微生物发酵综述

微生物发酵的综述

邵涵廷

师大学环境工程系 2003级 0313542

摘要：本文主要介绍了微生物发酵的原理、类型、工业产品。列举出几种微生物发酵并说明其原料、使用的菌种、发酵的类型及发酵前后的营养成分的变化。以及如何培育发酵所需微生物的育种方法。在文章下半部分介绍了一些微生物发酵应用的最新动态。本文力求对微生物发酵综述。

关键词：微生物、发酵

1、微生物发酵的原理[1]：

自然界中的微生物能够从它生存的环境中吸取营养物和能量，进行物质的合成与代，进行繁衍，这一切生命活动几乎都是由酶催化的生物反应完成的。因此，在微生物细胞中存在能够催化各种反应的酶。我们可以从中筛选出能够产生某种酶较多的微生物，利用该微生物的代活动，获得某种产品。

自然界中存在的某些微生物因适应不同的环境，或因自身生存的需要而具备产生某种物质的能力，如某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死；微生物为将环境中的蛋白质、纤维素、淀粉等大分子变成可吸收的营养物，会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将其水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖；另外，微生物从环境中能够得到的营养物的种类必定有限，不能够满足需要，因此，微生物细胞会通过合成或分解代生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等等。这一切都是为满足微生物生存和繁殖的需要，人们就可以利用微生物的这种生产能力，生产各种有用的产品，如抗生素、氨基酸、酶等。

2、列举出几种微生物发酵并说明其原料、使用的菌种、发酵的类型（需氧或厌氧发酵）及发酵前后的营养成分的变化：

酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。

醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。

酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。

酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。

酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。

醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。

面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。

馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。

3、如何选育菌种

为了获得适合大规模工业生产所需的优良生产菌种，一般首先是从自然界分离筛选具有产生目标产物能力的菌种，但这样获得的菌种的生产能力往往较低，生理生化特性不一定能满足生产要求，还需要进行大量的诱变选育，进一步提高其生产能力，改善性能；也可以对现有的生产菌种进行改造，即经诱变育种，选育出符合实际生产需要的菌株。

自然界中微生物资源异常丰富，土壤、水、空气、腐败的动植物残骸，都是微生物的主要集居和生长繁衍的场所。其种类之多，至今仍然是一个难于估测的未知数。以其集居环境（包括特殊和极端环境）、营养类型、生存方式、生理类型、代途径、合成能力等比较，均居生物界之冠。因此，微生物资源的开发和应用是当今世界瞩目的重大课题。

菌种的分离，不仅是把混杂的各类微生物有效地分开，得到纯种，更重要的是依着生产实际的要求，有的放矢、快速、准确地将能产生所需产物，或具有某种生化反应性能的菌种，从大量的微生物中挑选出来。有时是设计一种在分离阶段便能识别所需菌种的方法，更多的是利用特定的方法分离，获得所需菌种后，再进行识别。为了使获得的菌种能满足工业生产的需要，须考虑各种性能指标。因此，菌种分离和筛选的方法和策略就十分重要。

一般的菌种分离纯化和筛选步骤可分为采样、增殖与分离、发酵与性能测定等几个步骤。

4、微生物发酵应用的最新动态

4.1 淀粉发酵生产微生物多糖的研究现状[2]

