1.1 传统发酵技术的应用-【备课一点通】2024-2025学年高二生物下学期同步特色课件（人教版2019选择性必修3）

第1章 发酵工程 第1节 传统发酵技术的应用 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。 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。 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。 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。 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。 201X 1850 201X 1900 201X 1940 201X 1960 201X 201X 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。 1970 1980 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 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。 科技探索之路 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。 豆豉 发酵工程 01 发酵与传统发酵技术 醋酸杆菌 酵母菌 一、发酵与传统发酵技术 （一）发酵 1.概念： 2.原理： 不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此利用它们既可以生产出人们所需要的多种产物 3.类型： 需氧发酵 厌氧发酵 醋酸发酵 谷氨酸发酵 酒精发酵 乳酸发酵 氧气需求 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。 注： 植物无氧呼吸产生酒精不是发酵。 （二）传统发酵技术 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 注：混合菌种 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。 家庭式或作坊式 3.方式： 一、发酵与传统发酵技术 生产条件不易控制，易受杂菌污染，生产效率低，产物不单一等。 4.缺点： 5.实例： 腐乳制作 ③原理 ②菌种： 酵母，曲霉和毛霉等，毛霉（真核）起主要作用。 a.菌种来源： 空气中的毛霉 b.代谢类型： 异养需氧型 c.生殖方式： 孢子生殖 d.分适宜温度： 15-18℃ 蛋白质 小分子的肽+氨基酸 蛋白酶 脂肪 甘油+脂肪酸 脂肪酶 毛霉 一、发酵与传统发酵技术 （二）传统发酵技术 ①原料：豆腐 （味道鲜美，易于消化吸收） 让豆腐长出毛霉 加盐腌制 加卤汤装瓶 密封腌制 制腐乳坯 （二）传统发酵技术 一、发酵与传统发酵技术 5.实例： 腐乳制作 ④操作步骤： 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发酵才算。 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。 一、发酵与传统发酵技术 02 尝试制作传统发酵食品 二、尝试制作传统发酵食品 （一）乳酸发酵 1.菌种： 乳酸菌 （原核生物） a.菌种分布： b.代谢类型： c.菌种种类： 异养厌氧型 空气、土壤、植物体表、人或动物肠道内 乳酸链球菌、乳酸杆菌 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 还有酵母菌、大肠杆菌 乳酸链球菌（制作泡菜） 乳酸杆菌（制作酸奶） （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 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 （二）泡菜的制作 0.4%—0.8% （3）制作过程： 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； 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。 防止杀死坛内的微生物 二、尝试制作传统发酵食品 二、尝试制作传统发酵食品 （4）进一步探究 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（霉变的食品中亚硝胺可增至数十倍至数百倍）。 二、尝试制作传统发酵食品 硝酸还原菌产生硝酸还原酶 (5)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） 二、尝试制作传统发酵食品 ①据图分析，从亚硝酸盐含量看，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，亚硝酸盐含量低 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”含乳酸菌，可快速发酵产生乳酸 拓展应用P8,2 二、尝试制作传统发酵食品 放置过久的蔬菜中亚硝酸盐含量较高。 ④用于制作泡菜的蔬菜应新鲜的原因？ 牛奶发酵为酸奶主要依靠乳酸菌的发酵作用，而抗生素能够杀死或抑制乳酸菌。 2.为什么含有抗生素的牛奶不能发酵为酸奶？ 1.为什么制作泡菜时，会产生白膜？ 密封不严，产膜酵母菌繁殖 泡菜坛不干净，有油脂、杂菌污染。 二、尝试制作传统发酵食品 联系生活 1.菌种： 2.发酵原理： 异样兼性厌氧型 在无氧情况下进行酒精发酵 含糖量较高的蔬菜、水果表面 酿酒、制作馒头和面包 ①代谢类型： ②作用： ⑤应用： ③分布： ④适宜温度： 约为28℃ 无氧条件下，酵母菌通过无氧呼吸产生酒精 二、尝试制作传统发酵食品 （三）酒精发酵 C6H12O6 酶 2C2H5OH（酒精）+CO2+能量 酵母菌 （单细胞真菌） 有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸大量繁殖 1.菌种： 2.发酵原理： 二、尝试制作传统发酵食品 （四）醋酸发酵 异养好氧型 30~35℃ 各种风味的醋 在氧气、糖源充足时，将糖分解成乙酸； ②繁殖方式： ①代谢类型： ③适宜温度： ④应用： 二分裂 当氧气充足、缺少糖源时，将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为乙酸。 C6H12O6 + 2O2 2CH3COOH（乙酸）+ 2H2O + 2CO2 + 能量 酶 C2H5OH + O2 CH3COOH（乙酸）+ H2O + 能量 酶 醋酸菌 （原核） 有氧条件下，酵母菌通过有氧呼吸大量繁殖 （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。 二、尝试制作传统发酵食品 （五）果酒和果醋的制作 （1）原理 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; 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 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。 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 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 二、尝试制作传统发酵食品 （3）制作过程： 二、尝试制作传统发酵食品 果醋 果酒 1.怎样判断果酒、果醋的制作是否成功呢？ 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） 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 二、尝试制作传统发酵食品 （4）结果分析与评价： 2.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？ 果酒: ①发酵液会产生气泡，因为酵母菌发酵产生CO2；CO2越来越多，会出现“沸腾”现象，发酵10天后，最明显。 ③用紫色葡萄制酒，果皮进入发酵液的花青素会越来越多， 因变成深红色。 果醋: ④ 一般不产气泡，液面上会出现一层菌膜（醋酸菌膜）。 二、尝试制作传统发酵食品 （4）结果分析与评价： ②发酵过程产热，会使发酵液温度上升，应注意控温。 3.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。绝大多数微生物因缺O2和酸性环境而受抑制。 ②乳酸菌可能分解果酒中的糖、甘油、酒石酸等，使果酒变质。 ③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。 二、尝试制作传统发酵食品 （4）结果分析与评价： 4.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？ 不会，随醋酸发酵进行，发酵液的pH、发酵温度 等均不利于酵母菌的生长繁殖，酵母菌活性很低，不会继续发酵。 打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入大量繁殖， 其他的菌因不适应环境条件而不能繁殖。 工业上，后期醋的发酵需要人工接种醋酸菌。 先买一瓶醋， 打开暴露于空气，之后在醋的表面会有一层醋酸菌膜，用这层薄膜进行接种可加快果醋制作。 二、尝试制作传统发酵食品 （4）结果分析与评价： 二、尝试制作传统发酵食品 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。 防止空气中微生物的污染 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 便于取样检测 关闭 关闭 填充棉花或者安装其他过滤装置 拓展应用P8,3 到社会中去 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？ 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。 小结：制作腐乳、泡菜、果酒、果醋的微生物及其代谢特点 传统发酵对比 种类 主要菌种 原理 所属类型（细菌真菌) 代谢类型 发酵温度 （℃） 适宜PH 是否需要 氧气 发酵时间 （天） 腐乳 泡菜 果酒 果醋 毛霉 真菌 异养兼性 厌氧型 乳酸菌 细菌 酵母菌 醋酸菌 真菌 细菌 异养需氧型 异养厌氧型 异养需氧型 室温 18-30 4.5-5.0 5.4-6.0 不需氧 一直需氧 前期需氧 后期不需氧 10-12 7-8 一般10天后 不定 30-35 不定 需氧 课堂小结 传统发酵技术的应用 发酵与传统发酵技术 尝试制作传统发酵食品 发酵 传统发酵技术 发酵原理 探究实践 泡菜制作 制作果酒和果醋 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 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 $$