資源簡介

(共32張PPT)
普通高中教科書
生物學 選擇性必修3 生物技術與工程
目錄 /CONTENTS
01 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
人A 永Ax 順社
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。
人類所需產物
(簡單分子)
適宜的條件
微生物代謝
原料
(復雜分子)
發酵
科技探索之路
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。
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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。
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20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。
年 生 年 秋 密 的 車 間
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。
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20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
部分發酷工程產 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。
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。
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。
第一批青霉素發醋罐
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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
傳統發酵技術
微生物培養，篩選單一菌 種，再接種到物料中發酵
發酵工程
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。
傳統發
酵 技 術
第1章 發酵工程
第1節傳統發酵技術的應用
(一)發酵
1. 概 念 ：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。
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。
醋酸發酵
谷氨酸發酵
酒精發酵
乳酸發酵
發酵與傳統發酵技術
需氧發酵
厭氧發酵
3.類型
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。
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。
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。
(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。
( 1 ) 概 念 ：
( 2 ) 類 型 ：
傳統發酵技術
缺點
4.實例：腐乳
①原料：豆腐。
②參與發酵的微生物： 酵母、 曲霉 和毛 霉_等，其中起主要 作用的是毛 霉 。 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。
③腐乳制作的原理 味道鮮美，易于消化吸收，又便于保存。
蛋白質
酵母、曲霉和毛霉等多種微生物
(毛霉起主要作用)
脂肪
十 氨基酸
十 脂肪酸
小肽
甘油
【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
讓豆腐長 出毛霉
加鹽腌制
加鹵湯瓶
密封腌制
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)
方法：隨豆腐層數加高 增加鹽用量，接近瓶口
表面，鋪厚一點
目的：讓毛霉等產生 蛋白酶和脂肪酶
目的：析出豆腐中的 水分、抑制不需要的 微生物生長
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
鹵湯包括酒 和香辛料
④制作流程
正在進行發酵的豆腐坯
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。
嘗試制作傳統發酵食品 (一)泡菜的制作
1.菌種：乳酸菌( 原核生物)
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 乳酸鏈球菌
2.發酵原理：
在無氧的情況下能將葡萄糖分解成乳酸
C H O6 酶 2C H O ( 乳 酸 ) + 能 量
發酵期間，乳酸會_不斷積累_ , 當 它 的 乳酸桿菌
質量百分比為0.4% -0.8% 時，泡菜的口
味、品質最佳。
將冷卻好的鹽水緩緩倒入壇中，使鹽水沒過菜料，蓋好壇蓋；
創造無氧環境
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；
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；
將新鮮蔬菜洗凈，切成塊狀或條狀，① 在泡菜發酵初期，酵母菌等較為活躍，
發酵產物中有較多的CO , 防止發酵液 溢出壇外；
② 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；
③ 同時留有一定空間，也更方便拿取泡菜。
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
嘗試制作傳統發酵食品 (一)泡菜的制作
配制
鹽水
原料處 理、蔬 菜裝壇
加鹽水
封壇
發酵
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。
3.制作過程：
殺菌除氧
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。
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。
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。
但是，總量達到 0.3~0.5g 時會引起中毒；
達到 3g 時會死亡。
進一步探究
一般不危害健康
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。
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
細菌等微生物 (硝酸鹽還原菌產生硝酸還原酶)
亞硝胺
適宜的pH、溫度和 一定的微生物作用
還原
亞硝酸鹽 氧化
個
維生素C 、E和酚類物質
硝酸鹽
成
時期 乳酸菌 乳酸
亞硝酸鹽
發酵前期 少(O 抑制乳酸菌活動) 少
增加(硝酸鹽還原菌的作用)
發酵中期 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)
發酵后期 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
變化曲線 發酵時間 乳酸
制 )
發酵時間
乳酸菌
亞硝酸鹽
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
10天后食用比較好，因為此時的亞硝酸鹽含量低。 發酵時間/d
(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
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。
