微生物发酵在制药中的应用1.doc

微生物发酵在制药中的应用 作者：随波逐流一 、发酵定义及发展简史 发酵的定义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。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。也就是说，发酵是在厌氧条件下，原料糖经酵母菌等生物细胞的作用进行分解代谢、向菌体提供能量，从而得到原料风界产物酒精和二氧化碳。然而不同的对象有不同的意义:(1)微生物生理学严格定义的发酵有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程统称为生物氧化.微生物生理学把生物氧化区分为呼吸和发酵，因此，发酵是生物氧化的一种方式,即在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化与内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物的还原相耦合，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化，而是通过底物（激酶的底物）水平磷酸化来获得代谢能ATP；能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD，以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD，同时将后者还原成发酵产物（不完全氧化的产物）。细胞中的NAD是有限的，如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是生物氧化（包括发酵）继续进行下去的必要条件。(2)工业生产上定义的发酵工业微生物学家把发酵扩展到利用微生物来制得产物的需氧和厌氧的任何过程。工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。并广泛应用于发酵工艺，形成了各类型的微生物发酵工业，生产出不同类型的代谢产物，如医药、食品等的发酵产品 。近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。(3) 专业词汇“发酵（fermentation）”“发酵”作为专业词汇其含义不但覆盖发面制作大饼、油条、馒头、包子，更重要的是指用发酵的手段工业化生产酒及酒精饮料。饲料及饲料添加剂、药品、化工材料等等。发酵工业的发展 在 A.van列文虎克用自制的显微镜发现微生物之前，古代巴比伦人（公元前6000）早已会制造类似现代啤酒的饮料，古代埃及人（公元前4000）早已会利用酵母菌所产生的二氧化碳来发面。中国龙山文化时期（公元前2000）出现大量酒器，表明当时酿酒技术已很发达。贾思勰的齐民要术(533544)详细记载了中国古代酿酒、制曲、制酱、沤麻和制取靛蓝等多种利用微生物的生产技术。1887年，挪威细菌学家G.H.A.汉森将纯种酵母菌用于生产啤酒，随后，便有人设计制造了便于灭菌的密闭式发酵罐。由于应用R.科赫所创立的微生物纯培养技术，人们能够利用控制特定微生物发酵生产特定产品。19世纪末，E.毕希纳证明微生物发酵是由酶催化的化学反应。第一次世界大战时期建立了生产丙酮、丁醇和甘油的发酵工厂，加速了工业微生物学的发展。20世纪40年代,开始生产青霉素,这是人类在利用工业微生物方面的又一重大成就。此后，发酵工业中广泛采用了深层培养法进行青霉素的工业化生产并大量制出酶制剂、柠檬酸、维生素、甾体激素及其他抗生素。中国现代工业微生物学是从20世纪20年代开始发展的。50年代以后，传统的微生物发酵产品有了明显的改良和发展，并逐渐形成比较完善的现代化发酵工业体系。有机酸、酶制剂、氨基酸和维生素等的发酵生产。现代微生物工程不仅使用微生物细胞，也可以使用动物和植物的细胞来进行发酵，以生产出对人类有用的各种生物产品。例如利用培养罐可以大量培养出杂交瘤细胞，生产出用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体等生物工程药品。二 微生物发酵制药的基本过程微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称为新陈代谢。代谢作用是生物体维持生命活动过程中的一切生化反应的总称。它是生命活动的最基本特征。代谢作用包括分解代谢(异化作用)和合成代谢(同化作用)。分解代谢是指生物体将各种营养物质和细胞物质降解成简单的产物，即由大分子物质降解成小分子物质并产生能量的过程。合成代谢是指将分解代谢所提供的或从环境中所吸收的小分子物质合成大分子物质的过程。分解代谢为合成代谢提供原料和能量，而合成代谢又为分解代谢提供物质基础，两者相互对立而又统一，在生物体内偶联着进行，使生命繁衍不息。生物体内的化学反应几乎都要依靠酶的催化才能进行。酶是由生物细胞合成的，以蛋白质为主要成分的生物化学反应催化剂。从化学组成来看，可分为简单蛋白和结合蛋白两种酶。根据酶在细胞中的活动部位，也可将酶分为胞外酶和胞内酶两种。作为生化反应的催化剂和其他的催化剂一样，能显著改变反应的速度，但不能改变反应的平衡点。酶有以下几个特点：催化反应的效率高、具有高度的专一性、容易失活、活性受调节控制等。所有生物进行生命活动都需要能量，因此，能量代谢成了新陈代谢中的核心问题。自然界中的能量以多种形式存在，但生物只能利用光能或化学能，而光能也必须在一定的生物体（光合生物）内转化成化学能后，才能被生物利用。