發(fā)酵技術(shù)里的生物學(xué)知識(shí)

學(xué)習(xí)發(fā)酵過程中的乳酸菌代謝、酸性環(huán)境抑菌等生物機(jī)制，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)高考生物考查的并非表面的生物現(xiàn)象，而是深層次的生物知識(shí)。本文將結(jié)合2023年高考山東生物卷真題，解析發(fā)酵環(huán)境的調(diào)控要素和微生物作用，旨在幫助大家理解發(fā)酵技術(shù)中的科學(xué)規(guī)律，提高解答復(fù)雜題型的能力。

發(fā)酵技術(shù)的生物學(xué)原理

（一）微生物與發(fā)酵反應(yīng)的關(guān)系

在發(fā)酵反應(yīng)中，乳酸菌等微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用。乳酸菌利用糖經(jīng)過無氧酵解生成乳酸的過程被稱為乳酸發(fā)酵。乳酸菌在無氧環(huán)境下，通過將糖分解成乳酸，消耗了發(fā)酵環(huán)境中的糖類，降低了環(huán)境的pH值，從而形成酸性條件。這種酸性條件有效抑制了多種雜菌的生長。例如，在腌制過程中，乳酸菌代謝產(chǎn)生的乳酸不僅賦予食物獨(dú)特的風(fēng)味，還能防止其他有害微生物入侵。乳酸菌的活躍代謝特性展示了微生物在特定環(huán)境中的適應(yīng)能力，使發(fā)酵技術(shù)成為一種安全、經(jīng)濟(jì)的食物保存技術(shù)。

（二）發(fā)酵環(huán)境的調(diào)控要素

發(fā)酵過程中，環(huán)境條件的調(diào)控至關(guān)重要，特別是鹽水濃度和氧氣隔絕等因素對(duì)發(fā)酵效果有著深遠(yuǎn)影響。例如，鹽水不僅能調(diào)節(jié)食材的風(fēng)味，還能抑制雜菌的生長。高濃度鹽水通過滲透作用，抑制了多種雜菌，而乳酸菌具有較強(qiáng)的耐鹽能力，能夠在此環(huán)境中正常生長。此外，發(fā)酵過程通常要求無氧條件，這種隔絕氧氣的環(huán)境不利于需氧性雜菌的生長。在具體操作中，用冷卻后的沸鹽水處理食材，可以確保其表面無雜菌，將菜料在鹽水中完全浸沒，可以隔絕氧氣。通過這些步驟，可以有效控制微生物的種類和數(shù)量，保證發(fā)酵的順利進(jìn)行。

二、從高考真題中剖析發(fā)酵技術(shù)中的生物學(xué)原理

下面以2023年高考山東卷生物卷第12題為例，剖析發(fā)酵過程中涉及的生物學(xué)原理。該題涉及泡菜的制作流程及乳酸菌的發(fā)酵原理，對(duì)氣體隔絕、亞硝酸鹽的含量變化等發(fā)酵過程中關(guān)鍵的生物學(xué)因素進(jìn)行了考查。通過剖析題目選項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)的科學(xué)原理，我們可以更加清晰地理解發(fā)酵環(huán)境控制與微生物作用的細(xì)節(jié)，從而提高解題能力。

題干指出，以泡菜壇為容器制作泡菜時(shí)的4個(gè)處理： ① 沸鹽水冷卻后再倒入壇中；② 鹽水需要浸沒全部菜料； ③ 蓋好壇蓋后，向壇蓋邊沿的水槽中注滿水； ④ 檢測泡菜中亞硝酸鹽的含量。分析選項(xiàng)時(shí)，我們需要理解每個(gè)步驟背后的科學(xué)依據(jù)，特別是乳酸菌在無氧環(huán)境下的生長條件及發(fā)酵過程中亞硝酸鹽的動(dòng)態(tài)變化過程。

