摘要：本文主要介紹了微生物發酵的原理、類型、工業產品。列舉出幾種微生物發酵并說明其原料、使用的菌種、發酵的類型及發酵前后的營養成分的變化。以及如何培育發酵所需微生物的育種方法?。在文章下半部分介紹了一些微生物發酵應用的最新動態。本文力求對微生物發酵綜述。

關鍵詞：微生物、發酵

1、微生物發酵的原理[1]：

自然界中的微生物能夠從它生存的環境中吸取營養物和能量，進行物質的合成與代謝，進行繁衍，這一切生命活動幾乎都是由酶催化的生物反應完成的。因此，在微生物細胞中存在能夠催化各種反應的酶。我們可以從中篩選出能夠產生某種酶較多的微生物，利用該微生物的代謝活動，獲得某種產品。

自然界中存在的某些微生物因適應不同的環境，或因自身生存的需要而具備產生某種物質的能力，如某些微生物因爭奪生存環境或營養物，會產生抗生素將其他種類的微生物殺死；微生物為將環境中的蛋白質、纖維素、淀粉等大分子變成可吸收的營養物，會產生蛋白酶、纖維素酶和淀粉酶，將其水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖；另外，微生物從環境中能夠得到的營養物的種類必定有限，不能夠滿足需要，因此，微生物細胞會通過合成或分解代謝生產它必需的一些物質，包括氨基酸、核苷酸等等。這一切都是為滿足微生物生存和繁殖的需要，人們就可以利用微生物的這種生產能力，生產各種有用的產品，如抗生素、氨基酸、酶等。

2、列舉出幾種微生物發酵并說明其原料、使用的菌種、發酵的類型（需氧或厭氧發酵）及發酵前后的營養成分的變化：

酒類：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用釀酒酵母，在厭氧條件下進行發酵，將葡萄糖轉化為酒精生產的。白酒經過蒸餾，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加熱后易揮發物質，如各種酯類、其他醇類和少量低碳醛酮類化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發酵時酵母將果汁中或發酵液中的葡萄糖，轉化為酒精，而其他營養成分會部分被酵母利用，產生一些代謝產物，如氨基酸、維生素等，也會進入發酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營養價值較高。

醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化學合成的食品級醋酸勾兌的外，其他的則是由醋酸菌在好氧條件下發酵，將固體發酵產生的酒精轉化為醋酸生產的。由于使用的微生物菌種或曲種的差異，在葡萄糖發酵過程中會產生乳酸或其他有機酸，因而使醋有不同的風味。

醬油：醬油生產以大豆為主要原料，其他有麥麩、小麥、玉米等，將上述原料經粉碎制成固體培養基，在好氧條件下，利用產生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉進行發酵。微生物在生長過程中會產生大量的蛋白酶，將培養基中的蛋白質水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、調制成醬油產品。醬油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。

醬：以大豆和少量面粉為原料，蒸煮后在空氣中自然發酵。發酵過程主要是能夠產生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，將大豆中的蛋白質、脂肪、淀粉分解，產生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多種物質。這些物質使醬具有獨特的醬香味。

酸奶：牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發酵，將乳糖分解，并進一步發酵產生乳酸和其他有機酸，以及一些芳香物質和維生素等；同時蛋白質也部分水解。因此，酸奶是營養豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應癥者的優良食品。

醪糟：又稱酒釀，是大米經蒸煮后，接種根霉，在好氧條件下，發酵生產的含低濃度酒精和不同糖分的食品。根霉在生長時會產生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時利用部分葡萄糖發酵產生酒精。由于使用的根霉菌種不同，可以生產不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。

面包：現在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）經活化后，與面粉混合發酵，再加入各種添加劑，經烤制生產的。面粉發酵后淀粉結構發生改變，變得易于消化、營養易于吸收。

饅頭：以前做饅頭的面粉是經自然發酵后蒸制的，如果連續使用面肥發酵，經幾代發酵，微生物會因生長優勢而單一化。發酵的菌種一般多為乳酸菌。因為發酵產酸，在蒸制前要用堿中和酸，制得的饅頭才松軟適口、帶有特殊香味。現在，大批量生產是采用干酵母發酵，所以不產酸，不需要再用堿中和即可蒸制。

3、如何選育菌種

為了獲得適合大規模工業生產所需的優良生產菌種，一般首先是從自然界分離篩選具有產生目標產物能力的菌種，但這樣獲得的菌種的生產能力往往較低，生理生化特性不一定能滿足生產要求，還需要進行大量的誘變選育，進一步提高其生產能力，改善性能；也可以對現有的生產菌種進行改造，即經誘變育種，選育出符合實際生產需要的菌株。

