簡述微生物發(fā)酵工程的應(yīng)用

牛其東 山東技師學(xué)院

發(fā)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(xiàn)代化工技術(shù)來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的一種技術(shù)。發(fā)酵工程范疇伴隨現(xiàn)代生物技術(shù)不斷升級進(jìn)一步擴(kuò)大和延伸。20世紀(jì)70年代以來，它已與基因重組、蛋白質(zhì)工程以及細(xì)胞融合等新方法進(jìn)行了緊密結(jié)合，發(fā)展成為現(xiàn)代微生物發(fā)酵工程。微生物發(fā)酵和工程技術(shù)的巧妙結(jié)合并廣泛涉及在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥工業(yè)、食品加工生產(chǎn)等許多領(lǐng)域。

一、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程

1.自然發(fā)酵時(shí)期 人類利用微生物代謝產(chǎn)物已經(jīng)有幾千年的歷史，而人們認(rèn)識發(fā)酵、研究發(fā)酵卻只有200多年，“自然發(fā)生說”盛極一時(shí)，此階段一般都是手工作坊，談不上發(fā)酵工業(yè)。產(chǎn)品簡單，質(zhì)量不穩(wěn)定。2.純種培養(yǎng)時(shí)期。人們已經(jīng)會利用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)酒精、有機(jī)酸、酶制劑等，通過采用純種培養(yǎng)和無菌操作技術(shù)，再加上滅菌及使用密閉發(fā)酵罐，避免了發(fā)酵時(shí)被污染的問題的同時(shí)，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，真正的發(fā)酵工業(yè)開始形成。3.深層培養(yǎng)時(shí)期。在那個(gè)青霉素發(fā)現(xiàn)的年代，由于戰(zhàn)爭造成的大量需求促進(jìn)了發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代，通過通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)，進(jìn)一步推動了青霉素發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)從理論研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，也有效推動了需氧菌的發(fā)酵生產(chǎn)進(jìn)入了規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)階段。4.近代發(fā)酵工程時(shí)期。以動態(tài)生物化學(xué)和微生物遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，將微生物進(jìn)行人工誘變，得到適合其生產(chǎn)某種產(chǎn)品的突變株，再在人工控制的條件下培養(yǎng)，既能選擇性地大量生產(chǎn)人們所需要的物質(zhì)。5.現(xiàn)代發(fā)酵工程時(shí)期。人類可以借助分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)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(jìn)行特定搭配，從而更好地基于分子水平來培育新的物種，轉(zhuǎn)化再生新的微生物，進(jìn)而促進(jìn)自然界微生物不能轉(zhuǎn)化向著可以實(shí)現(xiàn)順利合成轉(zhuǎn)變。

二、 微生物發(fā)酵工程的原理及特點(diǎn)

發(fā)酵工程的實(shí)現(xiàn)通常包括三大部分，即菌種、發(fā)酵、提煉。該工程的實(shí)施和順利實(shí)現(xiàn)，一方面需要基于發(fā)酵工程生物學(xué)原理進(jìn)行，另一方面需要把握基本特點(diǎn)，不斷探究微生物復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行的自然規(guī)律，從而確保有序完成。

微生物發(fā)酵技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）發(fā)酵過程以生命體的自動調(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，也可在同一發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)品；（2）反應(yīng)一般需要設(shè)定常溫常壓值，符合條件后方可進(jìn)行操作，且操作簡便，能耗少；（3）原料通常以農(nóng)副產(chǎn)品（糖蜜、淀粉）、工業(yè)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(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)，容易產(chǎn)生復(fù)雜的高分子化合物；（5）產(chǎn)物專一，副反應(yīng)少，污染小，是較為環(huán)保的工業(yè)生產(chǎn)方式。

三、微生物發(fā)酵過程分類

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

四、微生物發(fā)酵常用的設(shè)備

微生物發(fā)酵常用的設(shè)備主要是生物反應(yīng)器，該設(shè)備能夠?yàn)槲⑸锇l(fā)酵、酶反應(yīng)過程有序推進(jìn)提供重要的硬件設(shè)備支持。生物反應(yīng)器也俗稱為發(fā)酵罐。主要有機(jī)械攪拌式、通風(fēng)攪拌式、厭氧式三種模式。

