目錄/CONTENTS01發酵工程02細胞工程03基因工程04生物技術的安全性與倫理問題發酵原料人類所需產物適宜的條件微生物代謝(復雜分子)(簡單分子)是指人們利用微生物，在適宜的條件下，將原料通過微生物代謝轉化為人類所需的產物的過程。1957年用微生物生產谷氨酸獲得成功。20世紀60年代，科學家通過研究微生物的代謝途徑，繼續改進發

酵技術，通過人工誘變特定微

生物，獲得了具有更高生產能力

的突變類型。之后，酶制劑、多

糖、維生素發酵

工業相繼興起。約9000年前我們的祖先就會利用微生物將谷物、水果等發酵為含酒精的飲料。后來，人們通過自然發酵或曲種傳代的固體發酵方法生產其他食品，如醬油、醋、豆豉、腐乳和酸奶等。這種傳統發酵技術促進了中華民族特有的飲食文化的形成，但在幾千年的時間里，人們并不沒明白其中的原理。1857年

1857年，法國微生物學家巴斯德(L.Pasteur,1822-1895)通過實驗證明，酒精發酵是由活的酵母菌引起的，從而將酵母菌與發酵聯系起來。1897年科學家發現了酶在酵母菌發酵中的作用，逐漸了解了發酵的本質。之后的30多年間，微生物的分離和純化技術得到了應用，發酵生產的工藝

和設備不斷完善，

傳統的固體發酵開

始向半固體發酵和

液體發酵演變。同

時，作坊式的手工

生產向近代工業化生產方向發展。利用微生物生產的新產品，如酒精、檸檬酸和淀粉酶等不斷出現。20世紀40年代利用發酵工程大規模生產青霉素成為研究的主攻方向。由于青霉素產生菌是需氧型的，科學家在厭氧發酵技術的基礎上，建立了深層通氣液體發酵技術，使青霉素的生產實現了產業化。不久，隨著鏈霉素、金霉素和土霉素等抗生素的發現及生產，抗生素發酵工業興起。201X1850201X1900201X1940201X1960201X201X20世紀70年代以后基因工程、細胞工程等的發展，使發酵工程進入了定向育種的新階段。例如，運用基因工程可以將動植物的基因轉移到微生物中，獲得具有特殊生產能力的微生物，大量生產人們所需要的產品，如人胰島素、干擾素等。1970198020世紀80年代科學家開始運用數學、動力學、化學工程原理以及

計算機技術

對發酵過

程進行

綜合

研究，

以更加

合理地控制發酵過程。目前，人類已經能夠自

動記錄和控制發酵過程

的全部參數。科技探索之路傳統發酵技術發酵工程利用天然存在的菌種，菌種差異、雜菌情況不明，發酵過程的控制缺乏標準，發酵食品的品質不一。縮短發酵時間，確保品質穩定微生物培養，篩選單一菌種，再接種到物料中發酵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發酵、制作食品的技術。第1章發酵工程第1節傳統發酵技術的應用發酵與傳統發酵技術人們利用微生物，在適宜的條件下，將原料通過微生物的代謝轉化為人類所需要的產物的過程。1.概念：2.原理：

