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专题一: 选修《现代生物技术实践》（共8个课题）

专题1《传统发酵技术的应用》：课题1 《果酒果醋发酵》

第一部分：《知识体系和教材解读》

知识体系： 一、基础知识： （一）果酒的制作原理：

1.酵母菌：是兼性厌氧型微生物：

（1）有氧条件下，酵母菌进行有氧呼吸，大量繁殖：

教材解读及旁栏思考：

一、基础知识：

（一）果酒制作原理：

1.病毒有无代谢类型？

2.细胞型生物的代谢类型中，同化作用有 型和 型；异化作用有 、 型和 型。

3.温度通过什么途径影响酵母菌的生长和发酵？

。

4.为什么酵母菌在有氧条件下比无氧条件下繁殖速度快？ （有氧呼吸…ATP…细胞分裂）

5.为什么酵母菌的最适繁殖温度和发酵温度范围不一致？ （不同的酶最适温度或温度范围不同）

6.如何解释“随酒精度数的提高，红葡萄皮的色素也进入发酵液”？ （酒精度数…葡萄皮细胞…生物膜…全透性…）

7. 酵母菌与其他微生物之间主要是竞争关系；

8.果酒的自然发酵中，酵母菌是唯一的菌种吗？ 9.从微生物培养基成分的角度来看，糖为酵母菌提供了碳源，同时也为酵母菌生命活动提供了能源。

10.酵母菌形成孢子的意义是：孢子是无性繁殖细胞，具有厚壁，能抵抗恶劣环境。

（二）果醋制作的原理：

1.醋酸菌的代谢类型是 。

2.“深层发酵”的含义是：发酵液量大时的底层发酵

3.醋酸菌与酵母菌的发酵温度范围不同的原因是：不同生物的酶，其适宜的温度范围不同。

4.变酸的酒的表面观察到的菌膜就是醋酸菌在液面大量繁殖而形成的。它最可能来自空气。

1 反应式：C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量

（2）无氧条件下，酵母菌能进行酒精发酵：

反应式：C6H12O6

2C2H5OH+2CO2+能量

2.温度：是酵母菌生长和发酵的重要条件：

20C左右最适合酵母菌增殖；

酒精发酵时一般将温度控制在18～25C；

3.菌种：在葡萄酒的自然发酵过程中，起主要作用的是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌 。

