發(fā)酵工程技術(shù)近年來在各領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景

胡迎峰 趙銳 劉康

摘? 要：微生物中的酶已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，發(fā)酵工程技術(shù)取得了重大進(jìn)步。該文對發(fā)酵工程在食品生產(chǎn)、污染整治、發(fā)酵制藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵工程;食品工業(yè);農(nóng)業(yè)生產(chǎn);微生物制藥;污染整治;造紙

中圖分類號 Q815文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）13-0048-03

Abstract：Fermentation engineering，one of the four major bioengineering technologies，essentially uses the function of microorganisms to put microorganisms into the process of industrial production. In order to better provide high-quality products in various fields，human beings continue to promote the study of microbial theory，and also push fermentation from workshop-style production into the scope of bio-engineering. Through decades of continuous practice，fermentation engineering technology has made gratifying progress. This paper analyzes the application and development of fermentation engineering in food production，pollution remediation，fermentation pharmacy，agricultural production，and other aspects for reference.

Key words：Fermentation engineering;Food industry;Agricultural production;Microbial pharmacy;Pollution remediation;Papermaking

發(fā)酵工程是現(xiàn)代生物工程技術(shù)中的一種“舊改新”技術(shù)。利用生物學(xué)基礎(chǔ)理論，改良微生物的一些特殊功能，為社會提供更多優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品或?qū)⑽⑸镏苯討?yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。其內(nèi)容包含微生物的選擇、營養(yǎng)條件的確定、滅菌、種子罐擴大化培養(yǎng)、接種，以及在發(fā)酵后期中的產(chǎn)品分離純化等。

從古至今，人類都沒有放棄對發(fā)酵工程的研究，不斷致力于改進(jìn)工藝，提高生產(chǎn)效益，并尋找方法將發(fā)酵工程應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)的第2個10年至今，人們?nèi)栽诓粩嘀铝τ谧穼じ咝省⒏妆豢刂?、更環(huán)保的發(fā)酵方法，并運用發(fā)酵工程技術(shù)去拓展其他方面的應(yīng)用。

1 發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用

1.1 傳統(tǒng)食品發(fā)酵工藝的改良 國內(nèi)現(xiàn)有的食品工藝大多來源于當(dāng)?shù)鼐用裨跀?shù)千年來的歷史發(fā)展中，根據(jù)自己的生活常識，融合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，并不斷創(chuàng)新而形成。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對傳統(tǒng)食品工業(yè)的改良勢必在行。利用現(xiàn)代生物學(xué)的基礎(chǔ)理論，對傳統(tǒng)食品的發(fā)酵工藝進(jìn)行理論上的分析，并推理設(shè)計出更合理的發(fā)酵途徑，對菌種不斷進(jìn)行純化，提高生產(chǎn)效率，改善口味，讓整個發(fā)酵過程更穩(wěn)定可控，產(chǎn)品更優(yōu)質(zhì)安全。

在傳統(tǒng)食品的生產(chǎn)中，與發(fā)酵最為密切相關(guān)的為“醬、醋、茶”3大類。酒精與醋酸發(fā)酵出自同種方法，這里以酒精發(fā)酵為例，簡單敘述改良過程。在舊石器時代，猿采集含有糖類物質(zhì)的果物，放在坑洞中，作為儲備，時間一久，這些果物被依附在土壤中的或果皮上的野生酵母菌發(fā)酵，變成清香宜人的果酒。

酒精的發(fā)酵總反應(yīng)式為：

即生物體的糖酵解過程（EM途徑），每一步都需要不同種酶的催化。

但直至1897年，畢希納才發(fā)現(xiàn)部分菌種在經(jīng)破碎處理后的提取物依然可以進(jìn)行整個發(fā)酵過程。由此我們可以推斷出對碳水化合物進(jìn)行酒精發(fā)酵的物質(zhì)并不是某些微生物，而是這些微生物體內(nèi)分泌產(chǎn)生的某種物質(zhì)所導(dǎo)致的，這種物質(zhì)就是我們常見的——酶。這個發(fā)現(xiàn)為我們現(xiàn)代化的制酒工業(yè)奠定了堅實的基礎(chǔ)[1]。目前對酒精生產(chǎn)的改良策略主要包括以下3個方面：①利用基因工程、細(xì)胞工程等，優(yōu)選更加適合生產(chǎn)的酵母菌，改良酵母菌的生產(chǎn)菌株;②對發(fā)酵過程的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，包括發(fā)酵罐及配套設(shè)備、復(fù)合酶添加過程營養(yǎng)限制因子的改進(jìn)等[2];③在發(fā)酵過程中，對生產(chǎn)純化工藝及生產(chǎn)途徑的改進(jìn)。

