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第32讲
传统发酵技术与发酵工程的应用
选择性必修三
考点一　传统发酵技术的应用
1．发酵的概念和种类
(1)发酵的概念：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，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)种类：有氧发酵和无氧发酵。
例如：醋酸发酵、谷氨酸发酵为有氧发酵；酒精发酵、乳酸发酵为无氧发酵。
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)
氨基酸、抗生素
蛋白质、多糖
2．传统发酵技术
(1)对概念的剖析。
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
{EA61A480-28E3-4BE2-85CA-0F5A14514A7E}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
密闭厌氧
18—25℃
18—20℃
原理
过程
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
(3)制作流程。





过高：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。
在泡菜发酵初期，酵母菌等较为活跃，发酵产物中有较多的CO2，防止发酵液溢出坛外；
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；
同时留有一定空间，也更方便拿取泡菜。
创造无氧环境
2.泡菜发酵过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的含量变化 P339
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（乳酸菌比其他杂菌更耐酸。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）
课本P8例：某同学在制作泡菜前，查阅资料得知，可以向泡菜坛中加些“陈泡菜水”，在用15﹪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，结果见右栏曲线图，请你帮他分析问题。
（1）据图分析，你认为该泡菜在什么时间食用比较合适？为什么？
（2）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？
（3）加入“陈泡菜水”的目的是什么？
13天后食用比较好，亚硝酸盐含量低
盐浓度高，杀死了乳酸菌等微生物
“陈泡菜水”含乳酸菌，可快速发酵产生乳酸
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;
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。可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行检测。
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;
去除表面灰尘、污物
避免葡萄破损，
减少被杂菌污染的机会
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；
防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出。
防止野生菌种数量减少，影响发酵
排出气体
防止杂菌污染
器具消毒
冲洗葡萄
榨汁装瓶
果酒发酵
果醋发酵
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。
空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖
课本6-7
3.果酒和果醋改进装置及其分析
装置的使用：使用该装置制作果酒时，应该关闭充气口；制作果醋时，应将充气口连接充气泵，通入无菌空气。
课本P8
《金版》P340
1．(2022·广东大湾区联合模拟)网络中有位四川姑娘发布了一系列生活视频，视频中的她酿制果酒果醋、腌制泡菜腊肉、手工造纸、养蚕丝、染布、蜀绣，再到制作各种家居物件……田园牧歌式的生活获得了网友们的热评和点赞。回答下列问题：
(1)果酒酿造过程中，起主要作用的微生物是酵母菌，酵母菌的异化作用类型是________，发酵产生的果酒在醋酸菌的作用下会进一步转变为醋酸，与酒精发酵的条件相比，醋酸发酵需要__________________________________________(答出2点)。
(2)在家庭制作葡萄酒的过程中，不需要严格的消毒过程也能完成发酵，原因是___
_______________________________________________________________________。
兼性厌氧
持续通氧、更高的培养温度(30～35 ℃)
在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物都因无法适应这一环境而受到抑制
(3)若要测定果酒发酵液中的酵母菌密度，进行下图所示操作。
将发酵液用________________法接种到培养基，一段时间后，培养基A、B、C中菌落数分别为36、40、35，表明1 L发酵液中的酵母菌数量约为________个，统计结果比酵母菌的实际数目偏________(填“大”或“小”)。
稀释涂布平板
3.7×1010
小
2．(2022·浙江温州)泡菜的主要原料是蔬菜，蔬菜中含有大量的膳食纤维，能刺激肠道蠕动，帮助排出肠道中的有害物质，泡菜中也含有一定量的亚硝酸盐。
(1)泡菜腌制过程中产有机酸的主要菌种是____________________。培养微生物需配制培养基，一般步骤为：计算→称量→溶化→定容→调pH→____ ____，倒平板。
(2)泡菜废水中含有大量纤维素等有机物，并且盐度较高，对微生物生长起到较强抑制作用。若要获得能分解纤维素的耐盐微生物，需配制以________为唯一碳源的培养基，并在培养基中加入_____________________________。从功能上看，该培养基属于________培养基。
(3)欲测定泡菜中的亚硝酸盐含量，可在酸化条件下，使亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应，产物与__________反应，形成紫红色物质，再通过测量其______________________________，并与________对比换算得到。
乳酸菌或乳酸杆菌
灭菌或高压蒸汽灭菌
纤维素
较高浓度盐溶液/较高盐分的溶液/高盐度泡菜溶液
选择
考点二　发酵工程及其应用
1．发酵工程
(1)概念：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。
(2)对发酵工程概念的理解。
①微生物：来自自然界的微生物(即“常规菌”)和基因重组的微生物(即“工程菌”)。
②产品：利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，利用工程菌生产的人胰岛素等。
③实质：利用微生物进行产品生产(如次生代谢物和菌体本身)。
课本P22
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。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，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。
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
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
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、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。
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
2．发酵工程的基本环节
课本P23
食品添加剂
酶制剂
抗生素、干扰素、胰岛素等
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。
4.发酵工程的应用
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
发酵工程的特点
5.啤酒的工业化生产流程及发酵过程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
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。
淀粉分解，形成糖浆。
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。
消毒
终止
后发酵
过滤
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
提醒：①主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，后发酵一段时间后才能饮用。
课本P24
(3)“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别。
《金版》P342
1．(2022·辽宁东北育才学校)菌种M和菌种N在发酵工程应用上具有不同的优越性，为了获得具有它们共同优良性状的融合菌，进行了右图所示的实验。已知菌种M为组氨酸依赖(组氨酸合成相关基因突变为B－)，菌种N为色氨酸依赖(色氨酸合成相关基因突变为A－)，下列分析错误的是(　　)
A．菌种M和N可通过人工诱变和选择性培养筛选获得
B．用PEG诱导融合之前需要去除菌种M和N的细胞壁
C．在培养基X中添加组氨酸和色氨酸以筛选出杂种融合菌
D．从培养基X中分离出的杂种融合菌P对两种氨基酸均不依赖
答案：C
2．(2022·浙江20名校联盟联考)原产于亚洲西部的葡萄含有丰富的矿物质、多种维生素和人体所需的氨基酸，具有生津消食、缓解疲劳、补血益气的功效。利用葡萄生产的葡萄果汁、葡萄酒、葡萄醋等因具有独特的口感和丰富的营养而倍受人们喜爱。请回答下列问题。
(1)在自然界中可以从某些微生物如__________等中获得果胶酶。在葡萄果汁生产中，用果胶酶处理显著增加了产量，其主要原因是果胶酶水解果胶使__________。

