【正文】 engineering)（ 2）酶工程 (蛋白質(zhì)工程 )(Enzyme engineering amp。一些最新型的過(guò)程，是將全細(xì)胞或其中有催化作 用的酶固定在惰性載體上。如利用生物轉(zhuǎn)化過(guò)程生產(chǎn)甾體、手性藥物、抗生素和前列腺素。將乙醇用微生物轉(zhuǎn)化成乙酸，已是成熟的生產(chǎn)方法。生物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)比用特定的化學(xué)試劑有更多的優(yōu)點(diǎn)。 谷氨酸（ C5N） 四、轉(zhuǎn)化過(guò)程 1，定義 生物細(xì)胞或其產(chǎn)生的酶能將一種化合物轉(zhuǎn)化成化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，但在經(jīng)濟(jì)上更有價(jià)值的化合物。野生型微生物只能產(chǎn)生濃度很低的次級(jí)代謝物。許多次級(jí)代謝物具有抗微生物活性，另一些則是某一特定酶的抑制劑、生長(zhǎng)促進(jìn)劑或具有特殊藥理作用。產(chǎn)生菌細(xì)胞在產(chǎn)生次級(jí)代謝時(shí)的生理學(xué)規(guī)律，曾經(jīng)是重要的討論主題。通常，絲狀菌、真菌以及產(chǎn)芽孢的 細(xì)菌都能進(jìn)行次級(jí)代謝，而腸道細(xì)菌則都不能。圖中的次級(jí)代謝產(chǎn)物是由眾多微生物所產(chǎn)生。圖中的初級(jí)代謝途徑是極大多數(shù)微生物的常見(jiàn)途徑。初級(jí)代謝物與次級(jí)代謝物之間的關(guān)系見(jiàn)圖。因此，推斷微生物在天然環(huán)境中，是以相對(duì)低的速率生長(zhǎng)的；即在自然界中，是以分化期，而不是以營(yíng)養(yǎng)期占優(yōu)勢(shì)。只有在繼續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，細(xì)胞 處于不生長(zhǎng)或緩慢生長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)次級(jí)代謝。這些化合物稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物。工業(yè)微生物學(xué)家的任務(wù)是改良野生型微生物并改善培養(yǎng)條件，以增進(jìn)這些化合物的生產(chǎn)能力。 利用發(fā)酵生產(chǎn)的許多初級(jí)代謝產(chǎn)物，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義，列表總結(jié)于下表中。這些產(chǎn)物稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物。 除以動(dòng)力學(xué)描述微生物的生長(zhǎng)外，還可以按生長(zhǎng)曲線中不同時(shí)期所產(chǎn)生的產(chǎn)物來(lái)分期。接著細(xì)胞生長(zhǎng)停滯進(jìn)入所謂穩(wěn)定期。向培養(yǎng)基中接種菌種后，并不立即開(kāi)始生長(zhǎng)，可能是個(gè)適應(yīng)時(shí)期，這個(gè)階段稱為延緩期。此外，還有一些在醫(yī)療上作為診斷試劑或分析試劑用的特殊晦制劑也在深入研究和應(yīng)用。 近半人世紀(jì)以來(lái)，提純結(jié)晶的酶制劑已在百種以上。酶的生產(chǎn)是受到微生物本身嚴(yán)格控制。關(guān)于微生物的酶的應(yīng)用，列表總結(jié)于下表。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)。作為食用蛋白質(zhì)來(lái)源的微生物細(xì)胞的生產(chǎn)，直到 1960 年才作深 入的研究。早在 1900 年時(shí)，面包酵母已經(jīng)形成大生產(chǎn)的規(guī)模。 一、菌體 工業(yè)生產(chǎn)的微生物體，可分為二種。以后的發(fā)展計(jì)劃，包括連續(xù)不斷的改良菌種、培養(yǎng)基和提取過(guò)程 2，發(fā)酵過(guò)程示意圖 典型的發(fā)酵過(guò)程示意圖 3， 發(fā)酵生產(chǎn)的條件 （ 1）某種適宜的微生物 （ 2）保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧 pH 等） （ 3）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 （ 4）提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備 五，發(fā)酵工業(yè)范圍 1，釀酒工業(yè) (啤酒、葡萄酒、白酒等 ) 2，食品工業(yè) (醬、醬油、醋、腐乳、面包、酸乳等 ) 3，有機(jī)溶劑發(fā)酵工業(yè) (酒精、丙酮、丁醇等 ) 4，抗生素發(fā)酵工業(yè) (青霉素、鏈霉素、土霉素等 ) 5，有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè) (檸檬酸、葡萄糖酸等 ) 6，酶制劑發(fā)酵工業(yè) (淀粉 酶、蛋白酶等 ) 7，氨基酸發(fā)酵工業(yè) (谷氨酸，賴氨酸等 ) 