基本介紹
- 中文名：微生物發酵
- 外文名：Microbial fermentation
- 定義：生物體對於有機物的某種分解過程
- 套用：食品工業、生物和化學工業
- 原料：微生物
- 發酵水平：取決於菌種本身和培養條件
發酵方法,套用領域範圍,相關概念,初級代謝產物,次級代謝,濕熱滅菌法,連續滅菌,誘變育種,菌種初篩,菌種復篩,自然選育,種子擴大培養,巴斯德消毒法,輻射滅菌法,微生物轉化,質粒,抗生素,連續發酵,菌種活化,消沫劑,空氣分布器,雜交育種,基因工程育種,富集培養,原生質體融合,生物處理法,分批補料發酵,細胞融合技術,單細胞蛋白,工程菌,
發酵方法
微生物發酵過程根據發酵條件要求分為好氧發酵和厭氧發酵。好氧發酵法有液體表面培養發酵、在多孔或顆粒狀固體培養基表面上發酵和通氧深層發酵幾種方法。厭氧發酵採用不通氧的深層發酵。因此，無論好氧與厭氧發酵都可以通過深層培養來實現，這種培養均在具有一定徑高比的圓柱形發酵罐內完成，就其操作方法可分為以下幾種。
分批式操作：底物一次裝入罐內，在適宜條件下接種進行反應，經過一定時間後，將全部反應物取出。
半分批式操作：也稱流加式操作。是指先將一定量底物裝入罐內，在適宜條件下接種使反應開始。反應過程中，將特定的限制性底物送入反應器，以控制罐內限制性底物濃度在一定範圍，反應終止將全部反應物取出。
反覆分批式操作：分批操作完成後取出部分反應系，剩餘部分重新加入底物，再按分批式操作進行。
反覆半分批式操作：流加操作完成後，取出部分反應系，剩餘部分重新加入一定量底物，再按流加式操作進行。
連續式操作：反應開始後，一方面把底物連續地供給到反應器中，同時又把反應液連續不斷地取出，使反應過程處於穩定狀態，反應條件不隨時間變化。
分批發酵法(batch fermentation)
分批發酵又稱分批培養，發酵工業中常見的分批發酵方法是採用單罐深層分批發酵法。每一個分批發酵過程都經歷接種、生長繁殖、菌體衰老進而結束髮酵，最終提取出產物。這一過程在某些培養液的條件支配下，微生物經歷著由生到死的一系列變化階段，在各個變化的進程中都受到菌體本身特性的制約，也受周圍環境的影響。只有正確認識和掌握這一系列變化過程，才有利於控制發酵生產。
分批發酵的特點是：微生物所處的環境是不斷變化的，可進行少量多品種的發酵生產，發生雜菌污染能夠很容易終止操作，當運轉條件發生變化或需要生產新產品時，易改變發酵對策，對原料組成要求較粗放等。
分批培養過程微生物生長可分為：停滯（或調整）期、對數（生長）期、穩定期和衰亡期四個階段。研究細胞的代謝和遺傳宜採用生長最旺盛的對數期細胞。在發酵工業生產中，使用的種子應處於對數期，把它們接種到發酵罐新鮮培養基時，幾乎不出現停滯期，這樣可在短時間內獲得大量生長旺盛的菌體，有利於縮短生產周期。在研究和生產中，常需延長細胞對數生長階段。
補料分批發酵法(fed-batch fermentation)
補料分批發酵又稱半連續發酵或半連續培養，是指在分批發酵過程中，間歇或連續地補加新鮮培養基的培養方法。與傳統分批發酵相比，其優點在於使發酵系統中維持很低的基質濃度。低基質濃度的優點為：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應，並維持適當的菌體濃度，使不致加劇供氧的矛盾；②避免培養基積累有毒代謝物。
補料分批發酵廣泛套用於抗生素、胺基酸、酶製劑、核苷酸、有機酸及高聚物等的生產。
連續發酵法(continuous fermentation)
