微生物工程原理综述

1、发酵技术的发展及应用摘要：介绍了传统发酵的现状、应用，传统食品发酵存在的问题，以及传统发酵食品工艺的高新技术改造；现代发酵技术及其应用。关键词：发酵 传统发酵 现代发酵 引 言 发酵，指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型：按发酵原料来区分，糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型；按发酵产物来区分，如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等；按发酵形式来区分，固态发酵和深层液体发酵；按发酵工艺流程区分，分批发酵、连续发酵和流加发酵；按发酵过程

2、中对氧的不同需求来分，一般可分为厌氧发酵和通风发酵两大类型。发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近200年来的事。我国传统发酵食品历史悠久，分布广泛，原料来源广，口感风味多样, 具有丰富的营养价值和保健功能，深受人们的喜爱。然而我国传统发酵食品的总体工业化程度较低，技术发展滞后1。在传统发酵食品生产中，采用现代高新技术实现生产的现代化，是继承、发扬和发展传统发酵食品的方向2。将传统发酵技术与基因技术等新技术结合起来的现代微生物发酵技术其主体是利用微生物，特别是用经过DNA重组技术改造过的微生物来生产商业产品。现代发酵工程正逐渐形成一股引起工业调整和社会结构改革的力量。3一传统发酵技术及

3、其应用1.传统发酵现状 传统发酵食品大多是以促进自然保护、防腐、延长食品保存期，以及拓展在不同食用季节的可食性为目的的，最初起源于食品保藏，作为保证食品安全性最古老的手段之一。后来，发酵技术经过不断的演变、分化，已成为一种独特的食品加工方法，用于满足人们对不同风味、口感，乃至营养和生理功能的要求。我国典型的传统发酵产品有腐乳、豆豉、豆瓣酱、甜米酒、酱菜、黄酒、酱油、醋和黄酒等，品种繁多。4中国有着悠久的发酵制品基础，但凡是利用微生物来制作的食品都可以称之为发酵食品，由于中国发酵食品的一些显著的有点，赢得了中国人民的喜爱，随着人民意识的增强，中国人们越来越热爱发酵食品，现在人们的主食也基本上都以

4、馒头等谷类发酵食品为主，并且每天大量的食用。52.传统发酵技术的应用酒类的制作：传统的酿酒在当地主要有烧酒和甜酒。烧酒的酒曲主要为酵母菌，其生产工艺流程是：原料准备发酵容器及场地准备原料蒸煮冷却拌酒曲装缸密封发酵浸泡蒸馏检查成品。甜酒，原料主要为糯米，也有用粳稻米的，制作甜酒的工艺流程为：原料准备发酵容器及场所准备原料蒸煮冷却拌酒曲装坛密封检查成品。6霉豆腐渣的制作：霉豆腐渣是用加工豆腐或豆浆后剩下的“副”产品豆腐渣，采用传统发酵的办法，利用毛霉能糖化淀粉和分解大豆蛋白的能力来加工豆腐渣，制得的一种食品，霉豆腐渣的制作方法是：原料处理拌霉发酵成品保存。6低盐发酵、无盐发酵：1957年我国为了“

5、发展生产，保障供给”的需要，从前苏联引进固态无盐发酵法生产酱油。其后在无盐发酵法的基础上，根据日本的酱油固态发酵堆积速酿法，结合我国实际情况，研究成功低盐固态酱油发酵法。经过30多年的研究改进，使工艺具有多菌种制曲，先低盐固态后高盐稀醪、淋浇发酵和原池浸出等特点，为我国目前广为采用的酱油生产工艺。7此外还有果酒、果醋等的制作，如图1：8图1 果酒、果醋等的制作4.传统发酵食品存在的主要问题 我国传统发酵食品总体工业化程度不高，目前有酱油、醋等少数产品实现了高度工业化，国外国家传统发酵食品发展较快，日本纳豆早已实现规模化生产，韩国也大力发展泡菜工业，使泡菜这一传统食品成为该国重要的出口产品。9产

