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        “果醋的制作”實驗裝置設(shè)計

        2020-03-06 08:33:58褚光輝
        生物學(xué)通報 2020年3期
        關(guān)鍵詞:果醋桿菌裝置

        夏 天 褚光輝

        (1 浙江省余姚市第四中學(xué) 浙江余姚 315400 2 浙江省余姚市第七中學(xué) 浙江余姚 315400)

        “果醋的制作”是浙科版高中生物學(xué)選修1 第3 部分“生物技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用”中的實驗[1]。本實驗在“果酒的制作”之后,意在讓學(xué)生按照“糖→酒→醋”的過程了解傳統(tǒng)的釀造工藝。教師由國內(nèi)外悠久的釀醋歷史,引出釀醋的菌種——醋化醋桿菌,再介紹其釀造條件和原理。通過本模塊的學(xué)習(xí),學(xué)生不僅要掌握果醋的制作及其原理,還要在發(fā)酵工程中選取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法,嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想,設(shè)計和制作簡單的生產(chǎn)果醋的裝置[2]。實驗裝置的設(shè)計和安裝是本實驗的難點,也是成功制作果醋的前提。

        1 教材中的實驗裝置

        在教學(xué)中,教師可提供多種果醋發(fā)酵裝置的示意圖供學(xué)生參考。例如,圖1A 為浙科版教材的發(fā)酵裝置,屬于固態(tài)發(fā)酵;圖1B 是人教版教材的發(fā)酵裝置,屬于液態(tài)發(fā)酵。學(xué)生可結(jié)合果醋的制作原理,分析各個組件的用途和使用方法,比較固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵的異同,從而對果醋發(fā)酵裝置的設(shè)計有初步認(rèn)識。

        圖1 浙科版(A)和人教版(B)教材中的發(fā)酵裝置示意圖[1,3]

        2 發(fā)酵裝置的設(shè)計和安裝

        學(xué)生可根據(jù)已有的資料和生活經(jīng)驗設(shè)計實驗裝置。例如,使用泡菜壇先進(jìn)行果酒的發(fā)酵,再打開壇蓋,換上一層紗布,進(jìn)行果醋發(fā)酵[4]。本實驗教學(xué)過程中,主要基于浙科版的發(fā)酵裝置示意圖(圖1A),讓學(xué)生進(jìn)行討論、設(shè)計并搭建果醋的發(fā)酵裝置。

        2.1 對原設(shè)計的討論 學(xué)生首先分析教材中的原設(shè)計是否可實現(xiàn),主要解決以下問題:1)甲、乙、丙3瓶在空間上需要上下分開,可通過鐵架臺實現(xiàn)。2)分析甲、乙、丙3 瓶的瓶口是否加塞后再蓋鋁箔,學(xué)生通過假設(shè)法可得出,為了保證液體能從甲瓶流至乙瓶,從乙瓶流至丙瓶,且不影響流速,必須保持各瓶內(nèi)、外的氣壓一致,因此各瓶的上口均不加塞子,只覆蓋鋁箔。除此之外,還有一些問題,例如,乙瓶中通入空氣的直角玻璃管如何放置?乙瓶和丙瓶的連接處,除了玻璃管,還應(yīng)有乳膠管,以便用螺絲夾控制液體流速。這2 個問題由于教材文字部分已有描述,只是教材示意圖中沒有畫出,已在圖1A 中補充完整。

        2.2 發(fā)酵裝置的再設(shè)計 學(xué)生通過討論,得出原設(shè)計的改進(jìn)方案,教師引導(dǎo)學(xué)生在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對發(fā)酵裝置進(jìn)行再設(shè)計,如圖2A 所示。再設(shè)計時,盡可能使用已有器材,簡化實驗裝置,例如,乙瓶原為下口瓶,以上下嘴抽濾瓶代替,不僅可實現(xiàn)原設(shè)計的功能,還節(jié)約了實驗器材,不再需要雙孔橡膠塞和用于通氣的直角玻璃管。發(fā)酵裝置整體使用鐵架臺支撐。甲瓶(500 mL 下口瓶)用于盛放果醋發(fā)酵的原料——酒-水混合物,該瓶通過乳膠管、直形二路活塞、直角玻璃管與乙瓶相連。乙瓶(500 mL 上下嘴抽濾瓶)為發(fā)酵瓶,上嘴與通氣泵的出氣管相連,塞脫脂棉球(不可過緊),用于過濾空氣,盡可能防止微生物進(jìn)入;下嘴是發(fā)酵液的出口,通過乳膠管、直形二路活塞、直角玻璃管與丙瓶(250 mL 錐形瓶)相連,此處用直形二路活塞代替螺絲夾,用于控制發(fā)酵液流出的速率,也可使用輸液器的流量調(diào)節(jié)器控制流速。甲、乙、丙3瓶的瓶口均用鋁箔覆蓋,以防止雜菌的污染,保持瓶內(nèi)外氣壓一致,還可減少乙醇的揮發(fā)。

