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第一节 传统发酵技术的应用
第一章传统发酵技术的应用
学习目标
1.说出发酵与传统发酵技术。（生命观念）
2.说出泡菜、果酒和果醋制作的原理。（生命观念）
3.尝试完成泡菜、果酒和果醋的制作。（科学思维、科学探究）
4.关注食品安全，倡导健康的生活方式。（社会责任）
面包和酸奶，或者馒头夹着腐乳，是很多人喜欢的早餐。你知道吗？这些食品的制作都离不开微生物的发酵。
1、制作不同的发酵食品，需要的微生物一样吗？
2、如何分离和培养微生物呢？
发酵工程
发酵工程
啤酒、味精乃至胰岛素等药物的工业化生产，也利用了微生物的发酵。然而，工业化大规模生产在菌种的选育和培养、发酵条件的控制等方面比传统发酵生产要复杂的多，需要通过发酵工程来实现。
3、发酵工程的流程是怎样的？它用到的技术与传统发酵技术有什么不同？
4、发酵工程在社会和经济中有哪些应用？
课题背景
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。
酿酒技术给古代人民的生活增添了丰富的色彩。许多古老的酿酒工艺一直保留并延续至今。
汉代砖刻上的酿酒图
展示我国古代酿酒作坊的绘画作品
现代发酵产品
我们的祖先就会利用微生物（酵母菌）将谷物、水果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法方生产其他食品，如酱油、醋、豆豉、腐乳和酸奶等。这种传统的发酵技术（自然发酵和曲种传代发酵）促进了中华名族特有的饮食文化的形成，但在几千年的时间里人们并不明白其中的原理。
科技探索之路-----约9 000年前
3000年前古埃及人采摘葡萄酿酒场景的壁画
1857年，法国微生物学家 巴斯德 通过实验证明，酒精发酵是由活得酵母菌引起的，从而将酵母菌与发酵联系起来。
科技探索之路----1857年-----1897年
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。 微生物的分离和纯化的应用
酒精发酵的本质：酵母菌细胞中的酿酶将糖类通过发酵变成酒精和CO2
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。由于青霉素产生的菌是需氧型的，科学家在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层次通气液体发酵技术，是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。（发酵工程大规模生产抗生素阶段）
科技探索之路----20世纪40年代---20世纪60年代
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（诱变育种选育菌种）。之后，酶制剂、多糖维生素发酵工业相继兴起。
20世纪70年代后，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(基因工程、细胞工程等方法定向培育菌种)。
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。
科技探索之路----20世纪70年代----20世纪80年代
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。
“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
葡萄酒和葡萄醋是人类以葡萄为原料利用微生物发酵制作而来的，它们的制作方法有什么不同？你想不想自己动手制作呢？
葡萄及葡萄酒
一、发酵与传统发酵技术
指人们利用微生物，在适宜条件下，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）类型：
1）概念：
有氧发酵（ ）
厌氧发酵（ ）
醋酸发酵、谷氨酸发酵
酒精、乳酸（泡菜、酸奶）发酵
3）产品：
1.发酵：
1857年，法国微生物学家巴斯德证明了酒精发酵是由活的酵母菌引起的。此后，人们才开始了解发酵的本质。
2.腐乳的制作原理
1）参与腐乳制作的主要微生物：
毛霉、曲霉、酵母菌
2）原理：
在豆腐的发酵过程中，毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸，脂肪酶可将脂肪水解为甘油和脂肪酸。在多种微生物的协同作用下，普通的豆腐转变成我们爱吃的腐乳。
3.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
3）产品：
豆豉、酱、酱油等
制作果酒
制作果醋
酵母菌-真菌
醋酸菌-细菌
二、尝试制作传统发酵食品
（一）制作泡菜果酒果醋的微生物：
制作泡菜
乳酸菌-细菌
乳酸链球菌
乳酸杆菌
（作酸奶）
菌种 名称 生物分类 代谢类型 适宜温度 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