4.发酵液颜色：在发酵过程中，随酒精度数的提高，红葡萄皮的色素也进入发酵液，使葡萄酒呈深红色。

5.酵母菌与其它微生物的关系：在缺氧、呈酸性的发酵液中，酵母菌可以生长繁殖，而绝大多数其它微生物因无法适应这一环境而受到抑制。

6.酵母菌的分布：自然界，酵母菌分布广泛。“喜欢”含糖量高的果汁。土壤始终是酵母菌的大本营。

（1）秋季：在流出果汁的周围土壤中就会有大量的酵母菌生长繁殖。

（2）冬季：酵母菌形成孢子，进入休眠状态

（3）春至夏季：旺盛的生长繁殖时期。

（4）传播：轻风、飞溅的雨水、昆虫等。

（二）果醋制作的原理

1.醋酸菌是一种好氧菌，对氧气含量敏感；深层发酵时，即使短时间中断通入氧气，也会引起死亡。

（1）氧气和糖源都充足时：醋酸菌将糖分解成醋酸

（2）氧气充足，缺少糖源时：乙醇→乙醛→乙酸

（反应式：C2H5OH+O2 CH3COOH+H2O）

2.醋酸菌生长（和发酵）的最适温度为：30~350C

3.菌种来源：变酸的酒表面的菌膜；

酶00酶

酶

二、实验设计和操作提示：

（一）选择新鲜的葡萄，榨汁前先将葡萄冲洗，并除去枝梗。

（二）防止发酵液被污染

1.榨汁机要清洗干净，并晾干

2.发酵瓶要清洗干净，用体积分数为70%的酒精消毒，或用洗洁精洗涤。

3.装入葡萄汁后，封闭充气口

（三）控制好发酵条件。

1.葡萄汁装入发酵瓶时，要留有大约1/3的空间；

2.在制葡萄酒时，温度严格控制在18～25C，时间控制在10～12d左右，可通过出料口对发酵的情况进行及时的监测。

0二、实验设计和操作提示：

（一）挑选和冲洗葡萄：

1.为什么要挑选新鲜的葡萄？新鲜的葡萄含糖量高

2.你认为应该先冲洗葡萄还是先除去枝梗，为什么？

先冲洗，再去枝梗；避免去枝梗引起葡萄破损而增加杂菌污染的机会（还能防止糖分流失）。

3.冲洗葡萄的目的是：洗去葡萄上的污物。

（二）防止发酵液被污染

1.你认为应该从哪些方面防止发酵液被污染？

（1）榨汁机、发酵瓶要清洗干净，并将发酵瓶用70%的酒精消毒或洗洁精洗涤；

（2）装入葡萄汁后，封闭充气口，防止杂菌入侵；

（3）通气时，通入过滤后的无菌空气。

（三）控制好发酵条件：

1.酵母菌来源于哪些环境？

自然发酵：附着在葡萄皮上的酵母菌；

工业发酵：接种纯净的酵母菌菌种。

2.葡萄汁装入发酵瓶，为什么要有大约1/3的空间？

①留一定氧气，促进酵母菌有氧呼吸，从而促进酵母菌的生长繁殖；②防止发酵液溢出。

3.写出发酵的相关反应式（见前面基础知识，略）

4.发酵中通气如何控制？（自然发酵：直接拧紧瓶盖；工业发酵：先通入氧气，后密闭）；

5.为什么酵母菌的生长温度和发酵温度不完全相同？（不同的阶段涉及不同的酶，不同的酶的最适温度或范围有差异）；

6.制葡萄酒时，为什么要将温度控制在18～25C？制葡萄醋时，为什么要将温度控制在30～35C？

不同物种的酶不同，其适宜的温度范围也不同。

7.制葡萄醋时，为什么要适时通过充气口充气？

（四）【资料】评价：

1.A同学：装置简单易操作，但是，发酵效率低，酒精和果醋纯度低。

2.A同学的简易发酵排出CO2时，为什么将瓶盖拧松而非完全挪开？防止杂菌入侵。

3.B同学：发酵装置更为合理，可以大量连续发酵。

充气口是在醋酸发酵时连接充气泵进行充气用的；排气口是在酒精发酵时用来排出CO2的；出料口是用来取样的。排气口要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，其目的是防止空气中微生物的污染，其作用类似巴斯德的鹅颈瓶。使用该装置制酒时，应该关闭充气口；制醋时，应将充气口连接气泵，输入氧气。

2 00 3.在制葡萄醋时，温度严格控制在30～350C，时间控制在7～8d左右，并注意适时通过充气口充气。

（四）【资料】两位同学的发酵装置的评价：

A同学：用带盖的瓶子制作葡萄酒。

①每隔12h左右将瓶盖拧松1次，放出CO2，此后再拧紧。

②产生酒精后，再将瓶盖打开，盖上一层纱布，进行葡萄醋的发酵。

B同学：制作了如右图所示的装置。

三、结果分析与评价、课题延伸和相关链接：

（一）结果分析与评价：

1.在制葡萄酒和葡萄醋的过程中，发酵液分别由哪些变化？其中最明显的变化发生在发酵后多少天？你能分析引起变化的原因吗？

2.你如何证实葡萄汁转化成葡萄酒，是由于酵母菌的发酵作用？你能想出什么简单易行的方法，证明葡萄醋中的确有醋酸产生？

3.你制作的葡萄酒与葡萄醋的口味如何？如果你对结果不满意，你认为应该如何改进？

（二）课题延伸——酒精的检测：

1.酸性条件下，重铬酸钾与酒精反应呈现灰绿色。

2.操作过程：2ml发酵液→滴入3mol/L的H2SO43滴→震荡混匀→滴加常温下饱和重铬酸钾溶液3滴→震荡→溶液呈灰绿色

（三）相关链接：

1.如何将葡萄皮上附着的酵母菌分离出来，获得纯净的菌种？

2.醋酸菌种可以到食醋工厂或菌种保藏中心购买。也可以从食醋中分离。

三、结果分析与评价、课题延伸和相关链接：

（一）结果分析与评价：

1.果酒发酵中：发酵液中糖等有机物的浓度降低；酒精浓度上升，溶液的PH值下降；发酵过程中一直有CO2生成。果醋发酵：酒精浓度降低，醋酸的浓度增加；PH继续降低。（后2个问题略）

