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

nullnull第一章 发酵工程 第1节 传统发酵技术的应用 本节聚焦: 1.运用结构功能观认识乳酸菌、酵母菌和醋酸菌的结 构特点和代谢特点。 2.运用发酵原理,设计并完成利用天然菌种制作泡菜、 果酒和果醋的实验探究并对实验结果进行分析和评价。 3.关注食品安全和健康的生活方式。 选择性必修三 科技探索之路——从传统发酵技术到发酵工程 发酵工程 1.概念: 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。 2.应用: 问题探讨 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。 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? 葡萄酒和葡萄醋都是以葡萄为原料发酵而来的饮品。 ①发酵菌种不同: 葡萄酒是利用酵母菌发酵产生酒精制作而成的。 葡萄醋是利用醋酸菌发酵产生乙酸制作而成的。 ②制作方法不同: 在发酵条件上: 葡萄酒是在无氧条件下发酵的。 葡萄醋是在有氧条件下发酵的。 ③在发酵温度上: 葡萄酒的发酵温度控制在18~25 葡萄醋的发酵温度控制在30~35 你想不想自己动手制作葡萄酒和葡萄醋呢? 一、发酵与传统发酵技术 (一)古代酿酒的方法: 利用附着在谷物、水果等表面的微生物自然发酵。 图1-1 汉代砖刻上的酿酒图 图1-2 展示我国古代酿酒作坊的绘画作品 少康(杜康)造秫酒 一、发酵与传统发酵技术 (二)发酵: 1.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。 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。 必修一《分子与细胞》P94当中对“发酵”的解释。 对微生物而言,“发酵”在有氧和无氧条件下都能进行。 例如:在本课开始了解的葡萄酒(无氧)及葡萄醋(有氧)。 指的是狭义的“发酵” 一、发酵与传统发酵技术 实例——腐乳的制作 ①原料:豆腐。 ②参与菌种:酵母、曲霉和毛霉等,其中起主要作用的是毛霉。 ③发酵原理: 一、发酵与传统发酵技术 (三)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。 2.特点: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。产品容易受杂菌污染,生产效率较低。 3.发酵食品及菌种:酱、酱油(曲霉)、泡菜(乳酸菌)、 粮食白酒(酵母菌)、腐乳(毛霉)等 卤汤中酒的含量应控制在12%左右,过高会延长腐乳成熟的时间,过低不足以抑制微生物生长,可能导致豆腐腐败。 一、发酵与传统发酵技术 实例——腐乳的制作 ④制作流程 让豆腐长出毛 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) 含水量70%为宜,含水量高不易成形,过低不利于毛霉生长。 目的:让毛霉等产生蛋白酶和脂肪酶 加盐腌制 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:析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生长 过高:影响风味 过低:易腐败 卤汤包括酒和香辛料 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 加卤汤装瓶 密封腌制 正在进行发酵的豆腐胚 如图是腐乳制作中正在发酵的豆腐坯,请回答下列有关问题: (1)你知道豆腐上的毛是怎么形成的吗? 提示:空气中的毛霉孢子在豆腐上生长形成的。 (2)腐乳与豆腐相比,所含有机物的种类和能量有哪些变化?为什么? 提示:腐乳中有机物的种类增加了,所含的能量却减少了。因为豆腐中的蛋白质被分解成了小分子的肽和氨基酸。 (3)腐乳为什么“闻着臭,吃着香”? 提示:豆腐中的蛋白质在微生物产生的蛋白酶的作用下可以形成H2S等,所以“闻着臭”;产生的肽和氨基酸,例如谷氨酸,是生产味精和鸡精的重要原料之一,所以“吃着香”。 二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜 1.与泡菜制作有关的菌种——乳酸菌 (1)分布:空气、土壤、植物体表、人或动物的肠道内部等,但制作传统泡菜是利用植物体表面天然的乳酸菌来进行发酵的。 (2)种类:常见的有乳酸链球菌和乳酸杆菌。 (3)用途:乳制品的发酵、泡菜的腌制等。 (4)代谢类型:异养厌氧型 2.制作原理 (1)无氧的情况下,乳酸菌将_分解为_。 (2)反应简式:_。 (3)发酵期间,乳酸会不断积累,当它的质量百分比为0.4%~0.8%时,泡菜的口味、品质最佳。 葡萄糖 乳酸 3.泡菜的制作过程 5%~ 条状 蒜瓣、生姜及其他香辛料 八成 没过全部菜料 注满水 温度 20% 泡菜坛只能装八成满的原因: 1)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,会产生较多的CO₂,如果泡菜坛装得太满,发酵液可能会溢出坛外。 2)泡菜坛装得太满,会使盐水不太容易完全淹没菜料,从而导致坛内菜料变质腐烂。 3)泡菜坛留有一定的空间,也更方便拿取泡菜。 食盐的用量过高,乳酸发酵受抑制,泡菜风味差;用量过低,杂菌易繁殖,泡菜易变质。 杀死杂菌,排出氧气 隔绝空气,无氧环境 温度过高,杂菌滋生 温度过低,乳酸菌发酵慢 二、尝试制作传统发酵食品——制作泡菜 1.泡菜制作过程中,应选择无裂纹、无砂眼、坛沿深、盖子吻合好的泡菜坛;而且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。回答下列问题。 (1)制作泡菜过程中,要配制质量分数为5%~20%的盐水,请写出配制盐水时以下物质或操作的作用或目的。 ①盐的作用:_,所以盐含量过低会造成杂菌污染。 ②煮沸的目的:_。 ③冷却:_。 调味、抑制微生物生长 杀灭盐水中的微生物及除去盐水中氧气 是为了不影响乳酸菌等微生物的生命活动 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,分析下列问题。 (1)腌制泡菜时加入适量“陈泡菜水”,其中“陈泡菜水”所起的作用是什么? 提示:“陈泡菜水”中含有前一次发酵保存下来的乳酸菌,可以为泡菜发酵提供菌种,缩短发酵时间。 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,分析下列问题。 (2)据图分析,泡菜发酵时间是不是越长越好?为什么? 提示:不是。在一定时间范围内,泡菜发酵时间长,亚硝酸盐含量逐渐降低,但是发酵时间过长,可能会产生其他有害物质。 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,分析下列问题。 (3)该同学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? 提示:泡菜盐水浓度过高,乳酸菌会通过渗透作用失水,乳酸菌生长被抑制,制作的泡菜会“咸而不酸”。 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,分析下列问题。 (4)乳酸菌是厌氧细菌,发酵时需控制严格的无氧环境。尝试说出泡菜制作过程中制造无氧环境的措施。 提示:①选择气密性好的泡菜坛。②盐水煮沸后冷却待用。③装坛时压实,盐水没过全部菜料。④盖上坛盖后要在坛盖边沿的水槽中注满水;发酵期间不宜开盖,并注意在发酵过程中经常向水槽中补水。 泡菜腌制过程中乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐含量的变化 种类 时期 乳酸菌 乳酸 亚硝酸盐 发酵初期 少(有O2,乳酸菌活动受抑制) 少 增加(硝酸盐还原菌的作用) 发酵中期 最多(乳酸抑制其他菌活动) 积累、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) 发酵后期 减少(乳酸继续积累,pH继续下降,抑制其活动) 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) 含量变化曲线 注:亚硝酸盐是硝酸盐还原菌促进硝酸盐还原形成的。 二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋 1.菌种及发酵原理 果酒制作 果醋制作 菌种类型 _ _ 代谢特点 异养兼性厌氧型 _ 发酵温度 18~30 _ 气体 前期需氧,后期无氧 需要充足的氧气 发酵原理 无氧条件下: (1)O2、糖源充足: (2)糖源不足: 酵母菌 醋酸菌 异养需氧型 30~35 2.果酒、果醋的制作步骤 体积分数为70%的酒精 清水 枝梗和腐烂的籽粒 1/3 18~30 12 纱布 30~35 7~8 二、尝试制作传统发酵食品——制作果酒和果醋 减少杂菌的污染 不要反复冲洗,防止洗去野生酵母菌; 先冲洗再去枝梗,避免除去枝梗时引起葡萄破损,增加被杂菌污染的机会 让酵母菌先进行有氧呼吸耗尽O2(酵母菌增殖),再进行酒精发酵,同时防止发酵过程中产生的CO2使发酵液溢出 及时排出发酵过程中产生的CO2,防止发酵瓶爆裂 创造有氧环境 3.