原核生物
异养
好氧
30—35℃
一直需氧
原核生物
异养厌氧
密闭不需氧
（二）微生物繁殖方式和代谢特点
28℃
前期需氧，
后期不需氧
C2H5OH+O2 →CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
酶
C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2 CO2+能量
酵母菌先在有氧条件下大量繁殖
再在无氧条件下进行酒精发酵
酶
3.果醋制作
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
当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸
2.果酒制作
1.泡菜制作
乳酸菌在无氧条件下将糖分解成乳酸
C6H12O6 →2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
（三）微生物的发酵反应式
（一）制作泡菜
探究·实践
三、制作传统发酵食品
（一）制作泡菜
在我国四川、东北、湖南、湖北、河南、广东、广西等地民间均有自制泡菜的习惯。
韩国泡菜相传是从我国传入的，堪称韩国“第一菜”
探究·实践
三、制作传统发酵食品
（一）制作泡菜
1.制作原理
（1）利用植物体表面天然的乳酸菌发酵。发酵期间，乳酸不断积累。
乳酸菌种类多，常见乳酸菌有乳酸链球菌和乳酸杆菌（用于制酸奶）
乳酸链球菌
C6H12O6 →2C3H6O3（乳酸）+能量
酶
（2）反应式：
当乳酸的质量百分比为0.4﹪-0.8﹪时，泡菜品质、口味最佳。
泡菜坛的选择
火
候
好
坛沿深、盖子
吻合好
无裂纹、无砂眼
也可使用玻璃制作的泡菜坛
2、方法步骤
配制盐水
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；
调味；抑制微生物生长，所以盐含量过低会造成细菌污染。
除去水中氧气及杀灭水中的其他杂菌。
保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响。
（1）盐的作用：
（2）煮沸的目的：
（3）冷却的目的：
配制盐水
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；
原料处理、蔬菜装坛
2、方法步骤
（5）泡菜坛只能装八成满的原因：
发酵初期，蔬菜表面的 比较活跃，为了防止它们发酵时产生较多的 使发酵液溢出；为了使盐水 （完全或不完全）淹没菜料，防止菜料变质腐烂；为了方便拿取泡菜。
大肠杆菌、酵母菌
较多的二氧化碳
完全
配制盐水
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；煮沸盐水的目的：杀灭盐水中的微生物并除去水中氧气
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；
向坛盖边缘的水槽中注满水，并在发酵过程中应经常向水槽中补充水；
根据室内温度控制发酵时间；
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
2、方法步骤
(4)向坛盖边沿的水槽中注满水，目的是保证坛内 环境。
无氧
配制盐水
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；煮沸盐水的目的：杀灭盐水中的微生物并除去水中氧气
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；
向坛盖边缘的水槽中注满水，并在发酵过程中应经常向水槽中补充水；
根据室内温度控制发酵时间；
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
2、方法步骤
①用水封闭泡菜坛的目的是什么？这说明泡菜制作需什么条件？
水封闭坛口起着使坛内与坛外空气隔绝的作用，这是最简易的创造无氧环境的方法。说明乳酸菌进行乳酸发酵需无氧条件。
③你腌制的泡菜成功吗？色泽如何？口味如何
4.结果分析与评价
②为什么泡菜坛只能装八成满？
成果展示
泡菜好吃，但不宜多吃，泡菜中亚硝酸盐会危及人体健康。
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。
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。
泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。
腌制条件:
温度不能过高
食盐含量不能过低
腌制时间不能过短
细菌污染大量繁殖后，亚硝酸盐含量增加
制作泡菜的注意事项
1.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。
【练一练】
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，亚硝酸盐含量低。
