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(共27张PPT)
第一章 发酵工程
1957年
用微生物生产谷氨酸获得成功。20世纪60年代，科学家通过研究微生物的代谢途径，继续改进发
酵技术，通过人工诱变特定微
生物，获得了具有更高生产能力
的突变类型。之后，酶制剂、多
糖、维生素发酵
工业相继兴起。
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、豆豉、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，人们并不没明白其中的原理。
1857年
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。
1897年
科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用，逐渐了解了发
酵的本质。之后的30多年间，微生物的分离和纯化技术得到了应用，发酵生产的工艺
和设备不断完善，
传统的固体发酵开
始向半固体发酵和
液体发酵演变。同
时，作坊式的手工
生产向近代工业化生产方向发展。利用微生物生产的新产品，如酒精、柠檬酸和淀粉酶等不断出现。
20世纪40年代
利用发酵工程大规模生产青霉素成为研究的主攻方向。由于青霉素产生菌是需氧型的，科学家在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层通气液体发酵技术，使青霉素的生产实现了产业化。不久，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。
201X
1850
201X
1900
201X
1940
201X
1960
201X
201X
20世纪70年代以后
基因工程、细胞工程等的发展，使发酵工程进入了定向育种的新阶段。例如，运用基因工程可以将动植物的基因转移到微生物中，获得具有特殊生产能力的微生物，大量生产人们所需要的产品，如人胰岛素、干扰素等。
1970
1980
20世纪80年代
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，
以更加
合理地控制
发酵过程。目前，人类已经能够自 动记录和控制发酵过程 的全部参数。
科技探索之路
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。
啤
酒
葡萄酒
毛豆腐
豆豉
泡菜
陈醋
腐乳
酸奶
发面团
酱油
辣白菜
第1章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
什么是传统发酵技术？
制作泡菜、果酒和果醋的原理是什么？
本节聚焦
1
2
3
怎样制作泡菜？怎样制作果酒和果醋？
发酵与传统发酵技术
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。
1. 概念：
2. 原理：
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此利用它们就可以生产出人们所需要的多种产物。
(一) 发酵
3. 类型
需氧发酵
厌氧发酵
醋酸发酵
谷氨酸发酵
酒精发酵
乳酸发酵
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。
1.概念：
2.类型：
固体发酵
（ ）
半固体发酵（ ）
泡菜、粮食白酒、腐乳等
豆豉、酱、酱油等
发酵与传统发酵技术
(二)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：______、______和______等，其中起主要作用的是________。
③发酵原理：经过微生物的发酵，豆腐中的蛋白质被分解成_________________ _。
酵母
曲霉
毛霉
毛霉
小分子的肽和氨基酸
此外，微生物还可以产生脂肪酶，将脂肪分解为脂肪酸和甘油
④制作流程
让豆腐长出毛霉
直接利用空气中的毛霉孢子或者直接接种毛霉（15-18℃，一定湿度）
目的：让毛霉等产生蛋白酶和脂肪酶
加盐腌制
卤汤包括酒和香辛料
酒：抑制微生物生长，并使腐乳具有独特香味；
香辛料：调味，防腐杀菌
加卤汤瓶
密封腌制
方法：随豆腐层数加高增加盐用量，接近瓶口表面，铺厚一点
正在进行发酵的豆腐坯
目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长
【思考】每年进行同样的操作，但是每年制作的腐乳或豆瓣酱的口感都不完全相同，有些年份甚至制作不成功，你知道这是为什么吗？
生产条件不易控制，容易受杂菌污染
基础检测
使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗？
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。
1. 下列关于传统发酵食品的叙述，不正确的是( 　　)
传统发酵产品需要多种多样的微生物
腐乳的制作直接利用了原料中天然存在的毛霉、酵母等微生物
传统发酵食品以单一菌种的固体发酵和半固体发酵为主
腐乳的制作需通过微生物的代谢把蛋白质转化为人需要的氨基酸
练习与应用
P8【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、芽孢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孢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。（ ）
1.菌种：
乳酸菌
①菌种分布：
空气、土壤、植物体表、人或动物肠道内
②代谢类型：
异养厌氧型
③种类：
乳酸链球菌、乳酸杆菌
（原核生物）
2.发酵原理：
在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸
C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
发酵期间，乳酸会___________，当它的质量百分比为____________时，泡菜的口味、品质最佳。
不断积累
0.4%-0.8%
乳酸链球菌
乳酸杆菌
尝试制作传统发酵食品
(一) 泡菜的制作
舌尖上的中国——四川泡菜
尝试制作传统发酵食品
