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发酵工程
概念：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。
科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用，之后微生物的分离和纯化技术得到了应用。
1897年
用微生物生产谷氨酸获得成功，酶制剂、多糖、维生素发酵工业兴起。
1957年
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。
20世纪80年代以后
法国微生物学家巴斯德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。
1857年
利用发酵工程大规模生产青霉素，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。
20世纪40年代
基因工程。细胞工程等发展，人胰岛素和干扰素大量生产。
20世纪70年代以后
1900
1940
1960
1850
1980
1970
科技探索之路---从传统发酵技术到发酵工程
第1章发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
学习目标：
1.简述传统发酵技术的特点，说出常见的传统发酵食品
2.概述微生物发酵的基本原理
3.尝试制作泡菜、果酒和果醋，说出传统发酵技术应用的优点与不足
一.发酵与传统发酵技术
（3）类型：
（1）概念：
（2）原理：
1、发酵
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。
需氧发酵（ ）
厌氧发酵（ ）
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物。
醋酸发酵、谷氨酸发酵
酒精发酵、乳酸（泡菜、酸奶） 发酵
一.发酵与传统发酵技术
（3）实例——腐乳
①参与的微生物：
酵母，曲霉和毛霉等，主要是毛霉（真核）
空气中的毛霉是一种丝状真菌，其生殖方式为
孢子生殖，代谢类型是异养需氧型
②制作原理：
味道鲜美，易于消化吸收，而腐乳本身又便于保存。
原料：豆腐。
氨基酸
脂肪 甘油和脂肪酸
脂肪酶
一.发酵与传统发酵技术
③方法步骤
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
8天左右
目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长
加卤汤装瓶
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
方法：随豆腐层数加高增加盐用量，接近瓶口表面，铺厚一点
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（腐乳等）
半固体发酵（泡菜、豆豉（chǐ）、酱、酱油等）
2、传统发酵技术
一.发酵与传统发酵技术
发酵的实质就是微生物在有氧或无氧条件下的细胞呼吸，是一个物质氧化分解的过程。
二、尝试制作传统发酵食品
（4）传统发酵技术的优点：
操作简单，适用于家庭式或作坊式生产，它是文化的传承等。
（5）传统发酵技术的缺点：
生产条件不易控制，产品容易受杂菌污染，生产效率较低等。
一.发酵与传统发酵技术
思考辨析：1.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。
提示　发酵的生产条件不易控制，容易受杂菌污染。
2.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？
（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 （　 　）
判断常考语句，澄清易混易错
默写
1.发酵工程是指利用 ，通过 ，规模化生产对人类有用的产品。它涉及 、 等方面。
2.发酵是指人们利用微生物，在 下，将 通过 转化为人类所需要的产物的过程。
3.传统发酵技术直接利用 中 的微生物，或利用前一次发酵保存下来的 、 等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品。
4.传统发酵技术的特点是以 菌种的 发酵及 发酵为主,通常是 或 式。
5.传统发酵技术的产品主要有：腐乳、 、酱、酱油、醋、 等。
默写
1.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。
2.发酵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。
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。
4.传统发酵技术的特点是以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,通常是家庭式或作坊式。
5.传统发酵技术的产品主要有：腐乳、泡菜、酱、酱油、醋、豆豉等。
舌尖上的中国——四川泡菜
二、尝试制作传统发酵食品
（1）所需菌种：
植物体表面天然的乳酸菌
其代谢类型：异养厌氧型，分布广泛空气、土壤、植物体表面、人或动物的肠道内都有乳酸菌分布 。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.制作泡菜
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖；
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；
配制盐水
原料处理、蔬菜装坛
加盐水
封坛发酵测定亚硝酸盐含量
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。
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。
杀菌除氧
创造无氧环境
二、尝试制作传统发酵食品
（4）结果分析与评价
①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
说明泡菜制作需要在无氧条件下进行
②为什么泡菜坛只能装八成满？
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.如何判断你腌制的泡菜是否成功？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；