1.2 食品添加劑的生產(chǎn) 采用化學(xué)方法制取食品添加劑的成本低廉，但其生產(chǎn)所需時間較長且長期攝入此類物質(zhì)，會對人體產(chǎn)生傷害。從植物中萃取食品添加劑，雖然安全健康，但成本過高，不利于規(guī)?；a(chǎn)。因此現(xiàn)代發(fā)酵工程，是食品添加劑生產(chǎn)制備的最好方法[3]。以谷氨酸鈉發(fā)酵為例，將傳統(tǒng)谷氨酸發(fā)酵工藝分為2類：①生物素亞適量菌種發(fā)酵法，采用單發(fā)酵罐進(jìn)行等電離子交換的方法，進(jìn)行谷氨酸的制取，簡稱“亞適量等電離交”法。由于此工藝耗能嚴(yán)重，且會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，產(chǎn)量與成本不相匹配，已逐漸被淘汰。②溫度敏感型菌種發(fā)酵法，即使用濃縮等電連續(xù)提取谷氨酸的工藝，簡稱“溫敏濃縮等電”法。盡管此工藝成本低廉、排廢量較小、發(fā)酵強度高，但其產(chǎn)量較低。目前各大味精廠家針對傳統(tǒng)工藝的缺陷，對發(fā)酵的流程進(jìn)行重新設(shè)計，創(chuàng)新性的采用“超亞適量轉(zhuǎn)晶等電離交”法。該工藝在一定程度上，對以上工藝的弊端進(jìn)行了改良，但生產(chǎn)的產(chǎn)品依舊存在成色不佳的現(xiàn)象，此外該工藝的副產(chǎn)品成色相對較好[4]。

1.3 功能性食品的開發(fā) 功能性食物指的是具備特定保健功能的營養(yǎng)食物，即適合專有人群，擁有調(diào)整身體機能的功能，但不用于治療。以糖醇為例，主要是將酵母菌等各類菌種，進(jìn)行連續(xù)分離，利用純化技術(shù)得到功能性甜味劑。

2 發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 利用農(nóng)作物廢棄物生產(chǎn)食用菌 秸稈中富含各類蛋白質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的食用菌基質(zhì)。研究人員通過發(fā)酵工程，在適宜的環(huán)境和條件中，將秸稈轉(zhuǎn)化為良好的食用菌基質(zhì)，生產(chǎn)出多種食用菌，為人類餐桌提供綠色、健康、營養(yǎng)豐富的食用菌食品。

2.2 利用菌糠生產(chǎn)有機肥或部分替代動物飼料 食用菌生長后的菌料被稱為菌糠。在纖維素酶的協(xié)同作用下，菌絲體將秸稈中的纖維素和半纖維素降解成可以直接被動物所利用的葡萄糖、果糖等小分子物質(zhì)，降解后富含有機質(zhì)和各種礦物質(zhì)元素。N、P、K含量高于秸稈和糞便等其他傳統(tǒng)肥料，可作為優(yōu)良的堆肥材料。研究人員對堆肥中接種高溫纖維菌的工藝進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，在45d后，有機肥的pH值、有機質(zhì)含量、總養(yǎng)分等各項指標(biāo)均達(dá)到有機肥標(biāo)準(zhǔn)（NY525-2002）[5]。菌糠的營養(yǎng)含量較為豐富，可通過生物降解降低大分子纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量，可極大的提高粗蛋白和粗脂肪在有機肥中的含量。特別是飼料中普遍缺乏的必需氨基酸和Ga、Fe、Zn、Mg等各類元素的含量也相對較高，營養(yǎng)價值很高。食用菌糠粉碎后可直接用作飼料來喂養(yǎng)牲畜[6]。

3 發(fā)酵工程在污染整治中的應(yīng)用

3.1 微生物工程處理氮氧化物 NOx廢氣中的主要污染物是NO2和NO，屬于無機氣體，元素組成中不含C元素。因此，在使用硝化細(xì)菌的同時給予一些額外的C源，微生物可以將NOX廢氣中的NO2氣體作為N源，并將其還原為無毒的N2。在NO2氣體還原為N2的過程中，首先將NO2溶解在一定的水中，形成酸根離子，然后通過微生物還原為N2。廢氣中的NO被微生物吸引在其表面，并發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為N2。

