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

1.0 发酵工程 选择性必修3 1.传统发酵技术的应用 2.微生物的培养技术及应用 3.发酵工程及其应用 产生发酵食品 (面包、酸奶、腐乳等) 工业化生产发酵产品 (啤酒、味精、胰岛素等) 需要什么微生物 如何培养微生物 如何分离微生物 什么是发酵工程 发酵工程的流程 发酵工程的应用 传统发酵技术 发酵工程 1.0 发酵工程 传统发酵技术 发酵工程 科技探索之路 从 到 约9 000年前 我国祖先采用固体 发酵法酿酒和其他食品 （不知发酵与微生物的联系） 1850年 法国巴斯德发现酒精发酵是由活的酵母菌引起的 (建立发酵与微生物的联系) 1897年 发现酶在酵母菌发酵中的作用，发酵生产不断完善 （清楚了发酵的本质） 20世纪40年代 抗生素发酵工业兴起 1957年 用微生物生产谷氨酸 人工诱变特定微生物 酶、多糖、维生素工业兴起 发酵工程进入定向育种的新阶段 20世纪70年代 20世纪80年代 对发酵过程进行综合研究 能够自动记录和发酵过程的全部参数 传统发酵技术 发酵工程 科技探索之路 从 到 4 1.1 传统发酵技术的应用-1 选择性必修3 1.什么是传统发酵技术 2.制作泡菜、果酒和果醋的原理是什么？ 从社会中来 “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? 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。 一、发酵与传统发酵技术 1.发酵 约9 000年前 1850年 法国巴斯德发现酒精发酵是由活的酵母菌引起的 开始了解发酵的本质 白酒一般以谷物为原料，加酒曲发酵而成 我国祖先采用固体发酵法酿酒和其他食品 提出问题 1.酒曲是什么？ 2.酿酒加酒曲的目的是什么？ 1.发酵 提出问题 1.酒曲是什么？ 2.酿酒加酒曲的目的是什么？ 1.在经过蒸煮的谷物中，移入曲霉，然后保温，谷物上便会茂盛地生长出菌丝，此即酒曲。 2. 酒曲中带有多种微生物，微生物所分泌的酶可以将谷物中的淀粉，蛋白质等转变成糖、氨基酸等，有利于酵母菌进行酒精发酵。 提出问题 3.酒精中除了酒精还有其他物质吗？ 还包括一些其他代谢物，如氨基酸、维生素等。 1.发酵 发酵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。 原料 人类所需产物 适宜的条件 微生物代谢 微生物代谢：有氧呼吸和无氧呼吸 人类所需产物：微生物代谢的某些产物 (复杂分子) (简单分子) (乙醇、乳酸、氨基酸、抗生素、酶制剂和CO2等) 2.传统发酵技术 [实例：腐乳的制作] 关于腐乳制作方法的传说故事 　　相传，清康熙八年(公元1669年)，安徽省一进京举子王致和，京考未中，为了生存和准备下一次的考试，便做起了卖豆腐的生意。一天，他发现没卖出的豆腐长了白毛，深感苦恼，但又舍不得丢弃，便将豆腐装入坛内，撒上许多盐腌了，然后密封起来。他继续苦读，到了秋末他才想起此事。打开坛子，一股臭味散发出来，豆腐也变成了青色。他试着尝了一块，没想到“闻着臭，吃着香”。街坊邻居们品尝后也很爱吃。于是，王致和开始专营臭豆腐和酱豆腐的生意。 10 [实例：腐乳的制作] 让豆腐上长出毛霉 ①制作流程 加盐 腌制 加卤汤 装瓶 密封 腌制 豆腐上生长的白毛是毛霉的白色菌丝 盐能防止杂菌污染,以避免豆腐的腐败 卤汤是由酒及各种香辛料配置而成, 抑制微生物的生长同时使腐乳有香味 11 [实例：腐乳的制作] ②原理 酵母、曲霉和毛霉等多种微生物 (毛霉起主要作用) 蛋白质 脂肪 小分子的肽 氨基酸 甘油 脂肪酸 + + 12 2.传统发酵技术 [定义] 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。 利用传统发酵技术制作的食品还有：酱、酱油、醋、泡菜和豆豉等 酱 酱油 醋 泡菜 豆豉 13 2.传统发酵技术 [特点] 混合菌种发酵 固体发酵及半固体发酵 家庭式或作坊式 [优点] 操作简单 传承文化 [缺点] 生产条件不易控制 容易受杂菌污染 生产效率低 14 总结：发酵与传统发酵技术 发酵 古代酿酒和发酵本质的发现 发酵的定义 传统发酵技术 实例：腐乳的制作 传统发酵技术的定义 传统发酵技术的特点 传统发酵技术的优缺点 知识拓展·微生物发酵的类型 发酵类型 发酵是否需要O2 培养基固态或液态 发酵是否连续 菌种是否单一 好氧发酵 厌氧发酵 固态发酵 半固态发酵 液态发酵 分批发酵 连续发酵 混合发酵 纯种发酵 1.好氧发酵与厌氧发酵 知识拓展·微生物发酵的类型 好氧 发酵 需要不断地为微生物提供空气或O2来保证好氧微生物进行有氧呼吸和正常生长。 氨基酸、抗生素、酶制剂和多数有机酸等的生产需要经历好氧发酵。 