1.1 传统发酵技术的应用 课件 2024—2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

面包和酸奶，或者馒头夹着腐乳，是很多人喜欢的早餐。你知道吗？这些食品的制作离不开微生物发酵。那么，制作不同的发酵食品，需要的微生物一样吗？如何分离和培养微生物呢？ 除了上述可以通过传统发酵技术生产的食品，啤酒、味精乃至胰岛素等药物的工业化生产，也利用了微生物的发酵。然而，工业化大规模生产在菌种的选育和培养、发酵条件的控制等方面比传统发酵生产要复杂得多，需要通过发酵工程来实现。那么，发酵工程的流程是怎样的？它用到的技术与传统发酵技术有什么不同？发酵工程在社会和经济中有哪些应用？ 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。 生物学（人教版） 选择性必修三 生物技术与工程 第1节 传统发酵技术的应用 第一章 发酵工程 “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。”（唐，王翰）诗中提及的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？ 从社会中来 发酵与传统发酵技术 人类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 ▲ 我国古代酿酒作坊遗址 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。 巴斯德 （L.Pasteur，1822—1895） 发酵与传统发酵技术 一、发酵 1. 概念： 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。 2. 原理： 不同的微生物具有产生不同代谢物的能力，利用它们就可生产出人们所需要的多种产物。 发酵类型 有氧发酵 无氧发酵 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 3. 实例：腐乳的制作 腐乳是我国古代劳动人民创造的一种大豆发酵食品，早在公元5世纪就有关于腐乳生产工艺的记载。其口感细腻、味道鲜美、易于消化吸收、耐保存的特性一直受到我们的喜爱。 ▲ 青方腐乳 ▲ 红方腐乳 ▲ 白方腐乳 发酵与传统发酵技术 3. 实例：腐乳的制作 （1）原理： 蛋白质 小分子的肽和氨基酸 蛋白酶 脂肪 甘油和脂肪酸 脂肪酶 大分子物质被分解为小分子物质是腐乳口感细腻的原因。 （2）菌种： 酵母菌、曲霉、毛霉等，起主要作用的是毛霉。 ▲ 酵母菌 ▲ 曲霉 ▲ 毛霉 ▲ 长毛霉的豆腐 发酵与传统发酵技术 （3）制作流程：（了解即可） 酒和香辛料 发酵与传统发酵技术 二、传统发酵技术 1. 概念： 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。 2. 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。 3. 食品： 腐乳、酒、醋、酱、酱油、泡菜、豆豉等。 4. 缺点： 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。 尝试制作传统发酵食品 一、制作泡菜 1. 菌种： 乳酸菌 （1）菌种来源： 植物体表面天然的乳酸菌 （2）代谢类型： 异养厌氧型 （3）种类： 乳酸链球菌、乳酸杆菌 2. 原理： 乳酸菌是厌氧细菌，在无氧条件下能将葡萄糖分解成乳酸 C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+ 能量 酶 ▲ 乳酸杆菌 ▲ 乳酸链球菌 尝试制作传统发酵食品 3. 发酵条件： 无氧； 18~20℃ 4. 材料用具： （1）各种新鲜蔬菜均可，一般用白菜、洋白菜、黄瓜、豇豆、胡萝卜、白萝卜等； （2）调味品：如花椒、八角、生姜、蒜瓣及其他香辛料、白酒、白砂糖和盐； （3）泡菜坛或其他密封性良好的罐子。 坛沿深、盖子吻合好 无裂纹、无砂眼、火候好 检查方法：坛口向上压入水中，看坛内壁有无渗水现象 尝试制作传统发酵食品 5. 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。 ①盐的作用？ 调味；抑制其他微生物生长 ②盐水浓度要适宜的原因？ 过高：口味不佳，乳酸菌发酵受到抑制； 过低：杂菌易繁殖，导致泡菜变质。 ③盐水煮沸的目的？ 杀灭其中杂菌；去除水中的氧气。 尝试制作传统发酵食品 5. 制作流程： 配制盐水 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，放入蒜 瓣、生姜及其他香辛料，继续装至八成满。 ④为什么只能装八成满？ a.防止发酵初期酵母菌等产生CO2造成发酵液溢出坛外； b.