關鍵字:生質酒精、酵母、葡萄糖

高瞻一班專題研究報告

作品名稱:一壺美「酒」，博君一「酵」--- 探討不同的葡萄糖液濃度和酵母菌對發酵產率的影響

關鍵字:生質酒精、酵母、葡萄糖

作者:

賴俐璇。高二 6 蔡松霖。高二 6 林信翰。高二 6

指導老師：

王姍佩

蔡欣育

摘要

我們研究的主題是生質酒精，我們是以葡萄糖液來和各種酵母進行發酵，然後比 較它們的發酵速率還有蒸餾出的酒精差異。首先，為了要了解的那個濃度的葡萄 糖液對酵母菌最有利，因此先做了 0.1M、0.5M、1M 的葡萄糖液接菌後發酵速率 的比較，實驗後可以明顯發現產生二氧化碳的量 0.1M 的濃度明顯多過於另外兩 組。因此選擇了 0.1M 的葡萄來進行接下來的實驗，我們分別採用酵母粉(Yeast Powder)、啤酒酵母(Brewer Yeast)、麵包酵母(Bread Yeast)來進行，先分別取 0.1g，

各加入 50 ㏄ 0.1M 糖液中，如同實驗一，觀察它們各自產生的二氧化碳，進行 比較，發現在相同濃度 0.1M 葡萄糖溶液下，麵包酵母所產的二氧化碳量最多。

最後為了驗證實驗二的實驗結果，分別把實驗二接了不同菌的葡萄糖液用冷凝管 蒸餾出酒精，加入濃硫酸和過猛酸鉀分別多晶亮的多寡，實驗證明麵包酵母所產 生的酒精濃度最高。以上三個實驗幹討出：不同的葡萄糖液濃度和酵母菌對發酵 產率的影響下，在 0.1M 葡萄糖溶液接上麵包酵母所產的酒精量最好、效率最佳。

壹、 研究動機

上課時，生物老師在台上講的口沫橫飛，老師詳細說明政府和科學家如何 解決「能源缺乏」的問題﹝註一：不可思議的生物科技。江晃榮、世貿出版社。

2001 年。146 頁﹞，在台下的我們不禁思考著，要解決能源缺乏的問題難道我們 幫不上忙嗎?因此，我們花了許多時間上網查詢，發現已有其他國家開始使用自 產的生質酒精（註二

http://ejournal.stpi.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9801/9801-03.pdf）利用簡單的 細菌發酵就能產生我們所需的酒精，這深深吸引著我們。於是我們著手實驗不同 的變因而產生酒精的效率，希望能藉由這個實驗，找出投資報酬率最好的產生酒 精方式，實驗結果希望可以對社會有所貢獻，因此，開始一連串的實驗。

參、研究目的

一、找出在多少濃度的葡萄糖溶液中，最適合酵母發酵的環境。

二、在固定濃度中，在酵母菌、啤酒酵母、麵包酵母中哪一個的酒精產率最 佳。

肆、研究過程及方法

實驗一:

比較不同葡萄糖濃度酒精發酵的速率 選出發酵速率最快的濃度 並以選用此濃 度來進行不同酵素發酵比較之實驗

（一）研究設備及器材〈圖一〉

1.酵母粉(Yeast Powder)

2.葡萄糖 3.燒杯數個

4.針筒數支

5.電子計重秤〈圖二〉

〈圖一〉

（圖二）

（二）研究過程及方法 1.控制變因：

（1）室溫 25℃

（2）菌種：酵母菌

2.操縱變因：.將酵母菌分別加入 1M、0.5M、0.1M 之葡萄糖溶液。

3.實驗步驟

（1）分別以 9g、4.5g、0.9g 葡萄糖溶入 50cc 水中 分別配置成 1M、0.5M、

0.1 之葡萄糖溶液。〈圖三〉

（2）將 0.1g 的酵母粉分別加入 50cc 不同濃度的葡萄糖溶液(1M、0.5M、0.1M) 中混合均勻。〈圖四〉

（3）不同濃度的酵母菌葡萄糖溶液，各以不同針筒吸取 1ml，並以石蠟膜和 膠帶緊密封口。

（4）隔一星期後觀察與比較收集到的二氧化碳含量。

〈〈 〈圖三〉

（圖四）

實驗二:

