摘要：本文主要介紹了微生物發(fā)酵的原理、類型、工業(yè)產(chǎn)品。列舉出幾種微生物發(fā)酵并說明其原料、使用的菌種、發(fā)酵的類型及發(fā)酵前后的營養(yǎng)成分的變化。以及如何培育發(fā)酵所需微生物的育種方法?。在文章下半部分介紹了一些微生物發(fā)酵應(yīng)用的最新動態(tài)。本文力求對微生物發(fā)酵綜述。

關(guān)鍵詞：微生物、發(fā)酵

1、微生物發(fā)酵的原理[1]：

自然界中的微生物能夠從它生存的環(huán)境中吸取營養(yǎng)物和能量，進行物質(zhì)的合成與代謝，進行繁衍，這一切生命活動幾乎都是由酶催化的生物反應(yīng)完成的。因此，在微生物細胞中存在能夠催化各種反應(yīng)的酶。我們可以從中篩選出能夠產(chǎn)生某種酶較多的微生物，利用該微生物的代謝活動，獲得某種產(chǎn)品。

自然界中存在的某些微生物因適應(yīng)不同的環(huán)境，或因自身生存的需要而具備產(chǎn)生某種物質(zhì)的能力，如某些微生物因爭奪生存環(huán)境或營養(yǎng)物，會產(chǎn)生抗生素將其他種類的微生物殺死；微生物為將環(huán)境中的蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉等大分子變成可吸收的營養(yǎng)物，會產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將其水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖；另外，微生物從環(huán)境中能夠得到的營養(yǎng)物的種類必定有限，不能夠滿足需要，因此，微生物細胞會通過合成或分解代謝生產(chǎn)它必需的一些物質(zhì)，包括氨基酸、核苷酸等等。這一切都是為滿足微生物生存和繁殖的需要，人們就可以利用微生物的這種生產(chǎn)能力，生產(chǎn)各種有用的產(chǎn)品，如抗生素、氨基酸、酶等。

2、列舉出幾種微生物發(fā)酵并說明其原料、使用的菌種、發(fā)酵的類型（需氧或厭氧發(fā)酵）及發(fā)酵前后的營養(yǎng)成分的變化：

酒類：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用釀酒酵母，在厭氧條件下進行發(fā)酵，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精生產(chǎn)的。白酒經(jīng)過蒸餾，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加熱后易揮發(fā)物質(zhì)，如各種酯類、其他醇類和少量低碳醛酮類化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發(fā)酵時酵母將果汁中或發(fā)酵液中的葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精，而其他營養(yǎng)成分會部分被酵母利用，產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等，也會進入發(fā)酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營養(yǎng)價值較高。

醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化學(xué)合成的食品級醋酸勾兌的外，其他的則是由醋酸菌在好氧條件下發(fā)酵，將固體發(fā)酵產(chǎn)生的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸生產(chǎn)的。由于使用的微生物菌種或曲種的差異，在葡萄糖發(fā)酵過程中會產(chǎn)生乳酸或其他有機酸，因而使醋有不同的風(fēng)味。

醬油：醬油生產(chǎn)以大豆為主要原料，其他有麥麩、小麥、玉米等，將上述原料經(jīng)粉碎制成固體培養(yǎng)基，在好氧條件下，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉進行發(fā)酵。微生物在生長過程中會產(chǎn)生大量的蛋白酶，將培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、調(diào)制成醬油產(chǎn)品。醬油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。

醬：以大豆和少量面粉為原料，蒸煮后在空氣中自然發(fā)酵。發(fā)酵過程主要是能夠產(chǎn)生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，將大豆中的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉分解，產(chǎn)生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多種物質(zhì)。這些物質(zhì)使醬具有獨特的醬香味。

酸奶：牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發(fā)酵，將乳糖分解，并進一步發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和其他有機酸，以及一些芳香物質(zhì)和維生素等；同時蛋白質(zhì)也部分水解。因此，酸奶是營養(yǎng)豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應(yīng)癥者的優(yōu)良食品。

醪糟：又稱酒釀，是大米經(jīng)蒸煮后，接種根霉，在好氧條件下，發(fā)酵生產(chǎn)的含低濃度酒精和不同糖分的食品。根霉在生長時會產(chǎn)生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時利用部分葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精。由于使用的根霉菌種不同，可以生產(chǎn)不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。