盐浓度高，杀死了乳酸菌等微生物;发酵温度低。
“陈泡菜水”含有纯度较高的乳酸菌，相当于接种乳酸菌。
课本P8
【注意】
影响亚硝酸盐含量（增加）的因素：温度（过高）、食盐用量（过低）、腌制时间（过短）
1.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。
【练一练】
4.影响亚硝酸盐含量（增加）的因素有那些呢？
课本P8
动物实验表明：
研究表明：
亚硝胺具有致癌作用，对动物具有致畸和致突变作用
人类的某些癌症与亚硝胺(化学致癌因子)有关
在什么情况下，亚硝酸盐会转化为亚硝胺？
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
亚硝胺
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)
亚硝酸盐本身并不致癌
科普
联系生活
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乳酸菌的发酵作用，而抗生素能够杀死或抑制乳酸菌。
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。
发酵时期 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
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）
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）
总结提升
关于泡菜发酵的叙述，不正确的是（ ）
A.泡菜发酵过程中所产生的亚硝酸盐，摄入过多对身体会造成伤害
B.煮沸泡菜盐水的目的是除去水中的氧气和杀灭盐水中的其他杂菌
C.制作泡菜利用的菌种是乳酸菌，其代谢类型为异养厌氧型
D.泡菜腌制时间过长，食盐用量过低，温度过高，都容易造成细菌大量滋生，亚硝酸盐含量增加
D
【测一测】
回答下列有关泡菜制作的问题：
(1)制作泡菜时，所用盐水煮沸，其目的是__________。为了缩短制作时间，有人还会在冷却后的盐水中加入少量陈泡菜液，加入陈泡菜液的目的是___________________。
(2)泡菜制作过程中，乳酸发酵过程即为乳酸菌进行_________的过程。该过程发生在乳酸菌的________中。
(3)泡菜制作过程中影响亚硝酸盐含量的因素有_______、__________和__________等。
(4)从开始制作到泡菜质量最佳这段时间内，泡菜液逐渐变酸，这段时间内泡菜坛中乳酸菌和其他杂菌的消长规律是 ____________________________，原因是___________________。
除去氧气；杀灭杂菌
增加乳酸菌的数量
无氧呼吸
细胞质
温度
腌制时间
食盐用量
乳酸菌数量增多，杂菌数量减少
乳酸菌比杂菌更耐酸
（二）制作果酒和果醋
探究·实践
三、制作传统发酵食品
（二）制作果酒和果醋
1.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。
C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2 CO2+能量
酶
（2）在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖。
在无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵。
反应式：
出芽生殖
探究·实践
三、制作传统发酵食品
（4）反应式：
（3）在有氧条件下，果酒经醋酸菌作用还可以进一步发酵成果醋。
醋酸菌-细菌
C2H5OH+O2 →CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
酶
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
当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸
二分裂生殖
2.材料用具
洗洁精、体积分数70﹪的酒精、发酵瓶、纱布和榨汁机等
新鲜的水果（如葡萄、苹果、山楂和龙眼等）
(二) 制作果酒和果醋
制作果酒和果醋的过程
实验用具消毒
挑选-冲洗葡萄
榨汁装瓶
果酒检测
酒精发酵
果醋发酵
①榨汁机器具用洗洁精清洗干净，并晾干
②发酵瓶要用温水冲洗，并用体积分数为70%的酒精消毒，
①先清水冲洗1-2次，再去除枝梗
②不能反复冲洗，防止洗去野生酵母菌
①将温度控制在18～30℃进行发酵， ②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。
①取样检测酒精含量：在酸性条件下，重铬酸钾与酒精反应呈灰绿色；②酵母菌数量镜检
①加入醋酸菌后的发酵温度为30～35℃， ②实时通入空气
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。
果酒的制作
