资源简介

(共42张PPT)
生物技术与工程
发酵工程
基因工程
重组DNA技术的基本工具
传统发酵技术的应用
选择性必修3《生物技术与工程》
细胞工程
生物技术的安全性与伦理问题
微生物的培养技术及应用
动物细胞工程
植物细胞工程
基因工程的基本操作程序
基因工程的应用
蛋白质工程的原理和应用
转基因产品的安全性
发酵工程及其应用
胚胎工程
关注生殖性克隆人、禁止生物武器
【科技探索之路】从传统发酵技术到发酵工程
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成含酒精的饮料
1857年，巴斯德证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的
1897年，科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用
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，作坊式手工生产向现代工业化生产方向发展
20世纪40年代，在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层通气液体发酵技术
1957年，通过人工诱变特定微生物，获得具有更高生产能力的突变类型
20世纪70年代以后，基因工程和细胞工程等的发展，使发酵工程进入定向育种的新阶段
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
第1章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
从社会中来
（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。
从社会中来
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（乙酸），因此口感不同。
（1）概念：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）原理：不同微生物具有产生不同代谢物的能力，因此利用它们就可以生产出人们所需要的多种产物。
一、发酵与传统发酵技术
1. 发酵
（3）类型：
①需氧发酵：醋酸发酵（醋）
②厌氧发酵：酒精发酵、乳酸发酵（泡菜、酸奶）
对微生物而言，“发酵”在有氧和无氧条件下都能进行。
必修一（P94）中提到的发酵特指“微生物的无氧呼吸”，是狭义的发酵概念
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。
一、发酵与传统发酵技术
（2）类型：
固体发酵（ ）
半固体发酵（ ）
豆豉、酱、酱油等
泡菜、腐乳等
混合菌种
泡菜
白酒
腐乳
豆豉
酱
酱油
（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__________________。
酵母菌
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）
一、发酵与传统发酵技术
2. 传统发酵技术
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
目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长
加卤汤瓶
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
密封腌制
卤汤中酒的含量应控制在12%左右，过高会延长腐乳成熟的时间，过低不足以抑制微生物生长，可能导致豆腐腐败
（3）实例：腐乳
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胚
一、发酵与传统发酵技术
2. 传统发酵技术
思考辨析：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 分析传统发酵技术的优点和缺点。
制作简单且成本低
优点
天然菌种品质各异，而且纯度不高
缺点一
生产条件不易控制，易受杂菌污染
缺点二
思考辨析：使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗？
不属于；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)发酵是指人们利用微生物，在缺氧的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物(　　)
(2)毛霉主要通过产生蛋白酶分解蛋白质参与腐乳发酵(　　)
(3)腐乳制作利用了毛霉等真菌的有氧呼吸(　　)
实战演练
×
√
√
2.判断下列食品是传统发酵食品的是________________________________。
①豆腐　②腐乳　③酱油　④香醋　 ⑤豆油　 ⑥泡菜
⑦豆豉　⑧馒头　⑨米酒　⑩豆浆　 酸奶　 米饭
1.判断正误
②③④⑥⑦⑧⑨
二、尝试制作传统发酵食品
毛豆腐
泡菜
陈醋
腐乳
酱油
辣白菜
豆豉
1、菌种：
乳酸菌
①菌种来源：
植物体表面天然的乳酸菌
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
乳酸链球菌（球状）
乳酸杆菌（杆状）
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%
适宜温度：18-20℃
（一）制作泡菜
3、材料用具：
食盐，清水，新鲜蔬菜（亚硝酸盐的含量低），蒜瓣，生姜以及其他香辛料，泡菜坛或其他密封性良好的罐子等。
（一）制作泡菜
4. 方法步骤
15
配制
盐水
蔬菜处理装坛
加盐水
封坛
发酵
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