一般来说，腌制成功的泡菜汤清亮，无梅花浮膜，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。
根据亚硝酸盐的含量来评定；
根据不同时期泡菜坛中乳酸菌的数量来评定。
还可以通过在显微镜下观察乳酸菌的形态；
二、尝试制作传统发酵食品
（4）结果分析与评价
④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。
二、尝试制作传统发酵食品
（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
发酵温度高、食盐用量低、发酵时间短，容易导致硝酸还原菌大量增生，产生大量亚硝酸盐。
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
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
发酵时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐
发酵初期 少（有氧气，乳酸菌的活动受到抑制） 少 增加（硝酸盐还原菌的作用）
发酵中期 最多（乳酸抑制其他菌活动） 积累增多， pH下降 下降（硝酸盐还原菌受抑制，部分亚硝酸盐被分解）
发酵后期 减少（营养物缺乏，乳酸积累，pH下降，抑制其活动） 继续增多， pH继续下降 下降至相对稳定（硝酸盐还原菌被完全抑制）
曲线模型
二、尝试制作传统发酵食品
③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
默写
1.传统发酵技术直接利用 中天然存在的微生物，或利用 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。
2.传统发酵技术的特点是以 菌种的固体发酵及半固体发酵为主,通常是 或 。
3.制作传统泡菜是利用 的 来进行发酵的。
4.乳酸菌是一种 （原核生物还是真核生物），代谢类型是 。常见的有
菌和 菌。在 条件下将葡萄糖分解为乳酸。反应简式为 。
5.配制盐水时，加热煮沸的目的：一是除去水中的 ，二是杀灭 。
6.发酵过程中,泡菜坛坛盖边沿的水槽中应注满水，并在发酵过程中及时补充水，目的是为 。
7.影响泡菜腌制过程中亚硝酸盐含量的因素主要有 高低、腌制 、腌制方法、食盐用量等。发酵温度 、食盐用量 、发酵时间 ，容易导致硝酸还原菌大量增生，产生大量亚硝酸盐。
8.画曲线：
发酵时间
乳酸菌含量
发酵时间
乳酸含量
发酵时间
亚硝酸盐含量
默写
1.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。
2.传统发酵技术的特点是以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,通常是家庭式或作坊式
3.制作传统泡菜是利用植物体表面天然的乳酸菌来进行发酵的。
4.乳酸菌是一种原核生物，代谢类型是异养厌氧型。常见的有乳酸链球菌和乳酸杆菌。在无氧条件下将葡萄糖分解为乳酸。反应简式为：
5.配制盐水时，加热煮沸的目的：一是除去水中的 O2，二是杀灭杂菌。
6.发酵过程中,泡菜坛坛盖边沿的水槽中应注满水，并在发酵过程中及时补充水，目的是为发酵提供无氧条件。
7.影响泡菜腌制过程中亚硝酸盐含量的因素主要有温度高低、腌制时间、腌制方法、食盐用量等。发酵温度高、食盐用量低、发酵时间短，容易导致硝酸还原菌大量增生，产生大量亚硝酸盐。
8.画曲线：
C6H12O6 2C3H6O3+能量
酶
发酵时间
乳酸菌含量
发酵时间
乳酸含量
发酵时间
亚硝酸盐含量
二、尝试制作传统发酵食品
2.制作果酒
（2）原理：
异养兼性厌氧型
在无氧情况下进行酒精发酵
分布于含糖量较高的蔬菜、水果表面
酵母菌，单细胞真菌，属于真核生物
（1）所需微生物菌种：
有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸大量繁殖：
无氧条件下，酵母菌通过无氧呼吸产生酒精：
C6H12O6 2C2H5OH＋2CO2＋能量
酶
C6H12O6＋6O2 6CO2＋6H2O＋能量
酶
单细胞真菌
出芽生殖
（3）菌种来源
自然发酵的菌种主要是附着在新鲜水果（如葡萄）的果皮表面的野生酵母菌
（4）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：
③ pH：呈酸性。（5.0～6.0）
④ 时间： 10～12天
二、尝试制作传统发酵食品
2.制作果酒
制作果酒时，酵母菌先在 的情况下大量繁殖；
后在 下，进行酒精发酵。
氧气充足
无氧条件
二、尝试制作传统发酵食品
3.制作果醋
（1）微生物——醋酸菌
①醋酸菌
③发酵条件：
温度：
氧气：
将温度控制在 进行发酵。
30～35℃
需要在充足的氧气条件下
醋酸菌对 氧气 的含量很敏感，当进行深层发酵时，即使短时间中断通入氧气 ，也会引起醋酸菌的 死亡 。
原核生物（细菌）
生物类型：
异养需氧型
代谢类型：
二分裂
生殖方式：
②菌种来源：
空气中的醋酸菌
pH：呈酸性。
时间： 7~8天
（2）原理：
C6H12O6 +2O2 2CH3COOH(乙酸) + 2H2O + 2CO2 + 能量
C2H5OH +O2 CH3COOH(乙酸) + H2O + 能量
酶
二、尝试制作传统发酵食品
3.制作果醋
酶
氧气、糖源充足时
氧气充足、糖源不充足时
“糖制醋”
（3）生产应用：
可用于制作各种风味的醋
“酒变醋”
二、尝试制作传统发酵食品
（4）果酒发酵与果醋发酵的装置
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
①为什么排气口胶管长而弯曲？
②该装置还能继续改进吗？
防止空气中微生物的污染
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
③制作流程
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
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
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
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左右将瓶盖拧松一点（注意：不是打开瓶盖），此后再拧紧瓶盖。发酵时间为10-12d.
