1、选修 1 生物技术实践专题 1 传统发酵技术的应用知识结构网络 基础知识整合 一、与传统发酵有关的几类微生物的比较 酵母菌醋酸菌毛霉乳酸菌生物学分类真核生物原核生物真核生物原核生物生活方式异养兼性厌氧异养需氧异养需氧异养厌氧适宜温度20 左右3035 1518 室温主要生殖方式出芽生殖二分裂生殖孢子生殖二分裂生殖主要用途酿酒、发面酿醋制作腐乳制作酸奶、泡菜酵母菌的无氧呼吸和乳酸菌的无氧呼吸属于两种类型。前者产生酒精和二氧化碳,后者产生乳酸。基础知识整合 二、果酒、果醋的制作原理1.果酒的制作原理酵母菌在有氧条件下能大量增殖,在无氧条件下,能通过无氧呼吸产生酒精,反应式如下:C6H12O62C2
2、H5OH+2CO2。2.果醋的制作原理当氧气、糖源都充足时,醋酸菌将葡萄汁中的糖分解成醋酸,反应式如下:C6H12O6+2O22CH3COOH+2CO2+2H2O,当缺少糖源时,醋酸菌将乙醇变成乙醛,再将乙醛变为醋酸,反应式如下:C2H5OH+O2CH3COOH+H2O。3.果酒与果醋制作的简易装置(1)各部位的作用充气口：在醋酸发酵时连接充气泵进行充气。排气口：排出酒精发酵过程中产生的 CO2。出料口：用来取样。排气口胶管长而弯曲的原因：防止空气中微生物的污染。(2)使用方法使用该装置制酒时，应该关闭充气口；制醋时，应将充气口连接气泵，输入氧气。基础知识整合 4、果酒、果醋生产的操作步骤制果
3、酒制果醋过程选材和材料处理:选择新鲜的葡萄,先用清水冲洗葡萄 12 遍除去污物后,再去枝梗制作发酵液,防止杂菌污染发酵:将葡萄汁注入发酵瓶,注意量不要超过塑料瓶总体积的 2/3将温度严格控制在1825,时间控制在 1012 d左右。发酵旺盛期的 CO2产量非常大,要及时排气,防止发酵瓶爆裂将温度严格控制在 3035,时间控制在 78 d 左右,并注意适时通过充气口充气检测指标:710 d 以后,可以开始进行取样检验工作。例如,可以嗅味和品尝、用重铬酸钾检验酒精含量、进行酵母菌的镜检、测定 pH 等工作检测指标:果醋的制作是否成功可以通过观察菌膜的形成、嗅味和品尝初步鉴定,再通过检测和比较醋酸发
4、酵前后的pH 进一步鉴定。还可以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基础知识整合(1)在制果酒时,为提高果酒的品质,更好地抑制其他微生物的生长,可以直接在果汁中加入人工培养的纯净的酵母菌。(2)在制果醋时,当糖源不足时,可以用果酒制果醋。这种情况下,需要在果酒中加入醋酸菌或醋曲。(3)控制好发酵条件:果酒果醋温度20 左右,最适合繁殖;1825,酒精发酵3035,最适生长氧气前期通 O2,然后控制无 O2氧气充足其他时间:1012 天;pH:5.06.0时间:约 78 天 基础知识整合 某新能源研究兴趣小组尝试用木薯块根的淀粉制备燃料酒精。他们用酶将木薯淀粉降解成单糖。
5、查阅资料后，安装的酒精发酵装置、采用的发酵条件如图。(1)向发酵瓶中加入 5 g 酵母菌开始试验，发酵初期，通气阀需要偶尔短时间打开，并在 A 通气口处打气，以利于；实验过程中，通气阀需要偶尔短时间打开，目的是。(2)第 3 天，取出少量发酵液，滴加含有的浓硫酸溶液来检测酒精。(3)检测后发现，尽管酵母菌菌种合适、淀粉酶解物充足、操作正确、发酵温度和 PH 值适宜，但酒精含量(+)比预期低，我们展开了讨论，认为还有其他影响因素，如，请设计试验对此因素进行探究并预测实验结果(用表格形式呈现；用“+”表示酒精量，最高含量为“+”)。(4)请对预测的结果进行分析，并得出结论。基础知识整合 解析：本题
