发酵工程进展

发酵工程进展

摘要：

发酵（fermentation），一般是指各类微生物分解有机物产生各种代谢产物的过程。发酵工程（fermentation engineering）是指利用微生物制造工业原料或工业产品的技术[1]。发酵可以在有氧或无氧的环境下进行，有氧包括抗生素、醋酸、氨基酸以及维生素等的发酵，无氧主要用于酒精发酵，也就是我们常说的酿酒。本文简要介绍发酵工程今年来的进展。

关键词：发酵 菌株 优化

1简介

发酵工程是生物工程的重要组成部分，是发酵技术工程化的发展，它的核心主要是利用微生物，包括新构建的“工程微生物”在内的特定性状和功能，借助于工程技术手段将微生物发酵过程与化学工程有机结合起来而实现规模生产，大量制取各类有价值产品，从而建立起一个完整的相互配套的综合性工程技术体系[2]。发酵工程的大兴发展对于生物的产业化有重要的意义，只有产业化才能相对应的商业化，从而商业化促进产业化，进而在提高人民生活质量的同时，促进生物特别是微生物的蓬勃发展。而且生物发酵可以应运于各个行业，包括食品、化工、轻工、农林业、医药卫生、能源、环保以及其他行业。发酵工程进展说白了就是在促进产业化发展，不断实现技术改造、更新创新，向高度人工控制和自动化方向转移，向高效合成简单分离转移中我们所使用的方法和成果。

随着生物技术的进步发展，发酵工程被很大程度的促进提高了。主要是以下三方面育

种技术、发酵过程优化以及下游处理的提高。特别是新型的基因工程DNA重组技术，在定向、快速培育微生物类型方面取得了重大的成就。

2．发酵工程菌株的选择

发酵工程菌株的培育选择直接关系到发酵结果的好坏。选择的标准为产物一定要浓度高、质量高，最好分泌于胞外。一般来说发酵菌株的选择还需要满足容易进行基因改良，如DNA重组；能进行代谢调控，能利用易得廉价原料，如淀粉、糖蜜、甲醇、纤维素物质等；发热量低，需氧量少，适当的发酵温度和细胞外形；不致病，不产生内毒素。

工业发酵中高浓度产物都是胞外产物。这是因为胞内产物大量积累会造成细胞损伤乃至死亡。只有将产物分泌到胞外，才能解除产物的反馈抑制，达到高浓度。同时胞外产物的提取较胞内产物更方便容易且更经济。利用DNA重组技术于大肠杆菌中生产异源蛋白时，就有上述问题。由于大肠杆菌属于革兰氏阴性细菌，只能将产物转运到间区和细胞外膜，这就导致在下游处理过程中，我们会花费更多的劳力物力进行分离加工，又由于大肠杆菌多产生的需要的异源代谢产物多为包涵体，这就很大程度的影响了产物的活性。与此相反，革兰氏阳性菌的芽孢杆菌，链霉菌，酵母菌和丝状真菌则能分泌较多的蛋白和酶于胞外，并且具有较高的生物活性，所以受到越来越多人的关注[3]。

3．固态发酵

固态发酵（solid state fermentation, SSF）是指培养基呈固态，虽然含水，但没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程，底物（基质）是不溶于水的聚合物，它不仅可以提供微生物所需碳源、氮源、无机盐、水及其他营养物，还是微生物生长的场所[4]。现代发酵技术的首要条件是纯种培养，不允许自然界的其他微生物进

入，造成杂菌污染，加上现代工业对大规模集约型生产的要求，使固态发酵的生产应用处于停滞不前，几乎被排斥到现代工业之外。固态发酵含有不溶于水的固体、少量的水分及空气，微生物生成的热导致水分蒸发，使发酵体系具有汽液固不均匀三相，存在严重的浓度梯度及传热、传质困难，这样很难控制pH、水活度、最佳反应温度等，使产量大大下降。近些年来，由于能源危机和环境问题日益严重，以及生产技术的不断提高和完善，固态发酵领域的研究出现了巨大的变化[5]。