一个化学反应只有在一定条件下，当有能量放出时才能自由地进行，即自由能的变化为负值时，反应才能进行，这种反应称为放能反应；如果产物的自由能大于反应物的自由能时，必须供给能量才能进行反应，称为吸能反应。生物体内，吸能反应所需要的能量是由放能反应来供给的，两者是偶联进行的。其中的能量载体主要是ATP。ATP是腺嘌呤核甘三磷酸（简称腺三磷）的缩写， ATP的生成和利用是微生物能量代谢的核心。在生物体内，ATP主要由ADP的磷酸化生成。生成ATP的过程需要供应能量，能量来自光能或化能。以光能生成ATP的过程称为光合磷酸化作用，这种转变需要光和色素作媒介。 利用化合物氧化过程中释放的能量进行磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化作用，它为一切生物所共有，微生物的氧化作用可根据最终电子受体的性质不同而分为：呼吸作用、无氧呼吸作用和发酵作用。ATP主要用于供应合成细胞物质（包括贮藏物质）所需的能量。此外，细胞对营养物的吸收，鞭毛菌的运动，发光细菌的发光等所消耗的能量也要由ATP供给。组成细胞的物质主要是蛋白质、核酸、类脂和多糖，合成这些物质都需要ATP。目前利用代谢调节理论已经用来指导实际工作和进行微生物发酵的生产控制。 1、培养菌种：培养基（Medium）是供微生物、植物和动物组织生长和维持用的人工配制的养料，一般都含有碳水化合物、含氮物质、无机盐（包括微量元素）以及维生素和水等。有的培养基还含有抗菌素和色素。其基本成分有能源、碳源、氮源、矿质元素、生长因子，水等。根据原料来源不同，可将培养基分为合成培养基、半合成培养基与天然培养基。在制药工业中通过摇床、培养皿不断选育优质菌种，以免菌种退化。 2、中试：通过小规模的试生产，修正合理的生产工艺指标，并对生产的样品进行检验。 3、大量生产：通过大批生产，按照最适合菌种生产的条件，给以原料，通过一个生产周期，培养出含大量抗生素的产品 4、萃取：将成品采用萃取的方法，提纯 5、浓缩；将萃取的原液进行浓缩。6、成型：将浓缩后的的母液与相应的配料制成相应的形状，再进行有效包装 7、在生产必须报批，生产中、生产后进行多次严格检验，在无菌条件下生成。发酵在中药中的应用 早在千余年前，我国己开始用发酵方法制药，直到现在临床仍在应用的发酵(制品)中药有六神曲、半夏曲、淡豆豉、豆黄等，其工艺均为固体发酵。如半夏曲的制造，明本草纲目记载:“半夏研末，姜汁、白矾汤和作饼，褚叶包置篮中，待生黄衣，晒干用。”其性味苦辛、平，能化痰止咳、消食积、治泄泻。中药发酵制药技术是在继承中药炮制学发酵法的础上，吸取了微生态学研究成果，结合现代生物工程的发酵技术而形成的高科技中药制药新技术，是从中药(天然药物)制药方面寻找药物的新疗效。传统的中药发酵多是在天然的条件下进行的，而现在的中药发酵制药技术是在充分吸收了近微生态学、生物工程学的研究成果而逐渐形成的。其先进发酵工艺特点是;以优选的有益菌群中的一种或几种、一株或几株益生菌作为菌种，加入中药提取液中，再按照现代发酵工艺制成产品，它是一种含有中药活性成分、菌体及其代谢产物。 四 抗生素与酶制剂的生产 自从1876年，J.廷德尔发现青霉属的菌株能使试管中的细菌死亡之后。微生物发酵生产出了种类繁多的药品，抗生素，维生素，动物激素，药用氨基酸，核苷酸等；基因工程药品：如人生长激素，重组乙肝疫苗，某些种类的单抗，白细胞介素等抗生素以前被称为抗菌素，事实上它不仅能杀灭细菌，而且对霉菌、支原体、衣原体等其它致病微生物也有良好的抑制和杀灭作用，近年来通常将抗菌素改称为抗生素。抗生素可以是某些微生物生长繁殖过程中产生的一种物质，用于治病的抗生素除由此直接提取外，还有完全用人工合成或部分人工合成的。通俗地讲，抗生素就是用于治疗各种细菌感染或其以致病微生物感染的药物。抗生素指由细菌、霉菌或其它微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类物质。其主要是从微生物的培养液中提取的或者用合成、半合成方法制造。其产品有以下几种：-内酰胺类青霉素类和头孢菌素类的分子结构中含有-内酰胺环 、氨基糖甙类 四环素类 、氯霉素类 、大环内脂类 、作用于G+细菌的其它抗生素、抗肿瘤抗生素等 酶是生物体内产生的有催化能力的蛋白质，是生命的催化剂。催化剂能加速化学反应，而它本身的量和化学性质在化学反应后不发生改变。许多酶构成一个有规律的酶系统，它们控制和调节复杂的生命代谢活动。 早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提娶分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。70年代后，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。 随着第三代酶制剂的诞生，应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品，及其在化学检测、环境保护等各个领域的有效应用，使酶工程技术的产业化水平在现代生物技术领域中名列前茅，并正在与基因工程、细胞工程和微生物工程融为一体，形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。 酶存在于动物的脏器和植物的茎、叶、果中，但从这些原料中去提取人们所需要的酶，所得微乎其微。生物学家们在微生物中发现了存在于动、植物细胞中的酶。微生物繁殖非常迅速，细菌24小时内能繁殖72代，利用微生物的繁殖速度，可以实施酶生产的工厂化。微生物培养易于控制，微生物本身也容易改造。基因工程不仅能使酶的产量大幅度提高，而且还能使经过改造的微生物生产出动、植物的的酶。例如有一种-