面包：現(xiàn)在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）經(jīng)活化后，與面粉混合發(fā)酵，再加入各種添加劑，經(jīng)烤制生產(chǎn)的。面粉發(fā)酵后淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變得易于消化、營養(yǎng)易于吸收。

饅頭：以前做饅頭的面粉是經(jīng)自然發(fā)酵后蒸制的，如果連續(xù)使用面肥發(fā)酵，經(jīng)幾代發(fā)酵，微生物會因生長優(yōu)勢而單一化。發(fā)酵的菌種一般多為乳酸菌。因為發(fā)酵產(chǎn)酸，在蒸制前要用堿中和酸，制得的饅頭才松軟適口、帶有特殊香味?，F(xiàn)在，大批量生產(chǎn)是采用干酵母發(fā)酵，所以不產(chǎn)酸，不需要再用堿中和即可蒸制。

3、如何選育菌種

為了獲得適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所需的優(yōu)良生產(chǎn)菌種，一般首先是從自然界分離篩選具有產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物能力的菌種，但這樣獲得的菌種的生產(chǎn)能力往往較低，生理生化特性不一定能滿足生產(chǎn)要求，還需要進行大量的誘變選育，進一步提高其生產(chǎn)能力，改善性能；也可以對現(xiàn)有的生產(chǎn)菌種進行改造，即經(jīng)誘變育種，選育出符合實際生產(chǎn)需要的菌株。

自然界中微生物資源異常豐富，土壤、水、空氣、腐敗的動植物殘骸，都是微生物的主要集居和生長繁衍的場所。其種類之多，至今仍然是一個難于估測的未知數(shù)。以其集居環(huán)境（包括特殊和極端環(huán)境）、營養(yǎng)類型、生存方式、生理類型、代謝途徑、合成能力等比較，均居生物界之冠。因此，微生物資源的開發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)今世界矚目的重大課題。

菌種的分離，不僅是把混雜的各類微生物有效地分開，得到純種，更重要的是依著生產(chǎn)實際的要求，有的放矢、快速、準確地將能產(chǎn)生所需產(chǎn)物，或具有某種生化反應(yīng)性能的菌種，從大量的微生物中挑選出來。有時是設(shè)計一種在分離階段便能識別所需菌種的方法，更多的是利用特定的方法分離，獲得所需菌種后，再進行識別。為了使獲得的菌種能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，須考慮各種性能指標(biāo)。因此，菌種分離和篩選的方法和策略就十分重要。

一般的菌種分離純化和篩選步驟可分為采樣、增殖與分離、發(fā)酵與性能測定等幾個步驟。

4、微生物發(fā)酵應(yīng)用的最新動態(tài)

4.1 淀粉發(fā)酵生產(chǎn)微生物多糖的研究現(xiàn)狀[2]

近年來，以淀粉為原料利用生物技術(shù)開發(fā)出的新產(chǎn)品-微生物多糖，因其安全無毒、理化性質(zhì)獨特等優(yōu)良性質(zhì)而倍受關(guān)注。微生物糖包括胞內(nèi)多糖、胞壁多糖和胞外多糖。胞外多糖是由微生物大量產(chǎn)生的多糖，易與菌體分離，可通過深層發(fā)酵實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。一般微生物多糖是以淀粉水解為碳源發(fā)酵生產(chǎn)，也可直接利用可溶性淀粉經(jīng)微生物酶作用制得。據(jù)D.E.Eveleigh統(tǒng)計，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)49屬76種微生物產(chǎn)生胞外多糖，但真正有應(yīng)用價值并已進行或接近工業(yè)化生產(chǎn)的僅十幾種。近幾年，隨著對微生物多糖 研究的深入，世界上微生物多糖的產(chǎn)量和年增長量均在10%以上，而一些新型多糖年增長量在30%以上。到目前為止，已大量投產(chǎn)的微生物多糖主要有黃原膠（Xanthan gum）、結(jié)冷膠（Gellan gum）、右旋糖酐（Dextran）、小核菌葡聚糖（Scleeroglucan）、短梗霉多糖（Pollulan）、熱凝多糖（Curdlan）等。近年來又興起對一些新型微生物多糖如海藻糖（Trehalose）、透明質(zhì)酸（Hyaluronic）、殼聚糖（Chitasan）等的研究。微生物多糖具有植物多糖不具備的優(yōu)良性質(zhì)，它們生產(chǎn)周期短，不受季節(jié)、地域和病蟲害條件限制，具有較強的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。目前，許多微生物多糖已作為膠凝劑、成膜劑、保鮮劑、乳化劑等，廣泛應(yīng)用于食品、制藥、石油、化工等多個領(lǐng)域。據(jù)估計，全世界微生物多糖年加工業(yè)產(chǎn)值可達50億-100億美元?，F(xiàn)將以淀粉質(zhì)為原料發(fā)酵制得微生物多糖產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況概述如下。