3.制作流程
（1）①葡萄汁装入发酵瓶时，要留出大约留大约1/3的空间，原因是
什么 ？
②果酒制作每隔一段时间需拧松瓶盖，目的是是什么？（注意：不是打开）
。
③在 、 的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其它微生物都因无法适应这一环境而受到抑制。
4. 注意事项
①为酵母菌大量繁殖提供适量的氧气；
②防止发酵过程产生CO2使发酵液溢出。
怎样才能及时排出发酵过程中产生的CO2
18—30℃
无氧
(2)制醋时，将瓶盖打开，是为了什么？
4. 注意事项
制醋所用到的是醋酸菌，是好氧细菌，打开瓶盖是为了创造有氧条件
(3)①制酒过程中发酵液的变化：发酵液（会或不会） 出现气 泡 ；紫色葡萄皮的 进入发酵液，使葡萄酒呈 色。
②制醋过程中发酵液的变化：一般 （会或不会） 出现气泡 ，发 酵完成时，在发酵液的液面会出现一层菌膜，是 菌膜。
会
花青素
深红色
不会
醋酸菌
果酒的制作
挑选葡萄
冲洗
榨汁装瓶
酒精发酵
果酒
可以从哪些方面防止发酵液被污染？
对发酵瓶、纱布、榨汁器等用具进行清洗并消毒
冲洗水果，去除腐烂的枝叶
使发酵装置处于封闭状态。每次排气时只要拧松瓶盖，不要完全揭开瓶盖。
5.实验结果鉴定
闻一闻，尝一尝有没有酒味
如何检测果酒的制作是否成功？
用重铬酸钾检测是否含有酒精
橙红色
灰绿色
重铬酸钾
重铬酸钾与酒精反应
酸性条件下
果醋的制作
5.实验结果鉴定
如何检测果醋的制作是否成功？
观察菌膜的形成
闻一闻，尝一尝有没有醋味
检测比较醋酸发酵前后的pH值
1)在制作果酒与果醋时发酵液分别有什么变化？
6.结果分析与评价
2)在制作果酒时除了酵母菌，是否有其他微生物生长？
6.结果分析与评价
3)在制作果醋时酵母菌是否会继续发酵？醋酸菌从何来？
6.结果分析与评价
有三位同学分别采用了三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？
课后探讨（P8页）
作用 酒精 发酵 醋酸发酵
充气口
排气口
出料口
通入空气
排出CO2
便于取样检查和放出发酵液
关闭
打开
关闭
防止空气的杂菌污染
打开
打开
关闭
例1.关于下图所示的发酵装置，操作正确的是（　　）

A. 该装置必须先进行果酒发酵，再进行果醋发酵
B. 果酒发酵时，需将果汁装满瓶，并关闭充气口
C. 果醋发酵时，需持续通入空气，促进醋酸生成
D. 制作果酒、果醋时均需要将排气口的弯管水封
C
例2.果酒和果醋含丰富的有机酸、氨基酸、维生素，有良好的营养和保健作用，受到消费者的喜爱。请根据果酒和果醋的制作流程和装置回答有关问题:
（1）图中A过程指 ,B过程是指 ,去除葡萄的枝梗应在A过程 (填“之前”或“之后”)。
（2）图中酒精发酵和醋酸发酵中涉及的主要微生物在细胞结构上的主要区别是
。
（3）从装置图可以看出，加入发酵瓶中的果浆只占发酵瓶的2/3，目的是
。
（4）制果醋时，要适时通过[ ] 进行充气，原因是
。
冲洗
酒精发酵
之后
是否有以核膜为界的细胞核
让酵母菌在有氧条件下大量繁殖；防止发酵过程产生CO2使发酵液溢出。
①
充气口
醋酸菌是需氧型细菌，发酵过程需要氧气的参与
项目 果酒制作 果醋制作
发酵菌种
菌种来源
菌种代谢类型
菌种细胞类型
发酵原理 在有氧条件下： 在无氧条件下： 氧气、糖源都充足时：
缺少糖源时：
发酵 条件 温度
时间
氧气
酵母菌
7.果酒制作与果醋制作的比较
醋酸菌
主要是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌
异养兼性厌氧型
异养需氧型
真核细胞
原核细胞
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+少量能量
酶
空气中的野生型醋酸菌
C6H12O6+2O2 2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量
酶
C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量
酶
18-30℃
30-35℃
10-12d
7-8d
初期需氧，后期不需氧
需要氧气
例3.如图表示利用葡萄汁进行发酵时可能发生的物质变化。下列有关叙述错误的是（ ）
A.过程③④⑤都需要O2参与
B.当氧气、糖源都充足时，醋酸菌可以直接发生过程⑤
C.过程②④所需要的最适温度相同
D.酵母菌发生过程①②的场所相同
C
例4.果酒制作过程中，操作有误的是（　　）
A．将消毒过的葡萄汁装满发酵装置
B．将温度严格控制在18～30℃
C．榨汁机要清洗干净并晾干
D．发酵过程中每隔 12 h 左右将瓶盖拧松一次
A
左：葡萄酒窖；中：啤酒酒窖；右：白酒酒窖
大规模生产果酒的发酵和保存
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发酵。
四、技术与工程
原有前程可奔赴，亦有岁月可回首

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