6、考查酵母菌发酵过程、检测及相关分析。(1)图中的发酵装置是选修一果酒制作装置的一个改变，通气阀 1 是进气口，发酵初期，通气阀需要偶尔短时间打开，并在 A 通气口处打气，以利于酵母菌进行有氧呼吸，代谢快，增殖快，繁殖大量酵母菌利于后期发酵；实验过程中，酵母菌进行酒精发酵，产生 CO2，装置内气压升高，通气阀需要偶尔短时间打开，排出部分 CO2，以保持装置内气压平衡。(2)重铬酸钾在酸性条件下与酒精发生颜色反应，用来鉴定有无酒精产生。(3)影响酵母菌发酵的因素除了菌种、淀粉酶解物充足、操作正确、发酵温度和 pH 值外，还有酵母菌数量等因素，可以通过以加入的酵母菌种数量为自变量，以生产的酒精含量为
7、因变量设置实验进行探究，在表格设计中要注意对照原则、等量原则和单一变量原则。(4)根据实验探究过程，其结果应该有两种情况，即如果随着酵母菌种数量增加，酒精含量也增加，则酵母菌数量是影响发酵的因素。如果随着酵母菌种数量增加，酒精含量没有增加，则酵母菌数量不是影响发酵的因素。基础知识整合 答案：(1)使酵母菌进行有氧呼吸，以便其增殖排出部分 CO2，保持装置内气压平衡(2)重铬酸钾(3)酵母菌数量实验设计如下表所示(4)如果随着酵母菌种数量增加，酒精含量也增加，则酵母菌数量是影响发酵的因素；如果随着酵母菌种数量增加，酒精含量没有增加，则酵母菌数量不是影响发酵的因素。基础知识整合 四、腐乳制作的原理
8、和实验设计(一)腐乳酿造的原理及条件 菌种反应发酵条件操作提示毛霉等需氧型微生物蛋白质小分子的肽、氨基酸脂肪甘油、脂肪酸 温度为 1518,此温度不适于细菌、酵母菌和曲霉的生长防杂菌污染;控制盐、酒、香辛料的用量;控制前、后期的发酵条件 基础知识整合(二)实验设计1.实验流程让豆腐上长出毛霉加盐腌制加卤汤装瓶密封腌制2.操作提示(1)操作过程的控制:水的控制:含水量约 70%,用含水量过高的豆腐制腐乳,不易成形。盐的控制:盐浓度过高,会影响腐乳的口味,浓度过低,腐乳易腐败变质。酒的控制:酒精含量的高低与腐乳后期发酵时间的长短有很大关系,一般控制在 12%左右。酒精含量越高,对蛋白酶的抑制作用也
9、越大,使腐乳成熟期延长。酒精含量过低,蛋白酶的活性高,加快蛋白质的水解,杂菌繁殖快,豆腐易腐败,难以成块。温度的控制:温度 1518,适合毛霉生长。发酵时间宜控制在 6 个月左右。基础知识整合(2)防止杂菌污染:用来腌制腐乳的玻璃瓶,洗刷干净后要用沸水消毒。装瓶时,操作要迅速小心。加入卤汤后,要用胶条将瓶口密封。封瓶时,最好将瓶口通过酒精灯的火焰,防止瓶口被污染。基础知识整合 回答下列关于腐乳制作的问题:(1)腐乳是豆腐经微生物发酵后制成的食品。多种微生物参与了该发酵过程,其中起主要作用的微生物是 ,其产生的蛋白酶可将豆腐中的蛋白质水解为 和 ;其产生的 能将豆腐中的脂肪水解为 和 。(2)发
10、酵完成后需加盐腌制,加盐还可以抑制 生长。(3)腐乳制作的后期可加入由酒和多种香辛料配制而成的卤汤。卤汤除具有一定的防腐作用外,还能使腐乳具有独特的 。基础知识整合 解析:(1)腐乳制作过程中所利用的微生物主要是毛霉,其产生的蛋白酶能将豆腐中的蛋白质水解为多肽和氨基酸,其产生的脂肪酶将脂肪水解为甘油和脂肪酸。(2)发酵完成后加盐能抑制其他微生物的繁殖和生长。(3)腐乳制作过程中加入酒和香辛料既有防腐作用,又能使腐乳具有独特的风味。答案:(1)毛霉多肽氨基酸脂肪酶甘油脂肪酸(2)微生物(3)风味基础知识整合 五、泡菜制作及亚硝酸盐含量的检测1.制作流程2.检测亚硝酸盐的含量我国卫生标准规定 肉制
