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第一章 发酵工程
第1节 传统发酵技术的应用
从传统发酵技术到发酵工程
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
约9000年前
我们祖先就会利用微生物将谷物、水果发酵为含酒精的饮料。
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？
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
1.早期酿酒技术
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。
夏禹时期，已有了关于少康（即杜康）造秫酒的传说。
最初可能是发现储存的水果会自然发酵变成酒，因而逐渐摸索出酿酒技术的。
汉代砖刻上的酿酒图
展示我国古代酿酒作坊的绘画作品
2.发酵的概念
1857年，法国微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的。此后人们才开始了解发酵的本质。
法国微生物学家巴斯德
1857年，法国微生物学家巴斯德(L.Pasteur，1822～1895)通过显微镜观察，提出酿酒中的发酵是由酵母菌细胞的存在所致，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。德国化学家李比希(J.V. Liebig，1803～1873)却坚持认为引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母菌细胞死亡并裂解后才能发挥作用。两种观点争执不下。
原料
（复杂的分子）
适宜的条件
微生物代谢
人类所需产物
（简单分子）
法国微生物学家巴斯德
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。
微生物代谢
微生物的代谢的某些产物
(乙醇、乳酸、氨基酸、抗生素、酶制剂等)
微生物的有氧呼吸和无氧呼吸
人类所需产物
2.发酵的概念
（1）实例：腐乳的制作原理
蛋白质
小分子肽 + 氨基酸
脂肪
甘油 + 脂肪酸
酵母、曲霉和毛霉等多种微生物的发酵，其中其主要作用的是毛霉。
正在发酵的豆腐坯
丝状真菌，代谢类型为异养需氧型。
毛霉
3.传统发酵技术
（2）概念：
像这样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、制作食品的技术一般称为传统发酵技术。
酱
酱油
醋
泡菜
豆豉
优点：
操作简单、适用于家庭式或作坊式生产，是文化的传承。
缺点：
生产条件不易控制，容易受杂菌污染，生产效率低。
1.酸奶发酵、泡菜腌制的原理——乳酸菌发酵
厌氧细菌，代谢类型为异养厌氧型。
乳酸杆菌
代谢特点
温度
适宜发酵温度为30～40℃。
在无氧的条件下，将葡萄糖分解成乳酸。
发酵原理
C6H12O6
2C3H6O3 (乳酸) + 能量
酶
二分裂生殖
生殖方式
乳酸链球菌
单细胞真菌，代谢类型为异养兼性厌氧型。
代谢特点
温度
影响酵母菌生长的重要因素，酿酒酵母的最适生长温度约为28℃。
在无氧条件下，进行酒精发酵。
发酵原理
出芽生殖或孢子生殖。
生殖方式
2. 酿酒、制作馒头和面包的原理——酵母菌厌氧发酵
C6H12O6
2C2H5OH (酒精) + 2CO2+ 能量
酶
酵母菌
好氧细菌，代谢类型为异养需氧型。
代谢特点
温度
多数醋酸菌的最适生长温度为30～35℃。
生殖方式
二分裂生殖
O2、糖源都充足时，把葡萄糖分解为乙酸。
发酵原理
3.制作醋的原理——醋酸菌好氧发酵
C6H12O6+2O2
2CH3COOH (乙酸) + 2H2O+ 2CO2+ 能量
酶
醋酸菌
C2H5OH+O2
CH3COOH (乙酸) + H2O+ 能量
酶
O2充足、糖源缺少时，将乙醇转化为乙醛，再变为乙酸。
酒精发酵 → 醋酸发酵
+
C6H12O6
酶
2C2H5OH (酒精) + 2CO2+ 能量
2O2
2CH3COOH (醋酸) + 2H2O+ 能量
酶
醋酸发酵：有氧，30～35℃
酒精发酵：无氧，28℃
1.泡菜制作原理
植物体表面的天然的乳酸菌来进行发酵，在无氧的条件下，乳酸菌将糖分解为乳酸。发酵期间，乳酸不断积累，当它的质量分数为0.4%—0.8%时，泡菜的口味和品质最佳。
2.材料用具
食盐、清水、新鲜蔬菜、蒜瓣、生姜及其它香辛料、泡菜坛或其它密封性良好的罐子等。
检查方法：
坛口向上，压入水中，看坛内壁有无渗水现象。
无裂纹、无砂眼
坛沿深、盖子吻合好
泡菜坛的选择
不合格的泡菜坛为什么会引起蔬菜的腐烂？
泡菜坛漏气，会使需氧型微生物大量繁殖，引起蔬菜腐烂。
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。
思考：发酵初期会有气泡冒出，但气泡的产生逐渐停止，试分析原因？
泡菜的制作流程：
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；
课P6
（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。
泡菜发酵过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的含量变化
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）
1. 果酒制作的原理
(1)所需菌种：酵母菌，属于真核生物，其代谢类型为_______________。
最适生长温度约为 ___________。
(2)菌种的生活特点
①在有氧条件下，进行有氧呼吸，大量繁殖。
反应式：___________________________________________________。
②在无氧条件下，进行___________。
反应式：___________________________________________。
异养兼性厌氧型
C6H12O6＋6O2＋6H2O→6CO2＋12H2O＋能量
酒精发酵
C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2＋能量
28℃
酶
酶
2. 果醋制作的原理
(1)所需菌种：醋酸菌，属于原核生物，其代谢类型为___________，
