超聲波在生物發(fā)酵工程中的應(yīng)用

【摘要】近些年來(lái)，人們對(duì)于生物發(fā)酵技術(shù)的需求越來(lái)越大，超聲波近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展，技術(shù)在不斷進(jìn)步，研究發(fā)現(xiàn)，將超聲波技術(shù)利用到微生物的發(fā)酵工程中去可以改善其缺陷，提高生物發(fā)酵的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。本文主要講述的是超聲波在生物發(fā)酵過(guò)程中是如何發(fā)揮作用的，同時(shí)也詳細(xì)講述了這種技術(shù)具體的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】超聲波技術(shù)；生物發(fā)酵；應(yīng)用

我們知道，生物發(fā)酵技術(shù)擁有眾多好處----對(duì)環(huán)境危害小、生產(chǎn)效率高，尤其是早些年，社會(huì)在快速發(fā)展的同時(shí)忽略了人類對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生的極大危害，雖然目前有了很多改進(jìn)，但是仍然效果甚微，因?yàn)橐恍┘夹g(shù)在使用過(guò)程中本身就會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，但是其他技術(shù)的替代卻不能生產(chǎn)出好產(chǎn)品，全世界的人們都在被困擾著。理論研究表明，利用一定強(qiáng)度的超聲波處理過(guò)發(fā)酵液，就可以改善發(fā)酵的菌體本身生物膜的選擇性和通透性，那么，這便會(huì)促進(jìn)物質(zhì)跨膜傳輸物質(zhì)，之后菌體細(xì)胞的新陳代謝能夠被強(qiáng)化，反應(yīng)條件變得優(yōu)質(zhì)，發(fā)酵工程的生產(chǎn)周期縮短，也就可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。不僅如此，超聲波技術(shù)的引入還可以對(duì)發(fā)酵過(guò)程中所用發(fā)酵溶液的溶液基質(zhì)濃度和流變學(xué)特征等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這不僅對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的變化機(jī)制以及發(fā)酵溶液的流變學(xué)特征可以進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，也對(duì)微生物發(fā)酵的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有更現(xiàn)實(shí)的意義。

一、將超聲波在生物發(fā)酵過(guò)程中的機(jī)制

超聲波根據(jù)頻率的不同可以分為功率超聲波、診斷超聲波以及高頻超聲波，這其中能被發(fā)酵工程利用的是功率超聲波和診斷超聲波。診斷超聲波可以在發(fā)酵工程中對(duì)于前文所提及參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中起作用，而功率超聲波面向的是生物發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵技術(shù)和工藝以及提升發(fā)酵過(guò)程，而超聲波的頻率與強(qiáng)度就可以直接影響到發(fā)酵作用的強(qiáng)弱。

發(fā)揮作用的超聲波中，功率超聲波擁有熱作用、機(jī)械傳質(zhì)作用和空化作用三中作用機(jī)制。那么熱作用是如何在其過(guò)程中發(fā)揮功能呢？熱作用，我們知道是肯定需要介質(zhì)傳播的，同時(shí)能量不斷被吸收從而能使其溫度升高。在平時(shí)生活中我們也知道高溫和熱效應(yīng)可以殺菌消毒，這里也是相同的機(jī)理，在功率超聲波中的熱作用也是起到這種作用，高溫就會(huì)使作用酶失去活性。