8，核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工業(yè) (肌苷酸、肌苷等 ) 9，維生素發(fā)酵工業(yè) (維生素 C、維生素 B 等 ) 10，生理活性物質(zhì)發(fā)酵工業(yè) (激素、赤霉素等 ) 11，微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè) (酵母、單細(xì)胞蛋白等 ) 12，微生物環(huán)境凈化工業(yè) (利用微生物處理廢水、污水等 ) 13，生物能工業(yè) (沼氣、纖維素等天然原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等，能源物質(zhì) ) 14，微生物冶金工業(yè) (利用微生物探礦、冶金、石油脫硫等 ) 第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型 工業(yè)上的發(fā)酵產(chǎn)品，有四個(gè)主要類別： 1，以 菌體為產(chǎn)品； 2，以微生物的酶為產(chǎn)品； 3，以微生物的代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品； 4，將一個(gè)化合物經(jīng)過(guò)發(fā)酵改造化學(xué)結(jié)構(gòu) 生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。在建立發(fā)酵過(guò)程以前，首先要分離出產(chǎn)生菌，并改良菌種，使所產(chǎn)生的產(chǎn)物符合工業(yè)要求。 六個(gè)部分之間的關(guān)系如圖所示。 5，按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類型。 3，按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。 三、發(fā)酵的類型 根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對(duì)氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類型： 1，按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分 ：糖類物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。 7，工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，開(kāi)可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。 4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)?一性地和高度選擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物?；谶@ —特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。 2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。 二、發(fā)酵的特點(diǎn) 發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的 化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。同時(shí)獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。 2，發(fā)酵的定義 （ 1） 狹義 “發(fā)酵 ”的定義 在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。實(shí)際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過(guò)呼吸作用最終 生成 CO2 和水，而發(fā)酵最終是獲得各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵是生命體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和生理變化，是多種多樣的生物化學(xué)反應(yīng)根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來(lái)維持生命活動(dòng)的過(guò)程。在生物化學(xué)中把酵母的無(wú)氧呼吸過(guò)程稱作發(fā)酵。英語(yǔ)中發(fā)酵一詞fermentation 是從 拉丁語(yǔ) fervere 派生而來(lái)的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)的現(xiàn)象。在本章中，我們將對(duì)發(fā)酵的基本概念，工業(yè)上常用的微生物及其生長(zhǎng)代謝特性，以及發(fā)酵工程原理作 — 簡(jiǎn)單介紹。