最适生长温度为______________。
(2)菌种的生活特点
①当氧气、_____都充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸。
反应式：___________________________________________________。
②当缺少糖源时，醋酸菌将乙醇变为_____，再将乙醛变为醋酸。
反应式：___________________________________________。
糖源
乙醛
异养需氧型
30 ℃～35 ℃
C6H12O6＋2O2→2CH3COOH＋2H2O＋2CO2＋能量
酶
C2H5OH＋O2→CH3COOH＋H2O＋能量
酶
3. 果酒和果醋的制作　
（1）制作原理
（2）材料用具
葡萄的果皮表面附着有大量的不同种类的野生酵母菌。在这些酵母菌的作用下，水果可以发酵成果酒。在有氧的条件下，果酒经醋酸菌的作用还可以进一步发酵成果醋。
新鲜的葡萄、洗洁精、70%的酒精、发酵瓶、纱布和榨汁机等。
果酒和果醋制作流程：
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。
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。
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
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
空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖
课P7
果酒与果醋制作的过程的比较
项目 果酒 果醋
菌种 酵母菌 醋酸菌
温度 18～30 ℃ 30～35 ℃
时间 10～12 d 7～8 d
氧气条件 前期需氧，后期不需氧 需氧
排气或充气情况 发酵旺盛期的CO2产量非常大，要及时排气，防止发酵瓶爆裂 适时通过充气口充气，保证充足的氧气条件
气味或味道 酒味 酸味
气泡和泡沫 有气泡和泡沫 无气泡和泡沫
发酵液颜色 混浊 混浊，液面形成白色菌膜
检测指标 嗅味和品尝、用酸性重铬酸钾检测酒精含量、测定pH、进行酵母菌的镜检等工作 观察菌膜的形成、嗅味和品尝、测定pH、进行醋酸菌的镜检等工作
一、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、芽抱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抱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
D
果酒制作发酵装置及各部件的作用
关闭
CO2
防止空气中微生物的污染
1.判断下列有关泡菜制作叙述的正误：
(1)发酵是利用微生物生产所需代谢产物的一种生产方式，通常说的乳酸
菌发酵是厌氧发酵。 ( )
(2)乳酸菌是严格厌氧菌，无氧呼吸产物是乳酸与CO2。 ( )
分析：乳酸菌无氧呼吸产物是乳酸，不产生CO2。
(3)乳酸菌与酵母菌在结构上的主要差异是前者没有核膜、核仁。( )
(4)腌制泡菜时的温度、食盐用量和发酵时间均会影响泡菜的品质。( )
√
×
√
√
(5)泡菜坛的选择、发酵过程中坛沿要注满水都有利于泡菜的无氧发酵。 ( )
分析：泡菜发酵需要无氧环境，要选火候好、无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合
好的泡菜坛，发酵过程中需要在坛沿注满水，起到密封作用。
√
(6)泡菜制作过程可以随时取出食用不同酸味的泡菜。 ( )
分析：泡菜发酵过程中亚硝酸盐的含量变化是先增加后减少，应等发酵到一定时间，
亚硝酸盐含量下降后食用，以防中毒。
×
(7)制作泡菜过程中，有机物的干重和种类将减少。 ( )
分析：制作泡菜的过程中，乳酸菌进行无氧呼吸消耗有机物，有机物的干重减少，
种类增多。
(8)若制作的泡菜咸而不酸最可能的原因是大量的食盐抑制了乳酸菌的发
酵过程。 ( )
分析：如果泡菜盐水浓度过高，乳酸菌会通过渗透作用失水，抑制乳酸菌生长，制作的泡菜会“咸而不酸”。
×
√
2.判断下列有关果酒和果醋制作叙述的正误：
(1)在葡萄酒的自然发酵中，需要人工添加酵母菌种。 ( )
分析：在葡萄酒的自然发酵中，菌种来源于附着在葡萄皮上的野生型酵母菌。
(2)在果酒发酵后期，拧开瓶盖的间隔时间可延长。 ( )
分析：在果酒发酵后期，由于瓶中的营养物质减少，单位时间内产生的CO2的量减少，所以拧开瓶盖的间隔时间可以适当延长。
×
√
(3)酵母菌是嗜温菌，所以果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵所需的
最适温度。 ( )
分析：醋酸菌是嗜温菌，果醋发酵的最适温度高于果酒发酵所需的最适温度。
(4)红葡萄酒中的红色是红葡萄皮中的色素进入发酵液产生的。 ( )
分析：红色素存在于液泡中，在发酵过程中，生物膜的通透性被破坏，红色素进入发酵
液导致葡萄酒变红。
×
√
(2022·湖北卷)关于白酒、啤酒和果酒的生产，下列叙述错误的是(　　)
A．在白酒、啤酒和果酒的发酵初期需要提供一定的氧气
B．白酒、啤酒和果酒酿制的过程也是微生物生长繁殖的过程
C．葡萄糖转化为乙醇所需的酶既存在于细胞质基质，也存在于线粒体
D．生产白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但发酵过程中起主要作用的都是酵母菌
C
1．关于发酵的叙述，错误的是(　　)
A．发酵就是无氧呼吸
B．发酵是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
C．酒精发酵是由活的酵母菌引起的
D．利用微生物能够生产出人们所需的多种产物的原因是不同的微生物具有产生不同代谢物的能力
A
(2021·辽宁卷)利用菠萝蜜制作果醋的大致流程为：先在灭菌的果肉匀浆中接种酵母菌，发酵6天后，再接入活化的醋酸杆菌，发酵5天。下列有关叙述错误的是(　　)
A．乙醇既是醋酸发酵的底物，又可以抑制杂菌繁殖
B．酵母菌和醋酸杆菌均以有丝分裂的方式进行增殖
C．酵母菌和醋酸杆菌发酵过程中控制通气的情况不同
D．接入醋酸杆菌后，应适当升高发酵温度
B

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