师：同学们，今天我们要学习人教版选择性必修三第一章第一节传统发酵技术的应用第一课时。第一章内容是发酵工程。说起发酵大家都不陌生，餐桌上的面包、酸奶、馒头都离不开微生物发酵。那制作不同发酵食品所需微生物一样吗？除了传统发酵技术生产的食品，啤酒、味精乃至胰岛素等药物的工业化生产也利用了微生物发酵。不过，工业化大规模生产在菌种选育和培养、发酵条件控制等方面比传统发酵生产复杂得多，需要通过发酵工程来实现。
大家看，这是某工厂的几个大型发酵罐，显然工业化大规模发酵比传统发酵技术复杂得多。从传统发酵技术发展到工业化大规模生产的发酵工程，到底经历了哪些变化呢？接下来我们以时间为线索，回顾其发展过程。
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵为含酒精的饮料。后来，人们还通过自然发酵或曲种传代的固体发酵方法生产其他产物，像酱油、醋、豆豉、腐乳、酸奶等。这里解释两个名词，曲种就是将米、麦、大豆等蒸后发酵，再加进曲酶使其繁殖发酵而成，类似平时说的酒曲。曲种传代就是每次发酵时加入上次发酵物中的曲种，固体发酵是微生物在没有或基本没有游离水的固态基质上的发酵方式。这种传统发酵技术促进了中华民族特有的饮食文化形成，但几千年来，人们并不明白其中原理。
直到1857年，法国微生物学家巴斯德通过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的，人们这才对发酵原理有了初步了解。1897年，科学家发现酶在酵母菌发酵中的作用，开始探究发酵本质，到底是细胞还是细胞产生的物质在发酵过程中发挥作用呢？
同学们还记得必修一学习酶本质的探索中，关于酒精发酵原理的探索吗？当时很多科学家认为酿酒发酵是纯化学反应，与生命活动无关。巴斯德通过显微镜观察提出，酿酒中的发酵是由于酵母细胞的存在，即发酵与活细胞有关。而德国科学家李比希却坚持认为，引起发酵的是酵母细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用。
两种观点争执不下，该如何证明呢？可以把细胞研磨得到不含细胞的提取液，如果这个提取液能继续催化发酵过程，那就意味着不需要活细胞，只需细胞中的某些物质即可。解决这个争端的是德国化学家毕希纳，他把酵母细胞放在石英砂中用力研磨，加水搅拌，再进行加压过滤，得到不含酵母细胞的提取液。在这些汁液中加入葡萄糖后发酵可以进行，也就是说酵母细胞中的某些物质在酵母细胞破碎后仍能起催化作用，他把该物质称为酶，即发酵主要依靠细胞产生的某些酶。
课本还有很多类似证明，比如赤霉素的发现史。水稻感染赤霉菌后出现疯长现象，叫恶苗病。引起恶苗病的原因，可能是赤霉菌本身，也可能是赤霉菌产生的某种物质。科学家将赤霉菌培养基的滤液喷洒到幼苗上，幼苗没感染赤霉菌，却也出现恶苗病症状，说明是赤霉菌产生的物质导致恶苗病。1935年，科学家从培养基滤液中分离出赤霉素。
1897年，科学家发现酶在酵母菌发酵中的作用，逐渐了解发酵本质。之后30多年间，微生物的分离和纯化技术得到应用，发酵生产工艺和设备不断完善，传统的固体发酵开始向半固体发酵和液体发酵演变。同时，作坊式手工生产向近代工业化生产方向发展，利用微生物生产的新产品不断出现。
前面提到固体发酵是微生物在没有或基本没有游离水的固态基质上的发酵方式，那什么是液体发酵呢？液体发酵是将物料先制备成液态，再接入微生物产生生物反应的过程。半固体发酵则介于固体发酵和液体发酵之间。液体发酵适用面广，易于机械化和自动化生产，现代发酵产业大多采用液体发酵。
20世纪40年代，利用发酵工程大规模生产青霉素成为研究主攻方向。青霉素是抗生素，青霉菌产生菌是需氧型微生物，所以科学家在厌氧发酵技术基础上，建立深层通气液体发酵技术，提供充足氧气让青霉菌发酵，实现了青霉素产业化。不久，随着链霉素、金霉素、土霉素等抗生素的发现及生产，抗生素发酵工业兴起。
20世纪50年代，用微生物生产谷氨酸获得成功，谷氨酸是味精主要成分。60年代，科学家通过研究微生物代谢途径改进发酵技术，通过人工诱变特定微生物，使其发生基因突变，获得更高生产能力的突变类型。之后，酶制剂、多糖、维生素发酵工业相继兴起。
20世纪70年代以后，基因工程和细胞工程等发展，使发酵工程进入定向育种新阶段。定向育种就是按人们需求定向改造生物遗传物质，让微生物产生人类需要的产物，如人胰岛素、干扰素等。胰岛素是一型糖尿病患者所需药品，传统从动物脏器中生化提取，如猪胰岛素、牛胰岛素等，产量低、成本高、纯度低。现在运用基因工程将胰岛素基因转移到微生物中，获得能生产胰岛素的微生物，通过发酵工程大量生产，产量高且纯度高。干扰素是人体受病毒感染后产生的，利用基因工程结合发酵技术也能大量生产。
20世纪80年代，科学家开始用数学、动力学、化学、工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究，更合理地控制发酵过程。目前，人类已能自动记录和控制发酵过程的全部参数。
那到底什么叫发酵工程呢？发酵工程是指利用微生物特定功能，通过现代化工程技术规模化生产对人类有用的产品。因涉及工业化工程规模，所以会涉及菌种选育和培养、产物分离和提纯等方面。接下来我们先了解传统发酵技术的应用，请同学们翻开课本第4页。
“葡萄美酒夜光杯，欲饮琵琶马上催。醉卧沙场君莫笑，古来征战几人回。”诗中提及的葡萄酒是人类利用微生物发酵制作而来，通过微生物发酵还能产生葡萄醋。葡萄酒和葡萄醋都以葡萄为原料发酵，为何一个是醇厚浓郁、耐人寻味的酒，一个却是酸味柔和、口感绵长的醋呢？原来，葡萄酒经酵母菌无氧呼吸产生酒精，葡萄醋经醋酸菌有氧呼吸产生醋酸，口感差别很大。可见，同一种物质经不同微生物发酵，可变成截然不同的产品。
人类利用微生物发酵制作果酒或其他食品已有几千年历史。约9000年前，祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成含酒精的饮料。这是汉代砖刻上的酿酒图和展示我国古代酿酒作坊的绘画作品，可见酿酒历史源远流长。人类最初可能发现储存的水果自然发酵变成酒，从而逐渐摸索酿酒技术，但当时不知发酵原理。直到1857年，巴斯德证明酒精发酵由活的酵母菌引起，人们才开始了解发酵本质。
那什么是发酵呢？看课本第5页概念，发酵是指人们利用微生物在适宜条件下，将原料通过微生物代谢转化成人类所需产品的过程。关键词是微生物代谢产物，简单说，发酵就是通过微生物代谢获得产物的过程。提供适宜条件，是为让微生物代谢产生我们需要的产品。从葡萄酒和葡萄醋例子可知，不同微生物产生不同代谢产物，利用它们可生产多种产物。我们根据微生物发酵过程是否需要氧气，分成需氧发酵和厌氧发酵两种类型。