微生物与发酵工程
13101002 朱梦雪发酵工程是生物工程的重要组成部分,也是现代微生物学的核心内容;任何产品的发酵生产都必须通过微生物发酵或细胞扩大培养才能实现。
因此,微生物与发酵是紧紧联系在一起的。
微生物发酵工程是加快发酵工程研究成果转化为生产力,取得最佳效益的重要手段。
微生物科学工作者应不失时机地积极而科学地运用这种手段为社会社会主义市场经济服务。
根据文献的调查，微生物的发酵工程主要应用于以下几点：
首先是在农业生产上，巴西全国土壤生物研究中心的研究人员发现一种新固氮菌,即固氮醋杆菌(Aeetobaeterdiazotrophyeus)。
这是人类发现的第一个有固氮能力的醋杆菌,生活在甘蔗根部,具有很强的抗酸性。
由于它的高效固氮能力,可使甘蔗年产量提高2倍(由60吨/公顷提高到180吨/公顷)。
在固氮菌的研究方面,我国作物茎瘤固氮根瘤菌的高效固氮活性,以及小麦、玉米、陆生水稻固氮根瘤菌研究取得重要进展;英国诺丁汉大学一个研究小组也获得田著根瘤菌进入小麦、水稻、玉米和油菜等非豆科植物侧根中形成小根瘤,且有固氮作用的类似结果。
今年拟在埃及、印度、墨西哥分别进行小麦、水稻、玉米的田间试验。
这些非豆科专性共生固氮菌尚处在试验研究阶段。
而我国联合固氮微生物早已产业化生产,其产品推广应用于农业生产实践,获得了增产的效果。
近又发现一些新的联合固氮菌如产酸克氏杆菌、植皮克氏杆菌(Klebsiellaplantieola)等,为扩大联合固
氮菌AIJ新品种的研制做出了新贡献。
其次是在生物材料方面。
有很多生物材料都是应用微生物发酵来生产的。
我了解到的有生物可降塑料、建筑用生物材料和壳聚糖材料。
生物可降解塑料:微生物合成塑料物质:加拿大蒙特利尔生物技
术研究所以甲醇为原料利用从土壤中选育的嗜甲基细菌生产聚件轻
基丁酸(PHB),在我国,武汉大学生物工程研究中心用圆褐固氮菌发酵生产PHB;中国科学院微生物研究所用真养产碱杆菌生产PHB,在培养基中累积的量达细胞干重的63%(W/W);山东大学微生物研究所用该菌生产PHB的研究取得类似结果。
建筑用生物材料：某些微生物及其代谢产物如橡胶物质、弹力纤维、高分子多糖等作为混凝土添加剂,制造富有弹性的牢固的生物混凝土材料是有可能的,提供生物建筑材料的另一种可能性是某些微生物—蓝细菌或微型藻类,它们有分泌石灰石(碳酸钙)能力。
多用途的壳聚糖材料：壳聚糖又叫脱乙酞基多糖,用途极其广泛,几乎各个行业都用得着它。
从微生物发酵生产,如真菌细胞壁含几丁质成分20%一22%,毛霉细胞壁中几丁质含量高达30写一40%,利用黑曲霉或其他真菌来生产壳聚糖是完全可能的。
还有就是利用微生物发酵生产两类重要有机酸这里着重介绍两
类重要有机酸,都有可能通过微生物发酵途径索取。
衣康酸(itaconicac记)进人规模生产:衣康酸又称甲叉丁二酸,系一种不饱和的二梭酸,用途广、需求量大,它是制造合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶、表面活性剂、去垢剂、润滑油添加剂等的原料,
用它制成的材料填充玻璃纤维即成为高强度的玻璃钢,可代替钢材,
用于飞机和造船制造业等方面,由于它的聚合物具有特殊光泽、透明,所以可将其用于制造人造宝石、特殊透镜以及抗化学剂的涂料等等。
国内外已用微生物发酵生产这类产品取得重要进展,美国、日本、独联体等生产衣康酸除用土曲霉生产菌外,还有用假丝酵母。
我国以蜜糖、淀粉、木屑、稻草为原料,选用土曲霉突变株为生产菌,于37‘C 摇瓶培养,衣康酸产量为3.5克/100毫升,糖转化率为35%。
还有改用山芋粉为原料生产衣康酸,生产菌突变株于摇瓶试验,产酸量高达90克/升以上,糖转化率稳定在50%一55写,不产杂酸,发酵液残糖很低(仅0.2%左右),结晶回收率为85肠一90%,产品质量可与国际产品相比,所用原料可与葡萄糖、蔗糖比,具有明显的经济效益和竞争力,年产500吨酸的同时亦可产出600吨高蛋白酵母饲料。
