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(共34张PPT)
《传统发酵技术与发酵工程》
相关知识解读及实例分析
一、发酵与发酵工程
原料
人类所需产物
适宜的条件
微生物代谢
(复杂分子)
(简单分子)
蛋白质、多糖
氨基酸、抗生素
1、发酵：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物代谢转化为人类所需的产物的过程。
2、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。
二、传统发酵技术与应用
1、发酵微生物来源：直接利用原材料中天然存在的微生物或前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物。
2、传统发酵技术的优缺点：操作简单易上手有利于传承文化（优点）；生产条件不易控制容易受杂菌污染生产效率低（缺点）。
霉豆腐
醋
酱油
豆豉
泡菜
传统发酵食品
3、传统发酵技术与应用实例
蛋白质
脂肪
小肽
氨基酸
甘油
脂肪酸
+
+
酵母、曲霉和毛霉等多种微生物(毛霉起主要作用)
让豆腐上长出毛霉
加盐
腌制
加卤汤
装瓶
密封
腌制
创造毛霉生长环境
防止杂菌污染，
避免豆腐的腐败
由酒及各种香辛料置成，抑制微
生物的生长同时增加风味和口感
实例1：腐乳的制作
实例2：泡菜的制作
盐的作用
盐浓度过低
盐浓度过高
冷却的目的
调味，抑制微生物生长
杂菌大量繁殖
口味不佳
防止影响乳酸菌的生命活动
称取食盐
清洗蔬菜
配置盐水
清洗、修整、切条、晾干
泡菜盐水
香辛料
发酵
成品
2、注意事项：应向坛盖边沿的水槽中注满水，且发酵过程中经常补充；装坛后可加一些已经制好的泡菜汁（相当于接种发酵微生物，可缩短腌制时间）。
1、步骤：
检测原理：比色法
酸化条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应后，再与N-1－萘基乙二胺盐酸盐结合生成玫瑰红溶液。将经过反应显色后的待测样品与标准液比色，即可计算出样品中的亚硝酸盐含量。
3、亚硝酸盐的检测：泡菜在腌制过程中会产生亚硝酸盐，亚硝酸盐在生活中广泛分布，摄入过多，会引起中毒。
实例3：果酒和果醋的制作
葡萄汁装入发酵瓶(留1/3空间)
清水缓冲次数不宜太多
每12h瓶盖拧松一次再拧紧，从瓶口取样检测发酵情况
避免洗掉野生酵母菌
在果酒发酵过程中产生CO2 ，防止瓶内气压过高引起爆裂。
2、提示
①在果酒的制作中，除酵母菌，还有乳酸菌、醋酸菌等微生物生长。乳酸菌可能分解果酒中的有机物，使其变质。醋酸菌在有氧的条件下会将乙醇转化为醋酸，从而影响果酒发酵。
②醋酸菌是一种好氧细菌，在发酵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。
1、步骤
3、果酒和果醋改进装置及其分析
排出酒精发酵时产生的CO2；与排气管相连的长而弯曲的胶管，可有效地阻止空气中的微生物的进入，避免感染
充气口
出料口
在乙酸发酵时连接充气泵进行充气
用来取样
排气口
装置使用：
①酒精发酵时，充气口关闭；排气口排除二氧化碳。
②乙酸发酵时，充气口连接气泵，输入氧气。
4、微生物发酵的类型
好氧 发酵 特点 需要不断地为微生物提供空气或O2来保证好氧微生物进行有氧呼吸和正常生长。
实例 氨基酸、抗生素、酶制剂和多数有机酸等的生产需要经历好氧发酵。
厌氧 发酵 特点 在密封且无空气的发酵罐中进行发酵
实例 乳酸、啤酒、葡萄酒、白酒、沼气等生产需要厌氧发酵
（1）根据发酵过程是否需要氧
固体 发酵 微生物在几乎没有可流动水的湿固体培养基上生长的发酵方式
酒曲、堆肥、青贮饲料的发酵(传统发酵),厌氧菌发酵居多
优点：污染环境少，耗能低； 缺点：发酵慢，难控制
液体 发酵 微生物在有完全流动性的液体中生长的发酵方式
现代工业发酵(发酵工程)，好氧菌发酵居多
适用面广、易于机械化和自动化生产
半固体 发酵 介于固体和液体发酵之间，其发酵的基质具有一定流动性
（1）根据发酵过程培养基状态
（3）根据微生物发酵是否发酵
连续 发酵 以一定速度一边将新鲜的培养基添加到发酵罐内，一边将含有产物的培养液放出的发酵方式。
大规模生产乙醇、单细胞蛋白、食用酵母等
优点：缩短发酵周期，提高效率； 缺点：难控制、应用不广泛
分批 发酵 将所有物料一次性加入发酵罐中，然后灭菌、接种、培养，最后将整个罐的内容物放出，进行产物回收，清理罐体，重新开始新的装料发酵的发酵方式。
现代工业发酵常用
优点：操作简单，易于掌握，缺点：只能在有限时间内发酵
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
18—25℃
18—20℃
C2H5OH+O2 →CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
酶
②-1酵母菌先在有氧条件下大量繁殖
②-2再在无氧条件下进行酒精发酵
C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量
酶
C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2 CO2+能量
酶
③-1醋酸菌在氧气、糖源充足时,将糖分解成醋酸
C6H12O6 +2O2→2CH3COOH+ 2CO2+2H2O+能量
酶
③-2当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸
①乳酸菌在无氧条件下将糖分解成乳酸
C6H12O6 →2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
5、微生物发酵的原理小结
例析1、利用卷心菜发酵制作泡菜的过程中，乳酸菌、酵母菌细胞数量和pH的变化如图所示。下列叙述不正确的是（ ）
A.酵母菌和乳酸菌均有由核膜包被的细胞核
B.发酵初期乳酸菌建立了明显的菌种优势
