第47講傳統發酵技術的應用與發酵工程【課標要求】1.舉例說明日常生活中的某些食品是運用傳統發酵技術生產的。2.闡明發酵工程利用現代工程技術及微生物的特定功能，工業化生產人類所需產品。3.舉例說明發酵工程在醫藥、食品及其他工農業生產上有重要的應用價值。考點一傳統發酵技術的應用1．發酵與傳統發酵技術(1)發酵：人們利用微生物，在適宜的條件下，將原料通過微生物的代謝轉化為人類__________的產物的過程。(2)傳統發酵技術：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發酵保存下來的面團、鹵汁等發酵物中的微生物進行____________、制作食品的技術。2．制作泡菜(1)作用菌類：植物體表面天然的乳酸菌。(2)原理：在無氧條件下，乳酸菌將葡萄糖分解成____________。反應簡式為C6H12O6eq\o(→,\s\up7(酶))2C3H6O3(乳酸)＋能量。(3)方法步驟。[易錯提醒]營造無氧環境的3項措施：選擇的泡菜壇密封性要好；加入蔬菜后要注入煮沸冷卻的鹽水，使鹽水沒過全部菜料；蓋上壇蓋后要在壇蓋邊沿的水槽中注滿水。3．制作果酒和果醋(以葡萄酒和葡萄醋為例)(1)原理。(2)方法步驟。[易錯提醒]果酒、果醋制作時防止雜菌污染的4項措施：榨汁機要洗凈并晾干，發酵瓶要清洗干凈，并用體積分數為70%的酒精消毒；清洗葡萄時要先沖洗后再除去枝梗，以避免除去枝梗時引起葡萄破損，增加被雜菌污染的機會；裝入葡萄汁后要封閉發酵裝置的充氣口；發酵瓶的排氣管用曲頸管而不用直管。若用簡易的發酵裝置，每隔一定時間排氣時只需擰松瓶蓋，不要完全揭開瓶蓋。[答案自填]1.(1)所需要(2)發酵2.(2)乳酸(3)冷卻無氧3.(1)無氧乙酸乙醇(2)18～3030～35[教材命題點思考]1．制作泡菜時，所用鹽水需煮沸，其目的是____________。為了縮短制作時間，有人還會在冷卻后的鹽水中加入少量陳泡菜液，加入陳泡菜液的作用是________________________________________。提示：殺滅雜菌增加乳酸菌數量2．制作面包時，為使面包松軟通常要在面粉中添加一定量的酵母菌，酵母菌引起面包松軟的原因是_____________________________________________。提示：酵母菌分解葡萄糖會產生CO2，CO2遇熱膨脹形成小孔，使面包松軟3．分離純化乳酸菌時，首先需要用__________對泡菜濾液進行梯度稀釋，進行梯度稀釋的理由是____________________________。提示：無菌水泡菜濾液中菌的濃度高，直接培養很難分離得到單菌落[模型命題點思考]4．在溫度等適宜的條件下，甲、乙、丙三個制作果酒的發酵瓶正在進行著發酵，如下圖所示。發酵過程中，每隔一段時間均需排氣一次。據圖回答下列問題。注：各發酵瓶的左側管為充氣管，右側管為排氣管。(1)圖中發酵瓶甲、丙的錯誤分別是什么？分別會導致發酵中出現的主要異常現象是什么？(2)在上述制作葡萄酒的過程中，假設乙發酵瓶的某一步驟操作錯誤導致發酵瓶塞被沖開，該錯誤操作是什么？提示：(1)甲發酵瓶未夾住充氣管，酵母菌呼吸作用產生的乙醇被氧化成乙酸，所以現象是發酵液從充氣管流出，發酵液變酸；丙發酵瓶中發酵液過多，發酵過程中會淹沒排氣管在瓶內的管口，這樣發酵液會從排氣管流出。(2)未及時排氣。1．果酒和果醋發酵改進裝置及其分析2．泡菜發酵過程中乳酸菌、乳酸和亞硝酸鹽含量的變化考向1泡菜的制作1．(2023·湛江二模)在《詩經》中有“中田有廬，疆埸有瓜。是剝是菹，獻之皇祖”的描述，據東漢許慎《說文解字》解釋，“菹菜者，酸菜也”，由此可見，我國制作酸菜的歷史頗為悠久。下列有關酸菜制作的敘述，錯誤的是()A．為降低雜菌污染，發酵前需要對器具進行消毒B．制作酸菜初期，酸菜壇中的氧氣有利于乳酸菌的繁殖C．