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第1章 发酵工程
从传统发酵技术的应用
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
葡萄酒和葡萄醋都是由葡萄发酵而来，但是一个经酵母菌无氧呼吸产生了酒精，另一个经醋酸菌有氧呼吸产生了醋酸，因此口感不同。
（1）发酵:
（2）原理：
是指人们利用_______，在_____的条件下，将原料通过___________转化为人类所需要的产物的过程
微生物
适宜
微生物的代谢
_____________________________________________，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物
（3）类型：
不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力
好氧发酵
厌氧发酵
醋酸发酵
酒精发酵、乳酸发酵
一.发酵与传统发酵技术
1.发酵
氧气需求
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
豆豉、酱、酱油等
一.发酵与传统发酵技术
2.传统发酵技术
豆瓣酱
醋坛
展示我国古代酿酒作坊的绘画作品
汉代砖刻上的酿酒图
（3）实例：腐乳
①原料：豆腐。
②参与发酵的微生物：________、______和______等，其中起主要作用
的是________。
③发酵原理：经过微生物的发酵，
豆腐中的蛋白质被分解成__________________。
酵母菌
曲霉
毛霉
毛霉
小分子的肽和氨基酸
一.发酵与传统发酵技术
2.传统发酵技术
（此外，微生物还可以产生脂肪酶，将脂肪分解为脂肪酸和甘油）
思考辨析：
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；
在_____的情况下能将_______分解成______；
_____细菌，代谢类型为__________
二、尝试制作传统发酵食品
（一）.传统发酵食品制作常用微生物
1、乳酸菌
①代谢特点：
厌氧
无氧
葡萄糖
乳酸
异养厌氧型
②发酵原理
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+能量
③应用：
乳制品的发酵
泡菜的腌制
④分布：
空气
土壤
植物体表
人或动物的肠道内
⑤常见类型：
乳酸链球菌
乳酸杆菌
反应简式
2、酵母菌
①代谢特点：
是一类单细胞____，是__________微生物；在_____的条件下能进行________
真菌
无氧
酒精发酵
兼性厌氧
②发酵原理（反应简式）
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
③重要影响因素：
温度
酿酒酵母的最适生长温度约为_____；
____是影响酵母菌生长的重要因素；
28℃
④应用：
酿酒
制作馒头和面包
⑤分布：
能以多种糖类作为营养物质和能量来源，在一些含糖量较高的水果、蔬菜表面经常发现酵母菌的存在。
3、醋酸菌
①代谢特点：
___氧细菌，代谢类型是____________；当______________时，能将___分解为____； 当________时则将_____转化为_____，再将_____变为____；多数醋酸菌的最适生长温度为________；
好
O2、糖源都充足
乙醛
异养需氧型
糖
醋酸
缺少糖源
乙醇
乙醛
醋酸
30-35℃
②发酵原理（反应简式）
C6H12O6+2O2
酶
2CH3COOH（醋酸）+2H2O+2CO2+能量
C2H5OH+O2
酶
CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
③生产应用
醋酸菌可用于制作各种风味的____
醋
①利用_______________________来进行发酵；
1.制作泡菜
（1）发酵原理：
植物体表面天然的乳酸菌
②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%
③相关反应式
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+能量
（2）发酵条件
适宜的_____；根据室内温度控制_________
严格控制_____条件；
温度
厌氧
发酵时间
（二）.制作传统发酵食品
（3）制作流程
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；
原料处理、蔬菜装坛
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；
加盐水
将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过菜料，盖好坛盖
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；
（4）结果分析与评价
①盐的作用：
调味，抑制其他微生物生长
②盐水浓度要适宜的目的：
过高，乳酸发酵将受抑制；过低，杂菌易繁殖，导致泡菜变质
③盐水煮沸的目的：
杀菌，去除水中的溶解氧
④盐水冷却后使用的目的：
防止温度过高，杀死乳酸菌。
⑤泡菜坛子使用之前要检查密封性的目的：
给泡菜坛内创造无氧环境，严格控制厌氧条件
⑥用水密封泡菜坛的目的：
给泡菜坛内创造无氧环境，严格控制厌氧条件
⑦以上说明泡菜制作需要什么条件？
说明泡菜制作需要在无氧条件下进行（即厌氧条件）
⑧泡菜制作过程中，是否只有乳酸菌起作用？
不是，还有一些酵母菌和大肠杆菌
⑨为什么泡菜坛只能装八成满？
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，它们可进行发酵，发酵产物中有较多的CO2，如果泡菜坛装得太满，发酵液可能会溢出坛外；
另外，泡菜坛装得太满，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
（防止由于产生CO2而导致发酵液溢出坛外；
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）
（5）进一步探究
拓展了解——亚硝酸盐：
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；
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（霉变的食品亚硝胺可增至数十倍至数百倍）
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。
某同学在制作泡菜前，查阅资料得知，可以向泡菜坛中加人一些“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
教材拓展应用2
1.泡菜制作过程中影响亚硝酸盐含量的因素哪些？
腌制方法、腌制时间长短、温度高低
