发酵工程为人类提供多样的生物产品（教学课件）高二生物（浙科版2019选择性必修3）

第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第一节体液调节是通过化学信号实现的调节第一章发酵工程第二节神经系统通过下丘脑控制内分泌系统第二节神经系统通过下丘脑控制内分泌系统第三节发酵工程为人类提供多样的生物产品目

录传统发酵技术概况利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋利用乳酸菌发酵制作泡菜

发酵工程生产人类所需产品发酵工程的应用一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的1.传统发酵技术定义：在自然接种和混菌培养条件下，利用有益微生物酿造自己喜爱的风味食品、饮料和调味品的技术。最早制成的发酵饮料蒸馏取酒：利用酒精的沸点（78.5℃）和水的沸点（100℃）不同酱油由“酱”演变而来。中国是世界上最早制造和食用酱的国家，早在西周时期就已经出现了使用肉类、鱼类发酵而成的“醢”裂殖酵母菌：只是对进行出芽生殖或裂殖的真核生物、单细胞微生物的统称出芽生殖一、某些食品、饮料及调味品是运用传统发酵技术生产的1.1．传统发酵技术统发酵技术微生物种类：主要是霉菌、酵母菌和乳酸菌等。不同发酵食品所需要的菌种不同。酵母菌、乳酸菌不是某种特定的微生物，是一类微生物的统称。乳酸菌则是对能够发酵糖类产生乳酸的一类革兰氏阳性细菌的统称，阳性：紫色阴性：红色乳酸菌则是对能够发酵糖类产生乳酸的一类革兰氏阳性细菌的统称，外膜现代工程发酵产品传统发酵技术产品2.酿制常见的发酵食品、饮料和调味品的原料及菌种3.发酵食品的不同风味是多种因素造成的①

不同微生物所形成的代谢产物不同②

同种微生物在不同环境条件下进行的代谢活动，代谢产物不同原因：酶不同直接根本？关注菌株遗传性差异造成发酵产品的风味不同菌种：用于发酵，研究的微生物(不是分类学上的基本单位)

可以分为酵母菌、霉菌、细菌、放线菌四类。菌株：一种微生物的每一个不同来源的纯培养物均可称为该菌种的一个菌株。3.发酵食品的不同风味是多种因素造成的①

不同微生物所形成的代谢产物不同②

同种微生物在不同环境条件下进行的代谢活动，代谢产物不同菌种、原料、水质和发酵条件原因：酶不同混菌发酵直接③

不同微生物之间相互作用，影响风味互利、竞争混菌发酵举例：1.酸奶发酵过程中的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的特定菌株之间就存在互利的关系，保加利亚乳杆菌代谢产生的小肽和氨基酸可促进嗜热链球菌的生长，而嗜热链球菌代谢产生的甲酸和二氧化碳可刺激保加利亚乳杆菌的生长。2.乳酸菌在糯米酒发酵过程中产生的乳酸与酵母菌发酵产生的酒精发生反应生成酯类，同时乳酸菌代谢过程中产生乙醛和双乙酰，它们都与糯米酒特殊的风味有关。1.使用酵母制作馒头属于传统发酵技术吗？思考辨析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。不属于2.为什么含有抗生素的牛奶不能发酵成酸奶？酸奶的制作依靠的是乳酸菌的发酵作用。抗生素能够杀死或抑制乳酸菌的生长，因此含有抗生素的牛奶不能发酵成酸奶。可见，传统发酵菌种中微生物的种类、代谢特点、种间关系等，都是造成不同发酵制品的风味和营养物质有差异的原因。二.活动:体验传统发酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋

（一）实验原理1、果酒制作——酵母菌（真菌）①有氧：需氧呼吸，大量繁殖②无氧：酒精发酵（1）代谢类型：异养兼性厌氧型C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量酶C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量酶更多反应底物，提高酒精的含量两个矿泉水瓶适当添加白糖（一）实验原理1、果酒制作——酵母菌（2）来源传统发酵：附着在葡萄皮上的野生型酵母菌（3）影响酒精发酵的主要环境条件：工业化生产：先消毒灭菌，再接入菌种（新鲜酵母或干酵母）温度、氧气和pH25-30℃高锰酸钾溶液浸泡①若氧气、糖源充足时，醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸。②若缺少糖源，醋酸菌将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。（一）实验原理2、果醋制作——醋酸菌（细菌）（1）代谢类型：异养需氧型C6H12O6+2O2

