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普通高中教科书
生物学 选择性必修3 生物技术与工程
目录 /CONTENTS
01 发酵工程
02 细胞工程
03 基因工程
04 生物技术的安全性与伦理问题
人A 永Ax 顺社
是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料
通过微生物代谢转化为人类所需的产物的过程。
人类所需产物
(简单分子)
适宜的条件
微生物代谢
原料
(复杂分子)
发酵
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。这种 传统发酵技术促进了中华 民族特有的饮食文化的形 成，但在几千年的时间里，
人们并不没明白其中的原
理。
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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。之后，酶制剂、多
糖、维生素发酵
工业相继兴起。
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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。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。
年 生 年 秋 密 的 车 间
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多年间 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。
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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
部分发酷工程产 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。
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 了深层通气液体发酵技术 使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。
1857年
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。
第一批青霉素发醋罐
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利用天然存在的菌种，菌种差异、杂菌情况不明，
发酵过程的控制缺乏标准，发酵食品的品质不一。
缩短发酵时间，确保品质稳定
传统发酵技术
微生物培养，筛选单一菌 种，再接种到物料中发酵
发酵工程
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。
传统发
酵 技 术
第1章 发酵工程
第1节传统发酵技术的应用
(一)发酵
1. 概 念 ：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。
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。
醋酸发酵
谷氨酸发酵
酒精发酵
乳酸发酵
发酵与传统发酵技术
需氧发酵
厌氧发酵
3.类型
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。
传统发酵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。
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。
(3)发酵产品：
利用传统发酵技术制作的食品有酒、腐乳、酱、酱油、
醋、泡菜和豆豉(chǐ) 等。
( 1 ) 概 念 ：
( 2 ) 类 型 ：
传统发酵技术
缺点
4.实例：腐乳
①原料：豆腐。
②参与发酵的微生物： 酵母、 曲霉 和毛 霉_等，其中起主要 作用的是毛 霉 。 毛霉是一种丝状真菌(真核生物),其生殖
方式为孢子生殖，代谢类型是异养需氧型。
③腐乳制作的原理 味道鲜美，易于消化吸收，又便于保存。
蛋白质
酵母、曲霉和毛霉等多种微生物
(毛霉起主要作用)
脂肪
十 氨基酸
十 脂肪酸
小肽
甘油
【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 生产条件不易控制，容易受杂菌污染
腐乳胚
让豆腐长 出毛霉
加盐腌制
加卤汤瓶
密封腌制
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)
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：让毛霉等产生 蛋白酶和脂肪酶
目的：析出豆腐中的 水分、抑制不需要的 微生物生长
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
卤汤包括酒 和香辛料
④制作流程
正在进行发酵的豆腐坯
基础检测
使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗
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。
尝试制作传统发酵食品 (一)泡菜的制作
1.菌种：乳酸菌( 原核生物)
①菌种分布：空气、土壤、植物体表、人或动物肠道内
②代谢类型：异养厌氧型
③种 类 ：乳酸链球菌、乳酸杆菌 乳酸链球菌
2.发酵原理：
在无氧的情况下能将葡萄糖分解成乳酸
C H O6 酶 2C H O ( 乳 酸 ) + 能 量
发酵期间，乳酸会_不断积累_ , 当 它 的 乳酸杆菌
质量百分比为0.4% -0.8% 时，泡菜的口
味、品质最佳。
