簡述微生物發酵工程的應用

牛其東 山東技師學院

發酵工程通常又稱之為微生物工程，是利用微生物的生長和代謝活動，通過現代化工技術來生產各種有用物質的一種技術。發酵工程范疇伴隨現代生物技術不斷升級進一步擴大和延伸。20世紀70年代以來，它已與基因重組、蛋白質工程以及細胞融合等新方法進行了緊密結合，發展成為現代微生物發酵工程。微生物發酵和工程技術的巧妙結合并廣泛涉及在環境保護、醫藥工業、食品加工生產等許多領域。

一、發酵工程的發展歷程

1.自然發酵時期 人類利用微生物代謝產物已經有幾千年的歷史，而人們認識發酵、研究發酵卻只有200多年，“自然發生說”盛極一時，此階段一般都是手工作坊，談不上發酵工業。產品簡單，質量不穩定。2.純種培養時期。人們已經會利用發酵技術生產酒精、有機酸、酶制劑等，通過采用純種培養和無菌操作技術，再加上滅菌及使用密閉發酵罐，避免了發酵時被污染的問題的同時，也提高了產品的質量，真正的發酵工業開始形成。3.深層培養時期。在那個青霉素發現的年代，由于戰爭造成的大量需求促進了發酵技術的發展，20世紀40年代，通過通氣攪拌發酵技術，進一步推動了青霉素發酵生產技術從理論研究轉化為現實，也有效推動了需氧菌的發酵生產進入了規模化工業生產階段。4.近代發酵工程時期。以動態生物化學和微生物遺傳學為基礎，將微生物進行人工誘變，得到適合其生產某種產品的突變株，再在人工控制的條件下培養，既能選擇性地大量生產人們所需要的物質。5.現代發酵工程時期。人類可以借助分子生物學、分子遺傳學等新方法，按照自己的想法和一定的要求將一定的遺傳基因進行特定搭配，從而更好地基于分子水平來培育新的物種，轉化再生新的微生物，進而促進自然界微生物不能轉化向著可以實現順利合成轉變。

二、 微生物發酵工程的原理及特點

發酵工程的實現通常包括三大部分，即菌種、發酵、提煉。該工程的實施和順利實現，一方面需要基于發酵工程生物學原理進行，另一方面需要把握基本特點，不斷探究微生物復雜系統運行的自然規律，從而確保有序完成。

微生物發酵技術具有以下特點：（1）發酵過程以生命體的自動調節方式進行，數十個反應過程能夠在發酵設備中一次完成，也可在同一發酵設備生產多種發酵產品；（2）反應一般需要設定常溫常壓值，符合條件后方可進行操作，且操作簡便，能耗少；（3）原料通常以農副產品（糖蜜、淀粉）、工業廢水、可再生資源（如植物秸稈、木屑等）等為主，利于綜合利用；（4）能高度選擇地在復雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入或去除等反應，容易產生復雜的高分子化合物；（5）產物專一，副反應少，污染小，是較為環保的工業生產方式。

三、微生物發酵過程分類

1.按照微生物種類差異進行劃分，微生物發酵過程可以分成好氧性發酵、厭氧性發酵兩種類型。前者需要在發酵階段通過一定的方式注入一定量的無菌空氣，從而實現。后者在發酵階段不需要空氣供給就可以實現，比如通常見到的乳酸桿菌引起的乳酸發酵、丁醇發酵等。2.按照培養基狀態的差異，可以將微生物發酵劃分為固體、液體發酵兩種形式；后者還可以根據操作模式的差異分成分批發酵、連續發酵以及補料分批發酵等形式。依據發酵設備應用的差異，還可以進一步細分為密閉發酵、敞口發酵、深層發酵、淺盤發酵。

四、微生物發酵常用的設備

微生物發酵常用的設備主要是生物反應器，該設備能夠為微生物發酵、酶反應過程有序推進提供重要的硬件設備支持。生物反應器也俗稱為發酵罐。主要有機械攪拌式、通風攪拌式、厭氧式三種模式。