第一章 緒 論 第一節(jié) 概述 工業(yè)發(fā)酵是利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的一門現(xiàn)代工業(yè)，而現(xiàn)代發(fā)酵工程則是指直接把微生物 (或動(dòng)植物細(xì)胞 )應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系，是在化學(xué)工程中結(jié)合了微生物特點(diǎn)的一門學(xué)科。因而發(fā)酵工程有時(shí)也稱作微生物工程。 一、基本概念 1，發(fā)酵一詞的來(lái)源 發(fā)酵現(xiàn)象早巳被人們所認(rèn)識(shí)，但了解它的本質(zhì)卻是近 200 年來(lái)的事。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。我們現(xiàn)在所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中或反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)代謝使之達(dá)到平衡的物質(zhì)。因而，現(xiàn)代對(duì)發(fā)酵的定義應(yīng)該是：通過(guò)微生物（或動(dòng)植物細(xì)胞）的生長(zhǎng)培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過(guò)程。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。 （ 2） 廣義 “發(fā)酵 ”的定 義 工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過(guò)程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。 3， 發(fā)酵工程（ Fermentation Engineering）的定義 應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會(huì)性服務(wù)的一門科學(xué)。其主要特點(diǎn)如下： 1，發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)。 3，發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單 — 的代謝產(chǎn)物。 5，發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。 6，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品 。 基于以上特點(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。除了使用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌’來(lái)進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。 2，按發(fā)酵產(chǎn)物來(lái)區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。 4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。 四、發(fā)酵過(guò)程的組成部分 1，發(fā)酵過(guò)程的組成 除某些轉(zhuǎn)化過(guò)程外，典型的發(fā)酵過(guò)程可以劃分成六個(gè)基本組成部分： （ 1）繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份設(shè)定； （ 2）培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的 滅菌； （ 3）培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中； （ 4）微生物在最適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐中生長(zhǎng)； （ 5）產(chǎn)物萃取和精制； （ 6）過(guò)程中排出的廢棄物的處理。研究和發(fā)展計(jì)劃，總是圍繞著就逐步改善發(fā)酵的全面效益而進(jìn)行的。然后測(cè)定培養(yǎng)的需求，設(shè)計(jì)包括提取過(guò)程在內(nèi)的工廠。 這些過(guò)程的發(fā)展史，將在稍后予以討論，但首先要對(duì)四類產(chǎn)品作簡(jiǎn)要的敘述。一種是供制備面包用的酵母；另一種是作為人類或動(dòng)物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞蛋白質(zhì)）。作為人類食物的酵母生產(chǎn)，則是在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)在德國(guó)發(fā)展起來(lái)的。 二、微生物的酶 工業(yè)上，曾由植物、動(dòng)物和微生物生產(chǎn)酶。而且與植物或動(dòng)物相比，改進(jìn)微生物的生產(chǎn)能力也方便得多。從表中可以看出微生物的酶主要應(yīng)用于食品及其有關(guān)工業(yè)中。