發酵工程技術近年來在各領域的應用及發展前景

胡迎峰 趙銳 劉康

摘? 要：微生物中的酶已在工農業生產中廣泛應用，發酵工程技術取得了重大進步。該文對發酵工程在食品生產、污染整治、發酵制藥、農業生產等方面的應用和發展進行了綜述。

關鍵詞：發酵工程;食品工業;農業生產;微生物制藥;污染整治;造紙

中圖分類號 Q815文獻標識碼 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

發酵工程是現代生物工程技術中的一種“舊改新”技術。利用生物學基礎理論，改良微生物的一些特殊功能，為社會提供更多優質的產品或將微生物直接應用于工農業生產。其內容包含微生物的選擇、營養條件的確定、滅菌、種子罐擴大化培養、接種，以及在發酵后期中的產品分離純化等。

從古至今，人類都沒有放棄對發酵工程的研究，不斷致力于改進工藝，提高生產效益，并尋找方法將發酵工程應用到更廣泛的領域。進入21世紀的第2個10年至今，人們仍在不斷致力于追尋更高效率、更易被控制、更環保的發酵方法，并運用發酵工程技術去拓展其他方面的應用。

1 發酵工程在食品工業中的應用

1.1 傳統食品發酵工藝的改良 國內現有的食品工藝大多來源于當地居民在數千年來的歷史發展中，根據自己的生活常識，融合當地的自然條件，并不斷創新而形成。但隨著科學技術的進步，對傳統食品工業的改良勢必在行。利用現代生物學的基礎理論，對傳統食品的發酵工藝進行理論上的分析，并推理設計出更合理的發酵途徑，對菌種不斷進行純化，提高生產效率，改善口味，讓整個發酵過程更穩定可控，產品更優質安全。

在傳統食品的生產中，與發酵最為密切相關的為“醬、醋、茶”3大類。酒精與醋酸發酵出自同種方法，這里以酒精發酵為例，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酵，變成清香宜人的果酒。

酒精的發酵總反應式為：

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，畢希納才發現部分菌種在經破碎處理后的提取物依然可以進行整個發酵過程。由此我們可以推斷出對碳水化合物進行酒精發酵的物質并不是某些微生物，而是這些微生物體內分泌產生的某種物質所導致的，這種物質就是我們常見的——酶。這個發現為我們現代化的制酒工業奠定了堅實的基礎[1]。目前對酒精生產的改良策略主要包括以下3個方面：①利用基因工程、細胞工程等，優選更加適合生產的酵母菌，改良酵母菌的生產菌株;②對發酵過程的生產工藝進行改進，包括發酵罐及配套設備、復合酶添加過程營養限制因子的改進等[2];③在發酵過程中，對生產純化工藝及生產途徑的改進。

1.2 食品添加劑的生產 采用化學方法制取食品添加劑的成本低廉，但其生產所需時間較長且長期攝入此類物質，會對人體產生傷害。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?；a。因此現代發酵工程，是食品添加劑生產制備的最好方法[3]。以谷氨酸鈉發酵為例，將傳統谷氨酸發酵工藝分為2類：①生物素亞適量菌種發酵法，采用單發酵罐進行等電離子交換的方法，進行谷氨酸的制取，簡稱“亞適量等電離交”法。由于此工藝耗能嚴重，且會對環境造成嚴重污染，產量與成本不相匹配，已逐漸被淘汰。②溫度敏感型菌種發酵法，即使用濃縮等電連續提取谷氨酸的工藝，簡稱“溫敏濃縮等電”法。盡管此工藝成本低廉、排廢量較小、發酵強度高，但其產量較低。目前各大味精廠家針對傳統工藝的缺陷，對發酵的流程進行重新設計，創新性的采用“超亞適量轉晶等電離交”法。該工藝在一定程度上，對以上工藝的弊端進行了改良，但生產的產品依舊存在成色不佳的現象，此外該工藝的副產品成色相對較好[4]。

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

2 發酵工程在農業生產中的應用

2.1 利用農作物廢棄物生產食用菌 秸稈中富含各類蛋白質，是優質的食用菌基質。研究人員通過發酵工程，在適宜的環境和條件中，將秸稈轉化為良好的食用菌基質，生產出多種食用菌，為人類餐桌提供綠色、健康、營養豐富的食用菌食品。

2.2 利用菌糠生產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，降解后富含有機質和各種礦物質元素。N、P、K含量高于秸稈和糞便等其他傳統肥料，可作為優良的堆肥材料。研究人員對堆肥中接種高溫纖維菌的工藝進行了深入研究。結果表明，在45d后，有機肥的pH值、有機質含量、總養分等各項指標均達到有機肥標準（NY525-2002）[5]。菌糠的營養含量較為豐富，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，營養價值很高。食用菌糠粉碎后可直接用作飼料來喂養牲畜[6]。

