神奇微生物：從發(fā)酵食品到青霉素

兩三千年前，人類就有了發(fā)酵食品

人類應(yīng)用微生物的歷史非常久遠(yuǎn)。遠(yuǎn)古時(shí)代，當(dāng)人們采集的水果和糧食有了剩余的時(shí)候，便要儲(chǔ)存，它們?cè)趦?chǔ)存過(guò)程中有的會(huì)發(fā)生變質(zhì)，腐爛，變成美味的發(fā)酵食品，甚至產(chǎn)生了“酒”這種奇妙的東西。于是，人們開(kāi)始有意無(wú)意地“制造”這種現(xiàn)象，這就是人類利用微生物的開(kāi)始。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，人們慢慢學(xué)會(huì)了制作發(fā)酵食品和釀酒：他們用陶罐、竹筒或皮口袋裝上水果或糧食，用來(lái)釀酒或制造酸奶，這是人類最原始的工業(yè)微生物應(yīng)用工藝。在公元前2400年間，埃及第五王朝的墓葬壁畫(huà)上就有烤面包和釀啤酒的大幅浮雕。而從考古發(fā)掘的用于盛酒、煮酒和沖酒的青銅器，以及從這些容器中提取的殘留有機(jī)物判斷，我國(guó)釀酒的歷史可能有9000年之久。

我國(guó)釀醋和醬油釀造技術(shù)始于約3000年前，在漢代則開(kāi)始有了葡萄酒，距今已有2000多年。發(fā)酵使糧食水果等的成分發(fā)生較大改變，使食品的營(yíng)養(yǎng)成分更容易吸收，風(fēng)味也更豐富，因此人類已經(jīng)不能離開(kāi)發(fā)酵食品了。我國(guó)民間所說(shuō)的開(kāi)門(mén)七件事：柴、米、油、鹽、醬、醋、茶，其中醬、醋就是微生物的貢獻(xiàn)。

揭曉發(fā)酵食品的“秘密”

為什么食物會(huì)發(fā)酵？直到19世紀(jì)后期，以巴斯德為代表的科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵是由微生物生命活動(dòng)引起的化學(xué)變化，而且不同微生物會(huì)引起不同的發(fā)酵作用，產(chǎn)生不同的發(fā)酵產(chǎn)物。從此，人們知道了酒精原來(lái)是由酵母菌發(fā)酵糖類產(chǎn)生的。其中，德國(guó)人許旺（Schwann）等首先查明了酒精發(fā)酵是酵母菌引起，隨后荷蘭人漢森（EmilChristinHansen）成功地獲得了單細(xì)胞純種培養(yǎng)的酵母菌。1879年，巴斯德發(fā)現(xiàn)通氣有利于酵母的生長(zhǎng)，首次使用通氣法生產(chǎn)酵母。1881年，焦金森（Jargensen）利用漢森的方法選擇優(yōu)良的酵母菌株用于啤酒發(fā)酵，同年阿瓦瑞（Avery）利用乳酸菌生產(chǎn)乳酸。1894年日本的高峰利用米曲霉制造了高峰淀粉酶。

1897年，一位后來(lái)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的德國(guó)科學(xué)家布赫納在研究酒精發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，酒精發(fā)酵是酵母菌細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的一系列化學(xué)變化，其中必然有稱做“酶”的催化劑在參與作用。從此，生命科學(xué)的一個(gè)新興分支——生物化學(xué)誕生了，人們開(kāi)始考慮用微生物來(lái)生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)，并深入研究微生物細(xì)胞內(nèi)的各種化學(xué)變化、微生物的新陳代謝途徑，酶學(xué)研究從此興旺起來(lái)。

微生物發(fā)酵被用于工業(yè)生產(chǎn)

社會(huì)需要就是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。第一次世界大戰(zhàn)期間，大國(guó)生產(chǎn)軍火需要就成了發(fā)酵工程的催產(chǎn)婆。德國(guó)生物化學(xué)家能伯爾格發(fā)現(xiàn)，如果在進(jìn)行酒精發(fā)酵的容器中添加亞硫酸氫鈉，酒精發(fā)酵時(shí)的副產(chǎn)物——甘油就會(huì)大量增加。甘油是生產(chǎn)火藥的必需原料，由于英國(guó)海軍封鎖使德國(guó)難于進(jìn)口生產(chǎn)甘油的原料，于是能伯爾格的發(fā)現(xiàn)就被德國(guó)用于工業(yè)化生產(chǎn)。這時(shí)德國(guó)的敵人英國(guó)也急需生產(chǎn)火藥的另一種原料—丙酮，一位在俄國(guó)出生的猶太化學(xué)家魏茲曼，利用20世紀(jì)巴斯德發(fā)現(xiàn)的丙酮、丁醇梭核菌生產(chǎn)了丙酮，并在1915年取得了專利。甘油和丙酮、丁醇的大規(guī)模生產(chǎn)則成為工業(yè)微生物學(xué)正式問(wèn)世的標(biāo)志。

從此，微生物的發(fā)酵作用不再僅僅被利用來(lái)制造食品，而是開(kāi)始成為現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的一個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)。

被視為絕密的青霉素生產(chǎn)技術(shù)

工業(yè)微生物學(xué)的第二次飛躍，發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)后期。當(dāng)時(shí)，由英國(guó)微生物學(xué)家佛萊明發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生青霉素的青霉菌，已被佛羅瑞和錢恩兩位科學(xué)家制成了青霉素。這種第一次被人類制成的抗生素不僅對(duì)多種細(xì)菌感染有很強(qiáng)的治療效果，還對(duì)防止戰(zhàn)后感染有神奇效果，因此這項(xiàng)技術(shù)被美國(guó)定為絕密，重要性等同于原子彈試驗(yàn)的“曼哈頓計(jì)劃”。由于青霉素的巨大應(yīng)用價(jià)值，研究工作得到了鼎力支持，在不到3年的時(shí)間里，用于生產(chǎn)的微生物菌種和生產(chǎn)設(shè)備都得到了空前的改良。

隨著青霉素發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的成熟，青霉素已經(jīng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)，不僅為世界帶來(lái)了年產(chǎn)值達(dá)數(shù)百億美元的抗生素產(chǎn)業(yè)，使人類的平均壽命延長(zhǎng)了整整10周歲，而且為人類利用微生物進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)提供了成功典范。