比較不同酵母來發酵酒精，以二氧化碳的產率比較來推測酒精發酵速度，實驗出 哪種酵母所產酒精的效率最佳

（一）研究設備及器材 1.酵母粉(Yeast Powder) 2.啤酒酵母(Brewer Yeast) 3.麵包酵母(Bread Yeast) 4.葡萄糖

5.燒杯數個 6.針筒數支 7.電子計重秤

（二）研究過程及方法 1.控制變因：

（1）室溫 25℃

（2）葡萄糖液濃度為 0.1M

（3）實驗裝置與實驗一相同，並沒有變動

（4）針筒中均裝有 5ml 的實驗溶液

2.操縱變因：加入 0.1 M 的葡萄糖溶液中的酵母分別為酵母菌、啤酒酵母、

麵包酵母。

3.實驗步驟：

（1）將 0.9g 的葡萄糖加入 50cc 的水溶液中混何均勻。調配出 0.1 M 得葡萄 糖溶液。

（2）分別以酵母菌、啤酒酵母、麵包酵母溶入 0.1M 之葡萄糖溶液中。〈圖 1〉

（3）不同酵母的酵母菌葡萄糖溶液，各以不同針筒吸取 5ml，並以石蠟膜和 膠帶緊密封口。

（4）隔一星期後觀察與比較收集到的二氧化碳含量。

實驗三:

比較不同酵母發酵出的酒精的濃度，檢驗其顏色變化，判斷其發酵的效率高 低與產量

（一）研究設備及器材 1.酵母粉(Yeast Powder) 2.啤酒酵母(Brewer Yeast) (圖五)

3.麵包酵母(Bread Yeast) 4.葡萄糖

5.燒杯數個

7.李畢氏冷凝管 〈圖五〉

8.水管數條 9.三腳架 10.酒精燈 11.陶瓷纖維網

12.蒸餾瓶

13.溫度計 14.沸石

（二）研究過程及方法 1.控制變因：

（1）室溫 25℃

（2）葡萄糖液濃度為 0.1M

（3）各個酵母菌均在 25℃、0.1M 葡萄糖溶液中發酵 48 小時〈圖六〉

（圖六:維持酵母發酵環境的儀器）

2.操縱變因：

（1）進行酒精檢驗實驗的發酵液分別為「酵母菌」、「啤酒酵母」、「麵包酵母」

所產生。

3.實驗步驟：

（1）架起蒸餾酒精所需的 器材。（如圖七）

（2）分別取「實驗二」中 經「酵母菌」、「啤酒 酵母」、「麵包酵母」

過 48 小時發酵的葡 萄糖溶液進行蒸餾。

（3）當溫度到達 90℃左右

時，將會出現第 1 滴 〈圖七〉

蒸餾液。將 90~93℃、93~96℃之間蒸餾出的蒸餾液分開收集，並且記錄 此兩間距的蒸餾液分別有多少㏄，以方便檢驗。

（4）最後各取定量的蒸餾液，共 6 瓶。加入濃硫酸、過錳酸鉀，再觀察其顏 色變化程度，判斷哪種酵母發酵的效率最佳。〈圖八〉

（圖八:加入過錳酸鉀）

伍、實驗結果

（一）〈實驗一〉的實驗結果 1.以照片說明

（圖九）

上（圖九）可知實驗剛開始時三支針筒中的葡萄糖液都是 1ml，氣體體 積為 0。

（圖十）

上（圖十）由上往下數第一支是 1M 第二支 0.1M 第三支 0.5M，由於針 筒裡面發酵產生二氧化碳氣體，因而空氣將針筒往外擠壓，我們可以由 發酵前和發酵後針筒裡體積變化差異來做比較。由上圖可以明顯發現第 二筒 0.1M 葡萄糖液中所產生的氣體量最多。

2.以表格說明

此表格〈表一〉清楚說明在分隔固定的時間所產生的氣體比較，由於是 在針筒內觀察，所以產生的氣體我們已 ml 來當作單位，而在時間方面，

我們先前常是每隔 2 個小時觀察一次，但由於變化實在不大，因而把時 間增為 48 小時觀察一遍。

48 小時 96 小時 144 小時 192 小時 240 小時 1M 約 0.04ml 約 0.08ml 約 0.12ml 約 0.16ml 0.2ml 0.5M 約 0.65ml 約 1.25ml 約 1.90ml 約 2.55ml 3.2ml 0.1M 約 0.70ml 約 1.45ml 約 2.15ml 約 2.9ml 3.6ml