不同的微生物具有產生不同代謝產物的能力，因此利用它們就可以生產出人們所需要的多種產物。(一)發酵3.類型需氧發酵厭氧發酵醋酸發酵谷氨酸發酵酒精發酵乳酸發酵

傳統發酵技術（1）概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次發酵保存下來的面團、鹵汁等發酵物中的微生物進行發酵、制作食品的技術。（2）類型：傳統發酵以混合菌種的固體發酵及半固體發酵為主，通常是家庭式或作坊式的。（3）發酵產品：利用傳統發酵技術制作的食品有酒、腐乳、醬、醬油、醋、泡菜和豆豉（chǐ）等。生產條件不易控制，容易受雜菌污染，生產效率較低，產物不單一等。缺點？4.實例:腐乳①原料：豆腐。②參與發酵的微生物：______、______和______等，其中起主要作用的是________。酵母曲霉毛霉毛霉③腐乳制作的原理味道鮮美，易于消化吸收，又便于保存。毛霉是一種絲狀真菌（真核生物），其生殖方式為孢子生殖，代謝類型是異養需氧型。酵母、曲霉和毛霉等多種微生物(毛霉起主要作用)蛋白質脂肪小肽氨基酸甘油脂肪酸++④制作流程讓豆腐長出毛霉直接利用空氣中的毛霉孢子或者直接接種毛霉（15-18℃，一定濕度）目的：讓毛霉等產生蛋白酶和脂肪酶加鹽腌制鹵湯包括酒和香辛料酒：抑制微生物生長，并使腐乳具有獨特香味；香辛料：調味，防腐殺菌加鹵湯瓶密封腌制方法：隨豆腐層數加高增加鹽用量，接近瓶口表面，鋪厚一點正在進行發酵的豆腐坯目的：析出豆腐中的水分、抑制不需要的微生物生長【思考】每年進行同樣的操作，但是每年制作的腐乳或豆瓣醬的口感都不完全相同，有些年份甚至制作不成功，你知道這是為什么嗎？生產條件不易控制，容易受雜菌污染腐乳胚基礎檢測使用酵母制作饅頭屬于傳統發酵技術嗎？使用前一次發酵保存下來的面團進行的才算。例如：直接利用空氣中毛霉孢子制作腐乳屬于傳統發酵技術，若直接接種毛霉，則不屬于。1.菌種：乳酸菌①菌種分布：空氣、土壤、植物體表、人或動物腸道內②代謝類型：異養厭氧型③種類：乳酸鏈球菌、乳酸桿菌（原核生物）2.發酵原理：在無氧的情況下能將葡萄糖分解成乳酸C6H12O62C3H6O3（乳酸）+能量酶發酵期間，乳酸會___________，當它的質量百分比為____________時，泡菜的口味、品質最佳。不斷積累0.4%-0.8%乳酸鏈球菌乳酸桿菌嘗試制作傳統發酵食品(一)泡菜的制作舌尖上的中國——四川泡菜嘗試制作傳統發酵食品3.制作過程：(一)泡菜的制作用清水和食鹽配制質量百分比為5%-20%的鹽水，并將鹽水煮沸，冷卻待用；將冷卻好的鹽水緩緩倒入壇中，使鹽水沒過菜料，蓋好壇蓋；配制鹽水原料處理、蔬菜裝壇加鹽水封壇發酵向壇蓋邊緣的水槽中注滿水，并在發酵過程中注意經常向水槽中補充水；根據室內溫度控制發酵時間；將新鮮蔬菜洗凈，切成塊狀或條狀，混合均勻，晾干后裝入泡菜壇內；裝至半壇時，加入蒜瓣、生姜及其他香辛料，繼續裝至八成滿；過高：乳酸發酵受抑制，泡菜風味差；過低：雜菌易繁殖，導致泡菜變質。殺菌除氧創造無氧環境在泡菜發酵初期，酵母菌等較為活躍，發酵產物中有較多的CO2，防止發酵液溢出壇外；防止因裝太滿使鹽水未完全淹沒菜料而導致菜料變質腐爛；同時留有一定空間，也更方便拿取泡菜。發酵前期：蔬菜剛入壇時，表面帶入的微生物主要是以不抗酸的大腸桿菌和酵母菌等較為活躍，它們進行發酵產生較多的乳酸、酒精、醋酸和二氧化碳等，二氧化碳以氣泡從水槽內放出，逐漸使壇內形成嫌氣狀態。此階段泡菜液的含酸量為0.3%~0.4%，該階段是泡菜的初熟階段，菜質咸而不酸、有生味。發酵中期：由于前期乳酸的積累，pH下降，乳酸桿菌活躍進行活躍的乳酸發酵，乳酸積累pH達3.5~3.8。大腸桿菌、酵母菌、霉菌等的活動受到抑制。此階段泡菜液的乳酸的積累量達到0.6%~0.8%，這一階段為泡菜的完全成熟階段，泡菜有酸味且清香。發酵后期：繼續進行乳酸發酵，乳酸含量繼續上升，乳酸積累達1.2％以上，乳酸桿菌的活性受到抑制，發酵速度逐漸變緩甚至停止。此階段泡菜液的酸度過高，風味不佳。【誤區警示】泡菜制作的兩個易錯點（1）誤認為只有乳酸菌發酵：前期還會有大腸桿菌、酵母菌等混合菌的在進行生命活動（2）誤認為泡菜制作全過程都是無氧發酵：前期主要是有氧發酵消耗氧氣，形成無氧環境，后期主要是乳酸發酵。習題鞏固Q:為什么泡菜壇內有時會長一層白膜，這層白膜是怎么形成的？形成白膜是由于產膜酵母的繁殖。酵母菌是兼性厭氧微生物，泡菜發酵液營養豐富，其表面氧氣含量也很豐富，適合酵母菌的繁殖。白膜進一步探究泡菜在腌制過程中會有亞硝酸鹽產生；膳食中的亞硝酸鹽一般不會危害人體健康，但如果人體攝入過量，會發生中毒，甚至死亡。查閱資料，設計實驗跟蹤檢測泡菜在制作過程中亞硝酸鹽含量的變化，并探索腌制方法、時間長短和溫度高低等條件對亞硝酸鹽含量的影響，尋求提高泡菜質量的措施。（1）亞硝酸鹽亞硝酸鹽為白色粉末，外觀與食鹽相似，有咸味，易溶于水，可作食品添加劑。自然界中，亞硝酸鹽分布廣泛，蔬菜、咸菜、豆粉中均含有。一般不危害健康但是，總量達到