自然界中微生物資源異常豐富，土壤、水、空氣、腐敗的動植物殘骸，都是微生物的主要集居和生長繁衍的場所。其種類之多，至今仍然是一個難于估測的未知數。以其集居環境（包括特殊和極端環境）、營養類型、生存方式、生理類型、代謝途徑、合成能力等比較，均居生物界之冠。因此，微生物資源的開發和應用是當今世界矚目的重大課題。

菌種的分離，不僅是把混雜的各類微生物有效地分開，得到純種，更重要的是依著生產實際的要求，有的放矢、快速、準確地將能產生所需產物，或具有某種生化反應性能的菌種，從大量的微生物中挑選出來。有時是設計一種在分離階段便能識別所需菌種的方法，更多的是利用特定的方法分離，獲得所需菌種后，再進行識別。為了使獲得的菌種能滿足工業生產的需要，須考慮各種性能指標。因此，菌種分離和篩選的方法和策略就十分重要。

一般的菌種分離純化和篩選步驟可分為采樣、增殖與分離、發酵與性能測定等幾個步驟。

4、微生物發酵應用的最新動態

4.1 淀粉發酵生產微生物多糖的研究現狀[2]

近年來，以淀粉為原料利用生物技術開發出的新產品-微生物多糖，因其安全無毒、理化性質獨特等優良性質而倍受關注。微生物糖包括胞內多糖、胞壁多糖和胞外多糖。胞外多糖是由微生物大量產生的多糖，易與菌體分離，可通過深層發酵實現工業化生產。一般微生物多糖是以淀粉水解為碳源發酵生產，也可直接利用可溶性淀粉經微生物酶作用制得。據D.E.Eveleigh統計，已經發現49屬76種微生物產生胞外多糖，但真正有應用價值并已進行或接近工業化生產的僅十幾種。近幾年，隨著對微生物多糖 研究的深入，世界上微生物多糖的產量和年增長量均在10%以上，而一些新型多糖年增長量在30%以上。到目前為止，已大量投產的微生物多糖主要有黃原膠（Xanthan gum）、結冷膠（Gellan gum）、右旋糖酐（Dextran）、小核菌葡聚糖（Scleeroglucan）、短梗霉多糖（Pollulan）、熱凝多糖（Curdlan）等。近年來又興起對一些新型微生物多糖如海藻糖（Trehalose）、透明質酸（Hyaluronic）、殼聚糖（Chitasan）等的研究。微生物多糖具有植物多糖不具備的優良性質，它們生產周期短，不受季節、地域和病蟲害條件限制，具有較強的市場競爭力和廣闊的發展前景。目前，許多微生物多糖已作為膠凝劑、成膜劑、保鮮劑、乳化劑等，廣泛應用于食品、制藥、石油、化工等多個領域。據估計，全世界微生物多糖年加工業產值可達50億-100億美元。現將以淀粉質為原料發酵制得微生物多糖產品的研究現狀及應用情況概述如下。

4.2 微生物發酵法中試生產1,3-丙二醇[3]

1,3-丙二醇是重要的化工和醫藥中間體原料，是新型聚酯——聚對苯二甲酸丙二酯（PTT）的單體。與聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）和尼龍等相比，PTT具有染色性好、耐磨性強、低吸水性、低靜電等優點，可在地毯、紡織、工程塑料等領域中廣泛應用。目前，1,3-丙二醇的生產由杜邦公司和殼牌公司壟斷，我國至今尚沒有大規模生產1,3-丙二醇的企業，預計未來十年我國對1,3-丙二醇的需求量將超過30萬噸/年。針對這一現狀，課題組提出了葡萄糖好氧發酵生產甘油與甘油厭氧發酵生產1,3-丙二醇相結合的兩步發酵工藝，獲得中國發明專利授權，并提出微氧發酵的新工藝，使發酵時間縮短一半，首次提出并采用了酒精沉淀預處理技術，解決了產品難以提取分離的瓶頸問題。

4.3 微生物發酵生產二十二碳六烯酸的研究[4]

DHA 作為多不飽和脂肪酸系列中重要的一種，現已發現其對人類的許多疾病的治療和預防有著重要的意義。目前它的分離純化主要來自海洋魚油，存在著許多不利因素限制其生產及應用，研究表明微生物具有大規模工業化生產DHA 的能力。通過對破囊壺菌ATCC34304 等四株菌的發酵液的分析，發現ATCC34304 易于培養且DHA含量高，對ATCC34304 的發酵培養基組分和發酵條件進行進一步研究后得出，在以淀粉為碳源的培養基中，28℃170rpm 搖床光照培養6 天，DHA 含量達320.1mg/L。

4.4 利用微生物發酵生產輔酶Q10產物活性好,并可通過規模放大提高生產能力,因而頗受國內外學者的關注[5]。

4.5 微生物發酵法生產DHA 的研究[6]