固态发酵也有自己的优点。a.原料成本低，多为天然基质或者工业生产的副产物，来源广泛。b.工艺先对简单，基质的含水量低，可减少反应器的体积。同时，无废水和废气的产生，发酵后的产物能够很好的降解，不低环境造成污染。c.发酵过程中不需要严格的执行无菌操作。固体颗粒间隙中存在的空气可谓微生物生长提供氧气，通风量小，不需要无菌空气。d.投资少，能耗低，技术较简单[6]。

目前固态发酵可测或可调的参数主要有：培养基含水量、空气湿度、CO2和O的含量、pH值、温度和菌体生长量等。目前常用的固态发酵设备有浅盘发酵器、箱式发酵装置、转鼓式发酵器、旋转圆盘式发酵机、搅拌式发酵反应器、压力脉动固态发酵反应器[7]。

固态发酵技术在传统功能食品和酒类酿造方面得到了广泛应用，如酱油、米酒、豆豉、黄酒和白酒等。从传统固态发酵发展到现代固态发酵，该技术在生产抗生素、酶制剂、精饲料、有机酸、生物活性物质等方面发挥了重大作用，并进一步扩大到生物转化、生物燃料、生物防治、垃圾处理及生物修复等领域，固态发酵作为潜在的技术引起人们的密切关注[8]。

4．DNA重组技术

20世纪70年代发展起来的重组DNA技术，在全球科学家们的共同努力下，目前已经发展成为一门成熟的应用技术，不仅对一批抗生素的合成基因进行了克隆表达、分析，而且提高了抗生素的单位产量，逐渐形成了微生物菌种改良的一个新领域——以基因工程技术改良菌种，有望克服育种工作的盲目性、随机性，提高育种效率[15]。

DNA在发酵工程上的应用，可以表述为以重组DNA技术制备，对编码多需要蛋白的基因进行遗传修饰，再利用质粒或者病毒载体将目的基因导入适当的微生物或细胞，并在其中表达并翻译成蛋白，经过提取和纯化等步骤获得，用于预防、治疗、诊断并具有生物学活性的蛋白质产品[9]。

改良菌种的新型基因工程技术

a.组合生物合成技术，指应用基因重组技术重新组合微生物合成产物的基因丛，产生一些新的基因丛，从而合成许多新的非天然的化合物，为筛选提供丰富的资源[10]。

b.基于微排的基因组技术，指依据已研究的目的基因的DNA 序列，设计和合成针对每个基因的寡核苷酸引物，并连接到芯片的微孔，通过样品杂交、扫描获得相关的信息，应用计算机处理，从而发现重要的数据[11]。

c.RNA聚合酶功能修饰技术：RNA聚合酶的功能与抗生素生物合成基因丛的表达可能存在一定的关系，通过修饰RNA 聚合酶的功能可能调节某些抗生素的生物合成水平[12、13]。

现代发酵工程主要有以下儿个特点:

( l) 不完全依赖地球的有限资源, 而着眼于再生资源的利用, 不受原料的限制(2) 生物反应所需的温度较低,生产步骤简化, 实行生产过程的连续性,大大节约能源,缩短生产周期, 降低成本, 减少对环境的污染(3) 可开辟一条安全有效、生产价格低廉、纯净的生物制品的新途径(4) 能解决传统技术或常规方法所不能解决的许多重大难题, 并为能源、环境保护提供新的解决办法.(5) 可定向创造新品种、新物种,适应多方面的需要, 造福于人类.(6) 投资小, 收益大, 见效快[14].

参考文献

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[2] 罗明典. 发酵工程若干方面的研究进展[J]. 食品与发酵工业,1993,04:72-77.

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[6] 戴超,冷云伟,宗雯雯. 固态发酵技术的研究进展[J]. 江苏调味副食品,2008,02:25-28.

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[13]栾兴社,王贵宏,张华英. 应用于发酵工业的DNA重组技术[J]. 山东食品发酵,1995,02:35-41.

[14]李彬. 现代发酵工程展望[J]. 商洛师范专科学校学报,2003,04:48-51+54.