(3)加入“陳泡菜水”的目的是什么
"陳泡菜水"中含有純度較高的乳酸菌，可快速發酵產生乳酸。
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。
(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
練習與應用
P 【 拓 展 應 用 】
(二)果酒的制作
1. 原 理 ： C H O6 酶 2 C H OH ( 酒 精 ) + 2CO + 能 量
2. 應用的微生物： 植物體表面天然的酵母菌
①代謝類型：兼性厭氧型真菌
②作用：在無氧情況下進行酒精發酵
酵母菌 ③分布：含糖量較高的蔬菜、水果表面
④適宜溫度：約為28℃
⑤應用：釀酒、制作饅頭和面包
嘗試制作傳統發酵食品
①代謝類型： 好氧細菌
②作 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。
③適宜溫度： 30~35℃
嘗試制作傳統發酵食品
(三)果醋的制作
酶 2CH COOH ( 乙 酸 ) + 2H O+2CO +
→CH COOH ( 乙 酸 ) +H O+ 能 量
1. 原 理 ： C H O +20 量
C H OH+O
2.應用的微生物：
④應 用： 各種風味的醋
畫天
果好地
蘋果醋
Aru VINte
醋酸菌
能
冷合量：450
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。
排出氣體 防止雜菌污染、氧氣進入
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。
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
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；防止野生菌種數量減少， 避免葡萄破損，
去除表面灰塵、污物 影響發酵 減少被雜菌污染的機
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；
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，
器具消毒
沖洗葡萄
榨汁裝瓶
果酒發酵
果醋發酵
① 先讓酵母菌進行有氧呼 吸，快速繁殖，耗盡O 后，再進行酒精發酵；
② 防止發酵過程中產生的 CO 造成發酵液溢出。
3.制作過程
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
① 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CO ;
② 開始發酵后， CO 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。
③ 發酵過程產 熱，會使發酵液溫度上升，應注意控溫；
④ 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。
⑤ 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
① 還有乳酸菌、醋酸菌等微生物。
② 乳酸菌能將糖分解為甘油、酒石酸等，從而使果酒變質。
③ 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。
④ 可以通過調節發酵的溫度、 pH 等來控制乳酸菌含量；
⑤ 可以通過減少O2含量、調節發酵溫度、p H 來控制醋酸菌含量。
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
① 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。
② 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。
③ 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。
(4)在果酒和果醋制作中，哪些做法可防止發酵液被污染
① 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；
② 處理葡萄時應先沖洗再去除枝梗；
③ 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: 闡 ；b. 品賞品嘗； c.觀察醋酸菌膜是否形成。
a:便酶性餐線檢靈鋒酸錕滾渡滑店橘值灰綠色)
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 C同學的裝置更適合制作果醋。
填充
充氣口
排氣口
防止空氣 中微生物
的污染
排氣口 排出CO 打開
打開
出料口 便于取樣檢測 關閉
關閉
醋酸發酵 時狀態
打開，
并接入氣泵
練習與應用
酒精發酵 時狀態
關閉
作用
通入空氣
棉花 或者 安裝 其他 過濾 裝置
結構
充氣口
P 【 拓展應用】
出料口
項目 泡菜制作 果酒制作
果醋制作
發酵菌種 乳 酸 菌 ( 二 分 裂 ) 酵 母 菌 ( 出 芽 生 殖 )
醋 酸 菌 ( 二 分 裂 )
菌種來源 植物體表面 天然的乳酸菌 主要是附著在葡萄皮上 的野生型酵母菌
空氣中的
野生型醋酸菌
菌種代謝類型 異 養 厭 氧 型 異 養 兼 性 厭 氧 型
異 養 需 氧 型
菌種細胞類型 原核細胞 真核細胞
原核細胞
發酵原理 在無氧的情況下： 加 C H O >2C H O (乳酸)+能量 在有氧條件下： C H O +6H O+6O 酶 6CO +12H O+能量 在無氧條件下： C H O 酶 2C H OH+2CO +少量能量
氧氣、糖源都充足時：
母
C H120 +20 →
2CH COOH+2H O+2CO +能量
氧氣充足、缺少糖源時：
C H OH+O 酶
CH COOH+H O+能量
發酵 條件 溫度 18—20℃ 28℃(18-30℃)
30-35℃
時間 8-10d 10-12d
7-8d
氧氣 不需要氧氣 初期需氧，后期不需氧
需要氧氣
●在大規模生產發酵產品時，需要進行更為全面周詳的考慮，如考慮原料的來源與選樣、菌種的 選育與培養、發酵設備的選擇、發酵條件的自動化控制、發酵產品的質量控制、成本價格等。
● 工程、技術與科學的不同——科學以“發現”為核心，技術以“發明”為核心，工程以“建造” 和“產品”為核心。技術要通過工程設計等環節，將一系列相關技術體系化地組合起來，才能 轉化應用在工程中，大規模生產人們需要的產品。
查閱關于果酒和果醋工業化生產的工藝流程，比較自己制作果酒和果醋的方 法與這些流程有哪些異同。在此基礎上，請思考：當把少量制作轉化為大規模生 產時，需要解決哪些實際問題 你能從中體會到技術與工程的區別的和聯系嗎
嘗試制作傳統發酵食品
到社會中去
1.油炸臭豆腐是我國一些地方的風味小吃。制作時需要將豆腐
浸入含有乳酸菌、芽孢桿菌等微生物的鹵汁中發酵。判斷下 列相關表述是否正確。
(1)鹵汁中的乳酸菌和芽孢桿菌不存在競爭關系。 ( × )
(2)乳酸菌發酵產生了乳酸和CO 。( × )
(3)微生物發酵產生了不同的代謝物使得該臭豆腐具有特殊 的味道。
2.傳統發酵食品的制作需要各種各樣的微生物。
下列相關敘述錯誤的是 ( D )
A.腌制泡菜利用了乳酸菌的乳酸發酵
B. 制作腐乳利用了毛霉等產生的蛋白酶
C.制作果酒利用了酵母菌在無氧條件下產生酒精
D.制作果醋利用了醋酸菌在無氧條件下產生醋酸
3.請舉例說說你身邊的傳統發酵食品有哪些，它們的制作
原理是什么。有機會的話，你也可以嘗試做一做。
腐乳、泡菜、醬、豆豉等都是生活中常見的傳統
發酵食品。
4.某同學在制作泡菜前，查閱資料得知，可以向泡菜壇中加入
一些“陳泡菜水”;在用質量百分比為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 見曲線圖。請你幫他分析相關問題。

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