DHA 是一種人體必需多不飽和脂肪酸，對人體健康有重要意義，微生物發酵法生產DHA 具有穩定性好、易于分離純化和工業化等優點，是近年來研究的熱點。通過對破囊壺菌ATCC34304 等四株菌的發酵液的分析，發現ATCC34304 易于培養且DHA 含量高，對ATCC34304 的發酵培養基組分和發酵條件進行進一步研究后得出，在以淀粉為碳源的培養基中，28℃ 170r/min 搖床光照培養6d，DHA 含量達320.1mg/L。

4.6 微生物發酵法生產L - 絲氨酸的研究[7]

S112 是經誘變獲得的抗絲氨酸結構類似物和分解能力缺陷的突變株,絲氨酸產率是116 g/ l 。搖瓶試驗初糖50 g/ l ,發酵37 h時補糖40 g/ l ,可有效提高產酸率50 %左右。分批培養補氮試驗表明補充氮源同時補糖與只補糖相比,產酸率差異不明顯,說明絲氨酸產生菌產絲氨酸過程對氮源的需求不高。經發酵培養基氮源的篩選,認為10%魚粉水解液是最優的。在7升發酵罐試驗,沒有補糖的情況下46 h開始產絲氨酸,46、54、58、62、66和72 h產酸率大致相同, 為118 g/l 。

4.7 微生物發酵法生產透明質酸是一種高效的生產方式[8]。

透明質酸又名玻璃酸，是一種天然產生的、高分子量的、獨特的線性大分子粘多糖，該物質在1934年由美國哥倫比亞大學醫學院首次從牛眼玻璃體中分離出。它是由?-D-

葡萄糖醛酸和?-D-N-葡萄糖的雙糖單位反復交替連接而成的連鎖狀高分子物質，廣泛存在于動物的各種組織細胞間質中，其中在玻璃體液、軟骨、皮膚、臍帶和雞冠中含量較高，同時它還是鏈球菌、綠膿桿菌等類菌株莢膜的主要成分。

總之，組織提取法工藝較成熟，但多種原因生產受到很大限制；微生物發酵法不受原料限制可大規模生產，HA的發酵產量已從以前的100~400mg/L增至1~8g/L,分子量也從106高到(1~5)*106發酵法已進入工業生產階段，為滿足其日益擴大的市場需要，微生物發酵法產透明質酸的研究還需進一步研究，國外研究的焦點已集中在醫藥級的HA研發上，國內必須加大在藥用級HA 研發上的投入，盡快趕上國外先進水平。

4.8 微生物發酵法生產乳清酸[9]

以谷氨酸棒桿菌JSIM 201為出發菌株,通過紫外線和甲基磺酸乙酯誘變處理,得到了一株尿嘧啶營養缺陷型突變體U12菌株,它能以葡萄糖為碳源,硫酸銨為氮源,在發酵液中積累一種紫外吸收物質.該紫外吸收物質經物理、化學分析鑒定,證明是乳清酸.對U12菌株進行了發酵條件優化研究,在最佳發酵工藝條件下,積累乳清酸最高達到8.6g/L.

5、總結

自然界中的微生物能夠從它生存的環境中吸取營養物和能量，進行物質的合成與代謝，進行繁衍。其中一種方式就是通過酶來來分解營養物，產生所含能量教低等級有機物，從中獲取釋放出來的能量差值。這一生命活動幾乎都是由酶催化的生物反應完成的。因此，在微生物細胞中存在能夠催化各種反應的酶。我們可以從中篩選出能夠產生某種酶較多的微生物，利用該微生物的代謝活動，獲得某種產品。

人類經過很長一段時間的實踐和研究。已經能夠很好的利用微生物的這一特性，為自己生產許多通過別的方式很難得到的物質和能量。相信最早的發酵應用應該是釀酒和腌制食品了。隨著科學的不斷發展，微生物發酵應用進入了一個新的境界。舉例來說，微生物多糖、1,3-丙二醇、二十二碳六烯酸、輔酶Q10的生產。這些物質往往因其安全無毒、理化性質獨特等優良性質而倍受關注。

為了獲得適合大規模工業生產所需的優良生產菌種，一般首先是從自然界分離篩選具有產生目標產物能力的菌種，但這樣獲得的菌種的生產能力往往較低，生理生化特性不一定能滿足生產要求，還需要進行大量的誘變選育，進一步提高其生產能力，改善性能；也可以對現有的生產菌種進行改造，即經誘變育種，選育出符合實際生產需要的菌株。

微生物的數量至今仍然是一個難于估測的未知數，因此，微生物發酵的菌種的選種純化是十分重要的。這個過程需經過長期、標準化的篩選和選育。至盡已經形成了一套自成體系的方法。

因此，微生物發酵成為了微生物學科的重要的一個分支。對于在環境工程中的污水處理，目前就需要微生物的酶起分解污染物的作用。這與微生物發酵有相關聯的地方。

參考文獻：

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