品
实例
—生产酱油
大豆
黑曲霉
蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
（2）在医药工业上的应用
②采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物
实例：改造酵母菌，生产人胰岛素、青蒿酸等
①直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品
实例：青霉素高产菌株的培育、普伐他丁、环保菌素A等药物生产。
（3）生产酶制剂
②实例
二肽甜味素、Taq酶制剂等
①酶制剂应用
食品工业生产、洗涤剂生产、纺织、皮革、造纸工业等

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