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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。
传
统
发
酵
技
术
的
应
用
传
统
发
酵
技
术
的
应
用
节
一
第
科技探索之路
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等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方法生产其他食品，如酱油、醋、豆豉、腐乳和酸奶等。但在几千年的时间里，人们并不明白其中的原理。
1857年，法国微生物学家巴斯德（L.Pasteur，1822—1895）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。
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。之后的微生物的分离和纯化技术得到了应用，传统的固体发酵开始向半固体发酵和液体发酵演变。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。
科技探索之路
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。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。
1957年，用微生物生产谷氨酸获得成功。酶制剂、多糖、维生素发酵工业相继兴起。
20世纪70年代以后，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。人胰岛素、干扰素等大量生产。
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。
一、发酵与传统发酵技术
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。
汉代砖刻上的酿酒图
一、发酵与传统发酵技术
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，并发明了巴氏消毒法。此后，人们才开始了解发酵的本质。
一、发酵与传统发酵技术--发酵
【1、发酵的概念】
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。
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。
一、发酵与传统发酵技术--发酵
【2、原理】
（1）不同微生物具有产生不同代谢物的能力；
（2）同一种微生物处于不同环境条件下时，代谢途径也会出现差异。
如底物为葡萄糖，无氧条件下，酵母菌进行酒精发酵，而乳酸菌进行乳酸发酵。
如底物为葡萄糖的情况下，酵母菌在有氧、无氧条件下的代谢产物不同。
一、发酵与传统发酵技术--发酵
【3、实例——腐乳】
①参与发酵的微生物：多种微生物，如____________________等，其中起主要作用的是_______。
酵母、曲霉和毛霉
毛霉
②毛霉的作用
蛋白质
小分子肽+氨基酸
蛋白酶
脂 肪
甘油+脂肪酸
脂肪酶
一、发酵与传统发酵技术--传统发酵技术
【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、制作食品的技术。
【方式】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的。
【发酵产品】腐乳、酱、酱油、醋、泡菜、豆豉等。
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（1）所需的菌种——乳酸菌
①代谢特点：
②发酵原理（反应简式）
③生产应用：
④分布：
⑤常见类型：
厌氧细菌，代谢类型为异养厌氧型；在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸。
可用于乳制品的发酵、泡菜的腌制等。
广泛分布于空气、土壤、植物体表、人或动物的肠道内。
乳酸链球菌和乳酸杆菌。
乳酸链球菌（制作泡菜）
乳酸杆菌（制作酸奶）
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+能量
2.果酒的制作
二、尝试制作传统发酵食品
①代谢特点：
②发酵原理（反应简式）
③生产应用：
④分布：
⑤常见类型：
单细胞真菌，代谢类型为异养兼性厌氧型；在无氧的情况下能进行酒精发酵。
可用于酿酒、制作馒头和面包等
在一些含糖量较高的水果、蔬菜表面。
温度是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℃。
（1）所需菌种：酵母菌
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+CO2+能量
2.果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
①代谢特点：
②发酵原理（反应简式）
③生产应用：
④最适温度
好氧细菌，代谢类型为异养需氧型；当O2、糖源都充足时，能将糖分解成醋酸；当缺少糖源时则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸
可用于制作各种风味的醋
30-35℃
（1）所需菌种：醋酸菌
C6H12O6+2O2
酶
2CH3COOH（醋酸）+2H2O+2CO2+能量
C2H5OH+O2
酶
CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（1）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。
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（3）方法步骤
配置
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。
盐水煮沸有两大作用：一是除去水中的氧气，二是杀灭盐水中的其他细菌。
盐具有杀菌、析出蔬菜中的水分、调味等作用。
盐的用量不能过高也不能过低。过高乳酸发酵受抑制，导致泡菜的风味差；过低，杂菌易繁殖，导致泡菜变质。
盐水冷却的目的是保证乳酸菌等微生物的生命活动不受影响。
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（3）方法步骤
装坛
将新鲜蔬菜（如萝卜、黄瓜和豇豆）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，放入蒜瓣、生姜及其他香辛料，继续装至八成满。
