1、摘要本文主要是論述了關(guān)于微生物發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展歷史、發(fā)酵的特點(diǎn)，探討了影響發(fā)酵的因素及控制、微生物技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：微生物 發(fā)酵技術(shù) 影響因素 應(yīng)用 AbstractThis paper is mainly discussed about the microorganism fermentation technology development history, fermentation characteristics, discusses the influence ofthe factors and control, fermentation microorganisms tec

2、hnology in all aspectsof the application.Keywords: microbe microbial fermentation influencing factorApplication 前言 發(fā)酵技術(shù)有著悠久的歷史，早在幾千年前，人們就開始從事釀酒、制醬、制奶酪等生產(chǎn)。作為現(xiàn)代科學(xué)概念的微生物發(fā)酵工業(yè)，是在20世紀(jì)40年代隨著抗生素工業(yè)的興起而得到迅速發(fā)展的，而現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)又是在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了現(xiàn)代的基因工程、細(xì)胞工程、分子修飾和改造等新技術(shù)。由于微生物發(fā)酵工業(yè)具有投資少、見效快、污染小、外源目的基因易在微生物菌體中高效表達(dá)等特點(diǎn)，日益成為全球

3、經(jīng)濟(jì)的重要組成部分?？傊?，發(fā)酵工業(yè)，特別是微生物發(fā)酵工業(yè)，在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域中（醫(yī)藥、食品、化工、冶金、資源、能源、健康、環(huán)境等），都有著難以估量的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。正文1 微生物發(fā)酵技術(shù) 微生物發(fā)酵技術(shù)是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它是一門將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來，利用微生物的生長和代謝活動(dòng)來生產(chǎn)各種有用物資的工程技術(shù)。1.1 微生物發(fā)酵的發(fā)展史1857年巴斯德提出著名發(fā)酵理論：“一 切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！?1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，增加一大類新產(chǎn)品-抗生素。20世紀(jì)40年代，以獲取細(xì)菌的次生代謝

4、產(chǎn)物-抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為微生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為微生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的又一個(gè)成員，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物的代謝進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，這又使微生物技術(shù)進(jìn)了一步。20世紀(jì)60年代，微生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)又增加了酶制劑工業(yè)這一成員。20世紀(jì)70年代，為了解決由于人迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，進(jìn)行污水處理，能源開發(fā)等。80年代以來，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，可以按人類社會(huì)的需要，定培養(yǎng)出有用的菌株，這為微生物發(fā)酵技術(shù)引入了遺傳工程的技術(shù)，使微生物技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 目前，人們把利

5、用微生物在有氧或無氧狀態(tài)下生命活動(dòng)來制備微生物菌體或其它代謝產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。 2 微生物發(fā)酵的類型2.1 微生物菌體發(fā)酵 是以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。用于面包制作的酵母發(fā)酵及用于人類或動(dòng)物食品的微生物菌體蛋白發(fā)酵是比較傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè)。新的菌體發(fā)酵可用來生產(chǎn)藥用真菌，如香菇菌、依賴蟲蛹而生存的冬蟲夏草菌、與天麻共存的密環(huán)菌等藥用菌。2.2 微生物酶發(fā)酵 酶普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物中。因?yàn)槲⑸锓N類多、產(chǎn)酶的品種多、生產(chǎn)容易和成本低等特點(diǎn)，所以目前工業(yè)應(yīng)用的酶大多來自微生物發(fā)酵。2.3 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 微生物代謝產(chǎn)物很多。在菌體對(duì)數(shù)生長期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸

6、、蛋白質(zhì)和糖類等是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級(jí)代謝產(chǎn)物。在菌體生長靜止期，某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、植物生長因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級(jí)代謝產(chǎn)物。 2.4 微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵 微生物的轉(zhuǎn)化是利用微生物細(xì)胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)物?？蛇M(jìn)行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括：脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、縮合反應(yīng)、氨化反應(yīng)、脫氨反應(yīng)等。 2.5 生物工程細(xì)胞的發(fā)酵 是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞，如DNA重組的“工程菌”，細(xì)胞融合所得的“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵。此類發(fā)酵的產(chǎn)物多種多樣，如用基因工程菌生產(chǎn)胰島素、