6、品质量不稳定，产品的质量受外界因素(温度、湿度、pH值等)的影响非常明显10；产品存在安全隐患，黄曲霉素已确认为强致癌物，展青霉素也具有遗传毒性， 其他青霉如桔青霉、扩展青霉、岛青霉均能产生毒素，具有不同程度的遗传性及致癌性11；生产工艺革新滞后，有的企业因循守旧，生产工艺落后，对传统酿造工艺中的一些不利因素而不去革新；有的企业在工艺革新过程中盲目追求效率和效益，而失去产品的传统特色，这种工艺革新的滞后严重制约了我国传统发酵食品产业的发展。125.传统发酵食品工艺的高新技术改造 发酵菌种的生物技术改造：基因工程，是指用酶学方法，将异源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组基因转入受体细胞

7、，使异源基因在其中复制表达，从而改造生物特性，大量生产出目标产物的高新技术。基于此项技术，英国研制出转基因啤酒酵母，可直接利用淀粉和糊精，提高了发酵产率13；细胞工程，应用细胞生物学方法，按照研究人员预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞的培养技术，包括细胞融合技术、动物细胞工程和植物细胞工程的大量控制性培养技术。 冷杀菌技术：白光闪照强光灭菌技术，能显著延长透明物料预包装食品以及新鲜食品的货架寿命，可将大多数微生物、滤过性病毒和孢子致死，是一种表面杀菌高新技术，可用作发酵食品原料表面灭菌操作工艺，同时避免了使用H2O2或电离辐射等引起的食品安全问题14；超高压杀菌技术，超高压食品加工技术是将

8、食品原料置于200-600MPa的均衡压力下，进行低温短时间加压处理，使微生物细胞膜破裂而抑制或杀死微生物的食品加工技术，酵母、霉菌等一般细菌在 300-400MPa压力下即可被杀死，600MPa以上压力可将带芽孢的细菌杀死15；超滤，是膜分离技术之一，它是用膜将直径小于0.3m的离子与其他低分子式量组分或溶剂分开，具有操作条件温和、分离环境密闭和生产效率高等特点16，兼具除去菌体的作用，应用于酱油和食醋生产中，既可以提高产品的澄清度和稳定性，亦可实现减菌的目的，提高产品的安全性，具有广泛的应用前景。二现代发酵技术及其应用1.现代发酵技术简介 现代发酵技术，也就是指发酵工程，采用现代工程技术手

9、段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。经历了“农产手工加工近代发酵工程现代发酵工程”三个发展阶段：发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程）。通常认为生物工程包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程，这4个方面互为促进、相互联系。基因工程和细胞工程是生物技术的主导领域，是发酵工程、酶工程的基础；而发酵工程和酶工程又是基因工程、细胞工程研究成果的实际应用。17其中发酵工程占有重要的位置，这可以从生

10、物工程的过程看出来，只有通过发酵工程，才能使由基因工程或细胞工程获得的具有某种所需性状的目的菌株实现工业化生产，最终达到基因克隆或细胞融合，获得生产效益和经济效益。182.现代发酵技术应用 以现代发酵工程改造传统发酵食品：如我国对传统酿造制品，如酱油、醋、黄酒、豆腐乳等利用优选的菌种发酵，提高了原料利用率，缩短了发酵周期，改良风味和品质取得了一定成效。19又如在啤酒生产中，国外采用固定化酵母的连续发酵工艺进行啤酒酿造，在生物反应器中把酵母吸附于不动载体上，缓缓流入麦芽汁，啤酒的发酵时间缩短到1d，甚至90min，而生物反应器中的酵母菌连续发酵3个月活力不降低，为制造“生物啤酒”，开创了新途径2