2.（1）将灭菌后的发酵液均分成两组，A组加入酵母菌，B组不加。放在适宜且相同的条件下发酵，一段时间后检测A组发酵液有酒精生成而B组没有。

（2）葡萄酒检测：发酵后取样，通过嗅味和品尝进行初步鉴定。此外，还可用显微镜观察酵母菌，并用重铬酸钾检验酒精的存在。葡萄醋检测：首先通过观察菌膜的形成、嗅味和品尝进行初步鉴定，再通过检测和比较醋酸发酵前后的pH作进一步的鉴定。此外，还可以通过在显微镜下观察发酵液中是否有醋酸菌，并统计其数量作进一步鉴定。

3.如果实验结果不理想，请自己分析失败原因，然后重新制作。

（三）分离获得纯净的酵母菌（醋酸菌）菌种的实验思路：

将葡萄汁或食醋通过稀释涂布平板法或平板划线法操作培养获得单菌落；挑取单菌落分别接种到灭菌的发酵液中，在适宜条件下培养，选取酒精或醋酸浓度高的对应菌落。（可以多次反复筛选）

第二部分：《重难点剖析和知识纵横》

（一）基础知识（“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”变为“研究思路”）

（二）实验设计

一、八个课题的共同知识框架 （三）操作提示

（四）结果分析与评价

（五）课题延伸

（六）相关链接

二、酵母菌与醋酸菌的比较：1.填写下表

比较项目

酵母菌

结构

单细胞真核生物

醋酸菌

单细胞的原核生物

异养和需氧型

代谢类型

异养和兼性厌氧

增殖方式

出芽生殖、孢子生殖、有性生殖

二分裂

生态成分

分解者

分布

广泛，果园土壤（是大本营）

分解者

变酸的酒表面的菌膜

3

2.酵母菌在条件良好时主要进行出芽生殖，在环境恶劣时主要进行孢子生殖。

3.酵母菌细胞壁的主要化学成分是葡聚糖；醋酸菌的细胞壁主要化学成分是肽聚糖

4.酵母菌在生活中除了用于制作果酒外，还在哪些方面应用？发面粉制作包子、馒头等

三、发酵过程的分析：

1.果酒、果醋发酵的比较：

发酵菌种

菌种来源

果酒制作

果醋制作

醋酸菌

购买醋酸菌的菌种或从食醋中分离醋酸菌

醋酸、水

30～35 ℃

7～8 d 始终需要氧

最适pH为5.4～6.0 ①氧气、糖源都充足时：

C6H12O6＋2O2→2CH3COOH＋2CO2＋2H2O ②缺少糖源时：

2C2H5OH＋O2→2CH3CHO(乙醛)＋2H2O 2CH3CHO＋O2→2CH3COOH(醋酸) 酵母菌

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

发酵产物

酒精、二氧化碳

发酵温度

一般控制在18～25 ℃

条件

时间

10～12 d 氧气

初期需氧，后期不需氧

pH 最适pH为4.5～5.0 反应式

①在有氧条件下：C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O ②在无氧条件下：C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2

2.如果果酒发酵和果醋发酵连续进行，培养液中有机物含有的总能量如何变化？（减少）

3.果酒和果醋的自然发酵液，随时间推移，该发酵液可视作什么用途的培养基？？（选择性培养基）

4.发酵过程中微生物种群数量、PH和酒精浓度变化的数学模型：

酵母菌或醋酸菌的种群数目变化 C点前为果酒发酵，后为果醋发酵 果酒发酵中酒精浓度变化

三、用重铬酸钾溶液检验酒精的对照实验：

试管

底物

试剂

试剂

实验现象

对照组A 2 mL白酒

3 mol/L的H2SO4溶液3滴

饱和的重铬酸钾溶液3滴

溶液变灰绿色

实验组B 2 mL发酵前的葡萄汁

3 mol/L的H2SO4溶液3滴

饱和的重铬酸钾溶液3滴

溶液不变色

实验组C 2 mL发酵后的葡萄汁

3 mol/L的H2SO4溶液3滴

饱和的重铬酸钾溶液3滴

溶液变灰绿色

第三部分：《课后练习题答案》

2.提示：大规模生产时需要进行更为全面周详的考虑，如原料的来源与选择、菌种的培育与选择、发酵的设备、发酵条件的自动化控制，以及如何严格控制杂菌污染；等等。此外，无论是葡萄酒或葡萄醋，实验时所检测的发酵液，并非商品意义上的产品。在实际生产中还需沉淀过滤、灭菌装瓶等获得成品酒或醋。葡萄酒还需在一定设施和条件下（如橡木桶和地窖）进行后续发酵，以获得特定的风味和色泽。

3.提示：需考虑厂房、设备投资、原材料采购、工人人数及工资、产品种类、生产周期、销售渠道、利润等问题。

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