3.2 發(fā)酵工程煙氣脫硫 煙氣中含有大量的SO2，其中一部分的物質(zhì)被物理吸附或化學(xué)吸附進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硫酸。另外，一些SO2受到微生物的影響，使上述轉(zhuǎn)化率更快。在吸附過程中，由于微生物的存在，[Fe2+]和[Fe3+]會不斷地相互轉(zhuǎn)化，使反應(yīng)進(jìn)行得更快。由于[Fe3+]是一種氧化性較強的離子，且該離子的濃度越高，相應(yīng)的脫硫速率也會相應(yīng)加快。在這一過程中，生成的[Fe2+]可作為微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，也可轉(zhuǎn)化為[Fe3+]，從而加快了對SO2的吸附速度[7]。

3.3 微生物工程除臭 第1步是將O3中的一部分氣體轉(zhuǎn)化為液體，在微生物的作用下被水吸收;另一部分不被水所溶解，而是首先在微生物體外被吸引，再經(jīng)過微生物胞外酶分泌的作用，將該部分分解成可被溶解的一些小分子，然后滲透到微生物細(xì)胞中。當(dāng)O3進(jìn)入胞內(nèi)后，將被微生物體內(nèi)的各種酶分解，為其生長提供營養(yǎng)和能量，最終完全去除臭味[8]。

4 發(fā)酵工程在藥物生產(chǎn)中的應(yīng)用

利用微生物對藥物進(jìn)行生產(chǎn)制備的方法，又稱微生物制藥工程。主要目的是運用基因工程或細(xì)胞工程改造微生物，使它們能夠分泌人類所需的成分?？梢岳冒l(fā)酵工程進(jìn)行生產(chǎn)的藥物原料主要含有維生素，激素，抗生素以及其它生物分子。另外，對微生物制藥的研究還在于對現(xiàn)有微生物的改良篩選、制備工藝的探索、產(chǎn)品跟進(jìn)等方面的研究。目前，基因工程技術(shù)和細(xì)胞工程技術(shù)在微生物菌種改良中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。上世紀(jì)以來，隨著基因工程技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)等的不斷進(jìn)步，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入了全新的階段。其產(chǎn)品從傳統(tǒng)的酒精醬料，逐漸發(fā)展到多種藥物原料，如胰島素（蛋白質(zhì)）、生長激素和抗生素等。微生物在制藥中，利用了微生物生長和新陳代謝產(chǎn)生的各類物質(zhì)，對中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（中醫(yī)）具有極大的促進(jìn)作用。這種傳統(tǒng)中藥（TCM）的生產(chǎn)方式比一般方式生產(chǎn)的更加優(yōu)越，可以藥用的成分全面改善，減少副作用，對中藥活性成分提供了新的發(fā)展方向，產(chǎn)生新的效果，更加針對性的治療各種癥狀，充分保護(hù)了中藥成分，避免對中藥活性成分的損害，從而做到節(jié)約中藥資源的優(yōu)勢[9]。

5 發(fā)酵工程在其他方面中的應(yīng)用

5.1 造紙業(yè) 生物制漿主要分為3種：純生物制漿、生化制漿、生物機械制漿。這3種方法的技術(shù)原理基本相同，主要區(qū)別于操作方法和所使用的器具。具有降解木質(zhì)素能力的微生物（真核真菌中的木質(zhì)素降解酶系統(tǒng)，如漆酶、錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶等）對植物纖維原料中木質(zhì)素進(jìn)行選擇性的降解。由于木質(zhì)素不能作為支持微生物的碳膜，需要半纖維素和纖維素分解來獲得能量，因此選擇不具有纖維素酶活性的菌株非常重要。

5.2 植物保護(hù) 發(fā)酵工程在植物保護(hù)中的作用是應(yīng)用微生物生產(chǎn)的激素、抗生素等來生產(chǎn)生物農(nóng)藥，治理病蟲害。目前，生物農(nóng)藥在我國已廣泛應(yīng)用，這類產(chǎn)品主要有生產(chǎn)成本較低、安全性高、效率較高、使用無污染等優(yōu)勢，如利用蘇云金芽孢桿菌制備的低毒殺蟲劑。隨后，研究人員對此不斷進(jìn)行改良，研制出BT菌株并應(yīng)用于工廠化生產(chǎn)中。主要優(yōu)勢在于安全性較高，為人類提供所需的綠色食品，特別是為無污染農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了機遇。目前，我國抗生素生產(chǎn)已在國際社會占有重要地位，尤其是在剛達(dá)美星和阿維菌素生產(chǎn)方面已經(jīng)成為世界上最大的生產(chǎn)國。該病毒株作為生產(chǎn)殺蟲劑的原料，安全高效[10]。