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。 尝试制作传统发酵食品 5. 制作流程： 配制盐水 原料处理蔬菜装坛 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。 ⑤冷却的目的？ 为了不影响乳酸菌的生命活动 尝试制作传统发酵食品 5. 制作流程： 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。 ⑥用水密封泡菜坛的目的？ 给坛内创造无氧环境 注意：泡菜发酵一段时候后可能会出现白色的膜，是产膜酵母菌繁殖形成的。 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？ 补充延伸：泡菜发酵阶段 尝试制作传统发酵食品 a.发酵初期：大肠杆菌、酵母菌等较活跃，利用O2，产生CO2，有气泡从坛沿水槽中间歇性放出，逐渐形成厌氧状态，乳酸菌开始发酵； b.发酵中期：由于乳酸发酵，乳酸不断积累、pH降低，厌氧状态形成，乳酸菌活跃，产生大量乳酸；同时，酵母菌、大肠杆菌等活动受抑制，由于O2耗尽，需氧型微生物受抑制。这一时期为泡菜完全成熟阶段。 c.发酵后期：继续进行乳酸发酵，乳酸含量继续增多，当pH过低时，乳酸菌活动受抑制，发酵速度缓慢甚至停止。 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”。在用质量分数为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，结果如图。请你帮他分析下列问题： 尝试制作传统发酵食品 （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？ 10天后食用比较好，因为此时亚硝酸盐含量低。 （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？ 加盐太多，盐浓度过高，杀死了乳酸菌等微生物。 （3）加入“陈泡菜水”的目的是什么？ “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数量、乳酸含量和亚硝酸盐含量的变化情况 发酵时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐 发酵初期 少（O2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制） 变化曲线 尝试制作传统发酵食品 二、制作果酒 1. 菌种： 酵母菌 （1）菌种来源： 果皮表面的野生酵母菌 （2）代谢类型： 异养兼性厌氧型 ▲ 电镜下的酵母菌 2. 原理： 酵母菌是一种单细胞真菌，属于兼性厌氧微生物，能够在无氧条件下进行酒精发酵，可用于酿酒、制作馒头和面包等；在有氧条件下可大量繁殖 C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 能量 C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO2 + 12H2O + 能量 酶 酶 酵母菌耐酸、兼性厌氧，且能耐受一定量的酒精。酸性的葡萄汁、有氧→无氧的切换以及发酵产生的酒精，能抑制杂菌的生长繁殖。 尝试制作传统发酵食品 3. 发酵条件： 前期有氧，后期无氧； 4. 材料用具： 28℃（酿酒酵母的最适生长温度） （1）新鲜的水果（如葡萄、苹果、山楂和龙眼等）； （2）洗洁精、体积分数为70%的酒精； （3）榨汁机、发酵瓶等。 ▲ 简易装置 ▲ 榨汁机 ▲ 通用装置 充气口 排气口 出料口 尝试制作传统发酵食品 5. 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，再除去枝梗和腐烂的籽粒，沥干。 ①冲洗的目的？ 去除表面灰尘、污物 ②冲洗1-2次即可，能否反复冲洗，为什么？ 不能，防止洗去葡萄皮表面的野生型酵母菌。 ③为什么要先冲洗再去梗？ 避免去梗时葡萄破损，以减少被杂菌污染的机会。 尝试制作传统发酵食品 5. 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，再除去枝梗和腐烂的籽粒，沥干。 榨汁装瓶 用榨汁机榨取葡萄汁，将葡萄汁装入发酵瓶中（注意：要留有大约1/3的空间），盖好瓶盖。 ④为何要留有1/3的空间？ a.酵母菌先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。 尝试制作传统发酵食品 5. 制作流程： 器具消毒 冲洗葡萄 榨汁装瓶 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左右将瓶盖拧松一次（注意：不是打开瓶盖），此后再拧紧瓶盖。发酵时间为10~12d。可通过发酵瓶口取样来对发酵的情况进行监测。 ⑤每隔12h左右将瓶盖拧松一点的目的？拧松但不打开的目的？ a.排出CO2，防止发酵瓶爆裂； b.防止杂菌和空气倒流进入发酵瓶。 尝试制作传统发酵食品 6. 结果分析与评价： 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？ 还有乳酸菌、醋酸菌等微生物。乳酸菌可能分解果酒中的糖等，从而使果酒变质。可以通过改变发酵的温度、果酒的pH等控制乳酸菌的含量。 醋酸菌可以将糖或乙醇转化为乙酸，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氧气含量，可以抑制醋酸菌的生长繁殖。此外，通过改变发酵的温度、果酒的pH等同样可以控制醋酸菌的含量。 尝试制作传统发酵食品 炎热的夏季，忘记盖盖子的酒表面会形成一层“白膜”，而内部没有，酒也会发酸。这个“白膜” 其实就是醋酸菌的菌落。它是怎样形成的？由此你想到了什么？ ▲ 葡萄酒表面的“白膜” 尝试制作传统发酵食品 三、制作果醋 1. 菌种： 醋酸菌 （1）菌种来源： 空气中的醋酸菌或人工接种的醋酸菌 （2）代谢类型： 异养需氧型 ▲ 电镜下的醋酸菌 2. 原理： 醋酸菌是好氧细菌，当O2、糖源都充足时能将糖分解为醋酸；当缺少糖源时则将乙醇转化为乙醛，再将乙醛变为醋酸。 C6H12O6 + 2O2 2CH3COOH + 2H2O + 2CO2 + 能量C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O + 能量 酶 酶 醋酸菌耐酸、（部分）耐酒精，有氧条件下可以利用酒精为原料发酵生成醋酸，醋酸也能抑制杂菌生长。 尝试制作传统发酵食品 3. 发酵条件： 有氧； 30~35℃ 4. 发酵装置： ▲ 简易装置 充气口 出料口 排气口 ▲ 通用装置 尝试制作传统发酵食品 5. 制作流程： 器具消毒 冲洗葡萄 榨汁装瓶 酒精发酵 醋酸发酵 果酒 果醋 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。 尝试制作传统发酵食品 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？ 发酵 酒精发酵 醋酸发酵 气味和味道 气泡和泡沫 发酵液颜色 酒味 酸味 有 无 颜色加深变成深红色 （以紫葡萄作原料） 浑浊，液面形成白色菌膜 尝试制作传统发酵食品 （2）在制作果醋的过程中，酵母菌是否还会继续发酵？ 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，很难继续发酵。 （3）在制作果醋的过程中，醋酸菌从何而来？采用什么措施可以加快果醋的制作？ 打开瓶盖后，空气中的醋酸菌会进入发酵液中大量繁殖，其他的菌种因不适应环境条件而不能繁殖。 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，用这层薄膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。 尝试制作传统发酵食品 （4）分析果酒、果醋制作中发酵装置图中各结构的作用 装置图 结构 作用   充气口 排气口 长而弯曲 的胶管 出料口 充气口 出料口 排气口 长而弯曲的胶管 ①制作果酒时关闭充气口 ②醋酸发酵时连接充气泵，输入无菌空气 用来排出CO2 防止空气中微生物的污染 便于取料，及时监测发酵进行的情况 果酒制作与果醋制作的比较 项目 果酒制作 果醋制作 发酵菌种 酵母菌 醋酸菌 菌种来源 主要是附着在葡萄皮表面的野生酵母菌 空气中的野生型醋酸菌 菌种代谢类型 异养兼性厌氧型 异养需氧型 菌种细胞类型 真核细胞 原核细胞 发酵原理 有氧条件下： C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量 无氧条件下： C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量 氧气、糖源都充足时： C6H12O6+2O2 2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量 缺少糖源时： C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O+能量 发酵 条件 温度 28℃（18~30℃） 30~35℃ 时间 10-12d 7-8d 氧气 初期需氧，后期不需氧 需要氧气 酶 酶 酶 酶 酵母菌、醋酸菌、毛霉、乳酸菌的比较 酵母菌 醋酸菌 毛霉 乳酸菌 生物类型 代谢类型 生产应用 氧气条件 适宜温度 真核生物 原核生物 真核生物 原核生物 异养兼性厌氧 异养需氧 异养需氧 异养厌氧 酿酒 酿醋 制作腐乳 制作泡菜、酸奶 前期有氧后期无氧 有氧 有氧 无氧 18~30℃ 30~35℃ 15~18℃ 18~20℃ 课堂小结 Lavf58.46.101 $$