发酵工程的应用

发酵工程在食品与医药上的应用

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【摘要】几十年来，生物技术在医药领域和食品工业的许多方面取得了巨大的进展，发酵工程是生物技术产业化的基础。本文综述了微生物和植物细胞的发酵工程在医药研究和生产中应用的进展，并且综述了现代发酵工程技术在食品领域的应用及其进展，包括改造传统的食品加工工艺、单细胞蛋白(SCP)的生产、开发功能性食品和微生物油脂的生产等。

【关键词】发酵工程生产研究应用

引言：就广义而言，凡是利用微生物的作用制取的食品和医药都可称为发酵食品与发酵医药。现代科技中利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类需要的产品称为发酵工程，亦称微生物工程。

一、发酵工程与医药研究

（一）抗生素的微生物发酵合成

随着科学技术的发展，抗生素来源不再仅限于微生物，已扩大到动植物。它不仅可用于治疗细菌感染，而且可用于治疗肿瘤以及由原虫、病毒和立克次氏体所引起的疾病，有的抗生素还有刺激动植物生长的作用。[1]自1929年英国人发现青霉菌分泌青霉素能抑制葡萄球菌生长以后，相继发现了链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素、新霉素和红霉素等抗菌素。在近几十年内，抗生素的研究又有了飞速的发展，已找到的抗生素有数千种，其中具有临床效果并已利用发酵大量生产和广泛应用的多达百余种。[2]

一个好的抗生素应具有较广的抗菌谱外，还应具有较好的选择性，不产生过敏和耐药性，有高度的稳定性，收率高，成本低，适于工业生产。目前生产和应用的抗生素还不能完全满足以上要求，寻找新的抗生素仍然是很重要的任务。[3]现在以抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、抗原虫、广谱和抗耐药菌的抗生素为主要研究方向，已成功地建立了用于治疗艾滋病，抗老年性痴呆症，消除肥胖症，控制糖尿病并发白内障，抑制前列腺肿大的抗生素的筛选模型，估计近年内可取得一系列成功。因此，现在利用发酵技术生产的“抗生素”可以把微生物代谢产生的对人类疾病的预防和治疗有用的物质都包括进去[4]。

（二）维生素类药物的微生物发酵生产

维生素作为六大生命要素之一，为整个生命活动所必需。VA的前体B-胡萝卜素及VC和VE均为抗氧化剂，能保护人体组织的过氧化损伤并提高机体免疫力有抗癌、抗心血管疾病和白内障等功能。[5]国内用真菌三孢布拉霉生产B-胡萝卜素的产量达2。0 g·L-1，国外已达到(3～3。5) g·L-1。粘红酵母、布拉克须霉、丛霉等真菌也具有生产B-胡萝卜素的能力。除真菌外，如球型红杆菌、瑞士乳杆菌等某些细菌也具有发酵生产类胡萝卜素的能力。Vc的微生物发酵法早已取得重要突破，利用“大小菌落”菌株混合培养生产VC的工艺已经成熟，进入产业化。目前利用氧化葡萄糖杆菌与一种蜡状芽孢杆菌混合菌共固定化发酵技术，可将Vc的收率提高到80%以上，生产周期比传统工艺缩短1/3。[6]日本研究人员发现一种纤细裸藻能同时生产Vc、VE和B-胡萝卜素，藻体生物量产量可达每升培养液20 g，从中提Vc和VE量为60 mg·L-1，B-胡萝卜素40 mg·L-1;生产效率比原有培养方法提高1倍以上，生产能力优于绿藻。[7]。

（三）细胞培养技术生产中药有效成份

中药的有效成份主要是细胞次生代谢产物，因此利用培养细胞代谢产物的研究是生物技术在中药生产中应用较早的一个方面。目前已经从400多种植物建立了组织和细胞培养物，从中分离出600多种代谢产物，其中40多种化合物在产量上超过或等于原植物，为利用细胞培养技术工业化生产医药奠定了基础。[8]人们通过筛选高产细胞系，改进培养条件和技术，设计适合植物培养细胞的发酵罐等手段，对烟草、紫草、长春花、丹参、红豆杉、三尖杉、洋地黄、人参、三七、西洋参、三分三、毛地黄、茜草、黄连和彩叶紫苏的多种植物细胞进行了大规模悬浮培养的试验，以生产烟碱、紫草宁、长春藤碱、丹参酮、紫杉醇、三尖杉酯碱、洋地黄碱、人参皂、三七、西洋参、三分三、毛地黄碱、茜草素、黄连素和紫苏素等药物。发酵罐规模已达到(10～75) L，其中紫草宁、茜草素和人参皂已商业化。[9]。

（四）遗传转化器官的培养与药物生产

由农杆菌感染植物组织形成的“畸形芽”和“毛状根”是继细胞培养后又一重要培养系统。中药许多有效成分的形成与器官分化过程密切相关，而在培养细胞中有效成分不存在或含量极少。与细胞培养相比，毛状根培养有明显优点:生长速度快、分枝多，弱向地性;毛状根处于器官化水平，其生理生化、遗传特性稳定，具有稳定的次生代谢物合成能力，毛状根培养系统对根类中药材中有效成分的生产更为重要。目前已在长春花、青蒿、烟草、人参、丹参、紫草、黄芪、甘草、曼陀罗和颠茄等40多种植物建立了毛状根培养系统，同时还建立了烟草、薄荷、澳洲茄、颠茄和马铃薯等植物的畸形芽培养系统，其生长速度有的可以超过毛状根。上海中医药大学对黄芪毛状根的大规模培养技术和化学成分与药理活性进行了深入研究，在3 L、5 L、10 L培养器中经21 d培养，有效成分产量可达10 g·L-1(干重)，而且黄芪毛状根中皂甙、黄酮、多糖、氨基酸等含量近似于药用黄芪，其作用效价也与药用黄芪基本一致。他们对丹参毛状根进行培养证实，7种丹参酮不仅存在毛状根中，而且约40%分泌到培养基中。[10]。

二、发酵工程与食品生产

（一）传统发酵在食品工业中的历史

发酵技术起源干古老的酿造食品工业，如：清酒、啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒、酱油、醋、腐乳以及干酪等的制造。我们的祖先为了生存和发展，很早就发现了利用微生物的发酵作用（古代虽然不清楚微生物的知识）可以提高食物的消化性、保藏性、嗜好性，创造了一系列的发酵工艺和发酵食品。例如，以粮食为原料发酵制成的烧酒、白酒、豆豉、酱、醋等被称为是固体发酵的起源。[11]（二）现代发酵工程在食品工业中的发展

自20世纪70年代以来，随着基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的现代生物技术广泛应用于食品生产与开发，食品工业也有了飞速的发展。利用现代生物技术不仅能改造食品资源、同时还能改进传统工艺，改良食品品质、提高产品加工深度，增加食品包装功能并将其产业化。现代生物技术也将成为解决食品工业生产所带来的环保和健康等问题的有效途径。发酵工程是生物工程技术的重要组成部分，是生物技术产业的重要环节，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产微生物菌体、改造某些天然物质等。[12]目前，现代发酵工程技术已作为一种新兴的工业体系发展起来，已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等。现代发酵工程对食品工业