→2CH3COOH(醋酸)+2CO2+2H2O+能量酶酶C2H5OH

+O2

→CH3COOH(醋酸)+H2O+能量酵母菌醋酸菌生物学分类代谢类型最适生长温度生产应用酵母菌和

醋酸菌真菌（真核生物）细菌（原核生物）异养兼性厌氧型异养需氧型25-30℃30-35℃酿酒制醋在发酵过程中，每隔12h左右将瓶盖拧松一次（注意，不是打开瓶盖），以放出CO2，此后再将瓶盖拧紧。注意：不能用不能自动排气的玻璃瓶作为发酵容器，以免发酵产生的大量气体使瓶子炸裂，造成危险。（二）材料用具

1.制备发酵装置及处理材料。

（1）制备装置。在矿泉水瓶盖上戳一个小洞，将可弯折吸管的短臂插入小洞，再用凡士林密封吸管与小洞的连接处。待装入葡萄、盖好盖子后，再将吸管长臂插入水中阻止氧气进入。①防止O2进入②防止空气中的杂菌污染③排出CO2，平衡发酵罐内压强（三）方法步骤a.让酵母菌进行有氧呼吸，快速繁殖；b.防止发酵过程中产生的CO2造成发酵液溢出1号2号

1.制备发酵装置及处理材料。

（2）处理材料。将葡萄用清水洗净、晾干后，连皮挤碎后分别放入编号为1、2的两个矿泉水瓶中。所放入的葡萄体积不要超过矿泉水瓶1/2。（三）方法步骤先清洗还是先摘梗？２.葡萄酒发酵。①1号矿泉水瓶中加用温水调匀后的干酵母；2号矿泉水瓶中不加干酵母②盖好盖子后，将吸管长臂插入水中以阻止氧气进入。③在25℃左右的环境中发酵。活化酵母菌，使其能迅速发挥作用形成对照标志着酒精发酵的速率发酵开始，微生物需氧呼吸消耗氧气，产生二氧化碳，二氧化碳溶于水，使瓶内气压减小，因此发酵瓶内可能出现负压，无气泡产生⑤保存：7-10天后，待不再有气体产生，停止发酵。用小刀在矿泉水瓶壁(液面之上)戳—小洞，将瓶中的上清液倒入相同编号的另一干净矿泉水瓶中，置于冰箱４℃冷藏室中静置保存。④观测指标：每天定时观察矿泉水瓶内葡萄的变化以及吸管长臂排出气泡的速度。发酵瓶内为什么会出现负压?应如何处理？若3天后还没有气泡冒出，必须加入更多酵母，使发酵尽快发生。停止发酵的标志？重铬酸钾酸性条件下，重铬酸钾与酒精反应呈灰绿色思考：除书本指标外，还可如何检测果酒的发酵情况？提示：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）3.葡萄醋发酵。最适发酵温度：30—35℃（比果酒发酵高）果酒发酵和果醋发酵中最关键的不同处理?观测指标①氧气环境②温度锯末+通气灭菌的锯末（增加通气性）+通无菌空气原因：果醋中的醋酸是从酒精转化而成的醋酸菌来自空气中制备装置冲洗沥干装瓶酒精发酵挑选葡萄醋酸发酵果酒果醋产物检测：闻气味，酸性条件下重铬酸钾由橙色变为灰绿色。产物检测：酸碱指示剂（ph试纸）闻气味。1号矿泉水瓶加入葡萄+白糖+干酵母（温水调匀）2号矿泉水瓶加入葡萄+白糖注意：所放入的葡萄体积不要超过矿泉水瓶体积的1/2待不再有气体产生时，停止发酵（三）方法步骤2、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？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。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白色薄膜（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。1、制作果醋时，为什么选取酒味较重的一瓶通入空气？因为果醋中的醋酸是从酒精转化而成的。思考：果酒发酵与果醋发酵的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（无菌）空气关闭打开，并接入气泵排出CO2打开打开便于取样监测关闭关闭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传统的葡萄酒酿造采用自然发酵，菌种主要是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌空气中的野生型醋酸菌或购买醋酸菌的菌种或从食醋中分离醋酸菌发酵原理①

在有氧条件下：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量②

在无氧条件下C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量①

氧气、糖源都充足时：C6H12O6+2O22CH3COOH+2CO2+2H2O+能量

②

缺少糖源时C2H5OH+O2CH3COOH+H2O+能量发酵条件温度一般控制在18～30℃30～35℃时间10～12d7～8d氧气初期需氧，后期不需氧始终需要氧pH最适pH为4.5～5.0最适pH为5.4～6.0酶酶酶酶1.菌种乳酸菌（2）来源附生在蔬菜表面（1）代谢类型异养（厌氧、兼性厌氧、微好氧）型（3）种类植物乳杆菌、短乳杆菌、明串珠菌（原核生物）（4）分布