〈表一〉

3.以圖表說明

〈表二〉

表二中 x 軸為時間，以 48 小時為一單位。Y 軸為二氧化碳產量，以 0.5ml 為一單位。將表格位置成點狀圖表更清楚的看出 0.1M 的斜率較其他兩 者來的大，得知 0.1M 速率最快。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

48小時 96小時 144小時 192小時 240小時

1M 0.5M 0.1M

（二）〈實驗二〉的實驗結果 1.以照片說明

圖十一：酵母菌 圖十二：麵包酵母 圖十三：啤酒酵

母

由上面三個圖可知實驗剛開始時三支針筒中的葡萄糖液都是 5ml，氣體體積為 0。

〈圖十四〉

圖十四由左往右數第一支是酵母菌，第二支是麵包酵母，第三支是啤酒酵母，

由於針筒裡面發酵產生二氧化碳氣體，因而空氣將針筒往外擠壓，我們可以由 發酵前和發酵後針筒裡體積變化差異來做比較。由上圖可以明顯發現第二筒麵 包酵母中所產生的氣體量最多。

2.以表格說明

此表格〈表三〉清楚說明在分隔固定的時間所產生的氣體比較，由於是在針筒 內觀察，所以產生的氣體我們已 ml 來當作單位，時間以 48 小時為一個單位。

48 小時 96 小時 144 小時 192 小時 240 小時 酵母菌 約 0.0ml 約 0ml 約 0ml 約 0.1ml 約 0.2ml 麵包酵母 約 0.8ml 約 1.8ml 約 2.8ml 約 3.6ml 約 4.5ml 啤酒酵母 約 0.0ml 約 0.2ml 約 0.5ml 約 0.8ml 約 1ml

〈表三〉

3. 以圖表說明

表四中 x 軸為時間，以 48 小時為一單位。Y 軸為二氧化碳產量，以 0.5ml 為一單位。將表格位置成點狀圖表更清楚的看出麵包酵母的斜率較其他 兩者來的大，得知麵包酵母速率最快。

〈表四〉

0 1 2 3 4 5

48小時 96小時 144小時 192小時 240小時

酵母菌 麵包酵母 啤酒酵母

（三）〈實驗三〉的實驗結果 1. 以照片、表格說明

由於 90~93℃之間蒸餾液的梭收集到的量太少，所以取 93~96℃之間所蒸 餾出的蒸餾液來做實驗。表五為不同溫度下各種酵母所蒸餾出的酒精量。

90~93℃ 93~96℃

酵母菌 約 1.0ml 約 17ml 麵包酵母 約 1.0ml 約 21.8ml 啤酒酵母 約 1.0ml 約 24.8ml

〈表五〉

上（圖十五）中，由左至右依序為啤酒酵母、

酵母菌、麵包酵母在 93~96℃之間所收集到的 蒸餾液。各自取出 4ml 的蒸餾液，其三管的顏 色均為透明無色，有濃濃的酒精味。

（圖十五）

上（圖十六）中由左至右依序為麵包酵母、酵 母菌、啤酒酵母，是蒸餾液中各加入定量的濃 硫酸與過錳酸鉀後，產生反應後顏色變化的結 果。由圖可知麵包酵母的顏色稍稍比酵母菌深 一些，而酵母菌又比啤酒酵母深，所以依此判 定顏色最深的麵包酵母，在 0.1M 的葡萄糖溶液 中是產率最高的酵母。

（圖十六）

陸、實驗討論

一、實驗一中，是要知道葡萄糖濃度對酵母菌發酵是否會有影響。酒精發酵化學 式：1mol C⁶H¹²O⁶→2mol CO² + 2mol CH³CH²OH + 21Kcal 葡萄糖液中加入酵母粉 進行發酵作用，發酵後可以得到二氧化碳和酒精。我們將溶液置於針筒之中並將 注射口以石蠟膜和膠帶緊密的封住，裡面沒有任何空氣，等到裡頭產生小氣泡就 是發酵產生的二氧化碳。此實驗我們成功的發現原來葡萄糖液對於酵母菌的影響 是如此的大，實驗後可以得知濃度越高產生二氧化碳的量越少。0.1M 和 0.5M 與 1M 濃度中，我們選 0.1M 葡萄糖液來接不同的菌種，進行實驗二和實驗三。