思考：为什么泡菜坛只能装八成满？
（1）其他杂菌（大肠杆菌、酵母菌等）在发酵初期会产生较多的CO2，如果装得太满，发酵液可能会溢出坛外。
（2）泡菜坛装得太满，会使盐水不能完全淹没菜料，从而导致坛内菜料变质腐烂。
（3）留有空间，方便拿取。
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（3）方法步骤
加盐水
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过全部菜料，盖好坛盖。
封坛
向坛盖边沿的水槽中注满水，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。
思考：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？
目的是给泡菜坛内创造无氧环境，这说明泡菜制作需要在无氧条件下进行。
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
选择材料
洗净，切块或条状，混合均匀，晾干装坛
装至半坛时，加入香辛料，然后装至八成满
称取食盐
配制盐水
煮沸冷却
发酵
成品
测定亚硝酸盐含量
二、尝试制作传统发酵食品
1.泡菜的制作
（3）方法步骤
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。

二、尝试制作传统发酵食品
①发酵初期∶主要以大肠杆菌和酵母菌较为活跃，它们进行乳酸发酵和微弱的酒精发酵，发酵产物为乳酸、乙醇、醋酸和二氧化碳等。蔬菜中的硝酸盐被还原菌还原为亚硝酸盐。
泡菜发酵过程的变化
②发酵中期∶乳酸不断积累，pH下降，无氧状态形成，乳酸菌开始活跃，并进行乳酸发酵。大肠杆菌、霉菌等杂菌的活动受到抑制。一部分亚硝酸盐被降解。
③发酵后期∶乳酸含量继续增加，当乳酸含量达到1.2%以上时，乳酸菌的活性受抑制，发酵速度逐渐变缓甚至停止。亚硝酸盐逐渐下降并趋于稳定。
1.泡菜的制作
课
标
要
求
新
课
导
入
发
展
过
程
历
史
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顾
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发
酵
传
统
发
酵
常
见
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酵
用
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生
物
几
种
乳
酸
菌
酵
母
醋
酸
完
成
表
格
制
作
泡
菜
步
骤
实
验
要
求
注
意
事
项
思
考
讨
论
泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化
项目 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐
初期
中期
少(有氧气，乳酸菌
活动受抑制)
少
增加(硝酸盐还原菌的作用)
最多(乳酸抑制
其他菌活动)
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)
课
标
要
求
新
课
导
入
发
展
过
程
历
史
回
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发
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常
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菌
酵
母
醋
酸
完
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制
作
泡
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实
验
要
求
注
意
事
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思
考
讨
论
泡菜发酵过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化
项目 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐
后期
曲线
减少(乳酸继续积
累，pH继续下降，抑制自身活动)
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)
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
（1）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。
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤
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。
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。
冲洗
①冲洗的目的是？
洗去浮尘，但不能反复冲洗，因为果皮表面附着大量的野生菌种，反复冲洗会减少菌种的数量，延长发酵时间。
②为什么先冲洗葡萄再去除去枝梗？
以避免去除枝梗和腐烂的籽粒时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会。
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤
榨汁
用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶中（注意：要留有大约1/3的空间），盖好瓶盖。
③为什么发酵瓶要留1/3的空间？
有利于酵母菌进行有氧呼吸，通过出芽生殖大量繁殖后代；
又防止发酵旺盛时产生大量的CO2 造成发酵液溢出。
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 左右将瓶盖柠松一次（注意：不是打开瓶盖），此后再拧紧瓶盖，发酵时间为10~12d。。
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤
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30~35℃，时间为7~8d。
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
