“果醋的制作”實驗裝置設計

夏 天 褚光輝

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

“果醋的制作”是浙科版高中生物學選修1 第3 部分“生物技術在食品加工中的應用”中的實驗［1］。本實驗在“果酒的制作”之后，意在讓學生按照“糖→酒→醋”的過程了解傳統的釀造工藝。教師由國內外悠久的釀醋歷史,引出釀醋的菌種——醋化醋桿菌，再介紹其釀造條件和原理。通過本模塊的學習,學生不僅要掌握果醋的制作及其原理,還要在發酵工程中選取恰當的技術和方法，嘗試提出初步的工程學構想，設計和制作簡單的生產果醋的裝置［2］。實驗裝置的設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

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

圖1 浙科版（A）和人教版（B）教材中的發酵裝置示意圖［1，3］

2 發酵裝置的設計和安裝

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

2.1 對原設計的討論 學生首先分析教材中的原設計是否可實現，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。2）分析甲、乙、丙3 瓶的瓶口是否加塞后再蓋鋁箔，學生通過假設法可得出，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、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 發酵裝置的再設計 學生通過討論，得出原設計的改進方案,教師引導學生在原設計的基礎上對發酵裝置進行再設計，如圖2A 所示。再設計時，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，不僅可實現原設計的功能，還節約了實驗器材，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入；下嘴是發酵液的出口，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，用于控制發酵液流出的速率，也可使用輸液器的流量調節器控制流速。甲、乙、丙3瓶的瓶口均用鋁箔覆蓋，以防止雜菌的污染，保持瓶內外氣壓一致，還可減少乙醇的揮發。

圖2 重新設計的果醋發酵裝置示意圖（A）及實物（B）

2.3 發酵裝置的安裝 按照重新設計的方案搭建果醋發酵裝置（圖2B）。所用器材應清洗干凈，盡可能地滅菌或消毒處理,以防止因雜菌污染而導致產物出現異味并影響質量,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發酵工藝［7］。

3.1 醋化醋桿菌的固定化 使用吸附法對醋化醋桿菌進行固定。乙瓶內裝滅菌的鋸末（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。在醋酸發酵48 h 后，收集乙瓶流出液，學生用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，其代謝產物乙酸導致pH 值下降。

3.2 果醋的發酵 果醋發酵的最適溫度為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，調節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。調節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。在發酵過程中要經常注意液體流速的變化,適時調整。

學生每24 h 檢測流出液的pH 值，根據pH 值變化可判斷生成的乙酸濃度變化,以監控發酵過程。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

《齊民要術》 記載了20 余種釀醋的方法，由此可見，制醋的方法多種多樣。教師應鼓勵學生根據釀醋的原理自己設計、搭建實驗裝置，并進行實驗。在制醋的過程中，應和實際生產過程中一樣，對發酵條件進行調試。例如，在本實驗中，由于自制果酒的乙醇含量相對較低，為了促進發酵，將酒-水混合物的酒、水比例由1∶4 調整為1∶1。教師可組織學生使用不同的酒、水比例進行實驗，以觀察不同的發酵效果，獲得最優酒、水比例。再如，由于本次實驗發酵條件、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，將發酵液流速由1 滴／5 min 調整為1 滴／25 s，縮短了實驗時間。

此外，應盡可能保持環境的清潔，器材經滅菌或消毒處理，以減少環境中的微生物的影響。在監控發酵情況時，若發酵較快，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化學老師呂鑫協助搭建實驗裝置。