近年来，以淀粉为原料利用生物技术开发出的新产品－微生物多糖，因其安全无毒、理化性质独特等优良性质而倍受关注。微生物糖包括胞多糖、胞壁多糖和胞外多糖。胞外多糖是由微生物大量产生的多糖，易与菌体分离，可通过深层发酵实现工业化生产。一般微生物多糖是以淀粉水解为碳源发酵生产，也可直接利用可溶性淀粉经微生物酶作用制得。据D.E.Eveleigh统计，已经发现49属76种微生物产生胞外多糖，但真正有应用价值并已进行或接近工业化生产的仅十几种。近几年，随着对微生物多糖研究的深入，世界上微生物多糖的产量和年增长量均在10％以上，而一些新型多糖年增长量在30％以上。到目前为止，已大量投产的微生物多糖主要有黄原胶（Xanthan gum）、结冷胶（Gellan gum）、右旋糖酐（Dextran）、小核菌葡聚糖（Scleeroglucan）、短梗霉多糖（Pollulan）、热凝多糖（Curdlan）等。近年来又兴起对一些新型微生物多糖如海藻糖（Trehalose）、透明质酸（Hyaluronic）、壳聚糖（Chitasan）等的研究。微生物多糖具有植物多糖不具备的优良性质，它们生产周期短，不受季节、地域和病虫害条件限制，具有较强的市场竞争力和广阔的发展前景。目前，许多微生物多糖已作为胶凝剂、成膜剂、保鲜剂、乳化剂等，广泛应用于食品、制药、石油、化工等多个领域。据估计，全世界微生物多糖年加工业产值可达50亿－100亿美元。现将以淀粉质为原料发酵制得微生物多糖产品的研究现状及应用情况概述如下。

4.2 微生物发酵法中试生产1,3-丙二醇[3]

1,3-丙二醇是重要的化工和医药中间体原料，是新型聚酯——聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）的单体。与聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）和尼龙等相

比，PTT具有染色性好、耐磨性强、低吸水性、低静电等优点，可在地毯、纺织、工程塑料等领域中广泛应用。目前，1,3-丙二醇的生产由杜邦公司和壳牌公司垄断，我国至今尚没有大规模生产1,3-丙二醇的企业，预计未来十年我国对1,3-丙二醇的需求量将超过30万吨/年。针对这一现状，课题组提出了葡萄糖好氧发酵生产甘油与甘油厌氧发酵生产1,3-丙二醇相结合的两步发酵工艺，获得中国发明专利授权，并提出微氧发酵的新工艺，使发酵时间缩短一半，首次提出并采用了酒精沉淀预处理技术，解决了产品难以提取分离的瓶颈问题。

4.3 微生物发酵生产二十二碳六烯酸的研究[4]

DHA 作为多不饱和脂肪酸系列中重要的一种，现已发现其对人类的许多疾病的治疗和预防有着重要的意义。目前它的分离纯化主要来自海洋鱼油，存在着许多不利因素限制其生产及应用，研究表明微生物具有大规模工业化生产DHA 的能力。通过对破囊壶菌ATCC34304 等四株菌的发酵液的分析，发现ATCC34304 易于培养且DHA含量高，对ATCC34304 的发酵培养基组分和发酵条件进行进一步研究后得出，在以淀粉为碳源的培养基中，28℃170rpm 摇床光照培养6 天，DHA 含量达320.1mg/L。

4.4 利用微生物发酵生产辅酶Q10产物活性好,并可通过规模放大提高生产能力,因而颇受国外学者的关注[5]。

4.5 微生物发酵法生产DHA 的研究[6]

DHA 是一种人体必需多不饱和脂肪酸，对人体健康有重要意义，微生物发酵法生产DHA 具有稳定性好、易于分离纯化和工业化等优点，是近年来研究的热点。通过对破囊壶菌ATCC34304 等四株菌的发酵液的分析，发现ATCC34304 易于培养且DHA 含量高，对

ATCC34304 的发酵培养基组分和发酵条件进行进一步研究后得出，在以淀粉为碳源的培养基中，28℃ 170r/min 摇床光照培养6d，DHA 含量达320.1mg/L。

4.6微生物发酵法生产L - 丝氨酸的研究[7]