11、品酱腌菜婴儿奶粉亚硝酸盐的残留量(mg/kg)30202 基础知识整合 3.测定亚硝酸盐含量(1)亚硝酸盐危害:当摄入总量较多时,可引起中毒或死亡。在特定条件(适宜温度、pH 和微生物作用)下,亚硝酸盐可以转变成致癌物亚硝胺。(2)检测原理NO2-+对氨基苯磺酸反应物反应物+N 1 萘基乙二胺盐酸盐玫瑰红色染料亚硝酸盐溶液的浓度高,颜色深些;溶液浓度低,颜色浅些。(3)检测步骤:配制溶液制备标准显色液制备样品处理液比色。基础知识整合 实验成功的关键(1)蔬菜应新鲜:放置时间长,蔬菜中的硝酸盐易被还原成亚硝酸盐。(2)标准显色液、样品处理液的制备中计量要精确。(3)清水和食盐的质量比为 41,盐
12、水要煮沸后冷却。(4)泡菜坛内要注满水,以保证乳酸菌发酵所需要的无氧环境,并注意在发酵过程中经常补水。(5)每次取样用具要洗净,要迅速封口,防止杂菌污染。基础知识整合(2015广东卷)泡菜是我国的传统食品之一，但制作过程中产生的亚硝酸盐对人体健康有潜在危害。某兴趣小组准备参加“科技创新大赛”，查阅资料得到下图。基础知识整合（1）制作泡菜时，泡菜坛一般用水密封，目的是 。乳酸菌发酵第一阶段的产物有 。（2）据上图，与第3天相比，第8天后的泡菜更适于食用，因为后者 ；pH呈下降趋势，原因是 。（3）该小组得到一株“优选”乳酸菌（亚硝酸盐还原酶活力比普通乳酸菌高5倍），拟参照资料的实验方案和食盐浓度
13、（4%10%），探究与普通乳酸菌相比用“优选”乳酸菌制作泡菜过程中亚硝酸盐含量的高低，并确定其最适条件。请你设计一个实验结果记录表，并推测实验结论。解析：本题主要考查乳酸菌的发酵过程以及实验设计的相关内容，意在考查考生的理解能力、实验与探究能力和综合运用能力。(1)乳酸菌是厌氧微生物，在无氧条件下才能增殖和生长，进行各项生命活动。细胞呼吸的第一阶段是葡萄糖分解为丙酮酸的过程，该阶段的产物有丙酮酸、H和ATP。（2）据题图分析，在第3天时，亚硝酸盐的含量为40 mg/kg，而在第8天时，亚硝酸盐的含量只有5 mg/kg，故第8天后的泡菜更适于食用。由于乳酸菌的无氧呼吸产物是乳酸，而乳酸呈酸性，经
14、过大量的积累会使pH下降。(3)三因子自变量的表格中，自变量分别是食盐的浓度、不同菌种、培养时间，观察指标是亚硝酸盐的含量，其他都是无关变量，应保持相同且适宜。表格中要有单位。答案：(1)创造无氧环境 丙酮酸、H、ATP(2)亚硝酸盐含量已接近最低水平 乳酸积累(3)结果记录表 推测实验结论：用“优选”乳酸菌制作泡菜，亚硝酸盐含量更低 最适条件是亚硝酸盐含量最低时的食盐浓度和发酵时间 速效提升训练 1.下图1 是制作果酒和果醋的实验流程示意图,图2 为果酒和果醋制作的简单装置。请结合所学知识回答有关问题:速效提升训练(1)研究表明,葡萄细胞的细胞壁影响榨汁过程中的出汁率,为了解决这个问题,可对