五、 微生物發(fā)酵工程的應(yīng)用

近年來伴隨現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)不斷升級，目前已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、化工、醫(yī)藥、食品、能源和環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，且日益發(fā)揮著重要的功能，為推動工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)提升做出了起到重要的作用。具體在應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.微生物發(fā)酵技術(shù)在醫(yī)藥科研事業(yè)中的應(yīng)用分析。醫(yī)藥發(fā)酵以適宜的培養(yǎng)基為營養(yǎng),通過微生物的生長代謝和生命活動產(chǎn)生豐富的次生代謝產(chǎn)物。藥物經(jīng)過發(fā)酵炮制后改變藥物的原有性能 、增加或產(chǎn)生新的療效、降低毒副作用等。微生物發(fā)酵應(yīng)用在中藥領(lǐng)域方面的應(yīng)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(yīng)用藥物中的營養(yǎng)成分從而為微生物生存提供重要的支持，進(jìn)而促進(jìn)其不斷分裂、生長繁殖以及代謝和轉(zhuǎn)化，所以可以通過設(shè)定一定的條件，借助微生物發(fā)酵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物成分的有效轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提升有效成分的含量，提升藥用價(jià)值。（2）不斷提升藥材的藥用水平。通過借助現(xiàn)代發(fā)酵工程，將微生物和中藥有效成分進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)合，通過酶催化過程，進(jìn)一步推動藥物性能不斷增強(qiáng)，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(chǎn)生很多代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物含有豐富的營養(yǎng)，進(jìn)而和醫(yī)藥藥材進(jìn)行結(jié)合，轉(zhuǎn)化、分解，進(jìn)一步降低不良毒素造成的影響，提升治療效果。

2.微生物發(fā)酵在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用。伴隨生物科學(xué)理論日益完善，微生物發(fā)酵技術(shù)不斷提升，將微生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，也取得了重大的研究進(jìn)展，比如通過微生物發(fā)酵技術(shù)，與飼料資源進(jìn)行融合，發(fā)生反應(yīng)，從而制作成新的飼料資源，通過進(jìn)一步生產(chǎn)，能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼料、新型添加劑，這樣就能夠在飼料領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)飼料營養(yǎng)成分更加全面，有效彌補(bǔ)氨基酸成分不足等缺陷，從而起到增強(qiáng)消化、促進(jìn)營養(yǎng)全面吸收的功效。

3.微生物發(fā)酵在食品領(lǐng)域的應(yīng)用分析。在食品行業(yè)應(yīng)用微生物發(fā)酵技術(shù)，也比較常見，也是科研的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)發(fā)酵食品行業(yè)，我們國家積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，借助微生物發(fā)酵技術(shù)，主要可以在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步探索：（1）微生物菌體發(fā)酵是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品，包括用于面包工業(yè)的酵母發(fā)酵，單細(xì)胞蛋白，活性乳酸菌劑等。（2）微生物代謝產(chǎn)物，包括初級代謝產(chǎn)物一供菌體利用、中級和級次產(chǎn)物如酒類、食醋、有機(jī)酸、維生素供人們利用。（3）微生物酶發(fā)酵，借助發(fā)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(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

4.微生物發(fā)酵在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域方面的應(yīng)用探究。隨著人類的物質(zhì)文明和健康的需要，對環(huán)境要求越來越高，為了達(dá)到提高空氣質(zhì)量和水環(huán)境質(zhì)量的要求，環(huán)境工程除用常規(guī)的處理設(shè)備和構(gòu)筑物處理污廢水；順應(yīng)趨勢，微生物也逐漸應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)中。它與物理，化學(xué)法相比，具有經(jīng)濟(jì)，高效的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是可基本達(dá)到無害化。微生物在環(huán)境工程中處理廢水，廢物，廢氣的應(yīng)用。微生物在廢水處理中根據(jù)其處理過程中氧的狀況，可分為好氧處理系統(tǒng)與厭氧處理系統(tǒng)。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大。微生物發(fā)酵與人民的吃穿息息相關(guān)，現(xiàn)代生物技術(shù)將成為21 世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)，我們已經(jīng)看到了微生物發(fā)酵工程、基因重組、細(xì)胞融合等現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用到健康、食品、醫(yī)藥、工農(nóng)業(yè)、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。