(2)用如图装置制作葡萄酒，在酒精发酵的过程中，需对气阀________进行关闭。比色法测定葡萄酒中的酒精含量：首先用________________________和显色剂制成颜色深浅不同的系列标准管，用比色计测定后，绘制出标准曲线，再分别吸取等量经脱色处理的葡萄酒，加入____________，得到样品管，用比色计测得________，最后计算得到酒精含量。
黑曲霉(或苹果青霉)
水果组织软化疏松及细胞受损
a
酒精标准溶液(或一系列浓度梯度的酒精溶液)
等量显色剂
光密度值
(3)在生产葡萄酒时由于操作不当，发现葡萄酒变酸。在变酸的酒的表面可以观察到一层白色菌膜，其形成原因是__________________________________________
_______________________________________________________________________。
酒表面氧气浓度较大，醋酸杆菌会大量繁殖形成菌膜
高考真题体验
1.(2022·山东卷)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法错误的是(　　)
A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖
B．可用深层通气液体发酵技术提高产量
C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中
D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌
答案：D
2．(2022·湖北卷)废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A．该生产过程中，一定有气体生成
B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质
D．沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
答案：A
3．(2022·湖北卷)关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　)
A．在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气
B．白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程
C．葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体
D．生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌
答案：C
4．(2022·湖南卷)黄酒源于中国，与啤酒、葡萄酒并称世界三大发酵酒。发酵酒的酿造过程中除了产生乙醇外，也产生不利于人体健康的氨基甲酸乙酯(EC)。EC主要由尿素与乙醇反应形成，各国对酒中的EC含量有严格的限量标准。回答下列问题：
(1)某黄酒酿制工艺流程如下图所示，图中加入的菌种a是__________，工艺b是__________(填“消毒”或“灭菌”)，采用工艺b的目的是____________________
_______________________________________________________________________。
酵母菌
灭菌
杀死黄酒中全部的微生物及芽孢、孢子，防止成品酒变酸或腐败变质
(2)在以尿素为唯一氮源的培养基中加入__________________指示剂，根据颜色变化，可以初步鉴定分解尿素的细菌。尿素分解菌产生的脲酶可用于降解黄酒中的尿素，脲酶固定化后稳定性和利用效率提高，固定化方法有_________________(答出两种即可)。
(3)研究人员利用脲酶基因构建基因工程菌L，在不同条件下分批发酵生产脲酶，结果如下图所示。推测______是决定工程菌L高脲酶活力的关键因素，理由是_______________________________________________________________________。
酚红
化学结合法、包埋法、物理吸附法
pH
两图中脲酶活力随时间变化的曲线基本一致，而pH维持在6.5不变与pH从6.5降为4.5相比较而言，酶活力值始终要高。
(4)某公司开发了一种新的黄酒产品，发现EC含量超标。简要写出利用微生物降低该黄酒中EC含量的思路：_________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________。
方案一：配制一种选择培养基，筛选出产生EC降解酶的细菌，从细菌中分离得到EC降解酶，纯化的EC降解酶进行固定化操作后，加入该黄酒中
方案二：配制一种选择培养基，筛选出产生脲酶的细菌，从细菌中分离得到脲酶，纯化的脲酶进行固定化操作后，在黄酒工艺流程的发酵环节中加入

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