15、图 1 中的榨汁环节进行改进,先将葡萄粉碎制得葡萄泥,后用一定浓度的酶处理一段时间,再过滤得到葡萄汁。(2)在果酒、果醋制作过程中,需要控制好发酵的条件:一是温度控制,果酒制作控制在、果醋制作控制在。二是在利用图 2 装置进行果酒制作时,装入葡萄汁后,应留有大约1/3 的空间,目的是;在果醋制作中,则应注意适时通过管口(填“A”或“B”)充气。(3)过程中不用灭菌一般也不会受到杂菌的污染,原因是。检测果酒制作是否成功的原理是。速效提升训练 解析:(1)由题中信息可知,影响出汁率的是细胞壁,而细胞壁的主要成分为纤维素和果胶,所以应用一定浓度的纤维素酶和果胶酶处理,以使细胞壁的成分被分解,从而提高
16、出汁率。(2)果酒制作利用的是酵母菌厌氧发酵,适宜温度为 1825;果醋制作利用的是醋酸菌需氧发酵,适宜温度为 3035;利用装置2 进行果酒制作的过程中,留有大约 1/3 的空间,可为酵母菌提供氧气,使其在早期快速增殖;果酒制作为厌氧发酵,果醋制作为需氧发酵,因而,在果醋制作中,应注意适时通过充气口充气,即通过管 A 充气。(3)制作果酒的原理是利用酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵,酵母菌无氧呼吸可产生酒精,在此过程中无氧环境及产生的酒精都能抑制绝大多数微生物的生长繁殖。检验果酒制作是否成功的原理是在酸性条件下,重铬酸钾与酒精反应呈现灰绿色。速效提升训练 答案:(1)纤维素酶和果胶(2)182
17、53035满足酵母菌早期繁殖对氧气的需要A(3)培养液中的缺氧环境及酵母菌产生的酒精能抑制绝大多数微生物的生长繁殖在酸性条件下,重铬酸钾溶液与酒精反应呈现灰绿色速效提升训练 2.腐乳是我国古代劳动人民创造出的一种经过微生物发酵的大豆食品,下面是腐乳制作的流程示意图:让豆腐长出毛霉加盐腌制加卤汤装瓶密封腌制(1)现代科学研究表明,许多种微生物参与了豆腐的发酵,比如、和毛霉等。其中起主要作用的是毛霉。毛霉是一种状真菌,分布广泛,常见于土壤、水果、蔬菜、谷物上。毛霉生长迅速,具有发达的白色菌丝。(2)腐乳制作的原理是。(3)传统的制作过程中,豆腐块上生长的毛霉来自。而现代的腐乳生产是在严格的无菌条件
18、下,将优良的毛霉菌种接种在豆腐上,这样做的目的是。(4)加盐的作用是。(5)卤汤是由酒及各种香辛料配制而成的,卤汤中的酒可以选用料酒、黄酒、米酒、高粱酒等,含量一般控制在 12%左右。加酒的作用是。速效提升训练 解析:本题考查腐乳制作的原理和制作过程中盐、酒的作用。(1)制作腐乳不同于果酒、果醋及泡菜的制作,它需要多种微生物的参与,但主要依赖毛霉的作用。(2)腐乳中的小分子氨基酸和多肽及甘油、脂肪酸等是腐乳的营养价值和特殊风味之所在,它们是蛋白酶、脂肪酶催化蛋白质和脂肪分解的产物。(3)和制作果酒一样,所用菌种是特殊的,这样可以避免一些杂菌的污染,如果毛霉来自空气中,则容易同时感染其他杂菌。(
19、4)(5)盐和酒的作用有相似之处,都具有防止杂菌感染和调味作用。速效提升训练 答案:(1)青霉 酵母 曲霉 丝(2)毛霉等微生物产生的蛋白酶能将豆腐中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸;脂肪酶可将脂肪水解为甘油和脂肪酸(3)空气中的毛霉孢子 避免其他菌种的污染,保证产品质量(4)析出豆腐中的水分,使豆腐块变硬,抑制微生物的生长,避免豆腐变质(5)抑制微生物的生长,同时能使腐乳具有独特的香味速效提升训练 3.泡菜是人们日常生活中比较喜欢的一种食品，但是泡菜中却含有亚硝酸盐。当人体摄入的亚硝酸盐总量达到 0.30.5 g 时，会引起中毒；达到 3 g时，会引起死亡。我国卫生标准规定，亚硝酸盐的残留量