6 發(fā)展前景及展望

自上個世紀(jì)以來，人類已在生命科學(xué)領(lǐng)域取得長足進(jìn)展，發(fā)酵工程作為其中一大分支，在我們的身邊的各行各業(yè)中都發(fā)揮著很大的作用，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量?，F(xiàn)如今，發(fā)酵工業(yè)早已經(jīng)不只是生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品及農(nóng)副產(chǎn)品，它和人們的生命健康等各方面都產(chǎn)生了巨大的相關(guān)性，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。發(fā)酵工程在現(xiàn)代食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療，輕工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，充分體現(xiàn)了發(fā)酵工程具備極強的生命力和發(fā)展?jié)撃堋Ｔ黾影l(fā)酵工程的理論研究，并對其在生產(chǎn)生活中的性能和附加值加以重視，生產(chǎn)出更多的品種，使現(xiàn)代發(fā)酵工程得以平穩(wěn)發(fā)展。

發(fā)酵工程不僅為人們的日常生活提供了很多幫助，而且將使生物技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化和精細(xì)化。隨著物質(zhì)文明的多樣性和豐富性的不斷提高，安全性、高效性和環(huán)保性是發(fā)酵工程領(lǐng)域關(guān)注的重點，同樣也是發(fā)酵工程的基礎(chǔ)。在食品工程中，發(fā)酵工程早已成為至關(guān)重要的一部分。如今，食品安全問題已經(jīng)成為人們廣泛關(guān)注的話題，發(fā)酵工程如何在這樣的環(huán)境中發(fā)展，在這樣充滿機遇和挑戰(zhàn)性的社會中占據(jù)更重要的地位，是我們必須考慮的問題。

而在環(huán)境保護(hù)的新型應(yīng)用方向，發(fā)酵工程技術(shù)手段依舊處于理論積累時期，不具備產(chǎn)業(yè)化的能力。主要是受制于微生物的理論研究水平。微生物工程治理污染的相關(guān)設(shè)施研究力度不足，無法產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，缺乏民間資本的投入。將理論轉(zhuǎn)化為實際，缺少具有高效率的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計。因此，在進(jìn)行發(fā)酵工程治理污染研究的進(jìn)程中，不但需要我們加強對功能菌的選育工作，而且需要考慮是否可以為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來動力，并發(fā)展多菌群處理污染物的研究，同時應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強對高效經(jīng)濟(jì)的配套設(shè)施研究，以促進(jìn)微生物工程治理污染物的市場化發(fā)展，吸引民間資本的加入。

發(fā)酵工程的研究和發(fā)展不能僅依賴于國家財政的支持，各研究院所、各高校應(yīng)積極與生物技術(shù)企業(yè)合作，將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，并取得相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益，以此推動微生物技術(shù)的理論研究，使發(fā)酵工程的發(fā)展處于一個良性循環(huán)。

參考文獻(xiàn)

[1]生物發(fā)酵，千年釀酒文化的密碼[J].青海科技，2015，76-77.

[2]侯保朝，杜風(fēng)光，郭永豪，等.高濃度酒精發(fā)酵[J].釀酒科技，2005，82-85.

[3]李玉妹，賈麗娜.發(fā)酵工程在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2017（14）：47-48+52.

[4]馬長慶，付丙勇，常廣乾，等.谷氨酸發(fā)酵與提取工藝路線辨析[J].山東化工，2015（21）：84-85.

[5]孫建華，袁玲，張翼.利用食用菌菌渣生產(chǎn)有機肥料的研究[J].中國土壤與肥料，2008（1）：52-54.

[6]李志香，蔡元麗.菌糠發(fā)酵飼料的研究[J].中國畜牧獸醫(yī)，2003，30（5）：8-9.

[7]張捷.生物法處理含硫含氮廢氣的實驗研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2014.

[8]胡浙平，大氣惡臭污染物處理中的固定化微生物方法分析[J].科技視界，2016（19）.

[9]張秀婷，王英姿，段飛鵬，等.生物技術(shù)在制藥行業(yè)的應(yīng)用概況[A].中華中醫(yī)藥學(xué)會中藥制劑分會、世界中醫(yī)藥學(xué)會聯(lián)合會中藥藥劑專業(yè)委員會.“好醫(yī)生杯”中藥制劑創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集（上）[C].中華中醫(yī)藥學(xué)會中藥制劑分會、世界中醫(yī)藥學(xué)會聯(lián)合會中藥藥劑專業(yè)委員會，2013：4.

[10]邱國強，呂良臣.秸稈生物反應(yīng)堆與植物疫苗應(yīng)用技術(shù)[J].吉林蔬菜，2013（12）：57. （責(zé)編：楊 林）