厌氧 发酵 在密封且无空气的发酵罐中进行发酵 乳酸、啤酒、葡萄酒、白酒、沼气等生产需要厌氧发酵 2.固体发酵、半固体发酵和液体发酵 知识拓展·微生物发酵的类型 固体 发酵 微生物在几乎没有可流动水的湿固体培养基上生长的发酵方式 酒曲、堆肥、青贮饲料的发酵(传统发酵),厌氧菌发酵居多 优点：污染环境少，耗能低； 缺点：发酵慢，难控制 液体 发酵 微生物在有完全流动性的液体中生长的发酵方式 现代工业发酵(发酵工程)，好氧菌发酵居多 适用面广、易于机械化和自动化生产 半固体 发酵 介于固体和液体发酵之间，其发酵的基质具有一定流动性 3.连续发酵和分批发酵 知识拓展·微生物发酵的类型 连续 发酵 以一定速度一边将新鲜的培养基添加到发酵罐内，一边将含有产物的培养液放出的发酵方式。 大规模生产乙醇、单细胞蛋白、食用酵母等 优点：缩短发酵周期，提高效率； 缺点：难控制、应用不广泛 分批 发酵 将所有物料一次性加入发酵罐中，然后灭菌、接种、培养，最后将整个罐的内容物放出，进行产物回收，清理罐体，重新开始新的装料发酵的发酵方式。 现代工业发酵常用 优点：操作简单，易于掌握，缺点：只能在有限时间内发酵 4.纯种发酵和混合发酵 知识拓展·微生物发酵的类型 混合 发酵 多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵 酒曲制作、酿酒、沼气发酵等传统发酵 优点：节约成本、获得独特产品； 缺点：难控制、应用不广泛 纯种 发酵 利用纯培养的单一菌株进行的发酵 现代工业发酵常用 优点：使传统发酵技术实现工业化生产 二、尝试制作传统发酵食品 1.原理 ①乳制品发酵、泡菜研制的原理 —— 乳酸菌发酵 C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+能量 酶 乳酸菌是将糖类通过发酵作用，其主要产物为乳酸的一类细菌的总称。 常见类型乳酸链球菌和乳酸杆菌。 ①乳制品发酵、泡菜研制的原理 —— 乳酸菌厌氧发酵 分类 原核生物 分布 在自然界分布广泛，空气、土壤、植物体表、人或动物肠道内部都有 代谢类型 异养厌氧型 最适生长温度 室温 乳酸菌 二、尝试制作传统发酵食品 1.原理 ②酿酒、制作馒头和面包的原理 —— 酵母菌厌氧发酵 C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+能量 酶 酵母菌是能发酵糖类的各种真菌的统称，包括酿酒酵母、假丝酵母、球拟酵母、红酵母等 ②酿酒、制作馒头和面包的原理 —— 酵母菌厌氧发酵 分类 真核生物 分布 分布广泛，在含糖量高的水果、蔬菜表面较多 代谢类型 异养兼性厌氧型 最适生长温度 酿酒酵母：28℃；野生酵母：18~30℃ 酵母菌 二、尝试制作传统发酵食品 1.原理 ③制作醋的原理 —— 醋酸菌好氧发酵 C6H12O6 + O2 2CH3COOH(醋酸)+2H2O+2CO2+能量 酶 C2H5OH + O2 CH3COOH(醋酸)+H2O+能量 酶 O2和糖源充足时 O2充足，糖缺少时 ③制作醋的原理 —— 醋酸菌好氧发酵 分类 原核生物 分布 分布广泛，在果园的土壤中、葡萄或酸败食物表面较多 代谢类型 异养兼好氧型 最适生长温度 30~35℃ 醋酸菌 C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+能量 酶 2O2 2CH3COOH(醋酸)+2H2O+能量 酶 + 酒精发酵：无氧，28℃ 醋酸发酵：有氧，30~35℃ 酒精发酵 → 醋酸发酵 选择性必修3 怎样制作泡菜？ 探究·实践 制作传统发酵食品 一、制作泡菜 1.实验原理 利用植物体表面天然的乳酸菌进行发酵 乳酸的质量百分比为0.4~0.8%时，泡菜口味、品质最佳。 C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+能量 酶 一、制作泡菜 2.材料用具 食盐 清水 新鲜蔬菜(萝卜、黄瓜、白菜、豇豆等) 蒜瓣 生姜 其他香辛料(花椒、辣椒等) 白酒 泡菜坛 一、制作泡菜 3.方法步骤 泡菜坛 清洗消毒 新鲜蔬 菜准备 蔬菜 装坛 放入 香辛料 倒入冷 却盐水 密封 腌制 配制 盐水 ① ③ ② ④ ⑤ ⑥ ⑦ 配制盐水 ① a.用清水和食盐配制质量分数为5%~20%的盐水，并将盐水煮沸，冷却待用。 b.也可以将花椒、辣椒等香辛料与盐水一起煮沸，冷却待用。 新鲜蔬菜准备 ② a.将新鲜蔬菜洗净 b.切成块状或条状 c.混合均匀后晾干 配制盐水 盐的作用 盐浓度过低 盐浓度过高 煮沸的目的 冷却的目的 调味，抑制微生物生长 会造成杂菌大量繁殖 口味不佳 杀菌和除氧 防止影响乳酸菌的生命活动 泡菜坛 清洗消毒 蔬菜 装坛 放入 香辛料 倒入冷 却盐水 密封 腌制 ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 洗净晾干，倒入白酒消毒，倒掉白酒后倒置备用 将准备好的蔬菜切条装入坛内，装至半坛 放入蒜瓣、生姜及其他香辛料，继续装入蔬菜切条至八成满。 