2.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
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；
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，加入“陈泡菜水”相当于接种乳酸菌。
4.第一次制作的泡菜“咸而不酸”，造成这样的结果最可能的原因是？
食盐浓度过高，发酵温度过低，导致泡菜未能正常发酵
拓展：腌制中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化
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
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）
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）
2、制作果酒和果醋
（1）.发酵原理
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。
②酵母菌在有氧条件下，进行有氧呼吸，大量繁殖；酵母菌在无氧条件下能进行酒精发酵。
反应式：
酶
C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量
C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2 CO2+能量
酶
C2H5OH+O2 →CH3COOH（醋酸）+H2O+能量
酶
③醋酸菌在氧气、糖源充足时,将糖分解成醋酸;
当缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。
C6H12O6 +2O2→2CH3COOH+ 2CO2+2H2O+能量
酶
反应式：
（2）发酵条件
①制作果酒时将温度控制在_________进行发酵；
18～30℃
②制作果醋时将温度控制在__________进行发酵。
30～35℃
温度：
氧气：
①制作果酒时，酵母菌在_________的情况下大量繁殖；在_________下，进行酒精发酵；
②在____的条件下，果酒经醋酸菌的作用可以进一步发酵成果醋。
氧气充足
无氧条件
有氧
（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为什么去梗前冲洗：
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
防止野生菌种数量减少，影响发酵
避免葡萄破损，减少被杂菌污染的机会
a.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；
b.防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出
不能，
排出气体
防止杂菌污染
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
⑧如何检测果酒的发酵情况
（检测是否产生酒精）？
a.闻
b.品尝
c.用酸性条件下的重铬酸钾溶液检测橙色→灰绿色
⑨醋酸菌从何而来？
⑩如何检测果醋的发酵情况？
a.闻；b.品尝；
c.使用pH试纸检测和比较发酵前后的pH值；
d.观察醋酸菌膜是否形成；
打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入果酒发酵液中大量繁殖，其他的菌因不适应环境条件（不能利用乙醇）而不能繁殖
教材拓展应用3
有三位同学分别采用了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？能用来制作果酒么？你还能继续改进这种装置么？
（4）、设计果酒发酵与果醋发酵装置
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
便于取样检查和放出发酵液
关闭
关闭
思考：
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。
发酵瓶
小结1：实验设计流程图
无氧
有氧
挑选葡萄
冲洗
榨汁
醋酸发酵
酒精发酵
果酒
果醋
（5）果酒发酵与果醋发酵的比较
果酒发酵 果醋发酵
发酵菌种
菌种来源
菌种代谢类型
菌种生物类型
发酵原理
发酵条件 温度
时间
氧气
酵母菌
醋酸菌
附着在新鲜水果果皮表面的野生酵母菌
空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌
异养兼性厌氧型
异养需氧型
真核生物
原核生物
18～30℃
30～35℃
10～12d
7～8d
前期需氧，后期不需氧
始终需氧
（6）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；开始发酵后，CO2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。
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。
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。
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。
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？
随着乙酸发酵的进行，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。
到社会中去少量制作转向大规模生产时，会遇到许多新问题。例如，少量制作果醋时，不需要专门的搅拌装置。而大规模生产果醋时，由于发酵罐容积很大，就需要安装搅拌器，以保障醋酸菌对O2的需求。可见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。自己制作的果酒和果醋并非商品意义上的产品。在实际生产中还需要经过沉淀、过滤、灭菌、装瓶等过程才能获得成品酒或醋。果酒还需要在一定条件下进行后续发酵，以获得特定的风味和色泽。通过深入思考，可以感悟到，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。(1)酵母菌通过有氧呼吸可以大量繁殖，通过无氧呼吸可以产生酒精
( )
(2)各种葡萄都可以酿制出红葡萄酒 ( )
(3)由于醋酸菌对氧气的含量相当敏感，所以在醋酸发酵过程中要始终通入氧气( )
(4)只有在糖源充足的情况下才能进行醋酸发酵 ( )
(5)果酒发酵的温度一般控制在30～35 ℃，果醋发酵的温度一般控制在18～30 ℃( )
(6)在利用葡萄发酵生产果酒的后期，加入醋酸菌即可产生乙酸 ( )
【基础过关】
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