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专题二十五 实验与探究
专题二十六 微生物的培养与发酵工程
拓展一 泡菜发酵的阶段 时 酵母菌繁殖很慢 随着温度的升高 繁
１０ ℃ ， ； ，
在泡菜发酵期间 由于乳酸菌的发酵 殖速度加快 超过 时 酵母菌的繁殖速度
， 。 ３５ ℃ ，
作用 发酵产物 乳酸会不断累积 因此可以 迅速变慢 到 时 酵母菌停止出芽 甚至死
， ——— ， ； ４０ ℃ ， ，
根据微生物的活动情况和乳酸的积累量 将泡 亡 若想要获得高酒精浓度的发酵液 减少酒
， 。 、
菜发酵过程分为三个阶段 精的损耗 就必须控制好发酵温度
。 ， 。
１ 发酵初期 ２ 氧气对发酵的影响
． ．
蔬菜刚入坛时 在其表面带入的微生物中 酵母菌的繁殖需要氧气 在完全隔绝氧气
， 。
主要是大肠杆菌和酵母菌等进行发酵 发酵产 的情况下 酵母菌繁殖几代就停止了 稍微与氧
， ， ，
物中有较多的 气泡会从坛沿水槽内的水中 气接触 酵母菌就又能继续繁殖 要维持酵母
ＣＯ２， ， 。
间歇性放出 使坛内逐渐形成嫌气状态 此时 菌长时间发酵 初期必须供给一定量的氧气
， 。 ， 。
泡菜液的含酸量为 该阶段是泡菜 ３ 葡萄汁中酵母菌的种类
０．３％～０．４％， ．
初熟阶段 菜质咸而不酸 有生味 葡萄汁中酵母菌的种类大致可以分为以下
， 、 。
２ 发酵中期 三类
． ：
由于初期乳酸发酵使乳酸不断积累 下 第一类是在发酵中起主要作用的酵母
、ｐＨ （１）
降 嫌气状态形成 乳酸菌开始活跃并进行同型 菌 即葡萄酒酵母 这种酵母菌发酵力强 产生
、 ， ， 。 ，
乳酸发酵 这时乳酸的积累量可达到 的酒的风味好 生成有益的副产物多 在发酵
。 ０．６％～０． ， 。
为 大肠杆菌 酵母菌 霉菌等 的过程中 由它完成主要的发酵任务
８％，ｐＨ ３．５～３．８。 、 、 ， 。
的活动受到抑制 这一阶段为泡菜完全成熟阶 第二类是在葡萄汁中数量很大但发酵
。 （２）
段 泡菜有酸味且清香 力很弱的酵母菌 其代表是尖端酵母 在新压
， 。 ， 。
３ 发酵后期 榨的葡萄汁中 尖端酵母和葡萄酒酵母的比例
． ，
在此期间继续进行的是同型乳酸发酵 乳 约为 在发酵开始时 这种发酵力弱的
， １ ０００ ∶ １。 ，
酸含量继续增加 可超过 当乳酸含量超过 酵母菌先引起发酵 在之后的发酵过程中 尖
， １％。 。 ，
时 乳酸菌的活性受到抑制 发酵速度逐渐 端酵母的作用逐渐被葡萄酒酵母所代替
１．２％ ， ， 。
变慢甚至停止发酵 此阶段泡菜酸度过高 风 第三类是一种产膜的好气性酵母菌 当
。 、 （３） ，
味不佳 发酵容器未灌满时 产膜酵母便会在葡萄汁液
。 ，
从乳酸的含量 泡菜的风味品质来看 在初 面生长繁殖 使葡萄汁变质
、 ， ， 。
期发酵的末期和中期发酵阶段 当泡菜的乳酸 拓展三 生活中传统发酵食品及其发酵机理
，
含量为 时 泡菜的风味品质最好 因 １ 醪糟又称酒酿 是糯米经蒸煮后 接种根
０．４％～０．８％ ， ， ． ， ，
此常以这个阶段作为泡菜的成熟期 霉 在有氧条件下 发酵生产的含低浓度酒精和
。 ， ，
拓展二 自然发酵中影响葡萄酒酿造的因素 不同糖分的食品 根霉在生长时会产生大量的
。
１ 温度对发酵的影响 淀粉酶 将糯米中的淀粉水解成葡萄糖 同时利
． ， ，
酵母菌只能在一定温度下生活 温度低于 用部分葡萄糖发酵产生酒精 使用不同的根霉
。 。
４９菌种 可以生产不同酒精度 不同甜度和不同香 以还原糖含量与粗蛋白含量的比值表
， 、 （Ｃ ∶ Ｎ，
味的醪糟 示 为
。 ） １００ ∶ ０．５～２。
２ 食醋的酿造一般需经过酒精发酵过程 在设计培养基配比时 还应考虑避免培
． 。 （２） ，
在这个过程中原料中的糖经酵母菌发酵转化为 养基中各成分之间的相互作用 如蛋白胨 酵母
， 、
酒精 之后醋酸菌在有氧条件下发酵 将酒精转 膏中含有磷酸盐时 会与培养基中的钙离子或
， ， ，
化为醋酸 由于使用的微生物菌种或曲种的差 镁离子在加热时发生沉淀作用 在高温下 还原
。 ； ，
异 在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有 糖会与蛋白质或氨基酸相互作用产生褐色
，
机酸 使食醋有不同风味 物质
， 。 。
３ 酱以大豆和少量面粉为原料 经蒸煮后在 ３ 物理、化学条件适宜
． ， ．
空气中自然发酵制成 发酵过程主要是能够产 各种微生物均有其生长繁殖的最适
。 （１）
生蛋白酶 脂肪酶和淀粉酶的霉菌 将大豆中的 细菌为 放线菌为 酵母菌
、 ， ｐＨ， ７．０～８．０， ７．５～８．５，