①70%的酒精的作用：
②冲洗的目的：
③冲洗1-2次即可，能否反复冲洗，
为什么？
④为什么先冲洗，再去梗？
⑤葡萄汁装入发酵瓶时，
为何要留有1/3的空间？
⑥每隔12h左右将瓶盖拧松一点的目的：
⑦拧松但不打开的目的：
消毒
去除表面灰尘、污物
防止洗去葡萄皮表面的野生型酵母菌。
避免去梗时葡萄破损，增加被杂菌
污染的机会
a.防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出
b.酵母菌进行有氧呼吸，快速繁殖，耗尽O2后，再进行酒精发酵；
不能，
排出CO2，防止发酵瓶暴裂
防止杂菌和O2进入发酵瓶
打开瓶盖，盖上纱布
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。
果醋检测
果酒检测
可通过从发酵瓶口取样来对发酵的情况进行检测
思考2：在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？
不会。
发酵温度、pH不利于酵母菌生长
思考1：果酒制作过程中，在不灭菌的情况下，酵母菌是如何成为优势菌种的？
发酵后期在缺氧和偏酸性（CO2溶于发酵液）条件下，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其他微生物的生命活动受到抑制。
空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖
二、尝试制作传统发酵食品
（7）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；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。
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。
（7）结果分析与评价
二、尝试制作传统发酵食品
（7）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。
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。
1.如何检测果酒的发酵情况（检测是否产生酒精）？
①.闻味、品尝、显微镜观察酵母菌
②.用酸性条件下的重铬酸钾溶液检测
（橙色→灰绿色）
2.如何检测果醋的发酵情况？
①.闻味、品尝、观察醋酸菌膜是否形成察
②.显微镜观醋酸菌；
③.使用pH试纸检测检测和比较发酵前后的pH值；
（7）结果分析与评价
发酵 产品 所需 菌种 生物 分类 代谢类型 适宜温度 发酵对氧
的需求
泡菜 ______ 原核生物 ________ 18～20 ℃ 密闭不需氧
果酒 ______ ________ 异养 兼性厌氧 _________ 前期需氧，
后期不需氧
果醋 ______ _____ ________ _________ 一直需氧
乳酸菌
酵母菌
醋酸菌
异养厌氧
真核生物
原核生物
异养需氧
18～30 ℃
30～35 ℃
小结：
制作泡菜、果酒、果醋的微生物及其代谢特点
小结：
课后题答案
一、概念检测
1.
(1)X 乳酸菌和芽孢杆菌会竞争营养物质和生存空间等。
(2)X 乳酸菌发酵的产物只有乳酸，没有二氧化碳。
(3)V
2.D
泡菜制作利用 了乳酸菌的乳酸发酵,A正确;
腐乳制作利用了毛霉等微生物产生的蛋白酶，B正确;
酵母菌在无氧条件下能进行酒精发酵,C正确;
醋酸菌是好氧细菌,其进行醋酸发酵时需要在有氧条件下进行,D错误。

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