“果醋的制作”实验装置设计

夏 天 褚光辉

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

“果醋的制作”是浙科版高中生物学选修1 第3 部分“生物技术在食品加工中的应用”中的实验［1］。本实验在“果酒的制作”之后，意在让学生按照“糖→酒→醋”的过程了解传统的酿造工艺。教师由国内外悠久的酿醋历史,引出酿醋的菌种——醋化醋杆菌，再介绍其酿造条件和原理。通过本模块的学习,学生不仅要掌握果醋的制作及其原理,还要在发酵工程中选取恰当的技术和方法，尝试提出初步的工程学构想，设计和制作简单的生产果醋的装置［2］。实验装置的设计和安装是本实验的难点，也是成功制作果醋的前提。

1 教材中的实验装置

在教学中,教师可提供多种果醋发酵装置的示意图供学生参考。例如，图1A 为浙科版教材的发酵装置，属于固态发酵；图1B 是人教版教材的发酵装置，属于液态发酵。学生可结合果醋的制作原理，分析各个组件的用途和使用方法，比较固态发酵和液态发酵的异同,从而对果醋发酵装置的设计有初步认识。

图1 浙科版（A）和人教版（B）教材中的发酵装置示意图［1，3］

2 发酵装置的设计和安装

学生可根据已有的资料和生活经验设计实验装置。例如，使用泡菜坛先进行果酒的发酵，再打开坛盖，换上一层纱布，进行果醋发酵［4］。本实验教学过程中,主要基于浙科版的发酵装置示意图（图1A），让学生进行讨论、设计并搭建果醋的发酵装置。

2.1 对原设计的讨论 学生首先分析教材中的原设计是否可实现，主要解决以下问题：1）甲、乙、丙3瓶在空间上需要上下分开,可通过铁架台实现。2）分析甲、乙、丙3 瓶的瓶口是否加塞后再盖铝箔，学生通过假设法可得出，为了保证液体能从甲瓶流至乙瓶，从乙瓶流至丙瓶，且不影响流速，必须保持各瓶内、外的气压一致，因此各瓶的上口均不加塞子,只覆盖铝箔。除此之外,还有一些问题,例如,乙瓶中通入空气的直角玻璃管如何放置？乙瓶和丙瓶的连接处，除了玻璃管，还应有乳胶管，以便用螺丝夹控制液体流速。这2 个问题由于教材文字部分已有描述,只是教材示意图中没有画出，已在图1A 中补充完整。

2.2 发酵装置的再设计 学生通过讨论，得出原设计的改进方案,教师引导学生在原设计的基础上对发酵装置进行再设计，如图2A 所示。再设计时，尽可能使用已有器材，简化实验装置，例如，乙瓶原为下口瓶，以上下嘴抽滤瓶代替，不仅可实现原设计的功能，还节约了实验器材，不再需要双孔橡胶塞和用于通气的直角玻璃管。发酵装置整体使用铁架台支撑。甲瓶（500 mL 下口瓶）用于盛放果醋发酵的原料——酒-水混合物，该瓶通过乳胶管、直形二路活塞、直角玻璃管与乙瓶相连。乙瓶（500 mL 上下嘴抽滤瓶）为发酵瓶，上嘴与通气泵的出气管相连，塞脱脂棉球（不可过紧），用于过滤空气，尽可能防止微生物进入；下嘴是发酵液的出口，通过乳胶管、直形二路活塞、直角玻璃管与丙瓶（250 mL 锥形瓶）相连，此处用直形二路活塞代替螺丝夹，用于控制发酵液流出的速率，也可使用输液器的流量调节器控制流速。甲、乙、丙3瓶的瓶口均用铝箔覆盖，以防止杂菌的污染，保持瓶内外气压一致，还可减少乙醇的挥发。