蛋白质 脂肪 淀粉分解 产生氨基酸 多肽 甘 为 霉菌为 微生物在生长繁殖
、 、 ， 、 、 ３．８～６．０， ４．０～５．８。
油 脂肪酸等多种物质 这些物质使酱具有独 过程中 会产生能够引起培养基的 改变的代
、 。 ， ｐＨ
特的酱香味 谢物 尤其是不少微生物有很强的产酸能力 如
。 ， ，
４ 酱油生产以大豆为主要原料 生产时 将 果不适当地调节培养基的 这些微生物的生
． 。 ， ｐＨ，
原料粉碎制成固体培养基 然后在有氧条件下 长繁殖会受到抑制 它们甚至可能死亡 在设
， ， ， 。
利用产生蛋白酶的霉菌 如黑曲霉进行发酵 计培养基时 要考虑培养基的 调节能力 一
， 。 ， ｐＨ 。
微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶 蛋 般应加入缓冲液或 使培养基的 稳定
， ＣａＣＯ３， ｐＨ 。
白酶将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和 培养基的其他理化指标 如渗透压也会
（２） ，
氨基酸 发酵结束后经淋洗 调制就可制成酱 影响微生物的培养 在配制培养基时 通常不
。 、 。 ，
油产品 酱油富含氨基酸和肽 具有特殊香味 必测定该指标 因为培养基中各种成分及其浓
。 ， 。 ，
拓展四 配制培养基时需要遵循的原则 度等指标的优化 已间接地确定了培养基的渗
，
培养基通常指人工配制的适合生物生长繁 透压 此外 不同微生物对培养基的氧化还原
。 ，
殖 或积累代谢物的营养基质 一个适当的培 电位等也有不同的要求
， 。 。
养基配方 对发酵产品的产量和质量有着极大 ４ 考虑培养目的
， ．
的影响 针对不同微生物不同的营养需求 可 培养基的成分直接影响培养目的 在设计
。 ， 。
以有不同的培养基 但它们的配制必须遵循一 培养基时 必须考虑是要培养菌体还是要积累
， ，
定的原则 菌体代谢物 是实验室培养还是大规模发酵等
。 ，
１ 营养物质应满足微生物的需要 问题 在设计培养基时 还应该特别考虑代谢
． 。 ，
不同营养类型的微生物对营养物质的需求 物是初生代谢物 还是次生代谢物 如果是次
， 。
差异很大 应根据菌种的不同需求配制培养基 生代谢物 还要考虑是否需要加入特殊元素或
， 。 ，
２ 营养物质的浓度及配比应恰当 特殊的前体物质 例如 在生产青霉素 时 应
． ， ， Ｇ ，
营养物质浓度太低 不能满足微生物生 加入苯乙酸 在设计培养基 尤其是大规模发
（１） ， 。 ，
长的需求 浓度太高 又会抑制微生物生长 糖 酵生产用的培养基时 还应该重视培养基组分
； ， 。 ，
和盐浓度高有抑菌作用 一般培养基的碳氮比 的来源和价格 应该优先选择组分来源广 价格
， ， 、
５０低廉的培养基 要以受控制的速度补加营养物质等 此外 还
。 。 ，
拓展五 大规模发酵的特征 要注意控制温度 无菌空气的流量 溶解氧
、ｐＨ、 、
大规模发酵与实验室 试验工厂的小规模 量 搅拌速率 罐压 菌体的浓度及状态等
、 、 、 、 。
发酵不同 它的主要特征 发酵规模大 消耗的 ３ 后处理
， ： ； ．
原料 能源多 发酵过程的控制复杂 发酵后需 大规模发酵后 需要对产物进行后处理才
、 ； ； ，
要进行后处理 菌种的生长代谢特性与大规模 能得到产品 后处理包括产物的初步分离 提
； 。 、
发酵相适应等 纯 干燥 结晶等环节 后处理决定着产品的质
。 、 、 。
１ 大型发酵罐 量和安全性 也决定着成本和收益 有统计表
． ， 。
大规模发酵所用的设备庞大 占用场地大 明 后处理费用可占到产品成本的 左右
， 。 ， ６０％ 。
如用于好氧菌发酵的大型发酵罐一般能容纳几 ４ 发酵的逐级放大
．
十吨的发酵液 罐内外还装配着各种各样的管 一个发酵新产品或改良产品在进行大规模
；
道 仪表和阀门 它借助各种装置 可以实现对 发酵生产之前 一般都要经历小试 中试和大试
、 ； ， ， 、
发酵过程的监测和控制 此外 大型好氧菌发 阶段 即经历从实验室小型设备发酵 到试验工
。 ， ， ，
酵罐还配有菌种扩大培养系统 无菌空气供应 厂的小规模试验发酵 再到大规模的工业发酵
、 ，
系统等 生产这一逐级放大发酵的过程 这个过程不是
。 。
２ 发酵过程的控制 简单的设备容积的扩大 而是每一级的放大都
． ，
菌种在大型发酵罐中生长繁殖和代谢 消 需要调节温度 溶解氧量等发酵参数 以获
， 、ｐＨ、 ，
耗的原料和能源多 因此 在发酵期间 常常需 得预期的产品
。 ， ， 。
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