11、0；Arira等人运用固定化醋酸菌酿制食醋，可缩短发酵延缓期，醋化能力提高9-25倍21。 开发功能性食品：如-亚麻酸的制备，利用经筛选高含油的鲁氏毛霉、少根根霉等积蓄油脂较高的菌株为发酵剂，以豆粕、玉米粉、麸皮等作培养基，经液体深层发酵法制备-亚油酸，发酵温度为30，时间为2d。干燥菌体中油脂含量25%-35%，其中-亚油酸含量为12%-15%，与植物资源相比具有产量稳定、周期短、成本低、工艺简单等优越性22。 固态发酵：固态发酵(Solid state fermentation)指体系在没有或几乎没有自由水存在下，微生物在固态物质上生长的过程，过程中维持微生物活性需要的水主要为结合水或与固

12、体基质结合的状态23。近几年来，随着世界性的能源危机和环境保护意识的增强，固态发酵重新受到重视，主要归因于农业、工业废弃物在固态发酵方面得到较大应用，比如土壤修复、生物转化及生物燃料等，是工业应用的理想技术24。真菌和细菌是固态发酵使用较多的微生物，真菌是比较理想的 (如图2所示，真菌菌丝穿过基质的皮壳到达淀粉颗粒)25。固态发酵技术的应用：生物转化，利用固态发酵技术对农作物及农作物残渣进行生物转化提高其营养价值具有巨大经济价值，如利用根霉菌对木薯及木薯渣进行发酵以提高其营养价值；利用白腐菌或黄孢原毛平革菌对木质纤维素进行降解26-27；利用木霉发酵棕榈提高其在饲料行业的利用率28。生物燃料，

13、如利用固态发酵方法生产生物乙醇有可消除糖的制备过程，节省成本；降低发酵罐体积，无废水；降低能耗等优点，发酵过程由酵母产生的转化酶和酒化酶对天然原料 (如甜菜、苹果渣、甜高粱和木薯等 )进行转化29，Amin等用微藻处理工业废水生产藻油取得突破性进展，藻油经简单处理即可作为生物柴油30。生物防治，利用固态发酵生产真菌杀虫剂，药物对害虫的毒力得到极大的提高，如早期的白僵菌、苏云金杆菌杀虫；又如假单孢杆菌、哈慈木霉和绿色木霉复合使用能最大限度地抑制尖孢镰刀菌香蕉转化型31。施用固态发酵微生物肥料能减轻西瓜、黄瓜连作障碍32。生物修复，如国家海洋局第三研究所学者利用太平洋深海红球菌 ( Rhodoco

14、ccussp. TW 53)修复石油污染海水和湖水，石油的分解率达到90%，同时收集菌体还可得到富含FA的油脂59.18%33；利用P. ostreatus对含有咖啡因的物质进行固态发酵进行生物修复可达到对咖啡因降解的目的，希腊学者利用微生物去除垃圾填埋场中的腐植酸，去除率可达85%以上34。图2 固态发酵中丝状真菌的形态总节 传统发酵是中国的民族瑰宝，是通过上百甚至上千年流传下的，就现在来看，其中有一部分仍有很大的使用价值，我们应该传承并发扬下去；另一方面，随着现代基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等技术的发展及应用，现代微生物发酵技术也得到快速发展，并且发酵工程技术已经显示出的巨大生命力

15、，广泛应用于食品等众多领域。我们要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，重视发酵工程技术的研究，促进我国食品等工业的改革，实现我国食品等工业健康有序的发展。参考文献1 鲁肇元.“腐乳”还是“腐乳酱”对传统发酵食品如何采用现代高新技术的商榷J.中国酿造,2003,125(2):46.2 侯传伟.我国传统发酵食品与高新技术改造J.农产品加工·学刊,2008(07):13 李彬.现代发酵工程展望J.商洛师范专科学校学报2003,17(04):14 侯传伟.我国传统发酵食品与高新技术改造J.农产品加工·学刊，2008（07）：25 韩 斌.中国传统发酵食品的现状及进展分析J.科技资讯

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