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第1章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
| 科技探索之路 | - 从传统发酵技术到发酵工程
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。
一、发酵与传统发酵技术
1.发酵
（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。
（3）类型：
需氧发酵
厌氧发酵
如：醋酸发酵、谷氨酸发酵
如：酒精发酵、乳酸发酵
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。
一、发酵与传统发酵技术
2.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。
（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
生产条件不易控制，容易受杂菌污染，生产效率较低，产物不单一等。
缺点：
一、发酵与传统发酵技术
（3）实例：腐乳制作
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）
毛霉：分布广泛
代谢类型：异养好氧型
生殖类型：孢子生殖
适宜温度：15~18℃
2.传统发酵技术
一、发酵与传统发酵技术
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
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
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？
（3）实例：腐乳制作
2.传统发酵技术
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜制作
（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
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（球状）
乳酸杆菌（杆状）
1.泡菜制作
（3）方法步骤：
二、尝试制作传统发酵食品
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（如萝卜、黄瓜和豌豆等）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。
A.在泡菜发酵初期，由蔬菜表面带入的大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，它们可以进行发酵，发酵产物中有较多的二氧化碳，如果泡菜坛装的太满，发酵液可能会溢出坛外。
B.另外，泡菜坛装的太满，会使盐水不太容易完全淹没菜料，从而导致坛内菜料变质腐烂。
C.泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。
③盐水煮沸的目的：
④盐水冷却后使用的目的：
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤：
配制盐水
用清水和食盐配制质量分数为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。
原料处理、蔬菜装坛
加盐水
封坛发酵
杀菌，去除水中的溶解氧
为了不影响乳酸菌的生命活动
用水密封泡菜坛的目的是什么？这说明泡菜制作需要什么条件？
给泡菜坛内创造无氧环境
无氧条件
1.泡菜制作
①盐的作用：
②盐水浓度要适宜的目的：
调味，抑制其他微生物生长
过高，乳酸发酵将受抑制；过低，杂菌易繁殖，导致泡菜变质
二、尝试制作传统发酵食品
从开始制作到泡菜质量最佳这段时间内，泡菜逐渐变酸，泡菜坛中乳酸菌和其他杂菌的消长规律是什么？原因？
乳酸菌数量增多，杂菌数量减少；因为乳酸菌比其他杂菌更耐酸。
（4）结果分析与评价
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。
（5）进一步探究
1.泡菜制作
二、尝试制作传统发酵食品
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）。
亚硝酸盐
二、尝试制作传统发酵食品
适宜的pH、温度和一定的微生物作用
氧化
维生素C、E和酚类物质
硝酸盐
亚硝酸盐
还原
细菌等微生物
(硝酸还原菌产生硝酸还原酶)
亚硝胺
发酵初期，泡菜中微生物生长很快，将蔬菜中硝酸盐还原成亚硝酸盐，蔬菜中酚类物质和维生素C等将亚硝酸盐氧化，总体来说，生成的亚硝酸盐大于被氧化的，亚硝酸盐的含量逐步上升。
微生物代谢活动将氧气消耗殆尽，泡菜坛中的环境不利于乳酸菌以外的其他微生物生长，生成的亚硝酸盐减少。同时，蔬菜中亚硝酸盐含量由于被氧化而减少，因此，亚硝酸盐的含量会逐渐下降并趋于一个相对稳定的数值。
亚硝酸盐
二、尝试制作传统发酵食品
时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐
前期
中期
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）
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
二、尝试制作传统发酵食品
（拓展应用P8,2）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。
（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，因为此时亚硝酸盐含量已经降到较低水平。
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。
二、尝试制作传统发酵食品
（1）微生物——酵母菌（果酒）和醋酸菌（果醋）
2.制作果酒和果醋
①酵母菌
A.是单细胞真菌，真核生物，呈圆形、椭圆形等。
B.酵母菌的繁殖方式主要为无性生殖（出芽生殖、分裂生殖、孢子生殖），但多以出芽方式进行。
C.酵母菌分布在含糖较高的偏酸环境中，如水果等。
②醋酸菌
A.原核生物，新陈代谢类型为异养需氧型。
B.醋酸菌的繁殖方式为二分裂。
C.应用：食醋、果醋
酵母菌
醋酸菌
二、尝试制作传统发酵食品
（2）原理：
2.制作果酒和果醋
C6H12O6 2C2H5OH（酒精）+ 2CO2+ 能量
酶
果酒：
果醋：
C6H12O6 + 2O2 2CH3COOH（乙酸）+ 2H2O + 2CO2 + 能量
酶
C2H5OH + O2 CH3COOH（乙酸）+ H2O + 能量
酶
①氧气、糖源充足时
②糖源不充足时
2.制作果酒和果醋
二、尝试制作传统发酵食品
（3）果酒发酵的条件
① 温度：酿酒酵母的最适生长温度为28℃左右，酒精发酵时将温度严格控制在18℃～30℃。
② 氧气：前期需O2 ，后期无氧。 ③ pH：呈酸性。（5.0～6.0）
④ 时间： 10～12天
（4）果醋发酵的条件：
① 温度：多数醋酸菌的最适生长温度为30～35℃ ，醋酸发酵时将温度严格控制在此范围内。
② 需要充足的氧气。 ③ pH：呈酸性。
④ 时间： 7~8天
二、尝试制作传统发酵食品
2.制作果酒和果醋
（5）方法步骤：
① （填“能”或“不能”）使用清水多次冲洗或者用酒精擦拭消毒。
二、尝试制作传统发酵食品
第一步：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 的酒精消毒，晾干备用。