将冷却盐水缓缓倒入坛中，使盐水没过全部菜料 向坛盖边沿的水槽中注满水，发酵过程中经常向水槽中补充水 泡菜坛清洗消毒 蔬菜装坛 放入香辛料 倒入冷却盐水 密封腌制 如果加一些已经腌制过的泡菜汁更好，相当于接种已经扩增的发酵菌，可减少腌制时间。 4.结果分析 ①用水密封泡菜坛的目的是什么？ 这说明泡菜制作需要什么条件？ 用水密封泡菜坛的目的是给泡菜坛内创造无氧环境，这说明泡菜制作需要在无氧条件下进行。 加水 4.结果分析 ②为什么泡菜坛只能装入八成满？ 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。 4.结果分析 ③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。 白膜 泡菜坛清洗消毒 蔬菜装坛 放入香辛料 倒入冷却盐水 密封腌制 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，它们进行异型乳酸发酵和微弱的酒精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。 异型乳酸发酵：指除生成乳酸外还生成CO2和乙醇或乙酸等物质的发酵途径。 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。 泡菜坛清洗消毒 蔬菜装坛 放入香辛料 倒入冷却盐水 密封腌制 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同型乳酸发酵，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。 同型乳酸发酵：发酵产物中只有乳酸的发酵途径。 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。 泡菜坛清洗消毒 蔬菜装坛 放入香辛料 倒入冷却盐水 密封腌制 发酵后期： 继续进行同型乳酸发酵，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。 泡菜坛清洗消毒 蔬菜装坛 放入香辛料 倒入冷却盐水 密封腌制 腌制过程中，要注意控制腌制的 时间、温度和食盐的用量。 温度过高、食盐用量不足10％、腌制时间过短，容易造成细菌大量繁殖，亚硝酸盐含量增加。一般在腌制10天后，亚硝酸盐的含量开始下降。 发酵 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(乳酸抑制其它菌活动) 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) 泡菜腌制过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化 5.进一步探究 泡菜腌制过程中会有亚硝酸盐产生，如果人体摄入过量亚硝酸盐，会发生中毒，甚至死亡。 膳食中的亚硝酸盐一般不会危害人体健康，但是，当人体摄入的亚硝酸盐总量达到0.3～0.5g时，会引起中毒，当摄入总量达到3g时，会引起死亡。 膳食中的绝大部分亚硝酸盐随尿排出，只有在特定的条件下(适宜的pH、温度和一定的微生物作用)才会转变成致癌物——亚硝胺，亚硝胺对动物还具有致畸和致突变作用。 在盐酸酸化条件下，亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮化反应后，再与N-1－萘基乙二胺盐酸盐结合生成玫瑰红溶液。将经过反应显色后的待测样品与标准液比色，即可计算出样品中的亚硝酸盐含量。 实验原理 亚硝酸钠标准显色液 比色法 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。 实验目的 酸化：对氨基苯磺酸溶于盐酸中 重氮化：亚硝酸盐+对氨基苯磺酸 重氮盐 酸 显色：重氮盐+ N-1－萘基乙二胺盐酸盐 比色：样品和标准比色液对比，估算亚硝酸盐含量 玫瑰红色 泡菜样品 实验原理 比色法 测定亚硝酸盐含量的操作 配置溶液 制备泡菜样 品处理液 比色 配制一系列标准液 选择性必修3 怎样制作果酒和果醋？ 02 尝试制作传统发酵食品 制作传统发酵食品—果酒和果醋 探究·实践 原理 材料 ①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。 酶 C6H12O6 →2C2H5OH（酒精）+2 CO2+能量 酶 ②在有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖。 