連續發酵又稱連續培養，連續發酵過程是當微生物培養到對數期時，在發酵罐中一方面以一定速度連續不斷地流加新鮮液體培養基，另一方面又以同樣的速度連續不斷地將發酵液排出，使發酵罐中微生物的生長和代謝活動始終保持旺盛的穩定狀態，而pH值、溫度、營養成分的濃度、溶解氧等都保持一定，並從系統外部予以調整，使菌體維持在恆定生長速度下進行連續生長和發酵，這樣就**提高了發酵的生長效率和設備利用率。
開放式連續發酵
在開放式連續發酵系統中，培養系統中的微生物細胞隨著發酵液的流出而一起流出，細胞流出速度等於新細胞生成速度。因此在這種情況下，可使細胞濃度處於某種穩定狀態。另外，最後流出的發酵液如部分返回(反饋)發酵罐進行重複使用，則該裝置叫做循環系統，發酵液不重複使用的裝置叫做不循環系統。
封閉式連續發酵
在封閉式連續發酵系統中，運用某種方法使細胞一直保持在生物反應器內，並使其數量不斷增加。這種條件下，某些限制因素在生物反應器中發生變化，最後大部分細胞死亡。因此在這種系統中，不可能維持穩定狀態。封閉式連續發酵可以用開放式連續發酵設備加以改裝，只要使用部分菌體重新循環。另一種方法是採用間隔物或填充物置於設備內，使菌體在上面生長，發酵液流出時不帶細胞或所帶細胞極少。
透析膜連續發酵是一個新方法，它是採用一種具有微孔的有機膜將發酵設備分隔，這種膜只能通過發酵產物，而不能通過菌體細胞。這樣，將培養液連續流加到發酵設備的具有菌體的間隔中，微生物的代謝產物就通過透析膜連續不斷地從另一間隔流出。在一些發酵過程中，當發酵液中代謝產物積累到一定程度時就會抑制它的繼續積累，而採用透析膜發酵的方法可使代謝產物不斷透析出去，發酵液中留下不多，因而可以提高產物得率。
套用領域範圍
微生物發酵生產水平主要取決於菌種本身的遺傳特性和培養條件。發酵工程的套用範圍有：
醫藥工業，食品工業，能源工業，化學工業，農業：改造植物基因；生物固氮；工程殺蟲菌生物農藥；微生物飼料。環境保護等方面。
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，以及一些加熱後易揮發物質，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，如胺基酸、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。由於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
優酪乳
牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發酵，將乳糖分解，並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，優酪乳是營養豐富、易消化，少含乳糖，是適合於有乳糖不適應症者的優良食品。
醪糟
又稱酒釀，是大米經蒸煮後，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澱粉酶，將大米中的澱粉水解成葡萄糖，同時利用部分葡萄糖發酵產生酒精。由於使用的根黴菌種不同，可以生產不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。
麵包
麵包均是利用活性乾酵母（麵包酵母）經活化後，與麵粉混合發酵，再加入各種添加劑，經烤制生產的。麵粉發酵後澱粉結構發生改變，變得易於消化、營養易於吸收。
糖果、餅乾、果凍等添加了紅曲色素，以調節色澤；
果汁、餅乾、麵包、點心、速食麵等添加了黃原膠，起懸浮、穩定、增稠、改善口感、防止粘牙、延長儲存期等作用；
各類罐頭，包括蔬菜、水果、蘑菇、魚類、肉類、蛋類罐頭，香腸，包裝奶等添加了乳鏈桿菌肽，以保鮮、防腐，保存營養和改善口感等；
各種果汁、啤酒和飲料中均需使用檸檬酸或乳酸作為酸味劑調節口味、口感；