C.前6天pH下降主要由乳酸菌代谢引起
D.发酵中期酵母菌通过无氧呼吸为细胞增殖
　提供能量
A
点评：乳酸菌为原核生物，没有由核膜包被的细胞核；发酵中期时，装置中不含氧气，但是酵母菌数量上升，这是酵母菌通过无氧呼吸进行增殖。
例析2、在实验室中可利用酵母菌发酵的方式制作葡萄酒，下列说法正确的是（ ）
A.葡萄糖在酵母菌细胞的线粒体内被分解
B.制作葡萄酒时酵母菌先在有氧条件下大量增殖
C.制作过程中酵母菌始终处于碱性环境
D.酵母菌的发酵产物不会抑制自身的代谢活动
B
点评：葡萄糖在细胞质基质中被分解；酿酒需先在有氧条件下让酵母菌大量繁殖,再进行无氧呼吸产生酒精；发酵后期CO2和其他代谢废物溶解于发酵液中,使发酵液呈酸性；发酵产物(如酒精)会抑制酵母菌的生长。
例析3、苹果醋的制备过程如图所示，关于发酵过程中两种微生物的呼吸作用，下列叙述正确的是（　　）
A．两者细胞呼吸的场所均为细胞质基质和线粒体
B．两者细胞呼吸消耗等量葡萄糖产生的ATP数量相同
C．酵母菌厌氧呼吸的两个阶段并不都能产生ATP
D．发酵过程持续通入O2会增加发酵液中苹果醋的浓度
C
点评：醋酸杆菌为原核生物，无线粒体；两者细胞呼吸消耗等量葡萄糖产生的ATP数量不相同，醋酸中还含有能量；酵母菌厌氧呼吸只有第一阶段并能产生ATP；发酵过程持续通入O2酵母菌数量上升，产生的酒精少，不利于醋酸的生成。
三、发酵工程及其应用
大规模生产发酵产品
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
微生物的特定功能
现代化工程技术
（一）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。（教材章前语）
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
1、发酵工程的基本环节和发酵罐示意图
优点：经济实惠
缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。
②方法：自然筛选、诱变育种或基因工程育种
自然筛选
诱变育种
优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物
缺点：技术要求高
工业发酵罐体积
(几十--几百m3)
接入的菌种体积
(几--几十m3)
①性状优良的菌种可以加速发酵过程，缩短生产周期
啤酒酵母
生产柠檬酸
生产啤酒
生产青霉素
黑曲霉
黄青霉
黑曲霉
蛋白酶
（1）菌种选育
（2）扩大培养
①原因：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降，因为杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物质抑制菌种生长而使产量下降。
②灭菌对象：培养基和发酵设备
③实例：在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
（3）配置培养基：菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
（4）灭菌
①随时检测培养液微生物数量、
产物浓度，以了解发酵进程。
③检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。
②环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
（5）发酵罐内发酵（中心环节）
（二）发酵工程及其应用
1、发酵工程特点
2、发酵工程应用
产物专一、生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、废弃物对环境污染小且容易处理
在食品工业上的应用、在医药工业上的应用、在农牧业上的应用、在其他方面的应用
（1）在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
酱油
大豆(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽
和氨基酸
淋洗、调制
谷物或水果
酿酒酵母
各种
酒类
酱油的生产过程
各种酒类的生产过程
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦等
水
糖化罐
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
实例：啤酒的生产过程
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
啤酒类的生产过程
②生产各种各样的食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶
食品添加剂的作用：增加食品的营养；延长食品的保存期；改善食品的口味、色泽和品质。
淀粉
淀粉酶
葡萄糖
黑曲霉
柠檬酸
柠檬酸合成酶
谷氨酸棒状杆菌
发酵
谷氨酸
味精
处理
氧气
③生产酶制剂
酶制剂：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
分类：胞内酶和胞外酶
特点：易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。
实例：果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶
（2）在医药工业上的应用
①发酵工程生产的药物：各种抗生素；多种氨基酸；多种激素；多种免疫调节剂
②发酵工程生产的药物的方法
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
（3）在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
生产微生物肥料的原理：