（3）方法步骤
④为什么将温度控制在18-30℃进行发酵？
因为果皮表面附着的野生酵母菌可能有很多种，所以提供了适合多种酵母菌生长的温度范围。另外，控制温度在一个较大范围内比较简单易行。
⑤为什么每隔12小时左右将瓶盖拧松一次？
排出发酵产生的CO2 ，但不能打开瓶盖，以防止空气中的杂菌进入而污染发酵液。
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？
葡萄酒发酵的过程中，酵母菌把发酵液中的糖转化为酒精。
葡萄醋发酵的过程中，醋酸菌将酒精转化为醋酸。
在发酵10天后变化最明显。
CO2排出越来越旺盛从排气口排出。发酵液温度上升，色素及其他成分逐渐溶解于发酵液中，酒液变深。
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2.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、温度等均不利于酵母菌的生长繁殖，因此酵母菌活性很低。
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。
3.在制作果酒的过程中，除了酵母菌，是否还有其他微生物？它们会对果酒发酵产生影响吗？如果有，如何避免？
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。醋酸菌会使酒液变酸。
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。此外，通过尽量减少O2含量、调节发酵的温度、pH等同样可以控制醋酸菌的含量。
课
标
要
求
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考
讨
论
4. 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？
发酵后期在缺氧和酸性发酵液中，绝大多数微生物的生命活动受到抑制，而酵母菌可以适应这一环境成为优势菌种。
发酵器具消毒
挑选葡萄
冲洗
榨汁
酒精发酵
醋酸发酵
监测与
鉴定
果酒
果醋
无氧
18~30℃
10-12d
有氧
30~35℃
7-8d
怎么知道果酒和果醋的制作成功了呢？
二、尝试制作传统发酵食品
实验结果（结果评价）：
①果酒制作∶发酵后取样，可通过嗅味和品尝进行初步鉴定。还可通过显微镜观察酵母菌，并用重铬酸钾溶液检验酒精的存在。
②果醋制作∶首先可通过观察菌膜的形成、嗅味和品尝进行初步鉴定，再通过检测和比较发酵液在发酵前后的pH变化做进一步鉴定。还可通过显微镜观察发酵液是否有醋酸菌，并统计其数量做进一步的鉴定。
二、尝试制作传统发酵食品
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
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
2.果酒和果醋的制作
二、尝试制作传统发酵食品
2.制作传统发酵食品——制作果酒与果醋
本节小结
项目 泡菜 果酒 果醋
菌种
生物学分类
代谢方式
最适温度范围
生产生活应用
发酵原理
乳酸菌
酵母菌
醋酸菌
原核生物
原核生物
真核生物
异养厌氧型
异养需氧型
异养兼性厌氧型
18~30℃
30~35℃
30-40℃
乳制品的发酵、泡菜
酿酒、发面
制醋
C6H12O6
2C3H6O3（乳酸）
酶
+能量
C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2＋能量
酶
C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2＋能量
酶
C2H5OH＋O2→CH3COOH＋H2O＋能量
酶
二、尝试制作传统发酵食品
【思考1】此发酵装置中的充气口、排气口和出料口分别有哪些作用。结合果酒。果醋的制作原理你认为应该如何使用这个发酵装置
【思考2】为什么排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接
分析∶充气口是在醋酸发酵时连接充气泵进行充气用的；排气口是在酒精发酵时用来排出CO2的；出料口是用来取样的；使用该装置制酒时，应该关闭充气口；制醋时，应将充气口连接气泵，输入氧气
目的是防止空气中微生物的污染。
练习与应用
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
√
×
×
D
练习与应用
二、拓展题
1.请举例说说你身边的传统发酵食品有哪些，它们的制作原理是什么。有机会的话，你也可以尝试做一做。
豆豉是中国传统特色发酵豆制品调味料。豆豉以黑豆或黄豆为主要原料，利用毛霉、曲霉或者细菌蛋白酶的作用分解大豆蛋白质，达到一定程度时，用加盐、加酒、干燥等方法，抑制酶的活力，延缓发酵过程而制成。
豆豉的种类较多，按加工原料分为黑豆豉和黄豆豉，按口味可分为咸豆豉、淡豆豉、干豆豉和水豆豉。具有和胃、除烦、祛寒的功效，并且对减少血中胆固醇、降低血压也有一定帮助。
豆豉，最早的记载见于汉代刘熙《释名·释饮食》一书中。
练习与应用
二、拓展题
2.某同学在制作泡菜前，查阅资料得知，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。请你帮他分析相关问题。
（1）据图分析，从亚硝酸盐的含量来看，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
应该在发酵10天后食用比较合适，因为这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、发酵温度过低等原因导致泡菜未能正常发酵。
"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。
练习与应用
二、拓展题
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同学用了没有盖的塑料瓶，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
提示：C同学的装置更适合制作果醋。出料口可以用来取样;充气口可以在发酵时连接充气泵进行充气，从而有利于醋酸菌更好地进行有氧呼吸，提高发酵效率；排气口可以用来排出在发酵过程中产生的气体，它通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，其目的是防止空气中微生物的污染。
进一步改进∶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。

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