飯店、食堂和家庭製作的菜餚中常加味素或肌苷，以增加鮮味。
相關概念
初級代謝產物
微生物通過初級代謝途徑，產生微生物自身生長繁殖所必需的代謝產物。
次級代謝
是微生物在一定的生理階段出現的一種特殊代謝類型，是某些微生物為了避免在代謝過程中某些代謝產物的積累造成的不利作用，而產生的一類利於生存的代謝類型，次級代謝產物通常是在生產後期合成。
濕熱滅菌法
按被滅菌物品的性質不同，選擇不同溫度的濕熱蒸汽進行滅菌，此法在同一溫度下比干熱殺菌效力大。
連續滅菌
培養基在發酵罐外經過一套滅菌設備連續的加熱滅菌，冷卻後送入已滅菌的發酵罐內的滅菌工藝過程，又稱連消。
誘變育種
菌種初篩
是從分離得到的大量菌種中將合成目的產物的菌種篩選出來的過程。初篩可分為平板篩選和搖瓶發酵篩選。
菌種復篩
對初篩出來的菌種進行復篩，通常採用搖瓶培養法，一般一個菌株至少要重複3~5個瓶，培養後的發酵液必須採用精確分析方法測定。
自然選育
種子擴大培養
是指將保存在沙土管、冷凍乾燥管、斜面試管等中處於休眠狀態的生產菌種接入試管斜面活化後，再經過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養而獲得一定數量和高質量的純種的過程。
巴斯德消毒法
將待消毒的物品在60~62℃加熱30min或在70℃加熱15min，以殺死其中的病原菌和一部分微生物的營養體。
輻射滅菌法
利用高能量的電磁輻射和微粒輻射來殺死微生物。
微生物轉化
是指利用微生物代謝過程中的某些酶或酶系將一種化合物轉化成含有特殊功能基團產物的生物化學反應。
質粒
是一種能夠獨立複製的染色體外遺傳因子。
抗生素
是青黴素、鏈黴素、紅黴素和四環素等一類化學物質的總稱，是生物在其生命過程中產生的能在低濃度下有選擇性地抑制或殺死其他微生物或腫瘤細胞的有機物質。
連續發酵
是指以一定的速度向發酵罐內連續添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恆定，微生物在穩定狀態下生長或生產。
菌種活化
消沫劑
工業發酵中用於消除發酵中產生的泡沫，防止逃液和染菌，保證生產的正常運轉。
空氣分布器
是把無菌空氣引入發酵罐中並分布均勻的裝置，有單孔管、多孔環管及多孔分支環管等幾種。
雜交育種
一般指兩個基因型不同的菌株通過結合或原生質體融合使遺傳物質重新組合，再從中分離和篩選出具有新性狀的菌株。
基因工程育種
是套用基因工程手段進行的，基因工程師一種DNA體外重組技術，是在分子水平上，根據需要，用人工方法取得供體DNA上的基因，在體外重組於載體DNA上，再轉移入受體細胞，使其複製、轉錄和翻譯，表達出供體基因原有的遺傳性狀。
富集培養
由於採集樣品中各種微生物數量有很大差異，若估計到要分離的菌種數量不多時，就要人為增加分離的機率，增加該菌種的數量。
原生質體融合
用酶法將細胞膜外側的細胞壁除掉，製備成無細胞壁的球狀細胞體即原生質體，將兩種來源於微生物細胞A和B的原生質體，在融合誘導劑的存在下等量混合起來，可使原生質體表面形成電極性，相互之間容易吸引、脫水黏合而形成聚合物，進而使原生質體收縮變形，緊密接觸處的膜先形成原生質橋，逐漸增大而實現融合。融合的原生質體在適當條件下可再生出細胞壁而形成一個新細胞。（用脫壁酶處理將微生物細胞壁除去，製成原生質體，再用聚乙二醇促使原生質體發生融合，從而獲得異核體或重組合子。）
生物處理法
就是在發酵工業廢渣水中利用各類微生物的新陳代謝功能進行物質轉化的過程，使廢水中呈溶解和膠狀的有機物被降解並轉化成為無害的物質，廢渣水中的有機物和一些有毒物質（如酚等）不斷被轉化分解或吸附沉澱，從而達到淨化污水、消除公害的目的。