C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量 在无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵。 洗洁精、体积分数70﹪的酒精、发酵瓶、纱布和榨汁机等 新鲜的水果（如葡萄、苹果、山楂和龙眼等） 49 果酒 果醋 02 尝试制作传统发酵食品 制作传统发酵食品—果酒和果醋 探究·实践 步骤 清洗后去梗 葡萄榨汁 装瓶 果酒发酵 果醋发酵 开盖+纱布 18~30℃发酵10~12d 葡萄汁装入发酵瓶(留1/3空间) 30~35℃发酵7~8d 每12h瓶盖拧松一次再拧紧，从瓶口取样检测发酵情况 清水缓冲，次数不宜太多 葡萄 50 02 尝试制作传统发酵食品 51 果酒 果醋 02 尝试制作传统发酵食品 制作传统发酵食品—果酒和果醋 探究·实践 步骤 清洗后去梗 葡萄榨汁 装瓶 果酒发酵 果醋发酵 开盖+纱布 18~30℃发酵10~12d 葡萄汁装入发酵瓶(留1/3空间) 30~35℃发酵7~8d 每12h瓶盖拧松一次再拧紧，从瓶口取样检测发酵情况 讨论1.用清水冲洗的主要目的是什么？冲洗次数不宜太多，为什么？ 清水缓冲，次数不宜太多 避免冲洗掉附着在葡萄皮上的野生酵母菌 目的是洗去杂质 葡萄 讨论2.为什么先冲洗葡萄再除去枝梗？ 避免除去枝梗时引起葡萄破损，增加被杂菌污染的机会 52 02 尝试制作传统发酵食品 制作传统发酵食品—果酒和果醋 探究·实践 讨论3.在制作果酒和果醋的过程中，发酵液分别有哪些变化？原因是什么？ 发酵 酒精发酵 醋酸发酵 气味和味道 酒味 酸味（嗅味和品尝） 气泡和泡沫 有气泡和泡沫 无气泡和泡沫 发酵液颜色 混浊 混浊，液面形成白色菌膜 讨论4.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 乳酸菌可能分解果酒中的有机物，使其变质。可通过调节发酵的温度、果酒的pH等来控制乳酸菌的含量。而且醋酸菌在有氧的条件下会将乙醇转化为醋酸，从而影响果酒发酵，在果酒制作的过程中尽量减少O2含量，从而抑制醋酸菌的繁殖。也可以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。 53 02 尝试制作传统发酵食品 制作传统发酵食品—果酒和果醋 探究·实践 讨论5.在果酒发酵阶段为什么每隔12h拧松瓶盖一次？拧松瓶盖后再将瓶盖拧紧，原因是什么？ 在果酒发酵过程中产生CO2 ，防止瓶内气压过高引起爆裂。 防止进入O2，影响酒精发酵；防止杂菌进入污染发酵液 讨论6.在制作果醋过程中，酵母菌是否会继续发酵？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。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。我们制作果酷时,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)，用这层海膜进行接种可以明显缩短制作果醋的时间。 54 02 尝试制作传统发酵食品 小积累 果酒和果醋改进装置及其分析 充气口 出料口 在乙酸发酵时连接充气泵进行充气 用来取样 排出酒精发酵时产生的CO2；与排气管相连的长而弯曲的胶管，可有效地阻止空气中的微生物的进入，避免感染 排气口 装置使用： ①酒精发酵时，充气口关闭；排气口排除二氧化碳。 ②乙酸发酵时，充气口连接气泵，输入氧气。 55 （拓展应用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同学用了没有盖的塑料瓶，在发酵过程中无盖的瓶口直由捆绑在瓶口的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？你还能继续改进这种装置吗? C同学设计的发酵装置示意图排气 充气口 排气口 出料口 C同学的装置更适合制作果醋。出料口可以用来取样；充气口可以在发酵时连接充气系进行充气，从而有利于醋酸菌更好地进行有氧呼吸，提高发酵效率；排气口可以用来排出在发酵过程中产生的气体，它通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，其目的是防止空气中微生物的污染。 进一步改进:可以在充气口填充棉花或者安装其他过滤装置,以防止充人的气体携带外来杂菌污染发酵液等。 02 尝试制作传统发酵食品 56 03 课后习题 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 57 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.58(gap_fixed:False) $$