泡菜发酵初期，大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，产生较多的CO2，防止发酵液溢出坛外；
防止因太满使盐水未完全淹没菜料而导致菜料变质腐烂；
留有一定空间，方便拿取泡菜。
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；
创造无氧环境
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖；
向坛盖边缘的水槽中注满水，在发酵过程中注意向水槽中补充水；根据室内温度控制发酵时间；
不影响乳酸菌的生命活动
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；
你腌制的泡菜成功吗？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；
通过在显微镜下观察乳酸菌的形态和数目；
根据亚硝酸盐的含量来评定；
一般来说，腌制成功的泡菜汤清亮，无浮沫，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。
失败
成功
（一）制作泡菜
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。
（一）制作泡菜
5. 泡菜腌制中亚硝酸盐的产生
5. 泡菜腌制中亚硝酸盐的产生
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）。
（1）亚硝酸盐
硝酸盐
硝酸盐还原菌
亚硝酸盐
适宜的pH、温度和一定的微生物作用
亚硝胺
维生素C、E和酚类物质
亚硝胺具有致癌作用，对动物具有致畸和致突变作用。
2. 某同学在制作泡菜前，査阅资料得知，可以向泡菜坛中加入一些“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，结果见右栏曲线图。
3
5
7
9
11
13
0
4
8
12
16
20
24
发酵时间/d
亚硝酸盐含量/(mg/kg)
在发酵10天后食用比较合适，因为此时亚硝酸盐含量已经降到较低的水平。
可能是食盐浓度过高，抑制乳酸菌生长，产生乳酸较少，导致泡菜未能正常发酵（也可能是由于温度较低）。
问题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？
问题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？
问题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。
泡菜发酵过程中，不是乳酸菌单独发酵的结果：
注
乳酸积累，pH过低；乳酸菌的生长也受到抑制，乳酸菌数量减少。
发酵初期
多种微生物（如大肠杆菌、酵母菌）进行有氧呼吸，产生较多的CO2，坛沿水槽内有气泡放出。此阶段是形成无氧环境的过程。
发酵中期
发酵后期
主要是乳酸菌的发酵过程，其他微生物的生长受到抑制。
②泡菜制作过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化情况分析
1.为什么日常生活中要多吃新鲜蔬菜，不吃存放时间过长、变质的蔬菜？
有些蔬菜，如小白菜和萝卜等含有丰富的硝酸盐。当这些蔬菜放置过久时发生变质（发黄、腐烂）或者煮熟后存放太久时，蔬菜中的硝酸盐会被微生物还原成亚硝酸盐，危害人体健康。
2.为什么含有抗生素的牛奶不能发酵为酸奶？
牛奶发酵为酸奶主要依靠 的发酵作用，
乳酸菌
而抗生素能够杀死或抑制乳酸菌。
到生活中去
1. 制作果酒应用的微生物：
酵母菌（单细胞真核）
（1）生殖方式： 无性生殖(出芽生殖、分离生殖、孢子生殖)，但多以出芽方式进行。
（2）分布： 含糖量较高的水果，蔬菜表面。
（4）代谢类型：异养兼性厌氧型
（二）制作果酒和果醋
2.原理：
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
C6H12O6 2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
在无氧条件下
酶
酵母菌能进行酒精发酵
酶
（3）酿酒酵母的最适生长温度约为28°C。
2. 制作果醋应用的微生物：
醋酸菌（细菌）
（1）代谢类型：异养需氧型
（2）多数醋酸菌最适生长温度：30～35℃
（3）原理：
①当氧气、糖源充足时，能将糖分解成乙酸
C6H12O6＋2O2 2CH3COOH（乙酸）＋2CO2＋2H2O + 能量
酶
②当缺少糖源时，能直接将乙醇转化成乙醛，再将乙醛变成乙酸
酶
C2H5OH ＋O2
CH3COOH （乙酸）＋ H2O + 能量
（二）制作果酒和果醋
2. 制作果醋应用的微生物：
醋酸菌（细菌）
（二）制作果酒和果醋
（4）应用：醋酸菌可用于制作各种风味的醋。
（二）制作果酒和果醋
3. 制作原理
（1）许多新鲜水果（如葡萄）的果皮表面附着有大量的不同种类的野生酵母菌，在它们作用下，水果可以发酵成果酒。
（2）酵母菌在有氧条件下，进行有氧呼吸，大量繁殖；在无氧条件下，能进行酒精发酵。
（3）在有氧条件下，果酒经醋酸菌作用可以进一步发酵为果醋。
4. 材料用具：
新鲜水果，洗洁精，体积分数为70%的酒精，发酵瓶，纱布和榨汁机等。
（二）制作果酒和果醋
5. 方法步骤（以葡萄酒和葡萄醋为例）
（1）器具消毒：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。
（2）冲洗葡萄：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。
不能冲洗多次，防止野生酵母菌数量减少，影响发酵。
避免葡萄破损，减少杂菌污染。
（二）制作果酒和果醋
冲洗1-2次：
先洗，再除去枝梗：
（3）榨汁装瓶：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。