20、在酱腌菜中不得超过20 mg/kg。针对泡菜在发酵过程中会产生亚硝酸盐的事实，某中学生物活动小组设计实验，探究不同食盐浓度和发酵时间对亚硝酸盐含量变化的影响。(1)请补充实验设计的空缺内容：制作泡菜的原理：。测量指标及方法：亚硝酸盐与某些化学物质发生反应后形成色染料。先使泡菜样品及一系列已知浓度的亚硝酸盐溶液分别与化学物质发生显色反应，然后通过颜色，可以估测出泡菜样品中亚硝酸盐的含量。速效提升训练 确定浓度梯度：经过查找资料和初步实验，发现当食盐浓度为 3%以下时，制作的泡菜溶液发生腐败，而当食盐浓度在 8%以上时，制作的泡菜又容易成为咸腌菜。因此，分别设计了 3%、5%、7%的食盐浓度梯度来
21、制作泡菜。选择实验材料：红萝卜和白萝卜，哪种更适合于用作实验材料？。理由是。制作泡菜：将实验材料分成3 组制作泡菜，除了实验材料的重量相同外，还要保证每组泡菜的相同。从第3 天开始，定期测定泡菜中的亚硝酸盐含量，请帮助该小组设计一个用于实验记录的表格。速效提升训练(2)如图是该生物活动小组记录的三种食盐浓度的泡菜中的亚硝酸盐含量与发酵天数的关系图。据此图实验结果，请你给出制作泡菜的最佳指导意见：。你给出此建议的理由是：食盐浓度为 3%的泡菜中亚硝酸盐含量总体上在 3 坛泡菜中；食盐浓度为 5%的泡菜在发酵初期亚硝酸盐含量迅速升高，且亚硝酸盐含量变化，但从发酵 11 天后亚硝酸盐含量降到最低值；
22、而食盐浓度为 7%的泡菜中亚硝酸盐含量变化不大，虽一直处于较低数值，但容易成为。解析：(1)选择实验材料时首先是材料要能够保证实验的顺利进行。本实验中需对比颜色，红萝卜中的色素会干扰实验结果，不是理想的实验材料。(2)对比不同食盐浓度的泡菜中亚硝酸盐含量，从图中曲线可看出食盐浓度为3%的泡菜中亚硝酸盐含量总体上是 3 坛泡菜中最高的；食盐浓度为5%的泡菜中亚硝酸盐含量变化最快，它的最高值是 3 坛泡菜中最高的，当亚硝酸盐含量降到最低值时，也是 3 坛泡菜中最低的；而食盐浓度为7%的泡菜中亚硝酸盐含量变化不大，一直处于较低的数值。答案：(1)乳酸菌在无氧的环境下大量繁殖并发酵产生乳酸玫瑰红对比白
23、萝卜避免植物中色素对显色反应的干扰制作(或培养、发酵)条件如下表所示(2)用 5%的食盐浓度制作泡菜比较适合食用，但要在发酵时间达 11天(或9 天)以后食用才比较适宜最高最快咸腌菜速效提升训练 4.某同学尝试在适宜的条件下制作果酒和果醋,发酵装置如甲图所示,在消毒后的锥形瓶中装入新鲜的葡萄汁后封闭通气口,进行自然发酵。发酵初期将温度控制在 1825,可见溶液中有大量气泡产生;中期可以闻到酒香;后期接种醋酸菌,适当升高温度并通气,酒香逐渐变成醋香。分析并回答下列问题:速效提升训练(1)发酵开始时封闭通气口的原因是酵母菌。与醋酸菌相比较,酵母菌在细胞结构上最大的特点是。(2)接种醋酸菌后需要通气
24、,这是因为。(3)图乙中能表示整个发酵过程培养液 pH 变化的曲线是。速效提升训练(4)工业生产中可通过重离子束辐照啤酒酵母获得呼吸缺陷型酵母菌菌种来提高果酒的产量。经过重离子束辐照后的酵母菌可以接种到 TTC(一种显色剂)培养基中快速筛选,在此培养基中呼吸正常的酵母菌菌落呈红色,呼吸缺陷型酵母菌菌落呈白色,此培养基从用途上划分属于培养基。选育此菌种的方法称为。选育出的菌种需经多次后才能接种到发酵罐中进行工业生产。呼吸缺陷型酵母菌细胞内的丙酮酸可大量转化为酒精,说明其细胞代谢过程中被阻断,因此在啤酒工业生产中具有潜在的经济价值。速效提升训练 解析:(1)因为酒精是酵母菌通过无氧呼吸产生的,所以
