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微生物發(fā)酵你不得不了解的基礎(chǔ)知識(shí)

微生物發(fā)酵是指利用微生物(包括細(xì)菌、真菌、酵母等)進(jìn)行代謝反應(yīng)獲得所需產(chǎn)物的技術(shù)過(guò)程。以下是微生物發(fā)酵的基礎(chǔ)知識(shí)：
1.微生物發(fā)酵的基本原理：微生物在特定條件下完成各種代謝反應(yīng)，將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其他有用物質(zhì)。
2.液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵：液態(tài)發(fā)酵常用于生產(chǎn)小分子有機(jī)物，如乙酸、酒精等；而固態(tài)發(fā)酵則常用于生產(chǎn)大分子有機(jī)物，如酶、抗生素、維生素等。
3.發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化：包括pH值、溫度、氣體組成、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等因素的控制。優(yōu)化這些條件可以提高微生物代謝的效率，產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
4.發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化：發(fā)酵的產(chǎn)物可能和微生物混合在一起，需要將其分離純化才能得到所需產(chǎn)物。純化的方法包括沉淀法、吸附法、膜分離法等。
5.微生物質(zhì)量的控制：保持微生物的健康狀態(tài)、控制微生物種群的構(gòu)成、避免微生物的污染對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的成功至關(guān)重要。
6.化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究：從微觀層面解析微生物在發(fā)酵過(guò)程中的行為代謝途徑和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，可以為發(fā)酵工藝的優(yōu)化和產(chǎn)物質(zhì)量的提高提供更深入理論基礎(chǔ)。
微生物發(fā)酵產(chǎn)物的類(lèi)型
微生物發(fā)酵在工業(yè)上可分為菌體作為目的產(chǎn)物、微生物產(chǎn)生的酶作為目的產(chǎn)物、微生物代謝產(chǎn)物作為目的產(chǎn)物和將添加的化學(xué)物質(zhì)通過(guò)微生物進(jìn)行化學(xué)改變或修飾后作為目的產(chǎn)物四個(gè)主要類(lèi)型。
(1) 微生物菌體
主要以菌體細(xì)胞作為發(fā)酵產(chǎn)品，包括酵母，各種單細(xì)胞蛋白，作為生物防治的蘇云金桿菌及各種人、畜疾病防治用的疫苗等。此外是從菌體細(xì)胞中提取有用的發(fā)酵產(chǎn)物，如由酵母細(xì)胞提取輔酶A、核糖核酸等產(chǎn)品。有的抗生素主要存在菌絲體中，如灰黃霉素產(chǎn)生菌在發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的灰黃霉素主要存在于菌絲體中，因此，也要從菌絲體中進(jìn)行提取。
酵母細(xì)胞圖解
(2) 微生物的酶
微生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。主要被用在食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)及其與之相關(guān)的工業(yè)中。酶的生產(chǎn)受到微生物的嚴(yán)格調(diào)控。為了提高酶的生產(chǎn)能力，必須改善這些調(diào)控體系。
酶的誘導(dǎo) 
在這些調(diào)控體系中，有酶的誘導(dǎo)和酶的反饋抑制等。通過(guò)向培養(yǎng)基中添加誘導(dǎo)因子或使菌種變異而改善調(diào)控體系，可使菌體的產(chǎn)酶能力大幅提高。目前，工業(yè)上使用的酶大都來(lái)自微生物發(fā)酵。
酶的反饋抑制 
我國(guó)酶制劑以淀粉酶、蛋白酶、糖化酶為主，多用于食品和輕工業(yè)中，如將微生物生產(chǎn)的淀粉酶和糖化酶用于淀粉的糖化等。在醫(yī)藥生產(chǎn)和醫(yī)療檢測(cè)方面，酶的應(yīng)用也很廣。
(3) 微生物的代謝產(chǎn)物
微生物的代謝產(chǎn)物分為初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物，包括各種有機(jī)酸、有機(jī)溶劑、氨基酸、核苷酸類(lèi)物質(zhì)、抗生素、多糖、維生素及甾體激素等，可以被用在各行各業(yè)。
微生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程分為延滯期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物如氨基酸、核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物等對(duì)菌體的生長(zhǎng)繁殖是必需的物質(zhì)。這些產(chǎn)物稱(chēng)為初級(jí)代謝產(chǎn)物；很多初級(jí)代謝產(chǎn)物都具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值，被工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。由于在野生菌株中初級(jí)代謝產(chǎn)物只是菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的量，代謝過(guò)程存在反饋調(diào)節(jié)、反饋?zhàn)瓒舻茸饔茫荒墚a(chǎn)生過(guò)多。因此，工業(yè)上為了使產(chǎn)物能更有效地蓄積，采用誘變等方法使菌株變異來(lái)進(jìn)行改良或調(diào)整培養(yǎng)條件等，在得到更多的產(chǎn)物方面下工夫。
微生物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程 
在菌體生長(zhǎng)的穩(wěn)定期，有時(shí)一些菌體能合成在生長(zhǎng)期中不能合成的，與菌的本質(zhì)代謝不直接相關(guān)的物質(zhì)，這些物質(zhì)稱(chēng)為次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長(zhǎng)因子等。形成次級(jí)代謝產(chǎn)物的菌體生長(zhǎng)時(shí)期叫生產(chǎn)期，這樣的次級(jí)代謝產(chǎn)物在連續(xù)發(fā)酵時(shí)，要在低稀釋率，即菌的生長(zhǎng)非常慢甚至在幾乎認(rèn)為不生長(zhǎng)的培養(yǎng)條件下才易生成。另外，在自然環(huán)境下，微生物生長(zhǎng)速度比較低，由此可以想到，在自然界中，微生物在穩(wěn)定期會(huì)產(chǎn)生比對(duì)數(shù)期更復(fù)雜、種類(lèi)更多的代謝產(chǎn)物。
(4) 微生物轉(zhuǎn)化
微生物可以通過(guò)酶的作用，把某些化合物轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)相似但更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的物質(zhì)，這種轉(zhuǎn)化一般是通過(guò)糖苷鍵反應(yīng)、羥基化、脫氫(脫水)反應(yīng)、酯化反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、水合反應(yīng)、異構(gòu)化等的酶促反應(yīng)。 
乙醇和乙酸酯化反應(yīng)
由微生物進(jìn)行的這些反應(yīng)相對(duì)于化學(xué)合成法而言，優(yōu)點(diǎn)是不使用特殊的化學(xué)藥品，不使用容易發(fā)生污染的重金屬催化劑，且在相對(duì)較低的溫度下就可進(jìn)行反應(yīng)，比如把酒精轉(zhuǎn)換為醋酸的醋就是利用微生物轉(zhuǎn)換反應(yīng)的代表。近年來(lái)，更高附加值的化學(xué)品也通過(guò)各種微生物反應(yīng)生產(chǎn)了出來(lái)，如抗生素、前列腺素等都可通過(guò)微生物化學(xué)的轉(zhuǎn)換及修飾法產(chǎn)生。
為了提高反應(yīng)的效率，用這些微生物化學(xué)的轉(zhuǎn)換及修飾法時(shí)，一般高濃度的菌體是必要的。因此，把菌體或從菌體提取分離到的酶固定，確保有其高密度的生物酶而進(jìn)行反應(yīng)，即固定化細(xì)胞或固定化酶，是其很重要的發(fā)展方向。