五、 微生物發酵工程的應用

近年來伴隨現代生物發酵技術不斷升級，目前已滲透到工業、農業、礦業、化工、醫藥、食品、能源和環境保護等多個領域，且日益發揮著重要的功能，為推動工農業生產和國民經濟水平持續提升做出了起到重要的作用。具體在應用體現在以下幾個方面：

1.微生物發酵技術在醫藥科研事業中的應用分析。醫藥發酵以適宜的培養基為營養,通過微生物的生長代謝和生命活動產生豐富的次生代謝產物。藥物經過發酵炮制后改變藥物的原有性能 、增加或產生新的療效、降低毒副作用等。微生物發酵應用在中藥領域方面的應用，能夠起到以下作用：（1）不斷提升有效成分水平。微生物本身具有類型多樣化、分布廣泛的特征，可以應用藥物中的營養成分從而為微生物生存提供重要的支持，進而促進其不斷分裂、生長繁殖以及代謝和轉化，所以可以通過設定一定的條件，借助微生物發酵技術，實現藥物成分的有效轉化，進而提升有效成分的含量，提升藥用價值。（2）不斷提升藥材的藥用水平。通過借助現代發酵工程，將微生物和中藥有效成分進行進一步結合，通過酶催化過程，進一步推動藥物性能不斷增強，提升藥效，更好地加以利用。（3）不斷減少副作用等不良影響。微生物在生長代謝過程中通常會產生很多代謝產物，這些代謝產物含有豐富的營養，進而和醫藥藥材進行結合，轉化、分解，進一步降低不良毒素造成的影響，提升治療效果。

2.微生物發酵在農業領域方面的應用。伴隨生物科學理論日益完善，微生物發酵技術不斷提升，將微生物發酵技術應用于農業領域，也取得了重大的研究進展，比如通過微生物發酵技術，與飼料資源進行融合，發生反應，從而制作成新的飼料資源，通過進一步生產，能夠生產出優質蛋白質飼料、新型添加劑，這樣就能夠在飼料領域得到更廣泛的應用，進一步促進飼料營養成分更加全面，有效彌補氨基酸成分不足等缺陷，從而起到增強消化、促進營養全面吸收的功效。

3.微生物發酵在食品領域的應用分析。在食品行業應用微生物發酵技術，也比較常見，也是科研的重點。在傳統發酵食品行業，我們國家積累了豐富的經驗，借助微生物發酵技術，主要可以在以下方面進行進一步探索：（1）微生物菌體發酵是以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的的產品，包括用于面包工業的酵母發酵，單細胞蛋白，活性乳酸菌劑等。（2）微生物代謝產物，包括初級代謝產物一供菌體利用、中級和級次產物如酒類、食醋、有機酸、維生素供人們利用。（3）微生物酶發酵，借助發酵工藝制作成微生物酶，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶等，從而在發酵工業領域進一步擴大應用范圍。

4.微生物發酵在環境保護領域方面的應用探究。隨著人類的物質文明和健康的需要，對環境要求越來越高，為了達到提高空氣質量和水環境質量的要求，環境工程除用常規的處理設備和構筑物處理污廢水；順應趨勢，微生物也逐漸應用到環境保護中。它與物理，化學法相比，具有經濟，高效的優點，更重要的是可基本達到無害化。微生物在環境工程中處理廢水，廢物，廢氣的應用。微生物在廢水處理中根據其處理過程中氧的狀況，可分為好氧處理系統與厭氧處理系統。隨著生命科學的發展，發酵工程的應用領域也在不斷的擴大。微生物發酵與人民的吃穿息息相關，現代生物技術將成為21 世紀的朝陽產業，我們已經看到了微生物發酵工程、基因重組、細胞融合等現代生物技術的發展與應用到健康、食品、醫藥、工農業、環保等諸多領域。