发酵及发酵技术概述

任务1　发酵及发酵技术概述

一、什么是发酵和发酵技术

从古到今，人们看到、吃到的很多东西，如酱油（sauce）、泡菜（pickled vegetables）、干酪（cheese）、酒精（alcohol）和现在普遍使用的各种抗生素、各种酶等都是通过发酵的方法获得的产品。那么什么是发酵？生物化学家和工业微生物学家对发酵给出了不同的定义。从生物化学的角度来看，发酵是指在无氧条件下一个有机化合物能同时作为电子供体和最终电子受体并产生能量的过程。例如酵母菌的乙醇发酵过程，酵母菌在无氧条件下作用于麦汁中的糖，分解糖分子并失去分子内的电子，而电子的最终受体为糖的分解产物乙醛，乙醛接受电子后被还原为乙醇。此过程为生物化学意义上典型的“发酵”。

简言之，生物化学家认为“发酵”是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，是生物获得能量的一种形式。现代发酵的定义则将利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制造产品的过程叫做发酵。微生物学家拓宽了原发酵的定义，认为发酵是指通过大规模培养微生物来生产产品的过程，既包括微生物的厌氧发酵也包括好氧发酵。

发酵技术是指以微生物为主要操作对象的生物工程技术。伴随着生命科学与生物技术的发展，发酵技术及其相关应用领域也越来越活跃，发酵技术不仅是工业生物技术的重要组成部分，更是生物技术产业化的关键。发酵技术在工业、农业、卫生保健及其环境的可持续发展等领域将发挥巨大的作用。

二、发酵工业发展史

公元前6000年，苏美尔人和巴比伦人已经会制作啤酒。公元前221年，我国劳动人民已经懂得制酱、酿醋、制作豆腐。考古发掘证实，龙山文化时期（距今约4200年）我国已有酒器出现。人类祖先必须面对的一项严峻挑战是与疾病作斗争，公元10世纪，中国就有预防天花的活疫苗。1673年，荷兰人列文虎克（Leeuwenhoek）制成显微镜，首先观察到了微生物（microbe）。19世纪60年代，法国科学家巴斯德（L．Pasteur）首先证实酒精发酵是由酵母菌引起的，其他不同的发酵产物是由不同的微生物作用而形成的，由此建立了纯种培养技术。

19世纪末到20世纪20—30年代，发酵工业兴起，这时期的发酵产品有酒精、乳酸（lactic acid）、丙酮－丁醇（acetone－butanol）、柠檬酸（citric acid）、蛋白酶（proteinase）等。近代发酵技术产品出现在20世纪40年代，以抗生素的生产为标志。抗生素的出现为发酵工业翻开了一个新的篇章，因为抗生素的大罐、无菌、深层发酵才是真正现代意义发酵工业的开始。最初采用表面培养法（surface culture method）生产，以麸皮为培养基（medium），发酵效价单位为40U／mL，纯度20%，收率30%。1943年，美英科学家研究用5m³的机械通风发酵罐进行深层通风发酵，发酵效价单位提高到200U／mL，纯度60%，收率75%。这之后出现了一系列优秀的发酵产品，例如赤霉素、链霉素（streptomycin）、新霉素（neomycin）。

20世纪50年代初，生物转化技术兴起，即利用微生物将某种基团加入到某些大分子化合物上，由此改变这些大分子的特性，从而转化生产出具有新特性的化合物。

20世纪60年代末，利用微生物发酵生产氨基酸的技术获得成功并迅速发展。1969年，日本科学家首先将固定化酶（immobilized enzyme）用于氨基酸的光学拆分。目前，人们常应用固定化异构酶（immobilized isomerase）生产果葡糖浆（fructose syrup）和应用固定化酰化酶（immobilized acylase）生产6－氨基青霉烷酸（6－amino penicillanic acid）。20世纪60年代末，人们发现并应用了蛋白酶和其他酶抑制剂，极大地推动了生物活性物质的寻找与开发。

20世纪70年代初，基因工程技术的成功、发展与完善，使人类按照自己的意愿设计、培养菌株成为可能。1977年，波义耳实验室首先用基因操作（genetic manipulation）手段获得了生长激素释放抑制因子的克隆。1978年，吉耳伯特（Gilbert）接着获得了鼠胰岛素（mouse insulin）的克隆。

20世纪80年代，随着生物技术的发展，发酵技术又有了迅猛的进展。例如，体外DNA重组技术在微生物育种方面得到实际应用后，就有可能按照预定的蓝图选育菌种来生产所需要的产物，这类菌种被称为“工程菌”。工程菌可以生产一般微生物所不能生产的产品，如胰岛素、干扰素、超氧化物歧化酶（SOD）等。

三、发酵产品类型

发酵产品的类型繁多，根据其性质可大致分为四类：微生物菌体、酶、微生物的代谢产物、微生物的转化产物。

1．微生物菌体

微生物菌体的发酵是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的。制作面包，生产加工菌体蛋白食品，提取药用真菌（如从多孔菌科的茯苓菌获得名贵中药茯苓和从担子菌获得灵芝等药用菌）等都涉及微生物菌体的发酵。