空气，土壤，植物体表，动物的肠道C6H12O6→2C3H6O3+能量酶（一）实验原理三.活动:体验传统发酵——利用乳酸菌发酵制作泡菜

（2）添加的调味品，如花椒、八角等。（3）白酒。（4）盐水（94ml冷开水与6g盐配制）（1）各种新鲜蔬菜均可，一般用白菜、洋白菜、黄瓜、白萝卜等。（二）材料用具作用：抑制泡菜表面杂菌生长，调味剂增加醇香作用：灭菌。渗出蔬菜中水分，调味。注意：盐含量过多，抑制乳酸菌自身繁殖；过少，杂菌滋生繁殖（三）方法步骤选择原料修整、洗涤、晾晒、切分成条状或片状称取食盐配制盐水泡菜盐水加入调味料，装坛发酵成品火候好,无裂纹,无砂眼,坛沿深,盖子吻合好1.处理材料

①各种菜洗净并切成3～4cm长的小块。使乳酸菌更易获得营养物质进行发酵（三）方法步骤②将泡菜坛洗净，并用热水洗坛内壁两次。减少杂菌污染将蔬菜在开水中浸1min后入坛可加快发酵速度：细胞破裂，营养物质外流使乳酸菌快速地获得营养物质，也可抑制某些微生物产生果胶酶，从而使成品泡菜口感较脆。1.处理材料

防止外界空气进入如何缩短腌制时间？（三）方法步骤①配制盐水（盐+冷开水）②将各种蔬菜、盐水、糖及调味品放入坛，混合均匀。③将盐水加入坛中，基本装满泡菜坛。④将坛口用水封好⑤腌制1周左右即可开坛食用，可不断取用。2.腌制泡菜①减少杂菌污染②除去水中的氧③避免过烫使发酵菌死亡加入陈泡菜汁可以缩短腌制时间（发酵菌）作用：用水封闭坛口可以保证坛外空气中的氧气不能进入，坛内产生的少量气体可随时排出。同时坛口加满水造成无氧环境，也为乳酸菌进行乳酸发酵创造了条件。如果有氧气进入，则会有许多需氧型细菌生长，蔬菜会腐烂。发酵中期：由于前期乳酸的积累和缺氧状态的形成，______________菌的活动受抑制，乳酸杆菌开始活跃，并产生大量乳酸，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。这一期为完全成熟阶段，泡菜有酸味且清香品质最好。发酵后期：继续进行乳酸发酵，乳酸积累达1.2％以上时，乳酸杆菌的活性受到抑制，发酵速度逐渐变缓甚至停止。此阶段泡菜酸度过高、风味已不协调。泡菜腌制过程中微生物呼吸情况发酵前期：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。此时泡菜液的含酸量约为0.3%～0.4%，是泡菜初熟阶段，其菜质咸而不酸、有生。不耐酸、需氧在泡菜腌制过程中,泡菜坛中冒出气体说明什么?

蔬菜上存在酵母菌,气泡是酵母菌等微生物进行细胞呼吸产生CO2形成的。亚硝酸盐含量1号坛2号坛3号坛1月4日（封坛前）0.15

0.15

0.15

1月8日（第5天）0.600.200.801月12日（第9天）0.200.100.601月15日（第12天）0.100.050.201月19日（第21天）0.100.050.20

我国卫生标准规定亚硝酸盐的残留量:在肉制品中不得超过30mg/kg，在酱菜中不超过20mg/kg，而婴儿奶粉中不得超过2mg/kg。较多亚硝酸盐具致癌作用危害身体健康，所以不宜多吃。

腌制过程中,要注意控制时间、温度和食盐用量,防止杂菌的大量繁殖和亚硝酸盐含量过高亚硝酸盐的来源和去向：泡菜腌制过程中亚硝酸盐的含量的变化：先增加后减少使硝酸盐还原为亚硝酸盐的微生物不适于在什么环境中生存？来源：（1）蔬菜中含极微量的亚硝酸盐（2）腌制过程中，硝酸盐还原菌使硝酸盐还原为亚硝酸盐去向：（1）泡菜中的酚类物质与维生素C将亚硝酸盐氧化成硝酸盐（1）腌制初期：泡菜坛内环境有利于一些硝酸盐还原菌繁殖，这些细菌可以促进硝酸盐还原为亚硝酸盐。（2）随着腌制时间的延长，乳酸细菌也大量繁殖，对硝酸盐还原菌产生一定的抑制作用，使其生长繁殖受到影响，造成泡菜中亚硝酸盐的含量有所下降。无氧、酸性泡菜腌制过程中，乳酸菌、乳酸和亚硝酸盐的变化例题.回答下列有关泡菜制作的问题。(1)制作泡菜时,所用水要煮沸,其目的是