二、超聲波在其過(guò)程中的具體應(yīng)用

1、超聲波在基因育種工程中

基因育種是生物學(xué)經(jīng)常會(huì)使用到的技術(shù)，它是利用基因工程的技術(shù)支持，把具有特定功能的或者是按照人們需求而設(shè)計(jì)的DNA分子導(dǎo)入以受體細(xì)胞中，使DNA進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而獲取具有特定性狀的菌體的技術(shù)。隨著技術(shù)和需求的不斷提高，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化方式已經(jīng)不能夠保證基因工程快速有效的發(fā)展，阻礙樂(lè)其技術(shù)發(fā)展，而根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，超聲波技術(shù)能夠使細(xì)胞膜與細(xì)胞液之間產(chǎn)生可逆的通透性變化，甚至是可以把細(xì)胞膜與細(xì)胞質(zhì)擊穿，然而這種現(xiàn)象卻可以使物質(zhì)交換沒(méi)有那么多障礙。簡(jiǎn)而言之，超聲波技術(shù)可以加快物質(zhì)的傳播，能夠提高物質(zhì)傳播速度，那么將DNA分子導(dǎo)入宿主細(xì)胞就會(huì)變得容易，這個(gè)也就是我們常說(shuō)的利用超聲波誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化法。

目前為止已經(jīng)有很多多內(nèi)外研究人士利用此項(xiàng)轉(zhuǎn)化法取得實(shí)驗(yàn)的成功，Joersbo團(tuán)隊(duì)利用此法將基因?qū)肓酥参锛?xì)胞中，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化率的明顯提升。而國(guó)內(nèi)的許寧團(tuán)隊(duì)先后在植物細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了基因的有效轉(zhuǎn)移，在此過(guò)程中，他們還研究制作了超聲波誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化儀。除此之外，在國(guó)內(nèi)還有很多研究人員在此種方法的基礎(chǔ)上伸展出了更有效的遺傳育種方法。

2、超聲波在發(fā)酵過(guò)程的中游

研究表明，利用低超聲波產(chǎn)生空化作用可以使生物膜變薄，使細(xì)胞質(zhì)中的粒子運(yùn)動(dòng)加快，同時(shí)傳質(zhì)作用得到加強(qiáng)，繼而使生物生產(chǎn)反映速度加快，提高生產(chǎn)效率。同樣， 在合適強(qiáng)度的超聲波條件下，細(xì)胞體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列的運(yùn)動(dòng)，如胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的旋轉(zhuǎn)、渦流以及微流等運(yùn)動(dòng)，這種情況的運(yùn)動(dòng)可以使細(xì)胞膜和細(xì)胞壁擊穿，促進(jìn)細(xì)胞的物質(zhì)代謝。

當(dāng)然，這種利用超聲波在中游發(fā)酵過(guò)程中的實(shí)例也很多。相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)外在這方面開展的比較早，Mastsuura團(tuán)隊(duì)研究的是關(guān)于葡萄酒發(fā)酵過(guò)程中超聲波的影響，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用超聲波輻射過(guò)的清酒和葡萄酒中氨基酸含量相對(duì)較少，這就會(huì)大大增加酒的香醇口感，提高所產(chǎn)酒的質(zhì)量；Jackson團(tuán)隊(duì)研究的是超聲波對(duì)于淀粉的水溶性影響，發(fā)現(xiàn)了淀粉的溶解度其實(shí)可以通過(guò)超聲波而得到提高；同時(shí)還有Thomas團(tuán)隊(duì)在超聲波對(duì)牛奶發(fā)酵中的研究，表明超聲波的引入可以使牛奶乳糖的水解更徹底，提高了細(xì)胞活性。國(guó)內(nèi)雖然在這種應(yīng)用方面的研究較小，但也有不小的成就和進(jìn)步，就比如，中科院黃瓜冶金部門研究所研究了將超聲波引入青霉素的發(fā)酵過(guò)程中，結(jié)果表明，利用超聲波技術(shù)可以將青霉素的產(chǎn)量提高10%以上，這確實(shí)是一項(xiàng)令人驕傲的研究；還有高大維團(tuán)隊(duì)在啤酒發(fā)酵過(guò)程中加入超聲波輻射，研究其影響，結(jié)果也是起到促進(jìn)作用的。