7、干擾素等。3 微生物發(fā)酵的特點(diǎn)1微生物種類繁多，繁殖速度快、代謝能力強(qiáng)，容易通過人工誘變獲得有益的突變株；微生物酶的種類很多，能催化各種生物化學(xué)反應(yīng)；微生物能過利用有機(jī)物、無機(jī)物等各種營養(yǎng)源；可以用堅(jiān)毅的設(shè)備來生產(chǎn)多種多樣的產(chǎn)品；不受氣候、季節(jié)等自然條件的限制等優(yōu)點(diǎn)。所以源于酒、醬、醋等釀造技術(shù)的發(fā)酵技術(shù)發(fā)展非常迅速，并具有一下特點(diǎn)：（1） 發(fā)酵過程以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個(gè)反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成；（2） 反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，條件溫和，能耗少，設(shè)備簡單；（3） 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主，可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源（如植物秸稈、木屑等），微生物本身能

8、有選擇地?cái)z取所需物質(zhì)；（4） 容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引入或去除等反應(yīng)；（5） 發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，大多情況下設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾等。4 發(fā)酵常用的微生物微生物資源非常豐富，廣布于土壤、水和空氣中，尤以土壤中為多有的微生物從自然界中分離出來就能夠利用，有得需要對(duì)分離到的野生菌株進(jìn)行人工誘變，得到突變株才能被利用。當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢(shì)是從野生菌轉(zhuǎn)向變異菌，從自然選育轉(zhuǎn)向代謝控制育種。目前，發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物有：（1）細(xì)菌 常用的細(xì)菌有：枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等，主

9、要用于生產(chǎn)淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。（2）放線菌 發(fā)酵工業(yè)常用的放線菌主要來自以下幾個(gè)屬：鏈霉菌屬、小單孢菌屬和諾卡氏菌屬等，主要用于生產(chǎn)抗生素，如鏈霉素、金霉素、慶大霉素等。（3）酵母菌 發(fā)酵工業(yè)常用的酵母菌有：啤酒酵母、假絲酵母、類酵母等，主要用于釀酒、制造面包、制造低凝固點(diǎn)石油、生產(chǎn)脂肪酶，以及生產(chǎn)可食用、藥用和飼料用的酵母菌體蛋白等。（4）霉菌 常用的霉菌有：藻狀菌綱的根霉、毛霉、犁頭霉，子囊菌綱的紅曲霉，半知菌類的曲霉、青霉等，主要用于生產(chǎn)多種酶制劑、抗生素、有機(jī)酸及甾體激素等。（5）其他微生物 這類微生物主要包括擔(dān)子菌（即菇菌）和藻類。擔(dān)子菌主要用于多糖、橡膠物質(zhì)和抗

10、癌藥物的開發(fā)。5 影響微生物發(fā)酵的因素2微生物發(fā)酵是微生物一些原料養(yǎng)分在合適的發(fā)酵條件下經(jīng)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物的過程。發(fā)酵是一種復(fù)雜的生化過程，其發(fā)酵好壞涉及諸多因素，除了菌種的生產(chǎn)性能外，還與培養(yǎng)基的配比、滅菌條件以及發(fā)酵條件等有密切關(guān)系。5.1 培養(yǎng)基的配比先進(jìn)的培養(yǎng)基組成和細(xì)胞代謝物的分析技術(shù)加上統(tǒng)計(jì)優(yōu)化策略和生化研究對(duì)于建立高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)酵過程非常關(guān)鍵。培養(yǎng)基的成分對(duì)微生物發(fā)酵產(chǎn)物的形成有很大影響。每一種代謝產(chǎn)物有其最適的培養(yǎng)基配比和生產(chǎn)條件。因此，要根據(jù)發(fā)酵所用的菌種的特點(diǎn)合理的配制培養(yǎng)基，其中的養(yǎng)分、碳源、氮源、礦物源以及特殊養(yǎng)分的配比一定要合理。5.2 滅菌情況培養(yǎng)