制作酸菜利用了植物體表面的乳酸菌來進行發酵D．酸菜壇中的亞硝酸鹽會隨著發酵時間的延長，先增加后減少解析：選B。為防止雜菌污染，需要對發酵設備進行嚴格的消毒，A項正確；乳酸菌是厭氧微生物，制作酸菜時需隔絕空氣，酸菜壇中的氧氣不利于乳酸菌的繁殖，B項錯誤；制作酸菜的菌種來自植物體表面的天然的乳酸菌，C項正確；酸菜壇中的亞硝酸鹽的含量會隨著發酵時間的延長，先增加后減少，D項正確。2．有關泡菜中亞硝酸鹽含量的研究表明，亞硝酸鹽的含量高低和亞硝酸鹽含量峰值時間的早晚與食鹽的濃度有關(如下圖)，下列有關敘述錯誤的是()A．食鹽的濃度越高，亞硝酸鹽生成越快，亞硝酸鹽含量峰值出現得越早B．取食泡菜時，夾取的時間不宜過長，防止空氣進入C．臭味的產生可能與取食過程中帶入壇內的油脂類物質有關D．所用的食鹽水經煮沸后可除去水中的氧氣并殺滅雜菌解析：選A。從題圖中可以看出，亞硝酸鹽含量上升最快的曲線是食鹽濃度為5%時，其峰值出現最早，當食鹽濃度上升到7%時，亞硝酸鹽含量上升相對較慢，A項錯誤。考向2果酒、果醋的制作3．(2022·湖北選擇考)關于白酒、啤酒和果酒的生產，下列敘述錯誤的是()A．在白酒、啤酒和果酒的發酵初期需要提供一定的氧氣B.白酒、啤酒和果酒釀制的過程也是微生物生長繁殖的過程C.葡萄糖轉化為乙醇所需的酶既存在于細胞質基質，也存在于線粒體D．生產白酒、啤酒和果酒的原材料不同，但發酵過程中起主要作用的都是酵母菌解析：選C。生產白酒、啤酒、果酒的原材料不同，但發酵的主要菌種都是酵母菌，發酵初期需要提供一定的氧氣以促進酵母菌的有氧呼吸，從而促進其大量生長繁殖，A項、B項、D項正確；葡萄糖轉化為乙醇的場所是細胞質基質，因此該反應所需的酶只存在于細胞質基質中，C項錯誤。4．(2023·大灣區高三二模)如圖裝置既可用于制作葡萄酒，也可用于制作葡萄醋。下列關于該裝置的分析，正確的是()A．可使用同一菌種制作葡萄酒和葡萄醋B．制作葡萄酒時要持續關閉閥a和閥bC．制作葡萄醋時要持續打開閥a和閥bD．增加菌種接種量可提高葡萄醋的產量解析：選C。制作葡萄酒的菌種為酵母菌，制作葡萄醋的菌種為醋酸菌，A項錯誤；利用該裝置制作葡萄酒時，由于利用的是酵母菌的無氧呼吸，故需保持無氧環境，操作時應一直關閉閥a，發酵過程中會產生二氧化碳，還需要適時打開閥b，排出二氧化碳，B項錯誤；葡萄醋發酵利用的是醋酸菌，醋酸菌是好氧細菌，發酵過程中需要提供有氧環境，此時閥a、閥b要持續打開，C項正確；增加菌種接種量能加快發酵速度，但不能提高葡萄醋的產量，D項錯誤。考點二發酵工程及其應用[學生用書P332]1．發酵工程基本環節2．發酵工程的應用(1)食品工業。①生產傳統的發酵產品，如啤酒等。②生產各種各樣的食品添加劑、酶制劑，如味精、α-淀粉酶等。(2)醫藥工業：如生產抗生素、激素、免疫調節劑等。(3)農牧業。①生產微生物肥料：利用了微生物在代謝過程中產生的____________________________等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。②生產微生物農藥：利用______________________來防治病蟲害。③生產微生物飼料：通過發酵獲得大量的________________，即單細胞蛋白，可以作為食品添加劑，也可用于制成微生物飼料。(4)其他方面。①利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質。②____________________可以用來生產洗滌劑，__________________有助于提高熱敏性產品的產量。[答案自填]1.營養協調pH適宜碳源氮源防止雜菌污染環境條件穩定、溫和基因工程育種2.(3)①有機酸、生物活性物質②微生物或其代謝物③微生物菌體(4)②嗜熱菌、嗜鹽菌嗜低溫菌1．