第1节 微生物发酵及其应用

《微生物发酵及其应用》课外相关知识收集：
（一）味精生产的第一步是选育出能产生谷氨酸的细菌菌种，如谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。

这些细菌先是从自然界中分离出来的，再用诱变、基因工程等现代生物技术处理，便可得到高产的菌种。

由于谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌是细菌，其同化作用类型是异养型的，所以要大量培养这些细菌，就需根据细菌的代谢特点配制相应的培养基。

培养基如何配制可参看教科书中关于配制培养基的解释。

由于生产中要采用单一菌种发酵，整个发酵过程不能混入其他微生物（杂菌），所以生产味精的培养基和发酵设备必须经过严格的灭菌，并进行无菌操作。

在味精生产过程中，由于发酵罐的体积很大，需要的菌种（种子）量就多。

为提高发酵罐中的发酵效率，缩短生产时间，要把谷氨酸棒状杆菌或黄色短杆菌的菌种，经过培养，达到一定数量后，才能接入到发酵罐中，即要先经过扩大培养后再接种。

当谷氨酸棒状杆菌或黄色短杆菌的菌种接入发酵罐后，这些细菌就会利用罐内培养基中的营养物质大量繁殖，同时产生大量的谷氨酸。

为使发酵过程处于最佳状态，现代化的味精生产企业，其发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的各种条件严格控制，以大幅度地提高生产率。

需要说明的是，谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌均是好氧菌，因此，发酵过程中要不断地通入无菌空气，以满足它们生长繁殖的需要。

在温度为30～37℃、pH为7～8的条件下，经28～32h，发酵罐内的培养液中就会生成大量的谷氨酸，随后，将谷氨酸从培养液中分离出来，用适量的Na2CO3溶液中和（形成谷氨酸钠结晶）后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤，便成了味精。

这便是味精生产的最后一步，即分离、提纯产物，获得产品。

（二）微生物发酵应用
1.食品业：
糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽；
果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用；
各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等；
各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感；
饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。

可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。

（三）发酵工业大致经历的时期
(1)原始发展时期
人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的生产实践中，积累了丰富经验。

最初可能是人类发现储存水果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。

相传，在埃及和中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿酒。

我国利用微生物进行谷物酒类发
酵，至少是在四千年前的龙山文化时期。

在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少康(即杜康)造秫酒的记载。

随着社会的发展，又出现制酱和酱油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵.这个时期，发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术进步缓慢，完全是经验式的。

在几千年的文明史中，人们只知道这样做可以得到所需的东西，并不知道其中的原理。

(2)传统发酵工业时期
1857年法国微生物学家巴斯德通过实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的。

1897年德国的毕希纳进一步发现，即使将酵母磨碎，仍然能使糖发酵形成酒精，他将这种具有发酵能力的物质称为酶。

从而人们才开始了解发酵现象的本质.
从19世纪末到20世纪30年代，随着人们对微生物世界认识的不断深入和发展，利用微生物生产的新产品不断出现，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。

这些产品的生产，采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大，因此被称为传统发酵工业。

(3)现代发酵工业时期
1928年，弗莱明发现青霉素能杀菌。

青霉素的发现和工业化生产，给人们带来巨大启迪。

不久，链霉素、金霉素、土霉素等相继问世，从而兴起了一个新的工业——抗生素工业。

生产抗生素的经验和设备很快被引用到其他发酵产品的生产上，极大地促进了这些产业的迅速发展，从而形成了一个全新的产业——现代发酵工业.20世纪50年代的氨基酸发酵工业，60年代的酶制剂工业，70年代的多糖、维生素发酵工业，70年代以后生物大分子发酵技术相继诞生。

这个时期生产技术要求高(由于多为好氧纯种发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件)；生产规模大(用于青霉素生产的搅拌通气发酵罐的体积达到500 m3，单细胞蛋白生产用的气升式发酵罐已达到2 000 m3)；技术发展速度快。

因此，菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度.
(4)生物技术产业时代
现在人们可以将源于动物或植物，甚至源于人的基因转移到诸如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等微生物中，获得具有特殊生产能力的基因工程菌。

由于基因表达的产物均为蛋白质，因此在工业上利用基因工程菌大规模生产的产品，主要是用于治疗各种疾病的药物，又称为基因工程药物(如人胰岛素、人干扰素、人生长激素等，大约有40多种)，同样也可以用于不同目的的酶(比如用于将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡萄糖异构酶，用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗衣粉中的碱性蛋白酶等等)。

除了利用基因工程开发新的产品外，利用基因工程对传统发酵和现代发酵工业上使用的菌种进行改造，也获得了巨大成功.
（四）好氧微生物发酵生产的流程图及其分析说明
(1)选育菌种
根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的微生物育种方法。

主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。

（2）生产用菌种（或种子）
――→接入种子培养罐足够菌种
(3)配制培养基
在菌种确定之后，要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。

培养基中应包含微生物需要的营养物质如碳源、氮源、生长因子、无机盐和水等。

配制培养基的原则：目的明确、营养物质协调、pH 值适宜。

如培养基中C/N 比影响代谢：C/N ＝4时，细菌繁殖较快；真菌在C/N ＝10时，生长较快。

谷氨酸发酵生产时，C/N ＝4时，菌体繁殖快、产物少；C/N ＝3时，菌体繁殖慢、产物多。

细菌适宜pH ≈4.5～6.0。

(4)灭菌
现代发酵工业绝大多数采用单一菌种发酵，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌，并进行无菌操作，一般采用高压蒸汽灭菌法。

(5)接种
将多次扩大培养后的菌种接入工业发酵罐中，菌种的体积与发酵罐的体积比约为1∶10。

(6)发酵罐内发酵
发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。

还要及时添加必需的营养组分，以满足微生物的营养需求。

同时，要严格控制温度、pH 、溶解氧等发酵条件。

这是因为环境条件的变化，不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成。

(7)分离、提纯产物
将发酵液中的发酵产物进行分离纯化，是制取发酵产品不可缺少的阶段。

产品不同，分离提纯的方法也不同。

如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离，干燥即可得到产品。

如果产品是代谢产物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。

（五）影响发酵的因素
(1)菌种
发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。

现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精的微生物是谷氨酸棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。

这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。

为了利用发酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。

直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。

(2)纯种发酵与灭菌
现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的稳定。

污
染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。

因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。

(3)发酵培养基
现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。

使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降。

使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。

因此，培养基的组成十分关键。

(4)温度对微生物生长的影响
温度主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。

一方面，随着温度的升高，细胞内的酶反应速度加快；另一方面，随着温度的进一步升高，生物活性物质(蛋白质，核酸等)发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。

所以，每种微生物都有最适生长温度。

(5)pH对微生物生长的影响
培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化，以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收；pH也会影响生物活性物质，如酶的活性。

与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。

不同微生物对环境pH适应的范围不同。

一般微生物生长的最适pH在4.0～9.0范围内。

真菌生长的范围宽，细菌较窄(pH在3.0～4.0范围内)，细菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母菌、霉菌适应于偏酸性环境。

(6)溶氧的影响
工业上大部分为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、多糖、有机酸(细胞发酵生产乳酸例外)等发酵均需要往发酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发酵，发酵过程不需要氧。