这表明山芋渣得到充分利用,因此在生产过程中无“三废”的排放。
目前,我国选育的土曲霉变异株已进入8.5吨罐的中试,发酵98一In小时,三批平均产酸率为7%一7.5%,转化率50%,平均提取收率为80.25%,产品质量(纯度)达到从日本进口的衣康酸标准。
由此可见,我国用自己选育的优良菌株批量生产衣康酸成功,建成的生产线年生产能力仅次于美国、日本和独联体国家。
几种人类必需的不饱和脂肪酸:如y一亚麻酸、22碳六烯酸(DHA)、20碳五烯酸(EPA)存在于某些植物和鱼油之中,EPA、DHA在鱼类中特别是冷水海鱼鱼脑和鱼油中含量极为丰富。
其重要性在于它们的医用保健价值,具有降低血脂,预防心肌梗塞和血栓症之功效。
·γ-亚麻酸:它在马齿觉中的含量是菠菜的10倍,有人把它列入维生素家族成员之一,有所谓维生素F之称。
日本用一种被饱霉(Mortierellasp.)大量培养获得菌体60一600克/升,从中可获γ-
亚麻酸20%以上;也有用小克银汉霉(Cunninghamellasp.)、少根根霉(Rhizopusarrhizus)进行生产。
韩国一家公司以鼓皮、面粉、淀粉或木薯淀粉等为原料制成固体培养基(含水40%一60%),于20一3oC通风,并保持60%一95写的相对湿度,接种培养深黄被抱霉,尔后从其培养液中提取下-亚麻酸。
我国上海工业微生物研究所也采用被抱霉生产γ-亚麻酸,其产品质量与日本的相当。
南开大学用深黄被抱霉突变株发酵生产γ-亚麻酸,由原来的3.3%提高到8.8%,具有良好的遗传
稳定性。
国内也有用刺抱小银克汉霉(C.echinulata)突变株,于500升发酵罐培养获得了较高产量。
从此可以看出,微生物发酵生产γ-
亚麻酸具有生产速度快、成本低、不受季节限制的优越性,还可借助高新技术提高产率。
·DHA:除了从海鱼中索取之外,美国美国科学家发现海藻(如蓝藻等)具有合成DHA能力,其产品功能及生理活性如同母乳,因此有“母乳精华”之称,也有称之为“脑黄金”,因为它是人体大脑和眼视网膜的主要材料之一。
日本在发展小球藻产业时发现有富含DHA的小球藻,用它制成饲料喂鸡,生下富有DHA的鸡蛋,食用后,不仅增强记忆力,
有健脑作用,还认为有防癌的效果。
美国一些公司正在从藻类、真菌、细菌中开发人体所必需的不饱和脂肪酸,美国马泰克公司将这种来自海藻的DHA产品推向欧洲市场,作为婴幼儿食品添加剂,使该食品更
近似人奶。
为此,大量繁殖海藻,并从中提取DHA将是一条行之有效的方法。
·EPA:它如同DHA一样具有同等功效。
目前利用微生物开发这种产品有三条可能的途径:(1)利用真菌:据美国科学新闻报道,工业生产乳酪后的副产品(乳清)作原料,借助腐霉属的一种真菌在生物反应器中发酵生产EPA;(2)利用细菌:韩国海洋研究所研究人员发现两种细菌可生产EPA,每公斤发酵液可收获300毫克EPA,尽管产率较低,却是一个良好势头,预计1995年该菌可应用于生产实践,实现规模生产;(3)利用小球藻:生产EPA不仅有异养微生物,而且某些光能自养型也具生产EPA能力。
一方面可以直接培养小球藻生产EPA,应该说是可能的;另一方面细胞融合技术的应用更有效地生产EPA。
有人将EPA含量高、生产迟缓的海洋小球藻与不含EPA而生长快的淡水小球藻进行细胞融合取得成功,所获杂合新型小球藻(融合体)有效较快地合成EPA,大大提高产率。
这种“工程小球藻”(细胞工程构建的)不仅为获取EPA提供了丰富的原料,而且为鱼苗养殖业发展提供高价值的精饵料,同时也为人类提供高品位的保健食物资源。
由此可见，微生物在发酵工程中的应用十分广泛，而微生物与发酵工程相结合更是会在很多方面取得突破性的进展。
因此微生物的学习对我们而言十分重要。
参考文献：罗明典《微生物与发酵工程》。