(2023·佛山二模)與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提高。發酵工程的基本環節如下圖所示，下列敘述錯誤的是()A．若能生產人生長激素的工程菌是通過①培育的，①應為誘變育種B．菌種在發酵罐內發酵是整個過程的中心環節C．環境條件會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物代謝物的形成D．⑥⑦過程中對發酵產品分離、提純要根據產品類型選擇合適的方法解析：選A。若能生產人生長激素的工程菌是通過①培育的，①應為基因工程育種，A項錯誤。發酵工程中菌種在發酵罐內發酵是整個過程的中心環節，B項正確。在發酵過程中，要隨時檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等，還要及時添加必需的營養組分，嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件，環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物代謝物的形成，C項正確。如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品；如果產品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品，故⑥⑦過程中對發酵產品分離、提純要根據產品類型選擇合適的方法，D項正確。2．(2021·廣東選擇考)我國科學家運用合成生物學方法構建了一株嗜鹽單胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的廢棄液，含較多蔗糖)為原料，在實驗室發酵生產PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整體利用價值。工藝流程如下圖所示。回答下列問題：(1)為提高菌株H對蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液體培養基中將蔗糖作為________，并不斷提高其濃度，經多次傳代培養(指培養一段時間后，將部分培養物轉入新配的培養基中繼續培養)以獲得目標菌株。培養過程中定期取樣并用________的方法進行菌落計數，評估菌株增殖狀況。此外，選育優良菌株的方法還有________________________________________等(答出2種方法即可)。(2)基于菌株H嗜鹽、酸堿耐受能力強等特性，研究人員設計了一種不需要滅菌的發酵系統，其培養基鹽濃度設為60g/L，pH為10，菌株H可正常持續發酵60d以上。該系統不需要滅菌的原因是_____________________________(答出2點即可)。(3)研究人員在工廠進行擴大培養，在適宜的營養物濃度、溫度、pH條件下發酵，結果發現發酵液中菌株H細胞增殖和PHA產量均未達到預期，并產生了少量乙醇等物質，說明發酵條件中________可能是高密度培養的限制因素。(4)菌株H還能通過分解餐廚垃圾(主要含蛋白質、淀粉、油脂等)來生產PHA，說明其能分泌___________________________________________。答案：(1)碳源稀釋涂布平板(或顯微鏡計數)誘變育種、基因工程育種(2)培養基是高鹽濃度的液體環境，雜菌會由于滲透失水而死亡；培養基的液體環境是堿性的，其他雜菌的酶變性失活，生長繁殖受抑制(3)氧氣(4)蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和PHA合成相關的酶高考真題體驗[學生用書P333]1．