70%
第二步：挑选、冲洗葡萄
取新鲜葡萄，用清水冲洗 次，再去除枝梗和腐烂的籽粒，沥干。
1-2
不能
防止葡萄表面的酵母菌菌种被冲洗掉或被杀死。
②应先冲洗葡萄，后去除枝梗？
避免去除枝梗时 引起葡萄的破损，增加杂菌污染的机会。
（5）方法步骤：
酒精擦拭的目的是：防止器具的 污染。
杂菌
二、尝试制作传统发酵食品
第三步：榨汁装瓶
用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶中，盖好瓶盖。
①留1/3空间的目的？
②盖好瓶盖的目的？
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。
防止杂菌进入，创造发酵环境。
（5）方法步骤：
（注意：要留有大约 的空间）
1/3
二、尝试制作传统发酵食品
第四步：酒精发酵
将温度控制在 进行发酵。在发酵过程中，每隔 左右将瓶盖 一次（注意：不是打开瓶盖），此后再拧紧瓶盖。发酵时间为 。可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行检测。
18～30℃
12h
拧松
10～12d
①瓶盖拧松的目的？
为了放出 ，防止发酵瓶爆裂。
②不能拧开的原因？
防止 和 进入发酵瓶。
CO2
O2
杂菌
（5）方法步骤：
二、尝试制作传统发酵食品
第五步：醋酸发酵
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 ，时间为 。
30～35℃
7～8d
①打开瓶盖盖上纱布目的？
②该温度条件下，酵母菌代谢 （填“较快”或“缓慢”）。
创造 的环境和 菌进入发酵瓶。
缓慢
有氧
醋酸
（5）方法步骤：
二、尝试制作传统发酵食品
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。
如果是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。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膜，这是醋酸菌膜。
（6）结果分析与评价：
二、尝试制作传统发酵食品
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？
果酒中除了酵母菌，还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。
乳酸菌可能分解果酒中的糖、甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。可以通过调节发酵的温度、果酒的pH等来控制乳酸菌的含量。
果汁中的糖也是醋酸菌重要的碳源和能源。在有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸；在缺少糖源的情况下，乙醇便是醋酸菌的碳源和能源，它将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸。
由于醋酸菌在有氧的条件下才能进行旺盛的代谢活动，因此在制作果酒的过程中尽量减少O2含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。
此外，通过调节发酵的温度、果酒的pH等同样可以控制醋酸菌的含量。
（6）结果分析与评价：
二、尝试制作传统发酵食品
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。
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。我们制作果醋时，可以先买一瓶醋， 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（实际上是醋酸菌），用这层薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。
（6）结果分析与评价：
二、尝试制作传统发酵食品
④如何检测果酒的发酵情况（检测是否产生酒精）？
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）
如何检测果醋的发酵情况？
A.闻；
B.品尝；
C.使用pH试纸检测检测和比较发酵前后的pH值；
D.观察醋酸菌膜是否形成。
（6）结果分析与评价：
二、尝试制作传统发酵食品
【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？
装置图 结构 作用
充气口 ①醋酸发酵时连接充气泵，输入 ；
②制果酒时 充气口
排气口 用来排出 ;
长而弯曲的胶管 防止空气中 的污染
出料口 便于取料，及时监测发酵进行的情况
无菌空气
关闭
CO2
微生物
填充棉花或者安装其他过滤装置
二、尝试制作传统发酵食品
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？
【到社会中去】
少量制作转向大规模生产时，会遇到许多新问题。例如，少量制作果醋时，不需要专门的搅拌装置。而大规模生产果醋时，由于发酵罐容积很大，就需要安装搅拌器，以保障醋酸菌对O2的需求。可见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。自己制作的果酒和果醋并非商品意义上的产品。在实际生产中还需要经过沉淀、过滤、灭菌、装瓶等过程才能获得成品酒或醋。果酒还需要在一定条件下进行后续发酵，以获得特定的风味和色泽。
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。
项目 泡菜制作 果酒制作 果醋制作
发酵菌种
菌种来源
代谢类型
细胞类型
发酵原理
发酵 条件 温度
时间
氧气
酵母菌（出芽生殖）
主要是附着在葡萄皮上的
野生型酵母菌
异养兼性厌氧型
真核细胞
在有氧条件下：C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
在无氧条件下：
C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+少量能量
酶
28℃（18-30℃）
10-12d
初期需氧，后期不需氧
醋酸菌（二分裂）
异养需氧型
原核细胞
空气中的野生型醋酸菌
氧气、糖源都充足时：C6H12O6+2O2 2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量
酶
氧气充足、缺少糖源时：C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量
酶
30-35℃
7-8d
需要氧气
乳酸菌（二分裂）
植物体表面
天然的乳酸菌
异养厌氧型
原核细胞
C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
在无氧的情况下：
18-20℃
不需要氧气
8-10d
制作泡菜、果酒和果醋的比较
三、练习与应用
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。（ ）
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
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×
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D

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