利用微生物发酵的食物

第三节　发酵工程

机遇只偏爱有准备的头脑。

——巴斯德（法国）

发酵是一门古老的技术，古代人在完全不懂什么是发酵的情况下就已学会用发酵技术来制造一些有用的商品，如古巴比伦在公元前3世纪就会用大麦芽酿造啤酒。1884年，法国化学家巴斯德（L.Pasteur，1822～1846年）通过一系列的试验证明，发酵正是利用微生物活动的结果，不同种类的微生物可引起不同的发酵过程。巴斯德的贡献给发酵技术带来巨大的影响。在20世纪40年代初，由于战争对青霉素等抗生素的大量需求，促使了人们大规模生产抗生素的工艺的建立，为发酵工程的发展奠定了基础。20世纪60年代氨基酸、单细胞蛋白和核苷酸等工业的建立，标志着人类已能控制微生物进行发酵生产。20世纪70年代以后，随着生命科学和生物技术的发展及借助于遗传工程和电子计算机等先进手段，使人们对微生物的体内结构有了更深层次的了解，发酵工程进入了新的发展阶段。

（一）何为发酵工程

发酵工程又称微生物工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，将传统发酵技术与现代DNA重组、细胞融合等结合起来的现代微生物发酵技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配置、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。

图9-7　大肠杆菌质粒DNA

发酵技术的基本原理是微生物在有氧或无氧的环境下生长、繁殖和代谢，产生所需的产品。不同的微生物其代谢物也不同。因此，筛选和培养优良菌种是发酵工业的首要任务。目前人们利用基因工程和细胞工程技术，可以很方便地得到所需要的菌种，包括那些自然界没有的菌种。

发酵工程的一般流程是：

图9-8　发酵工程的一般流程示意图^[1]

（二）发酵工程的应用

（1）医药工业

发酵工程在医药工业上的应用，成效十分显著，生产出了种类繁多的药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸（如肌苷）等。其中，抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业利润最高的产品。20世纪80年代，世界各地的抗生素年产量达2.5×10⁴吨，产值超过40亿美元。目前，常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢菌素类、红霉素类和四环素类。

有些药物如人生长激素、胰岛素，过去主要是靠从生物体器官、组织、细胞或尿液中提取，因而受到原料的限制，无法推广使用。发酵工程对医药工业的一个重大贡献，就是使这类药物得以大量生产和使用。例如，生长激素释放抑制因子是一种人脑激素，能够抑制生长激素的不适宜分泌，用于治疗肢端肥大症。最初，生产生长激素释放抑制因子的方法是从羊脑中提取，50万个羊脑才能提取到5mg这种激素，远远不能满足病人的需要。如今，利用含有生长激素释放抑制因子基因的工程菌进行发酵生产，7.5L培养液就能得到5mg的生长激素释放抑制因子，价格也只有原来的几百分之一。目前，应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人工生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等。

（2）食品工业

发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括：

①生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。

②生产各种各样的饲料和食品添加剂，促进了畜禽健康生长，大大改善了食品的品质及色、香、味。例如，用发酵技术生产的活性饲料，可用来促进家禽的快速成长，提高肉食品的质量。现在，用发酵方法制得的L-苹果酸是国际食品界公认的安全型酸味剂，广泛用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果、人造奶油等的生产中。

图9-9　活性饲料

（3）农业

随着人口的增长，粮食短缺已成为困扰人们的社会问题之一，而发酵工程的发展将为解决这一问题开辟新的途径。研究表明，微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%～80%，酵母菌的占45%～65%，而且它们的生长繁殖速度很快。因此，许多国家就利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体。这种微生物菌体就叫做单细胞蛋白。20世纪80年代中期，全世界生产的单细胞蛋白已达2×10⁶吨。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。单细胞蛋白用作饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。

（4）能源工业

能源紧张是当今世界面临的一大难题，而微生物能在解决这一问题上大显身手。如通过微生物发酵或固相化细胞或酶技术，可将绿色植物秸杆、木屑等转化为液体或气体燃料（酒精和沼气）。现在许多国家已将酒精作为绿色汽车燃料，也已建立各种沼气发酵厂，提供工农业能源。根据专家估计，从稻草、麦秆、玉米秸、灌木、干草、树叶等纤维素中取出其总量的5%，通过微生物发酵加以合理利用，就能满足全球对能源的需求。

（5）化工工业

微生物技术可以制造传统的化工技术难以生产的价值高的稀有产品，而且具有耗能少、污染小等特点。如残留田间破碎的农用塑料薄膜，它们能形成隔离层，影响空气流通，阻碍植物根系发育和对营养、水分的吸收，可使农业减产，而通过选育和基因重组构建的“工程菌”能产生可降解的塑料——生物塑料，大大提高了对废旧塑料的降解能力。目前，人们运用基因工程已经研制出了性能更佳的生物塑料。

（6）环境保护

随着工农业的不断加速发展，环境污染日益加剧，给人类的生存环境造成威胁，解决这一问题已显得十分迫切。而微生物在解决这一问题时也身手不凡。由于微生物对污染物具有惊人的降解能力，能降解海上浮油，能清除有毒气体和恶臭物质，还能对废水、废渣进行综合治理。

9-10　水体改良剂

图9-11　生物除臭剂

小小的微生物还具有“治理”金属的能力，既能腐蚀金属起破坏作用，也能利用金属，进行所谓的“微生物冶金”，其原理就是利用细菌作用于矿石中的金属，使其变成可溶性的物质而加以回收。

进一步了解发酵工程的应用，请登陆：

http://www.gdas.ac.cn/newsamplebk/

【思考题】

1.何为发酵工程？其内容主要有哪些？

2.发酵工程有哪些应用？