4.2 微生物發(fā)酵法中試生產(chǎn)1,3-丙二醇[3]

1,3-丙二醇是重要的化工和醫(yī)藥中間體原料，是新型聚酯——聚對苯二甲酸丙二酯（PTT）的單體。與聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）和尼龍等相比，PTT具有染色性好、耐磨性強、低吸水性、低靜電等優(yōu)點，可在地毯、紡織、工程塑料等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。目前，1,3-丙二醇的生產(chǎn)由杜邦公司和殼牌公司壟斷，我國至今尚沒有大規(guī)模生產(chǎn)1,3-丙二醇的企業(yè)，預(yù)計未來十年我國對1,3-丙二醇的需求量將超過30萬噸/年。針對這一現(xiàn)狀，課題組提出了葡萄糖好氧發(fā)酵生產(chǎn)甘油與甘油厭氧發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇相結(jié)合的兩步發(fā)酵工藝，獲得中國發(fā)明專利授權(quán)，并提出微氧發(fā)酵的新工藝，使發(fā)酵時間縮短一半，首次提出并采用了酒精沉淀預(yù)處理技術(shù)，解決了產(chǎn)品難以提取分離的瓶頸問題。

4.3 微生物發(fā)酵生產(chǎn)二十二碳六烯酸的研究[4]

DHA 作為多不飽和脂肪酸系列中重要的一種，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)其對人類的許多疾病的治療和預(yù)防有著重要的意義。目前它的分離純化主要來自海洋魚油，存在著許多不利因素限制其生產(chǎn)及應(yīng)用，研究表明微生物具有大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)DHA 的能力。通過對破囊壺菌ATCC34304 等四株菌的發(fā)酵液的分析，發(fā)現(xiàn)ATCC34304 易于培養(yǎng)且DHA含量高，對ATCC34304 的發(fā)酵培養(yǎng)基組分和發(fā)酵條件進行進一步研究后得出，在以淀粉為碳源的培養(yǎng)基中，28℃170rpm 搖床光照培養(yǎng)6 天，DHA 含量達320.1mg/L。

4.4 利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)輔酶Q10產(chǎn)物活性好,并可通過規(guī)模放大提高生產(chǎn)能力,因而頗受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5]。

4.5 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)DHA 的研究[6]

DHA 是一種人體必需多不飽和脂肪酸，對人體健康有重要意義，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)DHA 具有穩(wěn)定性好、易于分離純化和工業(yè)化等優(yōu)點，是近年來研究的熱點。通過對破囊壺菌ATCC34304 等四株菌的發(fā)酵液的分析，發(fā)現(xiàn)ATCC34304 易于培養(yǎng)且DHA 含量高，對ATCC34304 的發(fā)酵培養(yǎng)基組分和發(fā)酵條件進行進一步研究后得出，在以淀粉為碳源的培養(yǎng)基中，28℃ 170r/min 搖床光照培養(yǎng)6d，DHA 含量達320.1mg/L。

4.6 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)L - 絲氨酸的研究[7]

S112 是經(jīng)誘變獲得的抗絲氨酸結(jié)構(gòu)類似物和分解能力缺陷的突變株,絲氨酸產(chǎn)率是116 g/ l 。搖瓶試驗初糖50 g/ l ,發(fā)酵37 h時補糖40 g/ l ,可有效提高產(chǎn)酸率50 %左右。分批培養(yǎng)補氮試驗表明補充氮源同時補糖與只補糖相比,產(chǎn)酸率差異不明顯,說明絲氨酸產(chǎn)生菌產(chǎn)絲氨酸過程對氮源的需求不高。經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)基氮源的篩選,認為10%魚粉水解液是最優(yōu)的。在7升發(fā)酵罐試驗,沒有補糖的情況下46 h開始產(chǎn)絲氨酸,46、54、58、62、66和72 h產(chǎn)酸率大致相同, 為118 g/l 。

4.7 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)透明質(zhì)酸是一種高效的生產(chǎn)方式[8]。