。为了缩短制作时间,有人还会在盐水中加入少量陈泡菜液,加入陈泡菜液的目的是

。

(2)泡菜制作过程中,乳酸发酵过程即乳酸菌进行

的过程。该过程发生在乳酸菌的

中。

(3)泡菜制作过程中影响亚硝酸盐含量的因素有

、

和

等。

(4)从开始制作到泡菜质量最佳这段时间内,泡菜液逐渐变酸,这段时间内泡菜坛中乳酸菌和其他杂菌的消长规律是

,原因是

。

腌制时间食盐用量乳酸菌数量增多,杂菌数量减少乳酸菌比杂菌更耐酸杀灭水中的微生物并除去水中氧气增加乳酸菌的数量厌氧呼吸细胞溶胶温度思考：泡菜发酵过程中，会产生多种酸，其中主要是乳酸，还有少量的亚硝酸。若发酵后期密封不当，将会促使________菌繁殖而导致产品的酸度过大。醋酸菌种名称生物分类代谢类型适宜温度繁殖方式发酵对氧的需求乳酸菌酵母菌醋酸菌真核生物异养

兼性厌氧出芽生殖

前期需氧，

后期不需氧原核生物异养需氧30—35℃二分裂一直需氧原核生物异养厌氧二分裂密闭不需氧三种微生物繁殖方式和代谢特点18—25℃18—20℃四、发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能,工业化生产人类所需产品传统的固体表面培养→→工业液体深层培养通无菌空气+机械搅拌现代发酵工业：好氧、液体、深层、分批、单一纯种发酵（一）发酵工程的基本环节1.获得菌种2.配制培养基3.4.满足大规模生产的需要（一）发酵工程的基本环节思考1：优质菌种要满足哪些要求？思考2：如何获得优质菌种？①自然界筛选②诱变育种③转基因技术减少菌种的传代次数能减少菌种发生自发突变的概率。1.获得菌种(1)应选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，需要的产物多，不需要的产物少。(2)培养基来源充足且廉价，被转化的效率高。(3)菌种发酵产物易于分离。(4)菌种对环境没有明显或潜在的危害。(5)菌种的遗传特性和生产能力稳定。选育高产、优质的菌种是发酵工业的前提条件扩大培养：将菌种扩大培养，才能满足大规模生产的需要。可以缩短菌种在发酵罐中发酵的时间（获得更多菌种）。2.配制培养基（一）发酵工程的基本环节①结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基；

②在生产实践中，培养基的配方要经过反复实验才能确定（即不断优化培养基）③发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低，所以培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。（一）发酵工程的基本环节

菌种在不同的发酵阶段，要求环境条件是不同的。通过控制冷水流速调节罐温

控制发酵过程是保证发酵生产高效顺利进行的重要措施营养供给3.发酵如何监测温度变化又如何调节？还有哪些条件会影响发酵产物？温度、PH、溶解氧、营养供给离心萃取如单细胞蛋白等4.如果发酵产品是微生物细胞（菌体）本身，分离方法：如果发酵产品是代谢物，分离方法：过滤、沉淀、离心真空发酵、吸附发酵、萃取发酵吸附发酵真空发酵是对发酵灌减压，使易挥发的发酵产物从发酵液中分离出来的技术（例：酒精---蒸馏）吸附发酵在发酵过程中加入对发酵产物具有特异性或非特异性吸附作用的吸附剂，从而使发酵产物从发酵液中分离出来的技术。（例：离子交换树脂分离乳酸、醋酸）萃取发酵：当两种水溶性高分子聚合物在同一水溶液中各自达到一定浓度后，会互不相溶形成两相系统（例：双水相萃取a-淀粉酶，同时分离淀粉酶）

归纳：发酵工程的影响因素及相应的调节和控制方法(1)温度微生物分解有机物释放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵温度升高;机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。调节和控制培养液温度的方法:用冷却水进行温度的调节。(2)pHpH发生变化的主要原因是培养基中酸碱营养成分的消耗不均等和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时,培养液的pH就会下降;而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升。调节和控制培养液pH的方法:在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或碱。(3)溶解氧对于需氧型微生物,发酵过程要保证充足的溶解氧;对于厌氧型微生物,要保证严格的无氧环境。调节和控制溶解氧的方法:利用发酵罐的通气口控制氧气的量。（通入无菌空气）（4）．泡沫(1)通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。(2)过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常。(3)常用的消除泡沫的措施有两类：一类是安装消除泡沫的挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用除泡沫剂。（5）．营养物质的浓度发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。通过加入培养物或营养物以及控制叶轮的搅拌速度。1.在食品工业上的应用生产各种各样的食品添加剂。

食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。许多食品添加剂都通过发酵工程生产。添加剂类型举例酸度调节剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂5'-肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂β-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、β-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶五、发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值

1.在食品工业上的应用生产各种各样的食品添加剂。添加剂类型举例酸度调节剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂5'-肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂β-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、β-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶实例：①柠檬酸是一种