图2 重新设计的果醋发酵装置示意图（A）及实物（B）

2.3 发酵装置的安装 按照重新设计的方案搭建果醋发酵装置（图2B）。所用器材应清洗干净，尽可能地灭菌或消毒处理,以防止因杂菌污染而导致产物出现异味并影响质量,若不具备灭菌的条件，可将用具用热水浸泡后晾干再使用［5］。在搭建过程中，要注意检查乳胶管连接部位的气密性，以免使用时漏液和杂菌污染。

3 果醋的制作过程

使用前期实验自制的果酒（葡萄酒）为原料［6］进行果醋（葡萄醋）的制作。教材中果醋的制作采用了固定化菌体连续发酵工艺［7］。

3.1 醋化醋杆菌的固定化 使用吸附法对醋化醋杆菌进行固定。乙瓶内装灭菌的锯末（防止自带微生物的影响），低于乙瓶上嘴。将1 g 市售的醋化醋杆菌（也可用醋曲代替）加在200 mL 酒-水混合物（100 mL 果酒与100 mL 蒸馏水混合）中混匀，并调pH 值至7.0 后倒入乙瓶中,使锯末均匀湿透。醋化醋杆菌附着在锯末上,瓶底几乎没有或仅有少量游离的液体。

醋化醋杆菌的固定化过程中,也可先将醋化醋杆菌与锯末充分混合，再倒入pH=7.0 的酒-水混合物，这样菌体的分布会更均匀。

用铝箔盖住乙瓶瓶口,将通气泵的出气管与乙瓶上嘴相连，缓慢通气，使醋化醋杆菌活化、增殖。在醋酸发酵48 h 后，收集乙瓶流出液，学生用pH 值试纸检测流出液的pH 值,此时pH 值已由初始的7.0 降至2.1，明显呈酸性，说明醋化醋杆菌已被活化，其代谢产物乙酸导致pH 值下降。

3.2 果醋的发酵 果醋发酵的最适温度为30～35℃［3］,因此要控制温度或在气温较高时进行实验。配置400 mL 酒-水混合物（酒、水比例为1∶1），用pH 值试纸（或pH 计）测得初始pH 值为5.0。将甲瓶下口的直形二路活塞关闭，把400 mL 酒-水混合物倒入甲瓶,用铝箔盖住瓶口。打开通气泵，调节甲瓶下口的直形二路活塞，使甲瓶滴入乙瓶的液体流速约为1 滴／25 s。调节乙瓶下嘴的直形二路活塞，使滴入丙瓶的液体也约为1 滴／25 s。在发酵过程中要经常注意液体流速的变化,适时调整。

学生每24 h 检测流出液的pH 值，根据pH 值变化可判断生成的乙酸浓度变化,以监控发酵过程。24 h 时流出液pH 值由初始的5.0 降至3.1，48 h 时pH 值降至2.1，之后一直保持pH=2.1。流出液pH 值不再减少,或甲瓶中的液体全部流入乙瓶，即可停止实验。

4 小结

《齐民要术》 记载了20 余种酿醋的方法，由此可见，制醋的方法多种多样。教师应鼓励学生根据酿醋的原理自己设计、搭建实验装置，并进行实验。在制醋的过程中，应和实际生产过程中一样，对发酵条件进行调试。例如，在本实验中，由于自制果酒的乙醇含量相对较低，为了促进发酵，将酒-水混合物的酒、水比例由1∶4 调整为1∶1。教师可组织学生使用不同的酒、水比例进行实验，以观察不同的发酵效果，获得最优酒、水比例。再如，由于本次实验发酵条件、醋化醋杆菌活性等比较好,在保证乙醇能充分氧化的前提下，将发酵液流速由1 滴／5 min 调整为1 滴／25 s，缩短了实验时间。

此外，应尽可能保持环境的清洁，器材经灭菌或消毒处理，以减少环境中的微生物的影响。在监控发酵情况时，若发酵较快，可提高流出液pH 值的检测频率，如每12 h 检测一次。

致谢：感谢余姚市第四中学化学老师吕鑫协助搭建实验装置。