3. 制作过程：
(一) 泡菜的制作
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；
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖；
配制盐水
原料处理、蔬菜装坛
加盐水
封坛发酵
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；
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。
杀菌除氧
创造无氧环境
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。
4.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。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。
亚硝酸盐为强氧化剂，能够把血液中的低铁血红蛋白转变为高铁血红蛋白，从而导致缺氧性中毒症状。
膳食中的绝大部分亚硝酸盐随尿排出，但在适宜的pH、温度和一定的微生物作用下会转变成致癌物质亚硝胺（霉变的食品中亚硝胺可增至数十倍至数百倍）。
尝试制作传统发酵食品
(一) 泡菜的制作
尝试制作传统发酵食品
5. 泡菜发酵过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的含量变化：
(一) 泡菜的制作
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）
P8【拓展应用】
2、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，结果见右栏曲线图，请你帮他分析问题。
练习与应用
（1）据图分析，从亚硝酸盐含量来看，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？
10天后食用比较好，因为此时的亚硝酸盐含量低。
可能是食盐浓度过高、发酵温度过低等原因导致泡菜未能正常发酵。
“陈泡菜水”中含有纯度较高的乳酸菌，可快速发酵产生乳酸。
尝试制作传统发酵食品
1. 原理：
2. 应用的微生物：
(二) 果酒的制作
C6H12O6 2C2H5OH（酒精）+ 2CO2+ 能量
酶
兼性厌氧型真菌
在无氧情况下进行酒精发酵
含糖量较高的蔬菜、水果表面
酿酒、制作馒头和面包
植物体表面天然的酵母菌
①代谢类型：
②作用：
⑤应用：
③分布：
酵母菌
④适宜温度：
约为28 ℃
尝试制作传统发酵食品
1. 原理：
2. 应用的微生物：
(三) 果醋的制作
C6H12O6 + 2O2 2CH3COOH（乙酸）+ 2H2O + 2CO2 + 能量
酶
好氧细菌
30~35 ℃
各种风味的醋
①代谢类型：
②作用：
③适宜温度：
醋酸菌
④应用：
在氧气、糖源充足时,将糖分解成醋酸;
当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。
C2H5OH + O2 CH3COOH（乙酸）+ H2O + 能量
酶
3. 制作过程
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
4. 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。
发酵过程产热，会使发酵液温度上升，应注意控温；
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。
果醋发酵完成时，在发酵液的液面上会出现一层菌膜，这是醋酸菌膜。
4. 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？
还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。
可以通过减少O2含量、调节发酵温度、pH来控制醋酸菌含量。
可以通过调节发酵的温度、pH等来控制乳酸菌含量；
在有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸或者把乙醇转化为乙醛进而转化为醋酸。
乳酸菌能将糖分解为甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。
4. 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，不会继续发酵。
在工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌。或者买一瓶醋，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（即醋酸菌膜），用这层薄膜进行接种亦可。
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。
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
制作果酒和果醋的比较
酶
酶
酶
酶
P8【拓展应用】
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同学用的是没有盖的塑料瓶，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？
练习与应用
C同学的装置更适合制作果醋。
防止空气中微生物的污染
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
便于取样检测
关闭
关闭
填充棉花或者安装其他过滤装置
尝试制作传统发酵食品
到社会中去
查阅关于果酒和果醋工业化生产的工艺流程，比较自己制作果酒和果醋的方法与这些流程有哪些异同。在此基础上，请思考：当把少量制作转化为大规模生产时，需要解决哪些实际问题？你能从中体会到技术与工程的区别的和联系吗？
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。
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。
本节小结

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