11、基的滅菌情況對(duì)不同品種的發(fā)酵生產(chǎn)的影響是不一樣的。一般隨滅菌溫度的升高，時(shí)間的延長，對(duì)養(yǎng)分的破壞作用愈大，從而影響產(chǎn)物的合成，特別是葡萄糖，不宜與其它養(yǎng)分一起滅菌。葡萄糖氧化酶發(fā)酵培養(yǎng)基的滅菌條件對(duì)產(chǎn)酶有顯著影響。通常滅菌溫度比滅菌時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響更大。5.3 種子質(zhì)量發(fā)酵期間菌種生長的快慢和產(chǎn)物合成的多寡在很大程度上取決于種子的質(zhì)和量。接種菌齡是指種子罐中的培養(yǎng)物開始移種到下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。選擇適當(dāng)?shù)慕臃N菌齡十分重要太年輕或過老的種子對(duì)發(fā)酵不利。一般接種菌齡以對(duì)數(shù)生長期的后期，即培養(yǎng)液中菌濃接近高峰時(shí)所需的時(shí)間較為適宜。太年輕的種子接種后往往會(huì)出現(xiàn)前期生長緩慢，整個(gè)發(fā)酵周期延

12、長，產(chǎn)物開始形成時(shí)間推遲。過老的種子雖然菌量較多，但接種后會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)能力的下降，菌體過早衰退。不同品種或同一品種不同T藝條件的發(fā)酵，其接種菌齡也不盡相同。一般最適的接種菌齡要經(jīng)多次試驗(yàn)，根據(jù)其最終發(fā)酵結(jié)果而定。5.4 發(fā)酵條件在微生物發(fā)酵的過程中，有許多發(fā)酵條件都可以直接影響到發(fā)酵的好壞，如溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液粘度、濁度、pH、離子濃度、溶解氧及基質(zhì)濃度等。其中對(duì)發(fā)酵過程影響較大的因素有溫度、pH值、溶解氧、泡沫等。5.4.1 溫度溫度對(duì)微生物的影響是多方面的。首先，溫度影響酶的活性。在最適溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，菌體生長和代謝加快，發(fā)酵反應(yīng)的速率加快。當(dāng)超過最適溫度范

13、圍以后，隨著溫度的升高，酶很快失活，菌體衰老，發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)量降低。溫度也能影響生物合成的途徑。例如，金色鏈霉菌在30 以下時(shí)，合成金霉素的能力較強(qiáng)，但當(dāng)溫度超過35 時(shí)，則只合成四環(huán)素而不合成金霉素。此外，溫度還會(huì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，以及菌種對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的分解吸收等。因此，要保證正常的發(fā)酵過程，就需維持最適溫度。但菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同。如灰色鏈霉菌的最適生長溫度是37 ，但產(chǎn)生抗生素的最適溫度是28 。通常，必須通過實(shí)驗(yàn)來確定不同菌種各發(fā)酵階段的最適溫度，采取分段控制。5.4.2 pH值3pH能夠影響酶的活性，以及細(xì)胞膜的帶電荷狀況。細(xì)胞膜的帶電荷狀況如果發(fā)

14、生變化，膜的透性也會(huì)改變，從而有可能影響微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的分泌。此外，pH還會(huì)影響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的分解等。因此，應(yīng)控制發(fā)酵液的pH。但不同菌種生長階段和合成產(chǎn)物階段的最適pH往往不同，需要分別加以控制。在發(fā)酵過程中，隨著菌體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的利用和代謝產(chǎn)物的積累，發(fā)酵液的pH必然會(huì)發(fā)生變化。如當(dāng)尿素被分解時(shí)，發(fā)酵液中的NH+4濃度就會(huì)上升，pH也隨之上升。在工業(yè)生產(chǎn)上，常采用在發(fā)酵液中添加維持pH的緩沖系統(tǒng)，或通過中間補(bǔ)加氨水、尿素、碳酸銨或碳酸鈣來控制pH。目前，國內(nèi)已研制出檢測發(fā)酵過程的pH電極，用于連續(xù)測定和記錄pH變化，并由pH控制器調(diào)節(jié)酸、堿的加入量。5.4.3 溶解氧4