S112 是经诱变获得的抗丝氨酸结构类似物和分解能力缺陷的突变株,丝氨酸产率是116 g/ l 。摇瓶试验初糖50 g/ l ,发酵37 h时补糖40 g/ l ,可有效提高产酸率50 %左右。分批培养补氮试验表明补充氮源同时补糖与只补糖相比,产酸率差异不明显,说明丝氨酸产生菌产丝氨酸过程对氮源的需求不高。经发酵培养基氮源的筛选,认为10%鱼粉水解液是最优的。在7升发酵罐试验,没有补糖的情况下46 h开始产丝氨酸,46、54、58、62、66和72 h产酸率大致相同, 为118 g/l 。

4.7 微生物发酵法生产透明质酸是一种高效的生产方式[8]。

透明质酸又名玻璃酸，是一种天然产生的、高分子量的、独特的线性大分子粘多糖，该

物质在1934年由美国哥伦比亚大学医学院首次从牛眼玻璃体中分离出。它是由?-D-

葡萄糖醛酸和?-D-N-葡萄糖的双糖单位反复交替连接而成的连锁状高分子物质，广泛存在于动物的各种组织细胞间质中，其中在玻璃体液、软骨、皮肤、脐带和鸡冠中含量较高，同时它还是链球菌、绿脓杆菌等类菌株荚膜的主要成分。

总之，组织提取法工艺较成熟，但多种原因生产受到很大限制；微生物发酵法不受原料限制可大规模生产，HA的发酵产量已从以前的100~400mg/L增至1~8g/L,分子量也从106高到(1~5)*106发酵法已进入工业生产阶段，为满足其日益扩大的市场需要，微生物发酵法产透明质酸的研究还需进一步研究，国外研究的焦点已集中在医药级的HA研发上，国必须加大在药用级HA 研发上的投入，尽快赶上国外先进水平。

4.8 微生物发酵法生产乳清酸[9]

以谷氨酸棒杆菌JSIM 201为出发菌株,通过紫外线和甲基磺酸乙酯诱变处理,得到了一株尿嘧啶营养缺陷型突变体U12菌株,它能以葡萄糖为碳源,硫酸铵为氮源,在发酵液中积累一种紫外吸收物质.该紫外吸收物质经物理、化学分析鉴定,证明是乳清酸.对U12菌株进行了发酵条件优化研究,在最佳发酵工艺条件下,积累乳清酸最高达到8.6g/L.

5、总结

自然界中的微生物能够从它生存的环境中吸取营养物和能量，进行物质的合成与代，进行繁衍。其中一种方式就是通过酶来来分解营养物，产生所含能量教低等级有机物，从中获取释放出来的能量差值。这一生命活动几乎都是由酶催化的生物反应完成的。因此，在微生物细胞中存在能够催化各种反应的酶。我们可以从中筛选出能够产生某种酶较多的微生物，利用该微生物的代活动，获得某种产品。

人类经过很长一段时间的实践和研究。已经能够很好的利用微生物的这一特性，为自己生产许多通过别的方式很难得到的物质和能量。相信最早的发酵应用应该是酿酒和腌制食品了。随着科学的不断发展，微生物发酵应用进入了一个新的境界。举例来说，微生物多糖、1,3-丙二醇、二十二碳六烯酸、辅酶Q10的生产。这些物质往往因其安全无毒、理化性质独特等优良性质而倍受关注。

为了获得适合大规模工业生产所需的优良生产菌种，一般首先是从自然界分离筛选具有产生目标产物能力的菌种，但这样获得的菌种的生产能力往往较低，生理生化特性不一定能满足生产要求，还需要进行大量的诱变选育，进一步提高其生产能力，改善性能；也可以对现有的生产菌种进行改造，即经诱变育种，选育出符合实际生产需要的菌株。

微生物的数量至今仍然是一个难于估测的未知数，因此，微生物发酵的菌种的选种纯化

是十分重要的。这个过程需经过长期、标准化的筛选和选育。至尽已经形成了一套自成体系的方法。

因此，微生物发酵成为了微生物学科的重要的一个分支。对于在环境工程中的污水处理，目前就需要微生物的酶起分解污染物的作用。这与微生物发酵有相关联的地方。

参考文献：

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