25、在发酵开始时需要密封发酵装置,为酵母菌提供一个无氧环境。醋酸菌是原核生物,但酵母菌是真核生物,二者的细胞结构主要区别在于有无以核膜为界限的细胞核。(2)醋酸菌属于好氧菌。(3)在果酒发酵阶段,由于产生 CO2,所以酸碱度持续下降,但速度较慢。由于进入果醋发酵阶段后,直接产生酸性物质醋酸,所以酸碱度下降速度更快,因此发酵过程中的酸碱度变化为曲线。(4)用重离子束辐照产生呼吸缺陷型酵母菌,这是利用了人工诱变的育种方法,筛选的方法是利用了鉴别培养基,通过观察菌落的颜色获得所需菌种的。选育出的菌种要经过扩大培养后才能用于工业生产。根据有氧呼吸和无氧呼吸的原理可知,呼吸缺陷型酵母菌最可能是因为无法进行有
26、氧呼吸的第二、第三阶段,使得更多的糖类用于无氧呼吸,所以产生更多的酒精。速效提升训练 答案:(1)在无氧条件下进行酒精发酵(在无氧条件下产生酒精)有以核膜为界限的细胞核(2)醋酸菌为好氧型细菌(3)(4)鉴别(人工)诱变育种 扩大培养 有氧呼吸第二、第三阶段速效提升训练 5.下图为酿制葡萄酒的两个简易装置，请据图分析回答：(1)果酒制作离不开酵母菌，它的新陈代谢类型是。(2)在葡萄酒的自然发酵过程中，酵母菌的来源是。(3)甲装置中，A 液体是，NaHCO3 溶液的作用是；与乙装置相比，甲装置的优点是。(4)葡萄汁装入发酵瓶时，要留有大约 1/3 的空间，这是因为。速效提升训练(5)果汁发酵后是
27、否有酒精产生，可用来检验。在酸性条件下，该试剂与酒精反应呈现。在果酒酿造过程中，如果果汁灭菌不严格，含有醋酸杆菌，在酒精发酵旺盛时，醋酸杆菌能否将果汁中的糖发酵为醋酸？。理由是。速效提升训练 解析：(1)酵母菌不能直接将无机物制造为有机物，必须以现成的有机物来为生命活动提供能量和作为构建细胞的原料；其既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸，因此为异养兼性厌氧型。(2)在葡萄酒的发酵过程中，不需要加入酵母菌，起主要作用的是附着在葡萄皮上的野生型酵母菌。(3)甲装置中，A 液体为发酵的葡萄汁，用导管插入碳酸氢钠溶液中是为了吸收发酵过程中产生的二氧化碳，甲装置由于把产生的二氧化碳及时排出，因此不会导致二
28、氧化碳在发酵液中大量存在，同时不需要拧松瓶盖释放二氧化碳，避免杂菌的污染。(4)发酵瓶留有 1/3 空间中的氧气可以让酵母菌进行有氧呼吸而大量繁殖，同时避免酵母菌在无氧条件下发酵剧烈时产生的气体溶解到发酵液中，使发酵液溢出。(5)检验酒精有无的试剂是重铬酸钾，橙色的重铬酸钾在酸性条件下可以与酒精发生反应，变成灰绿色。发酵产生酒精的过程是在无氧条件下进行的，而醋酸菌产生醋酸要在有氧的条件下进行，所以醋酸菌在酒精发酵旺盛时不能发酵产生醋酸。答案：(1)异养兼性厌氧型(2)附着在葡萄皮上的野生型酵母菌(3)葡萄汁吸收酵母菌酒精发酵产生的 CO2既能及时吸收(发酵产生的)CO2，又能减少被杂菌污染的机会(4)既为酵母菌大量繁殖提供适量氧气，又防止发酵旺盛时发酵液溢出(5)重铬酸钾灰绿色不能酒精发酵时是无氧环境，而醋酸发酵需要氧气