時會引起中毒；達到

時會死亡。0.3～0.5g3g適宜的pH、溫度和一定的微生物作用氧化維生素C、E和酚類物質亞硝胺硝酸鹽亞硝酸鹽還原細菌等微生物(硝酸鹽還原菌產生硝酸還原酶)亞硝胺生成亞硝胺具有致癌作用，對動物具有致畸和致突變作用發酵初期，泡菜中微生物生長很快，將蔬菜中硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，蔬菜中酚類物質和維生素C等將亞硝酸鹽氧化，總體來說，亞硝酸鹽的含量逐步上升。微生物代謝活動將氧氣消耗殆盡，泡菜壇中的環境不利于乳酸菌以外的其他微生物生長，生成的亞硝酸鹽減少。同時，蔬菜中亞硝酸鹽含量由于被氧化而減少，因此，亞硝酸鹽的含量會逐漸下降并趨于一個相對穩定的數值。嘗試制作傳統發酵食品5.泡菜發酵過程中，乳酸菌、乳酸和亞硝酸鹽的含量變化：(一)泡菜的制作時期乳酸菌乳酸亞硝酸鹽發酵前期發酵中期發酵后期變化曲線少（O2抑制乳酸菌活動）少增加（硝酸鹽還原菌的作用）最多（乳酸菌比其他雜菌更耐酸。乳酸積累，抑制其他菌活動）增多達到最多后開始下降（硝酸鹽還原菌受抑制，部分亞硝酸鹽被分解）減少（乳酸積累，pH下降，抑制乳酸菌活動）繼續增多，最后保持穩定下降至保持相對穩定（硝酸鹽還原菌被完全抑制）P8【拓展應用】

2、某同學在制作泡菜前，查閱資料得知，可以向泡菜壇中加些“陳泡菜水”；在用5%的食鹽水制作泡菜時，他在不同時間測定了泡菜中亞硝酸鹽的含量，結果見右欄曲線圖，請你幫他分析問題。練習與應用（1）據圖分析，從亞硝酸鹽含量來看，你認為該泡菜在什么時間食用比較合適？為什么？（2）他第一次制作出的泡菜“咸而不酸”，造成這個結果最可能的原因是什么？（3）加入“陳泡菜水”的目的是什么？10天后食用比較好，因為此時的亞硝酸鹽含量低。可能是食鹽濃度過高、發酵溫度過低等原因導致泡菜未能正常發酵。“陳泡菜水”中含有純度較高的乳酸菌，可快速發酵產生乳酸。嘗試制作傳統發酵食品1.原理：2.應用的微生物：(二)果酒的制作C6H12O62C2H5OH（酒精）+2CO2+

能量酶兼性厭氧型真菌在無氧情況下進行酒精發酵含糖量較高的蔬菜、水果表面釀酒、制作饅頭和面包植物體表面天然的酵母菌①代謝類型：②作用：⑤應用：③分布：酵母菌④適宜溫度：約為28℃嘗試制作傳統發酵食品1.原理：2.應用的微生物：(三)果醋的制作C6H12O6+2O22CH3COOH（乙酸）+2H2O+2CO2+

能量酶好氧細菌30~35℃各種風味的醋①代謝類型：②作用：③適宜溫度：醋酸菌④應用：在氧氣、糖源充足時,將糖分解成醋當缺少糖源時，將乙醇變為乙醛，再將乙醛變為醋酸。C2H5OH