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖；
创造无氧环境
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；
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，① 在泡菜发酵初期，酵母菌等较为活跃，
发酵产物中有较多的CO , 防止发酵液 溢出坛外；
② 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；
③ 同时留有一定空间，也更方便拿取泡菜。
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
尝试制作传统发酵食品 (一)泡菜的制作
配制
盐水
原料处 理、蔬 菜装坛
加盐水
封坛
发酵
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。
3.制作过程：
杀菌除氧
发酵前期：蔬菜刚入坛时，表面带入的微生物主要是以不抗酸的大肠杆菌和酵母菌等较为活 跃，它们进行发酵产生较多的乳酸、酒精、醋酸和二氧化碳等，二氧化碳以气泡从水槽内放 出，逐渐使坛内形成嫌气状态。此阶段泡菜液的含酸量为0.3%~0.4%,该阶段是泡菜的初熟 阶段，菜质咸而不酸、有生味。
发酵中期：由于前期乳酸的积累， pH 下降，乳酸杆菌活跃进行活跃的乳酸发酵，乳酸积累pH
达3.5~3.8。大肠杆菌、酵母菌、霉菌等的活动受到抑制。此阶段泡菜液的乳酸的积累量达到
0.6%~0.8%,这一阶段为泡菜的完全成熟阶段，泡菜有酸味且清香。
发酵后期：继续进行乳酸发酵，乳酸含量继续上升，乳酸积累达1.2%以上，乳酸杆菌的活性
受到抑制，发酵速度逐渐变缓甚至停止。此阶段泡菜液的酸度过高，风味不佳。
【误区警示】 泡菜制作的两个易错点
(1)误认为只有乳酸菌发酵：前期还会有大肠杆菌、酵母菌等混 合菌的在进行生命活动
(2)误认为泡菜制作全过程都是无氧发酵：前期主要是有氧发酵 消耗氧气，形成无氧环境，后期主要是乳酸发酵。
Q:为什么泡菜坛内有时会长一层白膜，这层白膜是怎么形成的
形成白膜是由于产膜酵母的繁殖。酵母菌是兼性厌
氧微生物，泡菜发酵液营养丰富，其表面氧气含量也很 丰富，适合酵母菌的繁殖。
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。
查阅资料，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。
(1)亚硝酸盐
亚硝酸盐为白色粉末，外观与食盐相似，有咸
味，易溶于水，可作食品添加剂。
自然界中，亚硝酸盐分布广泛，蔬菜、咸菜、豆
粉中均含有。
但是，总量达到 0.3~0.5g 时会引起中毒；
达到 3g 时会死亡。
进一步探究
一般不危害健康
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，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。
亚硝胺生成 亚硝胺具有致癌作用，对动物具有致畸和致突变作用
细菌等微生物 (硝酸盐还原菌产生硝酸还原酶)
亚硝胺
适宜的pH、温度和 一定的微生物作用
还原
亚硝酸盐 氧化
个
维生素C 、E和酚类物质
硝酸盐
成
时期 乳酸菌 乳酸
亚硝酸盐
发酵前期 少(O 抑制乳酸菌活动) 少
增加(硝酸盐还原菌的作用)
发酵中期 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)
发酵后期 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
变化曲线 发酵时间 乳酸
制 )
发酵时间
乳酸菌
亚硝酸盐
尝试制作传统发酵食品
5.泡菜发酵过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的含量变化：
(一)泡菜的制作
10天后食用比较好，因为此时的亚硝酸盐含量低。 发酵时间/d
(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
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。
(3)加入“陈泡菜水”的目的是什么
"陈泡菜水"中含有纯度较高的乳酸菌，可快速发酵产生乳酸。
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
练习与应用
P 【 拓 展 应 用 】
(二)果酒的制作
1. 原 理 ： C H O6 酶 2 C H OH ( 酒 精 ) + 2CO + 能 量
2. 应用的微生物： 植物体表面天然的酵母菌
①代谢类型：兼性厌氧型真菌
②作用：在无氧情况下进行酒精发酵
酵母菌 ③分布：含糖量较高的蔬菜、水果表面
④适宜温度：约为28℃
⑤应用：酿酒、制作馒头和面包
尝试制作传统发酵食品
①代谢类型： 好氧细菌
②作 用 ：在氧气、糖源充足时，将糖分解成醋 当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛， 再将乙醛变为醋酸。
③适宜温度： 30~35℃
尝试制作传统发酵食品
(三)果醋的制作
酶 2CH COOH ( 乙 酸 ) + 2H O+2CO +
→CH COOH ( 乙 酸 ) +H O+ 能 量
1. 原 理 ： C H O +20 量
C H OH+O
2.应用的微生物：
④应 用： 各种风味的醋
画天
果好地
苹果醋
Aru VINte
醋酸菌
能
冷合量：450
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。
排出气体 防止杂菌污染、氧气进入
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。
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 。 空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖
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；防止野生菌种数量减少， 避免葡萄破损，
去除表面灰尘、污物 影响发酵 减少被杂菌污染的机
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；
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，
器具消毒
冲洗葡萄
榨汁装瓶
果酒发酵
果醋发酵
① 先让酵母菌进行有氧呼 吸，快速繁殖，耗尽O 后，再进行酒精发酵；
② 防止发酵过程中产生的 CO 造成发酵液溢出。
3.制作过程
4.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
① 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CO ;
② 开始发酵后， CO 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。
③ 发酵过程产 热，会使发酵液温度上升，应注意控温；
④ 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。
⑤ 果醋发酵完成时，在发酵液的液面上会出现一层菌膜，这是醋酸菌膜。
4.结果分析与评价
(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
① 还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。
② 乳酸菌能将糖分解为甘油、酒石酸等，从而使果酒变质。
③ 在 有氧的情况下，醋酸菌能把糖分解成醋酸或者把乙醇转化为乙 醛 进而转化为醋酸。
④ 可以通过调节发酵的温度、 pH 等来控制乳酸菌含量；
⑤ 可以通过减少O2含量、调节发酵温度、p H 来控制醋酸菌含量。
4.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
① 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，不会继续发酵。
② 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。
③ 在工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌。或者买 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 (即醋酸菌膜),用这层薄膜进行接种亦可。
(4)在果酒和果醋制作中，哪些做法可防止发酵液被污染
① 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；
② 处理葡萄时应先冲洗再去除枝梗；
③ 排气时只需拧松瓶盖，不要打开瓶盖。
(5)如何检测果醋、果酒发酵完成
a: 阐 ；b. 品赏品尝； c.观察醋酸菌膜是否形成。
a:便酶性餐线检靈锋酸锟滚渡滑店橘值灰绿色)
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 C同学的装置更适合制作果醋。
填充
充气口
排气口
防止空气 中微生物
的污染
排气口 排出CO 打开
打开
出料口 便于取样检测 关闭
关闭
醋酸发酵 时状态
打开，
并接入气泵
练习与应用
酒精发酵 时状态
关闭
作用
通入空气
棉花 或者 安装 其他 过滤 装置
结构
充气口
P 【 拓展应用】
出料口
项目 泡菜制作 果酒制作
果醋制作
发酵菌种 乳 酸 菌 ( 二 分 裂 ) 酵 母 菌 ( 出 芽 生 殖 )
醋 酸 菌 ( 二 分 裂 )
菌种来源 植物体表面 天然的乳酸菌 主要是附着在葡萄皮上 的野生型酵母菌
空气中的
野生型醋酸菌
菌种代谢类型 异 养 厌 氧 型 异 养 兼 性 厌 氧 型
异 养 需 氧 型
菌种细胞类型 原核细胞 真核细胞
原核细胞
发酵原理 在无氧的情况下： 加 C H O >2C H O (乳酸)+能量 在有氧条件下： C H O +6H O+6O 酶 6CO +12H O+能量 在无氧条件下： C H O 酶 2C H OH+2CO +少量能量
氧气、糖源都充足时：
母
C H120 +20 →
2CH COOH+2H O+2CO +能量
氧气充足、缺少糖源时：
C H OH+O 酶
CH COOH+H O+能量
发酵 条件 温度 18—20℃ 28℃(18-30℃)
30-35℃
时间 8-10d 10-12d
7-8d
氧气 不需要氧气 初期需氧，后期不需氧
需要氧气
●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。
● 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。
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
尝试制作传统发酵食品
到社会中去
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CO 。( × )
(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 ( D )
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
3.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。
腐乳、泡菜、酱、豆豉等都是生活中常见的传统
发酵食品。
4.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 见曲线图。请你帮他分析相关问题。

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