①先让酵母菌进行有氧呼吸，利于酵母菌快速繁殖，耗尽O2后，再进行酒精发酵；
②防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出。
5. 方法步骤（以葡萄酒和葡萄醋为例）
（二）制作果酒和果醋
留有大约1/3的空间：
（4）酒精发酵：将温度控制在18-30℃进行发酵，在发酵过程中，每隔12h左右将瓶盖拧松一次（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监测。
5. 方法步骤（以葡萄酒和葡萄醋为例）
（二）制作果酒和果醋
每隔12h左右将瓶盖拧松一次：
排除发酵过程中产生的CO2。
拧松但不打开瓶盖：
拧松瓶盖是为了排出发酵产生的CO2，防止瓶内气压过大，引起发酵装置爆裂。
不能打开瓶盖，以防止空气中的杂菌进入而污染发酵液。
（5）乙酸发酵：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。
提供充足的O2，防止外来杂菌和灰尘的污染
5. 方法步骤（以葡萄酒和葡萄醋为例）
（二）制作果酒和果醋
打开瓶盖：
醋酸菌是好氧菌，在将乙醇变为乙酸时需要氧气的参与空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖，其他菌因不适应环境条件（不能利用乙醇）而不能繁殖。
盖上一层纱布：
（二）制作果酒和果醋
怎样判断果酒、果醋的制作是否成功呢？
果酒：
果醋：
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）
a.闻
b.品尝
c.使用pH试纸检测和比较发酵前后的pH值
d.观察醋酸菌膜是否形成
问题探讨：
醋瓶子、未喝净的啤酒瓶子放置久了，在醋和啤酒表面形成一层“白膜”。它是怎样形成的？
醋酸菌在液面上大量繁殖而形成的菌膜（菌落）。
漂浮在葡萄酒表面的白膜—醋酸菌膜
如果葡萄酒的发酵容器封口不严实或葡萄酒长时间暴露在空气中，葡萄酒与空气的接触久了，酒液便容易被空气中的醋酸菌污染，从而在葡萄酒表面产生一层白膜。
1. 在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？
结果分析与评价（p7）
气泡
酵母菌进行果酒发酵时会产生CO2。
发酵过程，分解有机物产生的能量大部分以热能形式散失。
如果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。
产热
颜色
菌体数量
pH
菌落
初期发酵液中酵母菌数目增多，后期不再增多，甚至会下降。
CO2溶于发酵液而使pH下降。
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落，这是醋酸菌落。
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。
乳酸菌能将糖分解为甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。
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。
可以通过减少O2含量、调节发酵温度、pH来控制醋酸菌含量。
结果分析与评价（p7）
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。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。
结果分析与评价（p7）
拓展：果酒和果醋发酵的装置
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
防止空气中杂菌污染。
排气口胶管长而弯曲的作用？
该装置有不足之处吗？我们该如何改进呢？
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
1. 存在的问题：传统发酵食品的制作过程中，利用的是天然存在的菌种。菌种差异、杂菌情况不明和发酵过程的控制缺乏标准等，往往会造成发酵食品的品质不一。
2. 解决方法：为了缩短发酵时间，确保品质稳定，工业上大规模生产时，通常会先通过微生物培养技术获得单一菌种，再将它们接种到物料中进行发酵。
（三）传统发酵食品制作过程中存在的问题和解决方法
果酒制作与果醋制作的比较
项目 泡菜 果酒制作 果醋制作
发酵菌种 乳酸菌 酵母菌 醋酸菌
菌种来源 植物体表面天然的乳酸菌 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 18～20℃ 一般控制在18～30℃ 30～35℃
时间 10d左右 10～12d 7～8d
氧气 不需要氧气 初期需氧，后期不需氧 始终需要氧
酶
酶
酶
酶
在无氧的情况下酸
C6H12O6
2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
课堂小结
传统发酵技术
概念
来源
类型
实质
结果
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。
固体发酵及半固体发酵
原材料中天然存在或面团、卤汁等发酵物中的微生物
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。
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。（ ）
√
×
×
练习与应用（p8）
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（ ）
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
D
练习与应用（p8）
一、概念检测

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