為改進(jìn)酶的生產(chǎn)能力可以改變這些控制，如在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物和采用菌株的誘變和篩選技術(shù)，以消除反饋?zhàn)瓒糇饔?。例如，廣泛用于食品加工、纖維脫漿、葡萄糖生產(chǎn)的淀粉酶就是一種 最常用的酶制劑，其他如可用于澄清果汁、精煉植物纖維的果膠酶，以及在皮革加工，飼料添加劑等方面用途廣泛的蛋白酶等，都是在工業(yè)和醫(yī)藥上十分重要的酶制劑。 三、微生物代謝產(chǎn)物 微生物的生長(zhǎng)過(guò)程，可分為幾個(gè)階段。然后細(xì)胞的生長(zhǎng)率逐漸增加，而達(dá)到最大生長(zhǎng)率，并成為一個(gè)常數(shù)，這時(shí)稱為對(duì)數(shù)成長(zhǎng)期。隨后，活細(xì)胞數(shù)下降，培養(yǎng)液進(jìn)入死亡期。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中，所產(chǎn)生的產(chǎn)物，主要是供給細(xì)胞生長(zhǎng)的物質(zhì)，入氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類和碳水化合物等。能產(chǎn)生這些物質(zhì)的生長(zhǎng)階段（相當(dāng)于對(duì)數(shù)期）稱為營(yíng)養(yǎng)期（ Trophophase）。野生型的微生物所產(chǎn)生的初級(jí)代謝產(chǎn)物，只限于微生物本身的需要。 微生物的 初級(jí)代謝產(chǎn)物及其在工業(yè)上的用途 初級(jí)代謝產(chǎn)物 用 途 乙醇 檸檬酸 丙酮和丁醇 谷氨酸 賴氨酸 核苷酸 含酒精飲料中的活性成份 與石油混合后，可作為汽車的燃料 食品工業(yè)與化學(xué)工業(yè)中多種用途 溶劑 調(diào)味品 食品添加劑 調(diào)味品 多糖 維生素 食品工業(yè) 提高油類回收率 食品添加劑 有些微生物的穩(wěn)定期培養(yǎng)物中所含有的化合物，并不在營(yíng)養(yǎng)期時(shí)出現(xiàn)，而且未見(jiàn)到對(duì)細(xì)胞代謝功能有明顯的影響。這個(gè)生長(zhǎng)期（相當(dāng)于穩(wěn)定期）則稱為分化期（ Idiophase）。這一點(diǎn)是十分重要的。這是微生物在培養(yǎng)過(guò)程中的另一個(gè)特性。 從圖中可見(jiàn)到次級(jí)代謝產(chǎn)物是由初級(jí)代謝的中間體和產(chǎn)物合成而得。各種次級(jí)代謝產(chǎn)物，只是極少數(shù)幾個(gè)微生物種才能合成的。當(dāng)然，并不是所有微生物都能進(jìn)行次級(jí)代謝。次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的微生物在分類學(xué)上的分布截然不同。由于次級(jí)代謝產(chǎn)物在工業(yè)上的重要性，促使人們對(duì)微生物的注意力超過(guò)了它們的產(chǎn)物。和初級(jí)代謝物一樣，許多次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)形成多種形式的發(fā)酵過(guò)程。它們的生物合成受到誘導(dǎo)、降解物的阻遏和反饋系統(tǒng)的控制。轉(zhuǎn)化反應(yīng)是催化脫氫、氧化、羥化、縮合、脫羧、氨化、脫氨化或同分異構(gòu)作用。反應(yīng)是在常溫下進(jìn)行，而且還不需要重金屬催化劑。微生物轉(zhuǎn)化還可以生產(chǎn)更有價(jià)值的化合物。 轉(zhuǎn)化發(fā)酵過(guò)程的奇特之處是先產(chǎn)生大量菌體，然后催化單一反應(yīng)。具有催化作用的固定化細(xì)胞可以反復(fù)多次使用。 Protein engineering) （ 3）基因工程 (Geic engineering) （ 4）細(xì)胞工程 (Cell engineering)2，是生物工程中其他技術(shù)產(chǎn)業(yè)化表達(dá)的重要手段 基因工程菌 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng) 3，生命科學(xué)研究的對(duì)象或載體 第四節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史 一、國(guó)外發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展概況 發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史，可以劃分成五個(gè)階段。當(dāng)時(shí)只限于含酒精飲料和醋的生產(chǎn)。即使在早期的釀造中，也嘗試對(duì)過(guò)程的控制。在 18 世紀(jì)中期， CagniardLatour, Schwann 和 Kutzing 分別證實(shí)了酒精發(fā)酵中的酵母活動(dòng)規(guī)律。在 18世紀(jì)后期， Hansen在 Calsberg釀造廠中開(kāi)始其開(kāi)拓工作。在英國(guó)麥酒釀造中并未運(yùn)用純種培養(yǎng)。 醋的生產(chǎn)，原先是在淺層容器中進(jìn)行，或是在未充滿啤酒的木桶中，將殘留的酒經(jīng)緩慢氧化而生產(chǎn)醋，并散發(fā)出一種天然香味。在發(fā)生器中，填充惰性物質(zhì)（如焦碳、煤和各種木刨花），