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 ①醋酸发酵时连接充气泵,输入无菌空气;②制果酒时关闭充气口 排气口 用来排出CO2 长而弯曲的胶管 防止空气中微生物的污染 出料口 便于取料,及时监测发酵进行的情况 4.结果分析与评价 项目 酒精发酵 醋酸发酵 气味和味道 酒味 酸味 气泡和泡沫 有 无(缺少糖源) 发酵液颜色 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 检验和检测 通过酸性重铬酸钾检验酒精 通过pH试纸检测发酵前后发酵液的pH变化 1.如图表示果酒和果醋制作的相关流程,请回答下列问题。 挑选葡萄 冲洗 榨汁 酒精发酵 乙酸发酵 果酒 果醋 (1)根据酵母菌和醋酸菌的代谢特点,分析它们在代谢过程中吸收和释放的气体。 提示:酵母菌属于兼性厌氧微生物,在有氧呼吸过程中需要氧气,在无氧呼吸过程中不需要氧气,但都能产生二氧化碳;醋酸菌是好氧细菌,在代谢过程中需要吸收氧气,糖源充足时产生二氧化碳,缺少糖源时不产生二氧化碳。 (2)在冲洗环节中能否反复冲洗?为什么? 提示:不能。防止过多地冲洗掉葡萄皮表面的野生酵母菌,影响发酵效果。 (3)为什么将葡萄汁装入发酵瓶时要留1/3的空间? 提示:先让酵母菌进行有氧呼吸快速繁殖,消耗完氧气后再进行酒精发酵;同时防止发酵过程中因为产生CO2造成发酵液溢出。 (4)制作葡萄酒的过程中,每隔12 h左右拧松瓶盖,目的是什么?能否打开瓶盖?为什么? 提示:拧松瓶盖的目的是放出CO2,防止发酵瓶爆裂。不能打开瓶盖。因为要避免杂菌污染发酵液。 (5)在制作果酒和果醋的过程中,发酵液分别有哪些变化?引起变化的原因是什么? 提示:在果酒的制作过程中,发酵液中会产生气泡,这是因为酵母菌无氧呼吸产生CO2;如果是用紫色葡萄制作果酒,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,这是醋酸菌的菌膜。 (6)在制作果醋的过程中,酵母菌是否还会继续发酵? 提示: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。 (7)醋酸菌从何而来?采用什么措施可以加快果醋的制作? 提示: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。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。 (8)在果酒和果醋的制作过程中,需要控制的条件有哪些不同? 提示:①温度不同。制作果酒和制作果醋所用的微生物不同,制作果酒利用的是酵母菌,温度应控制在18~30 ;制作果醋利用的是醋酸菌,温度应控制在30~35 。②气体条件不同。果酒制作时需先通气,后密封;果醋制作时需一直通气。 2.如图为果酒和果醋制作的实验装置图,据图分析回答下列相关问题。 (1)图中发酵瓶中葡萄汁的量是否恰当?为什么? 提示:不恰当。因为葡萄汁的量不能超过发酵瓶体积的2/3,而且不能淹没排气口。 (2)醋酸菌进行发酵时,无论是利用糖源还是酒精,甲都需要打开,请说明原因。 提示:醋酸菌是好氧细菌,在发酵过程中始终需要氧气,如果氧气中断则会引起醋酸菌死亡。 2.如图为果酒和果醋制作的实验装置图,据图分析回答下列相关问题。 (3)果酒发酵时甲、乙两管应处于关闭状态,但要适时排气,为什么? 提示:防止发酵装置爆裂。 (4)利用该装置制备果酒和果醋时,为什么只能先制备果酒再制备果醋,而不能先制备果醋再制备果酒? 提示:因为醋酸菌可以利用乙醇发酵产生乙酸,而酵母菌不能利用乙酸发酵产生乙醇。 果酒制作与果醋制作的比较 随堂小结 随堂小结 ~~~~~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 1.下列关于传统发酵技术的叙述,错误的是( ) A.传统发酵常常是固体发酵或者半固体发酵 B.传统发酵利用的微生物一般为天然存在的单一菌种 C.酱油、醋、泡菜等可通过传统发酵获得 D.传统发酵存在杂菌情况不明、过程控制缺乏标准等问题 解析:传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主,B错误。 B ~~~~~随堂练习~~~~~ 2.