利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力、改良土壤结构、促进植株生长、增强植物抗病性和抗逆性。
利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。
常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥
②生产微生物农药：利用微生物或其代谢物来防治病虫害
微生物农药防治与化学农药防治的比较
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理 利用微生物或其代谢物来防治虫害 利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂等）进行防治
优点 成本低、无污染、可以维持生态平衡 见效快，操作简单
缺点 防止速度慢 成本高、污染环境，不利于维持生态平衡
常见微生物农药：
苏云金杆菌(Bt毒蛋白):防治80多种农林害虫；
白僵菌(真菌):防治玉米螟、松毛虫；
放线菌 (井冈霉素):防治水稻枯纹病。
③生产微生物饲料：
以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。
常见微生物饲料：单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
（4）在其他方面的应用
①解决资源短缺与环境污染问题：利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
②极端微生物的利用：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂；嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
例析1、啤酒生产的简要流程如图所示，制麦时用赤霉素溶液浸泡大麦种子，糖化主要将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子。下列说法错误的是（ ）
A.在整个发酵过程中，要始终保持严
　格的无菌、厌氧环境
B.用赤霉素溶液浸泡大麦种子，目的
　是促进α-淀粉酶合成
C.在接种酵母菌前进行冷却处理，是为
了避免杀死酵母菌种
D.包装后放置的啤酒变酸且产生表面菌膜，
一般可从菌膜中分离得到醋酸菌
三、实例分析
A
点评：酵母菌是兼性厌氧型微生物，厌氧环境下产生酒精，有氧环境下大量繁殖；赤霉素可诱导胚乳的糊粉大量合成α-淀粉酶；在接种酵母菌前进行冷却处理，是为了避免杀死酵母菌种；醋酸菌有氧条件下将酒精分解成醋酸。
例析2、某同学在线提交了在家用带盖玻璃瓶制作果酒和果醋的实验报告,他的做法错误的是（ ）
A.选择新鲜的葡萄略加冲洗，除去枝梗后榨汁
B.将玻璃瓶用酒精消毒后，装满葡萄汁
C.酒精发酵期间，根据发酵进程适时拧松瓶盖放气
D.酒精发酵后去除瓶盖，盖一层纱布，再进行醋酸发酵
B
点评：制作果酒果醋时,选择鲜的葡萄,榨汁前先将葡萄略加冲洗,并除去枝梗;发酵瓶要清洗干净,用体积分数为70%的酒精消毒,或用洗洁精洗涤,葡萄汁装入发酵瓶时,要留有大约1/3的空间,不能装满,这样既可以为酵母菌大量生殖供给适量的氧气,又可以防止发酵旺盛时发酵液溢出;酒精发酵过程中会产生二氧化碳,为了释放出二氧化碳,要依据发酵进程适时拧松瓶盖放气;由于醋酸发酵使用的菌种为醋酸菌,醋酸菌为好氧细菌,为了给醋酸发酵供给充分的氧气,并防止空气中的杂菌污染,酒精发酵后去除瓶盖,盖一层纱布,再进展醋酸发酵。
例析3、谷氨酸棒状杆菌发酵过程中会生成大量的谷氨酸,经加工后可制成味精。在其发酵过程中,发酵罐中碳氮比(碳元素与氮元素的比值)为4∶1时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为3∶1时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。下列相关叙述正确的是( )
A.谷氨酸棒状杆菌只能通过诱变育种或基因工程育种获得
B.分离、提纯产物是发酵工程的中心环节,有利于获得更多的优质发酵产品
C.由题干信息可推知发酵过程中需调整发酵罐内营养成分的比例
D.在发酵罐内发酵无须严格控制溶解氧、温度、pH等条件
C
点评：用于发酵的谷氨酸棒状杆菌可以从自然界中筛选，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得；发酵工程的中心环节是发酵过程；由题意可知“在其发酵过程中，发酵罐中碳氮比（碳元素与氮元素的比值）为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增”；谷氨酸棒状杆菌为需氧菌，其发酵过程需要适宜的温度和pH，所以在发酵罐内发酵需严格控制溶解氧、温度、pH等条件。
例析4、某生物学习小组采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究,下列叙述不正确的是( )
A.夏季生产果酒时,常需对罐体进行降温处理
B.酒精发酵过程后若继续产生果醋需提高一定的环境温度
C.酒精发酵过程中空气的进气量不宜太大,且罐内的压力不
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
C
点评：果酒制作是利用酵母菌的无氧呼吸，而酵母菌适宜生存的温度为18～25℃，而夏天温度较高，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理；产生酒精表明此时已经进行无氧呼吸，果醋是醋酸菌在有氧条件下将酒精分解生产醋酸，所以要提高氧气浓度；正常发酵过程中，酵母菌无氧呼吸不消耗气体，但是不断产生二氧化碳，因此罐内的压力不会低于大气压；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。

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