《发酵工程简介》专题讲座 - 图文

【高二生物专题讲座】

发酵工程简介

绵竹中学 庞文俊

大家知道剑南春、德阳酱油、保宁醋是怎么生产出来的吗？这些都离不开微生物学和发酵工程的知识。

1857年，法国微生物学家巴斯德发现了发酵原理，人们才认识到发酵是微生物活动的结果。此后，随着纯种微生物的分离及培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，使人们能够利用某种类型的微生物，在人工控制的环境条件下，进行大规模的生产，逐步形成了发酵工程。那么，什么是发酵工程？应用发酵工程能够生产哪些产品呢？下面以谷氨酸发酵为例进行介绍。 一．应用发酵工程的生产实例

谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆)蛋白质水解法生产。1957年，日本率先用微生物发酵法生产成功。常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素①等配制而成，呈液体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa的蒸汽进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。 发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置(如图)。谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，发酵过程要不断地通入无菌空气，并通过搅拌，使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧)；同时，也能使菌种与培养液充分接触，提高它们对原料的利用率。在温度为30～37℃、pH为7～8.0的条件下，经28～32h，培养液中就会生成大量的谷氨酸。最后，将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能得到谷氨酸50～100g。提取出来的谷氨酸用适量的Na2CO3溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤，便制成了味精。 二． 发酵工程的概念和内容

通过上面的实例可以看出，发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面(如图)。 1.菌种的选育

要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，首先要有性状优良的菌种。最初，人们是从自然界寻找所需要的菌种的，但用这种方法得到的菌种，产量一般都比较低，不能满足工业上的需要。20世纪40年代，微生物学家开始用人工诱变的方法育种，就是用紫外线、激光、化学诱变剂等处理菌种，使菌种产生突变，再从中筛选出符合要求的优良菌种，如不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌就是用这种方法获得的。这种育种方法已在氨基酸、核苷酸、某些抗生素等的发酵生产中获得成功。例如，在1943年刚开始生产青霉素时，青霉素的产量只有20μg/mL左右，经过长期的诱变育种，如今青霉素的产量已达到85 000μg/mL以上。

随着生物技术的发展，生物学家开始用细胞工程、基因工程等方法，构建工程细胞或工程菌，再用它们进行发酵，就能生产出一般微生物所不能生产的产品。例如，将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素的基因以后，重新置入大肠杆菌细胞内，然后，用这种带有人生长激素基因的工程菌进行发酵，就能得到大量的人生长激素。

20世纪60年代以前，常用薯类、谷类等粮食作物配制培养基，每年都要消耗大量的粮食。随着新型菌种和微生物酶的开发应用，野生植物淀粉、甘蔗糖、秸秆水解物，以及乙醇、醋酸等石化产品都能用来配制培养基了。 2. 培养基的配制

在菌种确定之后，就要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。由于培养基的组成对菌种有多方面的影响，因此，在生产实践中，培养基的配方要经过反复的实验才能确定。 3. 灭菌

发酵工程中所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程不能混入其他微生物(称杂菌)，一旦污染杂菌，将导致产量大大下降，甚至得不到产品。例如，如果青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 4. 扩大培养和接种

在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量以后，再进行接种。 5.发酵过程

这是发酵的中心阶段。在这个阶段，除了要随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程外，还要及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。

这是因为环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。例如，在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺；当溶氧不足时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。因此，随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，才能保持发酵的正常进行。 在用工程菌等进行发酵生产时，对排出的气体和废培养液、设备等都有严格要求，防止这些人工合成的生物新种扩散，对环境及其他生物造成危害。 对发酵条件的控制可以通过发酵罐上的各种装置进行。例如，温度控制可以通过发酵罐上的温度自动测试、控制装置进行检测和调整；对溶氧的控制，可以通过通气量和搅拌速度加以调节；对pH的控制，可以通过加料装置，添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液等。20世纪60年代，生物学家将计算机应用到发酵工程中，实现了对温度、pH、通气量、转速等的自动记录和自动控制。 6.分离提纯

这是制取发酵产品不可缺少的阶段。应用发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身，如酵母菌和细菌等。产品不同，分离提纯的方法一般不同。如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果产品是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。分离提纯后的产品，还要经过质量检查合格后，才能成为正式产品。 三． 发酵工程的应用

发酵工程以其生产条件温和，原料来源丰富且价格低廉，产物专一，废弃物对环境的污染小或容易处理等特点，而在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用，逐步形成了规模庞大的发酵工业。在一些发达国家，发酵工业的总产值占到国民生产总值的5％左右。 20世纪80年代以来，我国的发酵工业也有了较大的发展。下面着重介绍发酵工程在医药工业和食品 氨基酸也可以用做药品，如谷氨酰胺、组氨酸用于治疗消化道溃疡，天冬氨酸用于治疗心律失调，亮氨酸可作为高血糖、头晕的治疗药。 1.工业上的应用。

生产白酒、酱油、食醋、味精等都是经过发酵工程来完成的。 2.在医药工业上的应用

发酵工程在医药工业上的应用，成效十分显著，生产出了种类繁多的药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸(如肌苷)等。其中，抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业利润最高的产品。 20世纪80年代，世界各地的抗生素年产量达2.5×104t，产值超过40亿美元。目前，常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢菌素类、红霉素类和四环素类。

有些药物如人生长激素、胰岛素，过去主要是靠从生物体器官、组织、细胞或尿液中提取，因受到原料的限制，无法推广使用。发酵工程对医药工业的一个重大贡献，就是使这类药物得以大量生产和使用。例如，生长激素释放抑制因子是一种人脑激素，能够抑制生长激素的不适宜分泌，用于治疗肢端肥大症。最初，生产生长激素释放抑制因子的方法是从羊脑中提取，50万个羊脑才能提取到5mg这种激素，远远不能满足病人的需要。如今，利用含有生长激素释放抑制因子的基因的工程菌进行发酵生产，7.5L培养液就能得到5mg的生长激素释放抑制因子，价格也只有原来的几百分之一。目前，应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等。

3.在食品工业上的应用

发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括以下三方面。

第一，生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。

第二，生产各种各样的食品添加剂(表5－1)，改善了食品的品质及色、香、味。例如，用发酵方法制得的L-苹果酸是国际食品界公认的安全型酸味剂，广泛用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果、人造奶油等的生产中。

第三，随着人口的增长，粮食短缺已成为困扰人们的社会问题之一，而发酵工程的发展将为解决这一问题开辟新的途径。研究表明，微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60％～80％，酵母菌的占45％～65％，而且它们的生长繁殖速度很快。因此，许多国家就利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体。这种微生物菌体就叫做单细胞蛋白。 20世纪80年代中期，全世界生产的单细胞蛋白已达2×106t。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。单细胞蛋白用作饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 四． 发酵工程的发展简史

20世纪20年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工业，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有机酸、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。科学家在深入研究微生物代谢途径的基础

上，通过对微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变类型，再在人工控制的条件下培养，就大量生产出人们所需要的物质。目前，代谢控制发酵技术已用于核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。20世纪80年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化学工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显提高了生产效率。