選項(xiàng)A是“ ① 主要是為了防止菜料表面的醋酸桿菌被殺死”。乳酸菌是泡菜發(fā)酵過程中的主要微生物，適應(yīng)厭氧環(huán)境，濃度適當(dāng)?shù)柠}水能夠抑制雜菌的生長，確保乳酸菌的優(yōu)勢(shì)地位。醋酸桿菌是一種好氧菌，不適宜在無氧條件中生存。因此，沸鹽水冷卻后再倒入壇中，是為了避免高溫對(duì)乳酸菌帶來不利影響，有效抑制其他雜菌的生長，而非為了保護(hù)醋酸桿菌。因此，選項(xiàng)A不正確。

選項(xiàng)B是“ ② 的主要目的是用鹽水殺死菜料表面的雜菌”。鹽水的作用并非殺菌，而是通過隔絕氧氣來創(chuàng)造厭氧環(huán)境。乳酸菌屬于厭氧菌，能夠在無氧環(huán)境下將葡萄糖分解為乳酸，營造酸性環(huán)境，抑制其他不耐酸的微生物的生長。鹽水覆蓋菜料是為了避免菜料與空氣接觸，從而限制氧氣進(jìn)人，營造有利于乳酸菌生長的環(huán)境。因此，選項(xiàng)B不正確。

選項(xiàng)C是“ ③ 是為了使氣體只能從泡菜壇排出而不能進(jìn)入”。這是發(fā)酵過程中防止雜菌污染的關(guān)鍵措施。泡菜壇的水封設(shè)計(jì)使得發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體可以從壇內(nèi)排出，但外界空氣難以進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)單向排氣。這種設(shè)計(jì)可以有效地保持壇內(nèi)的無氧環(huán)境，確保乳酸菌的正常代謝活動(dòng)，同時(shí)避免了雜菌的侵入。這一措施非常重要。因此，選項(xiàng)C正確。

選項(xiàng)D是“ ④ 可檢測到完整發(fā)酵過程中亞硝酸鹽含量逐漸降低”。在泡菜發(fā)酵的早期階段，由于硝酸還原菌的作用，亞硝酸鹽的含量會(huì)有所增加，但隨著乳酸菌的持續(xù)發(fā)酵及酸性環(huán)境的逐步增強(qiáng)，亞硝酸鹽的含量在中后期會(huì)逐漸降低。亞硝酸鹽的含量并非線性下降，而是呈現(xiàn)出先上升后下降的動(dòng)態(tài)變化。過高的亞硝酸鹽含量對(duì)人體健康有害，因此，泡菜制作中控制亞硝酸鹽的含量至關(guān)重要。因此，選項(xiàng)D不正確。

通過以上分析，我們可以看到，在發(fā)酵過程中控制發(fā)酵環(huán)境、避免雜菌污染、保證乳酸菌的優(yōu)勢(shì)地位是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)酵的核心。乳酸菌的厭氧特性決定了泡菜發(fā)酵過程中需要嚴(yán)格控制氧氣的進(jìn)入。泡菜壇的水封設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而亞硝酸鹽的含量變化也需要密切監(jiān)控，以確保泡菜的食用安全。題目中的迷惑選項(xiàng)進(jìn)一步提醒我們，在理解生物學(xué)原理時(shí)應(yīng)注重細(xì)節(jié)，特別是不同微生物的代謝特性及其對(duì)環(huán)境條件的敏感性。

從高考真題出發(fā)分析發(fā)酵技術(shù)，不僅可以幫助我們了解乳酸菌在厭氧環(huán)境中占據(jù)主導(dǎo)地位的科學(xué)依據(jù)，還可以幫助我們理解如何通過控制環(huán)境實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)酵。高考真題主要考查我們對(duì)生物學(xué)知識(shí)的理解。掌握這些生物學(xué)原理，有助于我們?cè)诮忸}過程中有效識(shí)別發(fā)酵技術(shù)的核心，從而在實(shí)際考試中取得更佳成績。