發(fā)酵工程技術(shù)原理及應(yīng)用

潘玉梅

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621000）

發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分以及產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)[1]，發(fā)酵工程技術(shù)有著悠久的歷史，經(jīng)歷了“農(nóng)產(chǎn)手工加工——近代發(fā)酵工程——現(xiàn)代發(fā)酵工程”三個發(fā)展階段。早在幾千年前，人們在藥品、乳制品等方面應(yīng)用了發(fā)酵工程技術(shù)[2]。

1 發(fā)酵工程原理與技術(shù)

1.1 微生物菌種的選育

發(fā)酵工業(yè)主要利用工業(yè)微生物進(jìn)行發(fā)酵，工業(yè)微生物具有個體小、種類多、繁殖快、分布廣、代謝能力強(qiáng)等特點。對微生物要求也較為嚴(yán)格，用在發(fā)酵工業(yè)的微生物需要滿足以下條件：能在廉價原料制備的培養(yǎng)基上迅速生長并生成所需的代謝產(chǎn)物，且產(chǎn)量高；培養(yǎng)條件易于控制；生長迅速，發(fā)酵周期短；滿足代謝控制的要求；抗暖菌體和雜菌能力強(qiáng)；遺傳性狀穩(wěn)定，菌種不易變異退化；在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫要少；對需要添加的前體物質(zhì)有耐受能力；并且不能將這些前體物質(zhì)作為一般碳源使用；不是病原菌，同時在系統(tǒng)發(fā)育上與病原菌無關(guān)，不產(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)（包括抗生素、激素和病毒）以保證安全。

1.2 微生物種子的擴(kuò)大培養(yǎng)

種子擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過搖瓶或靜置培養(yǎng)及種子罐逐級放大培養(yǎng)，而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子，是發(fā)酵工程的一個組成部分，其實旨是將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)，最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。

2 發(fā)酵工程的應(yīng)用

2.1 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

利用微生物生產(chǎn)的飼料蛋白、酶制劑、氨基酸、維生素、抗生素和益生菌微生物制劑等飼料產(chǎn)品的使用使發(fā)酵工程技術(shù)在飼料工業(yè)中得到了更廣泛的應(yīng)用，一些傳統(tǒng)廢物也可經(jīng)過發(fā)酵工程制備成為新型飼料，為回收利用作出了巨大貢獻(xiàn)。

2.2 在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

微生物發(fā)酵法是生物轉(zhuǎn)化的方法之一，在醫(yī)藥領(lǐng)域中早有應(yīng)用，將現(xiàn)代微生物技術(shù)與醫(yī)藥研究相結(jié)合?？梢蕴岣哂行С煞值暮俊⒃鰪?qiáng)藥材療效、降低毒副作用等。發(fā)酵工程在制藥過程中需要經(jīng)過少量發(fā)酵種子液；灌裝培養(yǎng)基；發(fā)酵罐中加入種子液發(fā)酵；檢測OD、溶氧量等指標(biāo)；流加培養(yǎng)基、攪拌；發(fā)酵到對數(shù)生長期后，進(jìn)行誘導(dǎo)；誘導(dǎo)表達(dá)一段時間后進(jìn)行放罐等過程。

2.3 在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.3.1 傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品

傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品包括醬油、啤酒、食醋等。以食醋的生產(chǎn)為例，主要利用醋酸菌將醋醅中的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸的能力，通過醋酸菌中與膜結(jié)合的吡咯喹啉醌-乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶來完成的，這兩種酶的結(jié)構(gòu)和特性決定了該菌種的適應(yīng)能力和轉(zhuǎn)化能力。醋酸是食醋中的主要成分，它可以抑制雜菌生長，從而防止食品受到污染變質(zhì)。但在某些飲料生產(chǎn)中醋酸菌也會造成一定的危害,例如在葡萄酒生產(chǎn)中，醋酸含量達(dá)到1.2～1.4 g/L時，即可被認(rèn)作受到了污染。

2.3.2 食品添加劑的生產(chǎn)

世界各國對食品添加劑的定義不盡相同，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）聯(lián)合食品法規(guī)委員會對食品添加劑定義為：食品添加劑是有意識地一般以少量添加于食品，以改善食品的外觀、風(fēng)味和組織結(jié)構(gòu)或貯存性質(zhì)的非營養(yǎng)物質(zhì)。隨著生活水平的提高，人們對食品的色、香、味等要求越來越高，對食品添加劑的應(yīng)用也越來越廣泛，但食品添加劑的安全一直以來都是人們所關(guān)注的問題，因此，采用微生物發(fā)酵法合成食品添加劑成為一種發(fā)展趨勢。

2.4 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

在如今環(huán)境問題日漸嚴(yán)峻，生態(tài)環(huán)境受到各種破壞的情況下，發(fā)酵工程可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的多方面。以下是經(jīng)過多年開發(fā)，接近于生產(chǎn)化的技術(shù)，亞硫酸鹽紙漿廢液乙醇發(fā)酵、酵母循環(huán)系統(tǒng)、廢纖維素的資源、有機(jī)固體廢物的快速堆肥等。應(yīng)用發(fā)酵工程技術(shù)處理環(huán)境問題為人們營造了一個更健康的生活環(huán)境。

3 存在的問題與展望

發(fā)酵工程技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但是其仍然存在一些問題。一是糧食短缺問題；二是水資源匱乏問題；三是環(huán)境污染問題。

隨著發(fā)酵工程技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，隨著全球范圍內(nèi)對環(huán)境保護(hù)的高度重視，為發(fā)酵工程及其技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。我國微生物發(fā)酵工程在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用還處于初級階段，發(fā)酵工程技術(shù)在環(huán)保中進(jìn)一步開發(fā)需要得到社會、同行及主管部門的大力支持。