3 發酵工程在污染整治中的應用

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，并發生相應反應，將其轉化為N2。

3.2 發酵工程煙氣脫硫 煙氣中含有大量的SO2，其中一部分的物質被物理吸附或化學吸附進而轉化為硫酸。另外，一些SO2受到微生物的影響，使上述轉化率更快。在吸附過程中，由于微生物的存在，[Fe2+]和[Fe3+]會不斷地相互轉化，使反應進行得更快。由于[Fe3+]是一種氧化性較強的離子，且該離子的濃度越高，相應的脫硫速率也會相應加快。在這一過程中，生成的[Fe2+]可作為微生物所需的營養物質，也可轉化為[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胞中。當O3進入胞內后，將被微生物體內的各種酶分解，為其生長提供營養和能量，最終完全去除臭味[8]。

4 發酵工程在藥物生產中的應用

利用微生物對藥物進行生產制備的方法，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酵工程進行生產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有微生物的改良篩選、制備工藝的探索、產品跟進等方面的研究。目前，基因工程技術和細胞工程技術在微生物菌種改良中發揮了關鍵的作用。上世紀以來，隨著基因工程技術、細胞融合技術等的不斷進步，發酵工業進入了全新的階段。其產品從傳統的酒精醬料，逐漸發展到多種藥物原料，如胰島素（蛋白質）、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生的各類物質，對中國傳統醫學（中醫）具有極大的促進作用。這種傳統中藥（TCM）的生產方式比一般方式生產的更加優越，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展方向，產生新的效果，更加針對性的治療各種癥狀，充分保護了中藥成分，避免對中藥活性成分的損害，從而做到節約中藥資源的優勢[9]。

5 發酵工程在其他方面中的應用

5.1 造紙業 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種方法的技術原理基本相同，主要區別于操作方法和所使用的器具。具有降解木質素能力的微生物（真核真菌中的木質素降解酶系統，如漆酶、錳過氧化物酶、木質素過氧化物酶等）對植物纖維原料中木質素進行選擇性的降解。由于木質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 發酵工程在植物保護中的作用是應用微生物生產的激素、抗生素等來生產生物農藥，治理病蟲害。目前，生物農藥在我國已廣泛應用，這類產品主要有生產成本較低、安全性高、效率較高、使用無污染等優勢，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行改良，研制出BT菌株并應用于工廠化生產中。主要優勢在于安全性較高，為人類提供所需的綠色食品，特別是為無污染農產品的生產提供了機遇。目前，我國抗生素生產已在國際社會占有重要地位，尤其是在剛達美星和阿維菌素生產方面已經成為世界上最大的生產國。該病毒株作為生產殺蟲劑的原料，安全高效[10]。

6 發展前景及展望

自上個世紀以來，人類已在生命科學領域取得長足進展，發酵工程作為其中一大分支，在我們的身邊的各行各業中都發揮著很大的作用，為經濟的發展貢獻著自己的力量?，F如今，發酵工業早已經不只是生產農產品及農副產品，它和人們的生命健康等各方面都產生了巨大的相關性，具有很大的發展潛力。發酵工程在現代食品工業、農業生產、環境保護、醫療，輕工業等行業的快速發展，充分體現了發酵工程具備極強的生命力和發展潛能。增加發酵工程的理論研究，并對其在生產生活中的性能和附加值加以重視，生產出更多的品種，使現代發酵工程得以平穩發展。

發酵工程不僅為人們的日常生活提供了很多幫助，而且將使生物技術走向產業化和精細化。隨著物質文明的多樣性和豐富性的不斷提高，安全性、高效性和環保性是發酵工程領域關注的重點，同樣也是發酵工程的基礎。在食品工程中，發酵工程早已成為至關重要的一部分。如今，食品安全問題已經成為人們廣泛關注的話題，發酵工程如何在這樣的環境中發展，在這樣充滿機遇和挑戰性的社會中占據更重要的地位，是我們必須考慮的問題。

而在環境保護的新型應用方向，發酵工程技術手段依舊處于理論積累時期，不具備產業化的能力。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設施研究力度不足，無法產生可觀的經濟效應，缺乏民間資本的投入。將理論轉化為實際，缺少具有高效率的產業化設計。因此，在進行發酵工程治理污染研究的進程中，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濟發展帶來動力，并發展多菌群處理污染物的研究，同時應當繼續加強對高效經濟的配套設施研究，以促進微生物工程治理污染物的市場化發展，吸引民間資本的加入。

發酵工程的研究和發展不能僅依賴于國家財政的支持，各研究院所、各高校應積極與生物技術企業合作，將理論轉化為技術，將技術轉化為產品，并取得相應經濟效益，以此推動微生物技術的理論研究，使發酵工程的發展處于一個良性循環。

參考文獻

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