(2023·山東等級考)以下是以泡菜壇為容器制作泡菜時的4個處理：①沸鹽水冷卻后再倒入壇中；②鹽水需要浸沒全部菜料；③蓋好壇蓋后，向壇蓋邊沿的水槽中注滿水；④檢測泡菜中亞硝酸鹽的含量。下列說法正確的是()A．①主要是為了防止菜料表面的醋酸菌被殺死B．②的主要目的是用鹽水殺死菜料表面的雜菌C．③是為了使氣體只能從泡菜壇排出而不能進入D．④可檢測到完整發酵過程中亞硝酸鹽含量逐漸降低解析：選C。鹽水煮沸是為了殺滅雜菌，冷卻之后使用是為了保證乳酸菌等微生物的生命活動不受影響，A項錯誤；②鹽水需要浸沒全部菜料，營造無氧環境，有利于乳酸菌無氧呼吸，B項錯誤；③蓋好壇蓋后，向壇蓋邊沿的水槽中注滿水，是為了排氣減壓、隔絕空氣、防止雜菌污染等，C項正確；腌制泡菜過程中亞硝酸鹽的含量先增多后減少，D項錯誤。2．(2021·湖北選擇考)我國的許多傳統美食制作過程蘊含了生物發酵技術。下列敘述正確的是()A．泡菜制作過程中，酵母菌將葡萄糖分解成乳酸B．饅頭制作過程中，酵母菌進行呼吸作用產生CO2C．米酒制作過程中，將容器密封可以促進酵母菌生長D．酸奶制作過程中，后期低溫處理可產生大量乳酸桿菌解析：選B。泡菜制作的原理是乳酸菌無氧呼吸分解葡萄糖并產生乳酸，A項錯誤；饅頭制作過程中，酵母菌進行呼吸作用產生CO2，B項正確；密封容器中酵母菌進行無氧呼吸產能較少，不利于其生長繁殖，但其進行無氧呼吸可產生酒精，是制作米酒的關鍵，C項錯誤；低溫可抑制酶的活性，酸奶制作過程中的低溫處理不利于乳酸桿菌的繁殖，D項錯誤。3．(2021·江蘇選擇考)某同學選用新鮮成熟的葡萄制作果酒和果醋。下列相關敘述正確的是()A．果酒發酵時，每日放氣需迅速，避免空氣回流入發酵容器B．果酒發酵時，用斐林試劑檢測葡萄汁中還原糖含量變化，磚紅色沉淀逐日增多C．果醋發酵時，發酵液產生的氣泡量明顯少于果酒發酵時D．果醋發酵時，用重鉻酸鉀測定乙酸含量變化，溶液灰綠色逐日加深解析：選C。果酒發酵時，不可放氣過快，以防發酵液一起噴出，A項錯誤；果酒發酵時，用斐林試劑檢測葡萄汁中還原糖含量變化，磚紅色沉淀應逐日減少，因為隨著發酵進行，葡萄糖不斷被消耗，B項錯誤；選用新鮮成熟的葡萄制作果酒和果醋，先進行果酒發酵，再進行果醋發酵，果酒發酵過程中產生CO2，而果醋發酵過程中，醋酸菌以乙醇為底物形成乙酸不產生氣體，故果醋發酵時，發酵液產生的氣泡量明顯少于果酒發酵時，C項正確；酸性重鉻酸鉀溶液是用來測定乙醇產生情況的，D項錯誤。4．(2022·湖北選擇考)廢水、廢料經加工可變廢為寶。某工廠利用果糖生產廢水和沼氣池廢料生產蛋白質的技術路線如下圖所示。下列敘述正確的是()A．該生產過程中，一定有氣體生成B．微生物生長所需碳源主要來源于沼氣池廢料C．該生產工藝利用微生物厭氧發酵技術生產蛋白質D．沼氣池廢料和果糖生產廢水在加入反應器之前需要滅菌處理解析：選A。據題圖可知，該生產過程中有釀酒酵母的參與，酵母菌呼吸作用會產生二氧化碳，故該生產過程中，一定有氣體生成，A項正確；糖類是主要的能源物質，微生物生長所需的碳源主要來源于果糖生產廢水，B項錯誤；分析題圖可知，該技術中有連續攪拌的過程，該操作可以增加微生物與營養物質的接觸面積，也可增大溶解氧含量，故據此推測該生產工藝利用微生物的有氧發酵技術生產蛋白質，C項錯誤；沼氣生產利用的是厭氧微生物，在連續攪拌反應器中厭氧微生物會被抑制，因此沼氣池廢料無需滅菌，D項錯誤。課時跟蹤練[學生用書P71(單獨成冊)]一、選擇題1．(2024·深圳高三模擬)豇豆、黃瓜、蘿卜等蔬菜常用于制作泡菜，下列相關敘述錯誤的是()A.用清水和食鹽配制的鹽水需要加熱煮沸，冷卻后再倒入泡菜壇B．泡菜壇蓋邊沿的水槽中需要注滿水，說明所需菌種進行厭氧發酵C．泡菜腌制過程中亞硝酸鹽的含量會先升高后降低D．泡菜壇內的白色菌膜是由醋酸菌繁殖形成的解析：選D。