从开始制作到泡菜品质最佳这段时间内,泡菜逐渐变酸,乳酸菌与杂菌数量也发生变化,下列有关分析错误的是( ) A.泡菜制作初期就有乳酸菌的存在 B.密闭的发酵环境使乳酸菌在种间竞争中占据一定优势 C.在发酵过程中,乳酸含量逐渐增多,可以抑制其他微生物的生长 D.发酵过程中,杂菌数目的减少使乳酸菌与杂菌的种间竞争减弱,因此乳酸菌数量一直增多 D 解析:发酵后期由于乳酸大量积累,pH下降,抑制了乳酸菌的活性,乳酸菌数量减少,D错误。 3.如图A表示果酒和果醋制作的实验流程,图B是制果酒和果醋的发酵装置图。下列有关叙述不正确的是( ) A.图A中,①过程制作果酒时需 要挑选新鲜葡萄,用清水冲洗1~2 次后去除枝梗和腐烂的籽粒再榨汁 B.图B装置中果醋是在丙瓶产生的, 发酵的微生物利用的碳源主要是葡萄糖 C.图A中,与①过程相比,②过程需要在较高的温度条件下进行 D.图B装置有一个不足之处,即在甲瓶上没有设置排气口 答案:B 解析:图A中,①过程制作果酒时需 要挑选新鲜葡萄,用清水冲洗1~2 次后去除枝梗和腐烂的籽粒,沥干, 随后榨汁,A正确;图B装置中的乙 瓶通入空气,说明其是果醋的发酵装 置,即果醋是在乙瓶产生的,发酵的 微生物利用的碳源可能是甲瓶发酵产生的酒精,B错误;图A中,①过程表示果酒发酵,②和③过程都表示果醋发酵,酒精发酵的温度通常为18~30 ,醋酸发酵的温度通常为30~35 ,即与①过程相比,②过程需要在较高的温度条件下进行,C正确; 图B装置中的甲瓶是密封的,说明是果酒的发酵装置,酵母菌进行酒精发酵会产生CO2气体,而甲瓶上没有设置排气口,不利于将酒精发酵时产生的CO2定时排出,D正确。 4.关于果酒、果醋和泡菜这三种传统发酵产物的制作,下列叙述正确的是( ) A.发酵所利用的微生物都属于原核生物 B.发酵过程都在无氧条件下进行 C.发酵过程都在同一温度下进行 D.发酵都是放热过程 D 解析:参与果酒制作的微生物是酵母菌,属于真核生物,A错误;参与果醋制作的醋酸菌是好氧细菌,因此果醋发酵需要有氧条件,B错误;不同的发酵产物需要的温度不同,果醋发酵所需温度是30~35 ,而果酒发酵所需温度是18~30 ,C错误;发酵过程会进行细胞呼吸,细胞呼吸释放的能量多数以热能散失,故发酵都是放热过程,D正确。 5.猕猴桃果实肉肥多汁,营养丰富,由它制成的果酒和果醋富含多种氨基酸及维生素,颜色鲜亮,味道柔和,深受人们喜爱。如图是猕猴桃加工成果酒和果醋的简易制作流程图,回答下列问题。 (1)用猕猴桃酿制果酒时,不可过度清洗,原因是_。发酵液虽然未经过严格的灭菌处理,但杂菌却不能正常生长繁殖,这是由于果酒发酵的_等条件抑制了杂菌的生长。 (2)果酒制作过程中,酵母菌进行无氧呼吸产生酒精的场所是_,该阶段应该将温度控制在_。 (3)猕猴桃醋的发酵过程中,除去必需的营养物质外,还需要往发酵液中持续地通入_。除了题述方法外,还可利用猕猴桃汁和白砂糖直接制作果醋,其理论依据是_, 对应的化学反应简式为_。 避免猕猴桃表面的酵母菌大量流失 缺氧、酸性 细胞质基质 18~30 无菌空气 当O2、糖源都充足时,醋酸菌能将糖分解成乙酸 C6H12O6+2O2 2CH3COOH(乙酸)+2H2O+2CO2+能量 (4)如图表示果酒发酵过程中,发酵液的糖度(葡萄糖的质量分数)和酒精度(酒精的体积分数)随时间变化的关系。发酵前24 h,酒精度上升很慢,其原因是_。 此阶段酵母菌主要进行有氧呼吸,大量增殖 解析:(1)猕猴桃表面的酵母菌可以用来酿酒,若过度清洗,则会导致酵母菌大量流失;酵母菌在无氧环境下产生酒精和CO2,CO2溶于水呈酸性,缺氧、酸性的条件可以抑制杂菌的生长。 (2)酵母菌进行无氧呼吸的场所是细胞质基质;适宜的温度为18~ 30 。 (3)醋酸菌发酵产生醋酸,醋酸菌为好氧细菌,因此需要往发酵液中持续地通入无菌空气;当O2、糖源都充足时,醋酸菌能将糖分解成乙酸,因此还可利用猕猴桃汁和白砂糖直接制作果醋;反应式为C6H12O6+2O2 2CH3COOH(乙酸)+2H2O+2CO2+能量。 (4)发酵前24 h,此阶段酵母菌主要进行有氧呼吸,大量增殖,因此酒精度上升很慢。 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 C6H12O62C3H6O3(乳酸)+能量 C2H5OH+O2eq \o(―― ,\s\up14(酶))CH3COOH(乙酸)+H2O+能量 C6H12O6eq \o(―― ,\s\up14(酶))2C2H5OH(酒精)+2CO2+能量 C6H12O6+2O2eq \o(―― ,\s\up14(酶))2CH3COOH(乙酸)+2H2O+2CO2+能量 Lavf57.83.100 $$