透明質(zhì)酸又名玻璃酸，是一種天然產(chǎn)生的、高分子量的、獨特的線性大分子粘多糖，該物質(zhì)在1934年由美國哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院首次從牛眼玻璃體中分離出。它是由?-D-

葡萄糖醛酸和?-D-N-葡萄糖的雙糖單位反復(fù)交替連接而成的連鎖狀高分子物質(zhì)，廣泛存在于動物的各種組織細胞間質(zhì)中，其中在玻璃體液、軟骨、皮膚、臍帶和雞冠中含量較高，同時它還是鏈球菌、綠膿桿菌等類菌株莢膜的主要成分。

總之，組織提取法工藝較成熟，但多種原因生產(chǎn)受到很大限制；微生物發(fā)酵法不受原料限制可大規(guī)模生產(chǎn)，HA的發(fā)酵產(chǎn)量已從以前的100~400mg/L增至1~8g/L,分子量也從106高到(1~5)*106發(fā)酵法已進入工業(yè)生產(chǎn)階段，為滿足其日益擴大的市場需要，微生物發(fā)酵法產(chǎn)透明質(zhì)酸的研究還需進一步研究，國外研究的焦點已集中在醫(yī)藥級的HA研發(fā)上，國內(nèi)必須加大在藥用級HA 研發(fā)上的投入，盡快趕上國外先進水平。

4.8 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乳清酸[9]

以谷氨酸棒桿菌JSIM 201為出發(fā)菌株,通過紫外線和甲基磺酸乙酯誘變處理,得到了一株尿嘧啶營養(yǎng)缺陷型突變體U12菌株,它能以葡萄糖為碳源,硫酸銨為氮源,在發(fā)酵液中積累一種紫外吸收物質(zhì).該紫外吸收物質(zhì)經(jīng)物理、化學(xué)分析鑒定,證明是乳清酸.對U12菌株進行了發(fā)酵條件優(yōu)化研究,在最佳發(fā)酵工藝條件下,積累乳清酸最高達到8.6g/L.

5、總結(jié)

自然界中的微生物能夠從它生存的環(huán)境中吸取營養(yǎng)物和能量，進行物質(zhì)的合成與代謝，進行繁衍。其中一種方式就是通過酶來來分解營養(yǎng)物，產(chǎn)生所含能量教低等級有機物，從中獲取釋放出來的能量差值。這一生命活動幾乎都是由酶催化的生物反應(yīng)完成的。因此，在微生物細胞中存在能夠催化各種反應(yīng)的酶。我們可以從中篩選出能夠產(chǎn)生某種酶較多的微生物，利用該微生物的代謝活動，獲得某種產(chǎn)品。

人類經(jīng)過很長一段時間的實踐和研究。已經(jīng)能夠很好的利用微生物的這一特性，為自己生產(chǎn)許多通過別的方式很難得到的物質(zhì)和能量。相信最早的發(fā)酵應(yīng)用應(yīng)該是釀酒和腌制食品了。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，微生物發(fā)酵應(yīng)用進入了一個新的境界。舉例來說，微生物多糖、1,3-丙二醇、二十二碳六烯酸、輔酶Q10的生產(chǎn)。這些物質(zhì)往往因其安全無毒、理化性質(zhì)獨特等優(yōu)良性質(zhì)而倍受關(guān)注。

為了獲得適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所需的優(yōu)良生產(chǎn)菌種，一般首先是從自然界分離篩選具有產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物能力的菌種，但這樣獲得的菌種的生產(chǎn)能力往往較低，生理生化特性不一定能滿足生產(chǎn)要求，還需要進行大量的誘變選育，進一步提高其生產(chǎn)能力，改善性能；也可以對現(xiàn)有的生產(chǎn)菌種進行改造，即經(jīng)誘變育種，選育出符合實際生產(chǎn)需要的菌株。

微生物的數(shù)量至今仍然是一個難于估測的未知數(shù)，因此，微生物發(fā)酵的菌種的選種純化是十分重要的。這個過程需經(jīng)過長期、標(biāo)準化的篩選和選育。至盡已經(jīng)形成了一套自成體系的方法。

因此，微生物發(fā)酵成為了微生物學(xué)科的重要的一個分支。對于在環(huán)境工程中的污水處理，目前就需要微生物的酶起分解污染物的作用。這與微生物發(fā)酵有相關(guān)聯(lián)的地方。

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