+O2CH3COOH（乙酸）+H2O+

能量酶3.制作過程將發酵瓶、榨汁機等器具用洗潔精清洗干凈，并用體積分數為70%的酒精消毒，晾干備用;用榨汁機榨取葡萄汁，將葡萄汁裝入發酵瓶（注意：要留有大約1/3的空間），蓋好瓶蓋;將溫度控制在18-30℃進行發酵，在發酵過程中，每隔12h左右將瓶蓋擰松一點（注意：不是打開瓶蓋），此后再擰緊瓶蓋。發酵時間為10-12d。可通過從發酵瓶口取樣來對發酵的情況進行檢測。取新鮮葡萄，用清水沖洗1-2次，再去除枝梗和腐爛的籽粒，瀝干;去除表面灰塵、污物避免葡萄破損，減少被雜菌污染的機會先讓酵母菌進行有氧呼吸，快速繁殖，耗盡O2后，再進行酒精發酵；防止發酵過程中產生的CO2造成發酵液溢出。防止野生菌種數量減少，影響發酵排出氣體防止雜菌污染、氧氣進入器具消毒沖洗葡萄榨汁裝瓶果酒發酵果醋發酵當葡萄酒制作完成后，打開瓶蓋，蓋上一層紗布，進行葡萄醋的發酵。發酵溫度為30-35℃，時間為7-8d。空氣中的醋酸菌會進入果酒發酵液中大量繁殖4.結果分析與評價（1）在制作果酒和果醋的過程中，發酵液分別有哪些變化？其中最明顯的變化發生在發酵后多少天？引起變化的原因是什么？在葡萄酒的制作過程中，發酵液會產生氣泡，這是因為酵母菌發酵產生CO2；開始發酵后，CO2產生越來越多，會使發酵液出現“沸騰”現象，在發酵的10天后，這種現象最明顯。發酵過程產熱，會使發酵液溫度上升，應注意控溫；隨著發酵時間的延長，由果皮進入發酵液的花青素會越來越多，因而發酵液的顏色會逐漸加深變成深紅色。果醋發酵完成時，在發酵液的液面上會出現一層菌膜，這是醋酸菌膜。4.結果分析與評價（2）在制作果酒的過程中，除了酵母菌，是否還有其他微生物生長？它們會對果酒發酵產生影響嗎？如果有，如何避免這種影響？還有乳酸菌、醋酸菌等微生物。可以通過減少O2含量、調節發酵溫度、pH來控制醋酸菌含量。可以通過調節發酵的溫度、pH等來控制乳酸菌含量；在有氧的情況下，醋酸菌能把糖分解成醋酸或者把乙醇轉化為乙醛進而轉化為醋酸。乳酸菌能將糖分解為甘油、酒石酸等，從而使果酒變質。4.結果分析與評價（3）在制作果醋的過程中，酵母菌是否還會繼續發酵？醋酸菌從何而來？采用什么措施可以加快果醋的制作？隨著醋酸發酵的進行，發酵液的pH、發酵溫度等均不利于酵母菌的生長繁殖，因此酵母菌活性很低，不會繼續發酵。在工業上，后期醋的發酵需要人工接種醋酸菌。或者買一瓶醋，將其打開暴露于空氣中，一段時間后在醋的表面會有一層薄膜（即醋酸菌膜），用這層薄膜進行接種亦可。在我們的實驗條件下，當打開瓶蓋后，空氣中的醋酸菌會進入發酵液中大量繁殖，其他的菌因不適應環境條件而不能繁殖。（4）在果酒和果醋制作中，哪些做法可防止發酵液被污染？發酵瓶、榨汁機等器具用洗潔精清洗干凈，并用體積分數為70%的酒精消毒，晾干備用；處理葡萄時應先沖洗再去除枝梗；排氣時只需擰松瓶蓋，不要打開瓶蓋。（5）如何檢測果醋、果酒發酵完成？a.聞

b.品嘗

c.用酸性條件下的重鉻酸鉀溶液檢測（橙色→灰綠色）a.聞；

b.品嘗；

c.觀察醋酸菌膜是否形成。d.使用pH試紙檢測檢測和比較發酵前后的pH值；P8【拓展應用】

3、有3位同學分別采用了3種不同的發酵裝置來制作果醋。A同學用的是帶蓋的塑料瓶；B同學用的是沒有蓋的塑料瓶，在發酵過程中無蓋的瓶口一直由捆綁在瓶口的8層紗布覆蓋；C同學則設計了如右圖所示的發酵裝置。結合果醋的制作原理，你認為哪一種發酵裝置更適合制作果醋？你還能繼續改進這種裝置嗎？練習與應用C同學的裝置更適合制作果醋。防止空氣中微生物的污染結構作用酒精發酵時狀態醋酸發酵時狀態充氣口排氣口出料口通入空氣關閉打開，并接入氣泵排出CO2打開打開便于取樣檢測關閉關閉填充棉花或者安裝其他過濾裝置項目泡菜制作果酒制作果醋制作發酵菌種

菌種來源菌種代謝類型

菌種細胞類型發酵原理在有氧條件下：在無氧條件下：

氧氣、糖源都充足時：氧氣充足、缺少糖源時：發酵條件溫度

時間氧氣

酵母菌（出芽生殖）主要是附著在葡萄皮上的野生型酵母菌異養兼性厭氧型真核細胞C6H12O6+6H2O+6O2

6CO2+12H2O+能量酶C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量酶28℃（18-30℃）10-12d初期需氧，后期不需氧醋酸菌（二分裂）異養需氧型原核細胞空氣中的野生型醋酸菌C6H12O6+2O2

2CH3COOH+2H2O+2CO2+能量酶C2H5OH+O2

CH3COOH+H2O+能量酶30-35℃7-8d需要氧氣乳酸菌（二分裂）植物體表面天然的乳酸菌異養厭氧型原核細胞C6H12O62C3H6O3（乳酸）+能量酶在無氧的情況下：18—20℃不需要氧氣8-10d嘗試制作傳統發酵食品到社會中去

查閱關于果酒和果