淺談發酵工程在生物工程中的應用

【摘要】生物工程是最近幾年興起的新型學科，它是由發酵工程逐漸演變而來的。但是生物工程學所包含的范圍和深遠影響則遠遠超過了發酵工程，它是由分子生物學、分子遺傳學、生物化學、微生物學和計算機等許多基礎學科組成的，發酵工程僅僅占據了其一部分內容。本文將淺談生物工程中所應用的幾種發酵方式以及提出幾項尚需改進或優化的建議，以促進發酵工程在生物工程中得到更加全面地應用，促進二者協同配合良性發展。

【關鍵詞】發酵工程；生物工程；應用；建議

一、發酵工程在生物工程中的應用

發酵工程的基礎是微生物，微生物菌種性能的優良與否不但影響著產品的產量、質量、經濟效益與成本，而且對新原料的利用與新產品的開發也具有一定的影響。從前的育種方法是對自然界中的微生物進行分離，利用常規的方法誘變來獲取高產菌種，提高經濟效益。產生的效果為：1）原本存在的產物的結構基因沒有改變，調節基因產生了突變，反饋調節被解除，誘導型變為組成型；2）支路代謝阻斷，前體的供應提高，協同反饋被解除；3）細胞的滲透性改變，有利于產物的積累，從而使發酵工程取得更大的效益。但由于不能改變原本存在的產物的結構基因，因此運用從前的育種方法不能對菌種的生產性能等產生具有重要意義的突破，更不能組建新的微生物菌種。直到七十年代，發酵產業在基因工程的協助下，終于可以培育出符合自己意愿的優良菌種。下面將介紹生物工程中所應用的幾種發酵方式并進行比較與探討：

1.1氨基酸發酵

（1）賴氨酸發酵

氨基酸是構成蛋白質的基本單位，對人及動物的生命活動具有極其重要的意義。其中八種必需氨基酸不能在人體內合成，需通過食物供給，于是發酵工程在生產必須氨基酸這一方面具有非常重要的經濟意義。尤其是賴氨酸，在食品工業特別是兒童食品具有極其重要的經濟意義。由于谷類食品蛋白質中賴氨酸的含量不能夠滿足兒童成長發育的需要，如果不進行人工補給，則兒童會因為賴氨酸的缺乏而造成生長發育不良。國際上曾經做過相關測試：在小學生和中學生的膳食中加入賴氨酸，并與未加入的學生進行對比，結果顯示食用賴氨酸的學生更加高大有力。

由于賴氨酸不可忽視的重要性，一些學院開始著力于選育賴氨酸生產菌株并對此進行了大量的研究工作，最終獲得了在適宜條件下，發酵液中賴氨酸的總提取率達到70%的優良菌株。但類似這樣的賴氨酸的高產菌株都具有生長緩慢的特點，于是科學家們為了彌補這一缺陷，將其與一種生長速度快速的菌株進行細胞融合，于是得到了一種產酸率高并且生長迅速的菌株，這就產生了發酵工程在生物工程中成功應用的案例。

（2）蘇氨酸發酵

蘇氨酸作為八種必須氨基酸之一，一般也采用發酵方法獲得，但是產量不高。蘇聯學者根據蘇氨酸在大腸桿菌中的合成途徑，利用基因工程手段培育出了原材料廉價并且發酵速度快且穩定的菌株。蘇聯學者從以下幾個方面展開工作：首先使用拮抗物，篩選出對蘇氨酸不敏感的變種；然后加入正控制基因relA，它對蘇氨酸的操縱子起到活化作用，使蘇氨酸的產量達到每升2-3g；最后將蘇氨酸的操縱子載入蘇氨酸缺陷型的變種，發酵48小時，產量達到每升30g。

但從工業生產的角度來講，他們合成的菌株并不理想，因為在連續發酵的過程中存在著一定的不穩定性。于是他們想出了一種更好的方法：合成培養基。在此過程中，質粒的脫落導致不能合成蘇氨酸的細胞也不能合成生命所需的異亮氨酸，從而死亡。于是，科學家們就得到了發酵迅速、穩定的菌株。然而這一供給大量且穩定的發酵工程的實現對于生物工程的發展也具有重要意義。