15、氧的供應(yīng)對(duì)需氧發(fā)酵來說，是一個(gè)關(guān)鍵因素。從葡萄糖氧化的需氧量來看，1 mol的葡萄糖徹底氧化分解，需6 mol的氧；當(dāng)糖用于合成代謝產(chǎn)物時(shí)，1 mol葡萄糖約需1.9 mol的氧。因此，好氧型微生物對(duì)氧的需要量是很大的，但在發(fā)酵過程中菌種只能利用發(fā)酵液中的溶解氧，然而氧很難溶于水。在101.32 kPa、25時(shí)，氧在水中的溶解度為0.26 mmol/L。在同樣條件下，氧在發(fā)酵液中的溶解度僅為0.20 mmol/L，而且隨著溫度的升高，溶解度還會(huì)下降。因此，必須向發(fā)酵液中連續(xù)補(bǔ)充大量的氧，并要不斷地進(jìn)行攪拌，這樣可以提高氧在發(fā)酵液中的溶解度。 泡沫在發(fā)酵過程中，通氣攪拌、微生物的代謝過程及培養(yǎng)基

16、中某些成分的分解等，都有可能產(chǎn)生泡沫。發(fā)酵過程中產(chǎn)生一定數(shù)量的泡沫是正常現(xiàn)象，但過多的持久性泡沫對(duì)發(fā)酵是不利的。因?yàn)榕菽瓡?huì)占據(jù)發(fā)酵罐的容積，影響通氣和攪拌的正常進(jìn)行，甚至導(dǎo)致代謝異常，因而必須消除泡沫。常用的消泡沫措施有兩類：一類是安裝消泡沫擋板，通過強(qiáng)烈的機(jī)械振蕩，促使泡沫破裂；另一類是使用消泡沫劑6 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用5發(fā)酵過程的特點(diǎn)體現(xiàn)了發(fā)酵工程的種種優(yōu)點(diǎn)。在目前能源、資源緊張，人口、糧食及污染問題日益嚴(yán)重的情況下，微生物發(fā)酵技術(shù)作為現(xiàn)在生物技術(shù)的重要組成部分之一。得到越來越廣泛的應(yīng)用：（1） 醫(yī)藥工業(yè)，用于生產(chǎn)抗生素、維生素等常用藥物和人胰島素、乙肝疫苗、干擾素、透明質(zhì)酸等新藥；（2） 食

17、品工業(yè)，用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑的生產(chǎn)；（3） 能源工業(yè)，通過微生物發(fā)酵，可將綠色植物的秸稈、木屑以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等廢棄物轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料（酒精或沼氣），還可以利用微生物采油、產(chǎn)氫以及制成微生物電池；（4） 化學(xué)工業(yè)，用于生產(chǎn)可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇等）和一些生物表面活性劑及生物凝集劑；（5） 冶金工業(yè)，微生物可用于黃金開采銅、鈾等金屬的浸提；（6） 農(nóng)業(yè)，用于生物固氮和生產(chǎn)生物殺蟲劑及微生物飼料，為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的增產(chǎn)發(fā)揮了巨大作用；（7） 環(huán)境保護(hù)，可用微生物來凈化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒氣

18、體和惡臭物質(zhì)以及處理有機(jī)廢水、廢渣等等。結(jié)束語微生物發(fā)酵工業(yè)是一種以高科技含量為特征的新型工業(yè)，近年來特別是20世紀(jì)90年代以來，行業(yè)的迅速發(fā)展已經(jīng)使其在醫(yī)藥、食品、能源、化學(xué)等工業(yè)中占有重要地位。發(fā)酵工業(yè)的迅速發(fā)展不僅帶動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)節(jié)約糧食、增加食品花色品種、提高產(chǎn)品質(zhì)量及改善環(huán)境等，發(fā)揮了重要作用。可以說，發(fā)酵工業(yè)發(fā)展前景十分光明。然而，發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展中仍然存在一些問題，如行業(yè)調(diào)控不夠得力、市場競爭不夠規(guī)模和價(jià)格比較混亂、低水平的重復(fù)建設(shè)及環(huán)保問題等。我國要使微生物發(fā)酵工業(yè)得到更好的發(fā)展，還需努力解決這些問題。參考文獻(xiàn)1 生物技術(shù)概論 宋思揚(yáng)，樓士林主編.2版.北京：科學(xué)出版社，2003