二、實驗二中，實驗二的實驗方法與實驗一類似，同樣都是利用發酵後所產生二 氧化碳的量，測出哪個酵母所產酒精的效率最好。實驗後發現啤酒酵母和麵 包酵母所產的二氧化碳量並不多，以致於實驗數據大部分都以約略估計而不 精確，探究其原因，可能是因為每單位 1ml 的刻度不適合於此實驗，應用每 單位更小的刻度來測量。

四、實驗二中，實驗可以得知麵包酵母在 0.1M 葡萄糖液中所產生的二氧化碳量 最多，因此推估在酵母菌、啤酒酵母和麵包酵母中，單位時間內麵包酵母所 產的酒精量最多，因此進行實驗三以證實假設成立。

五、酵母菌將醣類轉換成酒精的能力有限, 因為當酒精濃度達到 12%時, 微生物 即無法生長, 即使是酒廠中特殊的酵母菌, 所生產的酒精濃度僅能達到 15%.

因此要得到更高濃度的酒精, 必須經過蒸餾(利用蒸氣壓的差異來分離不同成 分)的程序. 然而, 水和酒精有共沸點, 所以一般的蒸餾方法僅能得到濃度 95%的酒精. 欲得到 99%或甚至 100%的酒精, 必須特殊的蒸餾方法,在最後作 檢驗的部份。在實驗三中，分別在蒸餾出來的三管溶液中，加入了濃硫酸製 造所需要的酸性環境，再加入過錳酸鉀，觀察其顏色變化，但卻半點變化都 沒有。於是探究其原因，發現因為所加入的濃硫酸不足，無法構成反應發生 的酸性環境，使得過錳酸鉀的顏色沒有改變。於是加入更多的濃硫酸，使環 境符合其反應發生條件。檢驗結果與實驗二互相映證，麵包酵母所產生出來 的液體經檢驗後顏色最深，所以證明同時間內，麵包酵母所產生的酒精濃度 最高，證明實驗二假設成立。

六、探討為何麵包酵母所產生的酒精濃度最高?

推論在酵母菌、啤酒酵母、麵包酵母中，以葡萄糖溶液最為原料最適合麵包 酵母發酵。

七、為何使用葡萄糖溶液作為原料?

如果使用其他職務或澱粉作物做為原料，在纖維素酒精產程過程的設計，通 常在纖維素轉化成糖份前會加上所謂 “前處理”（pre-treatment）的步驟，其 目的就是要破壞或降低這些障礙物所產生的遮蔽效應，常使用的技術包括物 理性的粉碎、蒸煮、真空爆破，然而這些方法需要的能量輸入常常就佔去了 全部產程消耗能量的一半；另外，也有增加化學性的酸鹼處理方式，但其會 產生對環境有毒物質的大量廢液。〈註五〉

柒、結論

此實驗是以葡萄糖液來和各種酵母進行發酵，然後比較它們的發酵速率還 有蒸餾出的酒精差異。這次實驗的結果出乎我們的意料，原本以為 1M 葡萄糖液 接上酵母菌所產生的效率會最好，實驗做完之後，發現將 0.1M 葡萄糖液接上麵 包酵母所產生酒精的效率最好。由此可見，日生活中我們所熟悉的事物不一定正 確，必須用實事求是的精神來驗證，你將會發現，生活中的瑣事也隱藏著他得奧 妙和樂趣。藉由這次的實驗，不僅印証書本上面冷冰冰的文字外，還了解到團隊 合作默契的重要，我們學習到了很多。非常謝謝這段時間老師和同學的指導和幫 忙。

捌、參考資料及其他

註一、我國生質酒精發展策略。http://www.cepd.gov.tw/m1.aspx?sNo=0009419 註二、http://163.16.72.252/hnh2/cbook/downtext/upload/031607.pdf

註三、《科學簡訊》2002 年 11 月。359 期。8～11 頁

http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2003&po psc_aid=135

註四、中央研究院週報。第 1137 期。

http://newsletter.sinica.edu.tw/file/file/12/1286.pdf 註五、《科學發展》2004 年 11 月。383 期。20～27 頁

http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2004&po psc_aid=123