        圖2 重新設(shè)計的果醋發(fā)酵裝置示意圖(A)及實物(B)

        2.3 發(fā)酵裝置的安裝 按照重新設(shè)計的方案搭建果醋發(fā)酵裝置(圖2B)。所用器材應(yīng)清洗干凈,盡可能地滅菌或消毒處理,以防止因雜菌污染而導(dǎo)致產(chǎn)物出現(xiàn)異味并影響質(zhì)量,若不具備滅菌的條件,可將用具用熱水浸泡后晾干再使用[5]。在搭建過程中,要注意檢查乳膠管連接部位的氣密性,以免使用時漏液和雜菌污染。

        3 果醋的制作過程

        使用前期實驗自制的果酒(葡萄酒)為原料[6]進(jìn)行果醋(葡萄醋)的制作。教材中果醋的制作采用了固定化菌體連續(xù)發(fā)酵工藝[7]。

        3.1 醋化醋桿菌的固定化 使用吸附法對醋化醋桿菌進(jìn)行固定。乙瓶內(nèi)裝滅菌的鋸末(防止自帶微生物的影響),低于乙瓶上嘴。將1 g 市售的醋化醋桿菌(也可用醋曲代替)加在200 mL 酒-水混合物(100 mL 果酒與100 mL 蒸餾水混合)中混勻,并調(diào)pH 值至7.0 后倒入乙瓶中,使鋸末均勻濕透。醋化醋桿菌附著在鋸末上,瓶底幾乎沒有或僅有少量游離的液體。

        醋化醋桿菌的固定化過程中,也可先將醋化醋桿菌與鋸末充分混合,再倒入pH=7.0 的酒-水混合物,這樣菌體的分布會更均勻。

        用鋁箔蓋住乙瓶瓶口,將通氣泵的出氣管與乙瓶上嘴相連,緩慢通氣,使醋化醋桿菌活化、增殖。在醋酸發(fā)酵48 h 后,收集乙瓶流出液,學(xué)生用pH 值試紙檢測流出液的pH 值,此時pH 值已由初始的7.0 降至2.1,明顯呈酸性,說明醋化醋桿菌已被活化,其代謝產(chǎn)物乙酸導(dǎo)致pH 值下降。

        3.2 果醋的發(fā)酵 果醋發(fā)酵的最適溫度為30~35℃[3],因此要控制溫度或在氣溫較高時進(jìn)行實驗。配置400 mL 酒-水混合物(酒、水比例為1∶1),用pH 值試紙(或pH 計)測得初始pH 值為5.0。將甲瓶下口的直形二路活塞關(guān)閉,把400 mL 酒-水混合物倒入甲瓶,用鋁箔蓋住瓶口。打開通氣泵,調(diào)節(jié)甲瓶下口的直形二路活塞,使甲瓶滴入乙瓶的液體流速約為1 滴/25 s。調(diào)節(jié)乙瓶下嘴的直形二路活塞,使滴入丙瓶的液體也約為1 滴/25 s。在發(fā)酵過程中要經(jīng)常注意液體流速的變化,適時調(diào)整。

        學(xué)生每24 h 檢測流出液的pH 值,根據(jù)pH 值變化可判斷生成的乙酸濃度變化,以監(jiān)控發(fā)酵過程。24 h 時流出液pH 值由初始的5.0 降至3.1,48 h 時pH 值降至2.1,之后一直保持pH=2.1。流出液pH 值不再減少,或甲瓶中的液體全部流入乙瓶,即可停止實驗。

        4 小結(jié)

        《齊民要術(shù)》 記載了20 余種釀醋的方法,由此可見,制醋的方法多種多樣。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生根據(jù)釀醋的原理自己設(shè)計、搭建實驗裝置,并進(jìn)行實驗。在制醋的過程中,應(yīng)和實際生產(chǎn)過程中一樣,對發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)試。例如,在本實驗中,由于自制果酒的乙醇含量相對較低,為了促進(jìn)發(fā)酵,將酒-水混合物的酒、水比例由1∶4 調(diào)整為1∶1。教師可組織學(xué)生使用不同的酒、水比例進(jìn)行實驗,以觀察不同的發(fā)酵效果,獲得最優(yōu)酒、水比例。再如,由于本次實驗發(fā)酵條件、醋化醋桿菌活性等比較好,在保證乙醇能充分氧化的前提下,將發(fā)酵液流速由1 滴/5 min 調(diào)整為1 滴/25 s,縮短了實驗時間。

        此外,應(yīng)盡可能保持環(huán)境的清潔,器材經(jīng)滅菌或消毒處理,以減少環(huán)境中的微生物的影響。在監(jiān)控發(fā)酵情況時,若發(fā)酵較快,可提高流出液pH 值的檢測頻率,如每12 h 檢測一次。

        致謝:感謝余姚市第四中學(xué)化學(xué)老師呂鑫協(xié)助搭建實驗裝置。

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