2．酶

酶（enzyme）最初来源于动、植物组织中，目前工业应用的酶大多来自微生物的发酵。利用发酵法生产制备并提取微生物生产的各种酶，已经是当今发酵工业的重要组成部分。微生物酶的发酵特点是生产容易，成本低。所生产的酶制剂有广泛的应用：在食品和轻工业中，如用于生产葡萄糖的淀粉酶和糖化酶；用于氨基酸光学拆分的氨基酰化酶，也用于医药生产和医疗检测中；葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）用于检测血液中葡萄糖的含量。另外还有蛋白酶、脂肪酶、药用酶等。利用微生物生产的菌体胞内酶（endoenzyme）和菌体胞外酶（exoenzyme）应用较多，也会用到利用现代化的生物技术提取得到的酶纯品。

3．微生物的代谢产物

微生物的代谢产物是发酵工业中种类最多，也是最重要的产品之一。这类产品有两类。第一类是初级代谢产物（primary metabolite），如氨基酸、核苷酸、核酸、蛋白质等，它们是菌体生长所必需的。初级代谢产物在经济上具有相当的重要性。第二类是次级代谢产物（secondary metabolite），如抗生素、生物碱、毒素、激素、维生素、植物生长因子等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，是菌体在生长的稳定期合成的具有特定功能的产物。次级代谢产物在细胞中的产量很低，而且并不是所有的微生物都能进行次级代谢，但是次级代谢产物对发酵工业具有很重要的意义，所以受到了人们的关注。次级代谢产物的特殊作用因种类不同而异，有的具有明显的抗菌性，有的是细胞生长的促进剂，有的是特殊的酶抑制剂，许多次级代谢产物还有药物学性质。

4．微生物的转化产物

微生物的转化作用是通过微生物细胞将一个化合物转变为另一结构相关、更具经济价值的化合物。微生物的转化作用比使用特定的化学试剂有更多的优点，反应是在常温下进行的，而且不需要重金属催化剂。微生物转化过程的优势是先生产大量菌体，然后催化单一反应。固定化技术的出现，使得微生物转化作用这一优势更加突出。固定化的具体做法是将全细胞或其中有催化作用的酶固定在惰性载体上，这种具有催化作用的固定化细胞或酶可以反复多次使用。

四、发酵产品的特点与发展趋势

发酵产品是利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制造出来的产品。发酵产品的特点可以归纳为以下几个方面。

1．生产条件温和

发酵产品从酒、酱油等传统的酿造产品，到现在的抗生素、氨基酸、酶以及生产新型能量的乙醇、乙烯等都是在常温、常压、能耗低、选择性好、效率高的生产条件下进行生产的，各种设备不必考虑防爆问题，不使用有毒试剂。

2．发酵产品原料易得

发酵产品原料多以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主，加入少量的有机和无机氮源，原料只要不含有对生命有害的物质，一般不需要对原料进行预处理。

3．技术发展快

生产技术的迅猛发展加快了发酵技术的更新与发展，酶、细胞器固定化技术的出现，简化了工艺，节约了设备，降低了生产成本，提高了产品质量。发酵趋于管道化、连续化、自动化，计算机自控仪表的应用提高了发酵技术的应用水平，能生产之前不能生产的或用化学法较难生产的性能优异的产品。

4．生产过程需防止杂菌的污染

发酵生产过程中最需要注意的是各种杂菌的污染，尤其是噬菌体的侵入危害很大，有时甚至是致命的，因此，生产过程的灭菌工作十分重要，它决定着生产的成败。

五、发酵工业发展趋势

现代发酵技术的应用已经冲击到包括传统的食品发酵业、制药业、有机酸制造业、饲料业等各个产业。人们已经感受到了现代科学技术所带来的好处，如运用基因工程、细胞工程和酶工程改良菌种，采用高产工程菌并利用现代工业手段从多方面对发酵生产的旧工艺进行改造，扩大了规模，降低了成本，开发了品种，提高了质量。随着生物技术的突破性发展，人类将通过设计和构建新一代的工业生物技术，使各类可再生生物资源高效快速地转化为新的资源和能源。近年研究的热点主要集中在以下几个方面。

①利用现代化的手段对微生物加以筛选和改造，以形成更符合工业生产需要的新菌种的工业微生物育种技术。

②利用先进的生产工艺高速地对某种微生物进行大量的纯培养，即工程菌的克隆。

③从微生物中分离有用物质，如利用微生物以一些廉价的废弃物作底物生产单细胞蛋白质等。例如，有一种被称作单细胞蛋白的新型动物饲料，就是利用发酵工程以农作物秸秆、造纸废液等废弃物培养藻类、放线菌、细菌、酵母菌等单细胞生物而获得的高产产品，它不仅含有高蛋白，而且含有丰富的维生素和脂类等，既是家禽、家畜的良好饲料，又可用来生产高营养的人造蛋白食品。

④微生物初级和次级代谢产物的发酵生产，如生产氨基酸、抗生素等生理活性物质。由于人们对微生物代谢网络的深入研究及DNA重组技术的不断完善，利用基因克隆技术改变微生物代谢途径中的某些关键步骤，可以使产物的产率得以大幅度提高。通过基因重组技术改变微生物的代谢途径，还可以开发出传统发酵工业无法生产的新产品。

⑤发酵产物的分离纯化和加工后处理。影响发酵产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的50%～70%，有的甚至高达90%。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产的“瓶颈”。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有双水相萃取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离等。

⑥利用微生物控制或参与工业生产，如采矿、冶金等。微生物生物反应器的研究开发，如新型发酵装置、生物传感器的研究和使用电子计算机控制的自动化连续发酵技术的研究等。