1.2酶的發酵

酶屬于活性蛋白質，不同的酶擁有不同的結構基因編碼，因此想要提高酶的產量，增加目的基因的數量與擺脫調節基因的控制是勢在必行的。日本科學家利用基因工程技術成功組建了淀粉酶的高產菌株。

因為淀粉酶的組成受多種調節基因的控制，通過DNA轉化方式，使這些調節基因進入到同一細胞當中，起到協同的作用，使淀粉酶菌株達到高產。高產菌株就是通過逐步轉化和突變的方法組建的，淀粉酶產量大幅提高的直接原因是：結構基因通過質粒進入到感受態細胞和原生質球中，并在受體細胞中得到表達，于是分泌大量的淀粉酶在培養液中，得到高產淀粉酶的工程菌株。酶作為生物體內具有高度專一性和催化效率的蛋白質，因此發酵工程對于高產酶菌株的培育在生物工程的實現中也具有重要效用。

1.3酒精發酵新技術

近年來，由于世界范圍內能源危機的加劇，國外由于石油等能源物質的缺乏，在化學產品的生產中往往用酒精進行代替，對于生物物質的利用做出了巨大的努力。其中主要是進行纖維素的酶法糖化和發酵工藝的研究，以此來生產酒精。酒精發酵不僅能夠解決生物工程的問題，也能夠緩解當今國際能源缺乏的現狀，即可利用酒精取代一些能源的利用.

二、幾項建議

2.1新型甜味劑的開發

由于飲料產業的開發，各種飲料產品在市場上大量發售，糖的用量迅速增加，但是糖吃多了容易引人發胖，因此市場需要提供除蔗糖以外的低熱量甜味劑，于是高果糖漿和人工合成甜味劑現世。

（1）高果糖漿：第一代果糖糖漿含果糖42%，工業化生產年產量大約2000噸。第二代果糖糖漿占50%，果糖糖漿之所以發展迅速的原因有：大多數國家用玉米為原料，其中玉米漿和玉米油的產量為原料總價的60%，高果糖漿的成本原為蔗糖成本的三分之一左右，售價為蔗糖的70%，因此高果糖漿產業得到了迅速發展。

（2）天門冬酰丙苯胺酸甲酯（APM）：天門冬酰丙苯胺酸甲酯是蔗糖甜度的200倍，它不是由淀粉水解產生的，而是通過發酵工程獲得的。并且本身的熱度特別低，因此天門冬酰丙苯胺酸甲酯也是取代蔗糖的良好甜味劑。

（3）果糖的生產新方法：利用酶法代替化學法制造塑材，這樣既可降低成本，也會得到副產物果糖。將葡萄糖氧化生成葡萄糖和過氧化氫，葡萄糖既可還原成為果糖。

（4）天然蛋白甜味劑：monellin和thumatin這兩種蛋白質產自西非，比蔗糖甜十萬倍，將這兩種糖蛋白的基因從植物提取到微生物里面進行培養，就可以生成天然蛋白甜味劑。

2.2安全問題

由于基因工程可能會產生許多社會問題，并且會存在潛在危險性。經過重組的菌株和質粒一旦投入生產，將不可避免地投入到大自然中。這些菌株會間接地危害我們的身體健康，造成環境的污染，因此注意安全問題是極其重要的。

因此在培養菌株的過程中，進行物理密封和生物學密封是至關重要的步驟。

三、結束語

綜上所述，發酵工程和生物工程其實是相輔相成的，發酵工程中需要通過生物工程中的基因工程和基因重組來實現，而發酵工程的應用也在一定程度上為生物工程做出了一定程度的貢獻。因此只有二者共同進步，才能夠獲得更加長足的發展。隨著各種發酵技術的創新與應用，新型甜味劑的出現等現象的發生，發酵工程在生物工程中的應用越來越廣泛，但同時也要注意安全問題，否則將會造成難以挽回的后果。因此要采取安全措施，保護人類以及環境的健康發展。

參考文獻：

[1]陳洪章.現代發酵工程技術在食品領域的應用研究進展【J】.中國釀造，2005，（12）：21-24.

[2]金濱鋒.現代生物技術在食品工業中的應用【J】.生物技術世界，2005，（8）：36-39.