发酵技术发展简史

发酵技术发展简史

发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近200年来的事。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成CO2和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。

一、传统（古老）发酵技术的追溯

早在几千年前，人们就开始从事酿酒、酱、醋、奶酪等的发酵生产，并积累了许多有关发酵的经验，但当时人们只知其然而不知其所以然。据考古发掘证实我国在龙山文化（距今4000~4200年）已有酒器出现。先秦的《周礼天宫》一书中记载有主管王室、官用造酒事的“酒正”、“酒人”等官职说明酿酒已成为专门的职业。3000年前，中国已有用长霉的豆腐治疗皮肤病的记载，我们今天知道，这可能是由于抗生素的缘故。国外酿酒的传说则可推溯到更早，相传埃及和中亚两河流域在公元前40~30世纪就已开始酿酒，烘制面包。发酵业虽然历史悠久，但在科学技术普遍受压抑的时代里长期停留在“实践－实践－实践”的基础上，只能处于低水平的应用阶段，并且人们普遍认为各种发酵产物是自然产生的。二、纯培养技术的建立

到了17世纪，西方近代资本主义制度的建立，生产力得到了前所未有的发展，人们的知识水平得到了大幅度的提高给发酵业的发展带来了契机。自1676年荷兰人列文．虎克用自制的显微镜发现微生物开始，各国科技工作者纷纷对“自然发生说”提出质疑，并将发酵产物与微生物联系在一起。1857年，巴斯德通过著名的曲颈瓶试验，彻底否定了生命的自然发生说。在此基础上，他提出了加热灭菌法，后来被人们称为巴氏消毒法，成功地解决了当时困扰人们的牛奶、酒类变质问题。巴斯德还研究了酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等，并发现这些发酵过程都是由不同的发酵菌引起的，从而奠定了初步的发酵理论。在此期间，巴斯德的三个女儿相继染病死去，不幸的遭遇促使他转而研究疾病的起源，并发现特殊的微生物是发病的病源。由此开始了19世纪寻找病原菌的黄金时期。巴斯德还发明了减毒菌苗，

用以预防鸡霍乱病和牛羊炭疽病，发明并使用了狂犬病疫苗，为人类治病、防病做出了巨大贡献。巴斯德在微生物学各方面的研究成果，促进了医学、发酵工业和农业的发展。

1897年德国的毕希纳进一步发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵而形成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶，揭开了发酵现象的本质。1905年德国的罗伯特·柯赫等首先应用固体培养基分离培养出炭疽芽孢杆菌、结核芽孢杆菌、霍乱芽孢杆菌等病原细菌，建立了一套研究微生物纯培养的技术方法。此后，随着纯种微生物的分离及培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，使人们能够利用某种类型的微生物，在人工控制的环境条件下，进行大规模的生产，逐步形成了发酵工程。

发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

第一次世界大战中，德国需求大量的甘油用于制造炸药，从而使甘油发酵工业化。英国需要大量优质的丙酮，制造无烟火药的硝化纤维，促进了丙酮-丁醇的发酵的发明。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，不断地发展和完善。人们成功地掌握了微生物纯种培养技术。为此，人们设计了便于灭除其他杂菌的密闭式发酵罐以及其他灭菌设备，开始了乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳酸、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等的微生物纯种发酵生产，与巴斯德时代以前的自然发酵是两个迥然不同的概念。此阶段称为发酵工程的第一个里程碑——以微生物的纯种培养技术为主要特征。但是，此时的发酵技术本身并无很大的进步，仍采用设备要求低的固体、浅盘液体发酵以及厌氧发酵，这是——些生产规模小、工艺简单、操作粗放的发酵方式，只能说是当代发酵工程的雏形。

三、深层培养技术的建立

当代发酵工程可以说是从20世纪40年代开始的，在以后半个多世纪里，它经历了渚多重大转折。1929年弗莱明发现青霉素，直到1940年才开始少量生产。由于第二次世界大战对青霉素的大量需求，迫使人们对发酵技术进行深入研究，逐步采用液体深层发酵替代原先的固体或液体浅盘发酵进行生产。为了达到深层发酵的各项技术要求，开发厂空气无菌过滤系统和可通入无菌空气的、机械搅拌式的密闭式发酵罐。采用液体深层发酵技术，再配以离心、溶剂萃取和冷冻干燥等技术，使青霉素的生产水平有了很大的提高，其中发酵水平从液体浅盘发酵的40U/mL。效价提高到200U/mL。同时，大大减少了发酵生产的占地面积、劳动强度以及能源和原料消耗等。随后，链霉素、金霉素等抗生素相继问世，抗生素工业迅速崛起。此时期称为发酵工程的第二个里程碑——以微生物液体深层发酵技术为主要特征。它大大促进了发酵工业的发展，使有机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。四、代谢控制技术的建立

通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。