3、超聲波在發(fā)酵工程中的下游分離提取

經(jīng)過(guò)了上游基因工程和中游發(fā)酵過(guò)程，接下來(lái)就是發(fā)酵過(guò)后產(chǎn)物的分離和提取了，而目前最常用的的就是過(guò)濾以及離心，但傳統(tǒng)的方法在線操作是很難得，而且過(guò)濾也需要通過(guò)很多膜，這就會(huì)引發(fā)過(guò)濾膜的堵塞，因此為分離和提取工作增加了很多難度，同時(shí)，生產(chǎn)成本也大大提高，造成資源的浪費(fèi)。事實(shí)上，利用超聲波的方法進(jìn)行過(guò)濾就會(huì)好很多，首先，超聲過(guò)濾不需要各種各樣的膜，沒(méi)有機(jī)械地零件；其次，超聲過(guò)濾可以使菌體細(xì)胞懸浮于液體之中，這就不會(huì)造成阻塞了，同時(shí)也降低了成本，需要?jiǎng)邮指鼡Q膜等的步驟就沒(méi)有必要；再者，超聲波過(guò)濾還可以使菌體細(xì)胞在過(guò)濾時(shí)聚集起來(lái)，過(guò)濾速度會(huì)加快，降低了難度。

4、超聲波在在線診斷中

實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)度較小的超聲波由于能量較小，那么，它在溶液介質(zhì)中傳播是，就不能夠?qū)Πl(fā)酵溶液中的酶和細(xì)胞產(chǎn)生生物化學(xué)變化，相反，發(fā)酵液的部分參數(shù)，如發(fā)酵液的產(chǎn)物以及濃度、發(fā)酵液粘度等的不同卻會(huì)影響到超聲波的有效傳輸。然而，發(fā)酵液的這些物理參數(shù)的不同之是不容易檢測(cè)到的，所以說(shuō)，我們可以根據(jù)超聲波的變化間接地檢測(cè)到生物發(fā)酵液的參數(shù)變化情況。這一項(xiàng)應(yīng)用方面的研究目前也有很多工作者正在進(jìn)行中，例如：Endo團(tuán)隊(duì)利用這種方法對(duì)發(fā)酵液的濃度和粘度進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷；Cowan團(tuán)隊(duì)還通過(guò)聲板傳播器對(duì)大腸桿菌的濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

三、總結(jié)

綜合上文的詳細(xì)介紹，超聲波技術(shù)在微生物發(fā)酵工程中的應(yīng)用是非常廣泛的，種類眾多，并且將超聲波技術(shù)引入生物發(fā)酵工程中也讓生物發(fā)酵變得更加快速有效。當(dāng)然，不同強(qiáng)度和頻率的超聲波對(duì)其產(chǎn)生的作用影響也是不一樣的，那么適度的超聲波也就可以做到極大程度上的加快發(fā)酵生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)時(shí)間，更加節(jié)省人力物力等。這就要求我們不斷地實(shí)踐不斷地努力，要保證上述優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，就必須要對(duì)提升的條件進(jìn)行合理的選擇和處理，如果不能做到有效，那么就可能產(chǎn)生物極必反的效果，這也是我們不希望看到的

雖然超聲波的應(yīng)用會(huì)提升生物發(fā)酵的效率，而許許多多的人員也進(jìn)行了相關(guān)方向的研究，但是總體上超聲波相關(guān)設(shè)備如反應(yīng)設(shè)備和生物傳感設(shè)備等的開發(fā)還是大片空缺的。如果我國(guó)能夠在利用超聲波技術(shù)的同時(shí)，加以結(jié)合其它先進(jìn)科技，必然會(huì)實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵工程的更深遠(yuǎn)的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]許寧 超聲波誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移[D]北京：清華大學(xué)，1993

[2]丁志山，沃興德 超聲波法轉(zhuǎn)化酵母原生質(zhì)體[J]1生物技術(shù)，1996，6（4）：41-43

[3]劉春朝，王玉春，康學(xué)真等 利用新型霧化生物反應(yīng)器培養(yǎng)青蒿不定芽生產(chǎn)青蒿素[J]植物學(xué)報(bào)，1999，41（5）：524-527