用清水和食鹽配制的鹽水需要加熱煮沸，以殺滅雜菌，防止污染，冷卻后再倒入泡菜壇，A項正確；泡菜壇蓋邊沿的水槽中需要注滿水，這樣能夠確保壇內的無氧環境，故說明所需菌種進行厭氧發酵，B項正確；整個發酵過程中，亞硝酸鹽的含量先升高后下降，C項正確；在泡菜制作過程中，泡菜發酵液的營養豐富，其表面往往含有氧氣，適合酵母菌生長繁殖，產膜酵母生長繁殖會在泡菜壇液面上形成一層白膜，D項錯誤。2．圖甲、圖乙為生物學實驗常用的裝置示意圖，其均可作為發酵裝置。下列說法錯誤的是()A．甲裝置可用于制備果酒，但不適宜用于制備果醋B．若用甲裝置制備果酒，過一段時間需要將瓶蓋擰松放氣再擰緊C．若用乙裝置制備果酒并將d管連通裝有澄清石灰水的錐形瓶，石灰水變渾濁的同時會有酒精產生D．利用乙裝置制備果醋時，氣閥1和氣閥2都要打開，并且需將a作為充氣口解析：選C。由于甲裝置沒有通氣裝置，所以不適合用于制備果醋，但可用于制備果酒，在制備果酒的過程中為了避免瓶內氣壓過大，過一段時間需要將瓶蓋擰松放氣再擰緊，A項、B項正確；酵母菌進行有氧呼吸和無氧呼吸都會產生CO2，都可以使澄清石灰水變渾濁，故不能以此判斷是否有酒精產生，C項錯誤；因為制備果醋所需的醋酸菌屬于好氧細菌，所以用乙裝置制備果醋時，需要將氣閥1和氣閥2打開，并且將a作為充氣口，D項正確。3．(2024·汕頭期末)下列關于果酒、果醋制作過程的敘述，正確的是()A．家庭制作果酒、果醋通常不是純種發酵，無須對材料和用具進行消毒B．果酒制作過程中為防止雜菌污染，只能擰松發酵瓶瓶蓋而不能打開瓶蓋C．果酒制成后只需要將裝置移至溫度略高的環境中就能釀成果醋D．變酸的果酒液面上的菌膜是乳酸菌大量繁殖形成的解析：選B。家庭制作果酒、果醋通常不是純種發酵，但材料和用具需要進行消毒，以免造成污染，A項錯誤；果酒制作過程中會產生CO2，在排氣的過程中為防止雜菌污染，只能擰松發酵瓶瓶蓋而不能打開瓶蓋，B項正確；制作果醋利用的醋酸菌屬于好氧細菌，故果酒制成后需要將裝置移至溫度略高的環境中，且需要持續通入無菌空氣才能制作果醋，C項錯誤；變酸的果酒液面上的菌膜是醋酸菌大量繁殖形成的，D項錯誤。4．(2024·廣州調研)下列關于制作果酒以及腌制泡菜的敘述，正確的是()A．制作葡萄酒時葡萄汁裝入發酵瓶要留有大約1/4的空間B．制作果酒時適當加大接種量可以提高發酵速率，抑制雜菌生長繁殖C．腌制泡菜時，每間隔一段時間就應將壇蓋打開以放出所產生的CO2D．腌制泡菜過程中經發酵會產生多種酸，其中含量最高的酸是亞硝酸解析：選B。制作葡萄酒時，為防止發酵過程中發酵液溢出，葡萄汁裝入發酵瓶要留有1/3的空間，A項錯誤；制作果酒時，適當加大接種量，酵母菌菌體的基數增大，可快速繁殖形成優勢菌群，從而抑制雜菌生長，提高發酵速率，B項正確；腌制泡菜的原理是利用乳酸菌的無氧呼吸將糖轉化為乳酸，不產生CO2，C項錯誤；泡菜發酵過程中產生的酸主要是乳酸，D項錯誤。5．(2024·廣東六校聯考)黑茶是一種后發酵茶，通常用采摘的鮮茶經過數道工序制成，富含多肽、氨基酸、維生素等營養物質。黑茶剛制成時有酒香氣，滑潤甘甜。黑茶制成后常用牛皮紙、綿紙等包裝材料進行包裝儲存，保存時間越久的老茶，茶香味越濃厚。下列相關敘述正確的是()A．發酵過程涉及多種酶催化，發酵后飲用有利于營養物質的吸收B．黑茶發酵需要在開放裝置中進行，有利于微生物的快速繁殖C．黑茶的制作需利用包括酵母菌在內的多種細菌進行發酵D．新茶發酵完成后要進行滅菌并密封，有利于茶的長期保存解析：選A。發酵過程涉及多種酶催化，大分子物質轉化成小分子物質，發酵后飲用有利于營養物質的吸收，A項正確；黑茶剛制成時有酒香氣，無氧發酵可產生酒精，推測黑茶發酵不是在開放裝置中進行的，B項錯誤；酵母菌屬于真菌，不屬于細菌，C項錯誤；黑茶制成后用牛皮紙、棉紙等進行包裝儲存，牛皮紙、棉紙均為透氣的包裝材料，D項錯誤。6．啤酒是以大麥為主要原料經酵母菌發酵制成的。下列相關敘述