微生物發(fā)酵的操作方法及應(yīng)用領(lǐng)域范圍有哪些？
小楊 / 2024-02-18 09:00:21
一、知識介紹
微生物發(fā)酵即是指利用微生物，在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)條件。
發(fā)酵工程的應(yīng)用范圍醫(yī)藥工業(yè)，食品工業(yè)，能源工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，農(nóng)業(yè)：改造植物基因；生物固氮；工程殺蟲菌生物農(nóng)藥；微生物養(yǎng)料。環(huán)境保護(hù)等方面。
二、發(fā)酵方法
微生物發(fā)酵過程根據(jù)發(fā)酵條件要求分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵法有液體表面培養(yǎng)發(fā)酵、在多孔或顆粒狀固體培養(yǎng)基表面上發(fā)酵和通氧深層發(fā)酵幾種方法。厭氧發(fā)酵采用不通氧的深層發(fā)酵。因此，無論好氧與厭氧發(fā)酵都可以通過深層培養(yǎng)來實(shí)現(xiàn)，這種培養(yǎng)均在具有一定徑高比的圓柱形發(fā)酵罐內(nèi)完成，就其操作方法可分為以下幾種。
分批式操作：底物一次裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一定時(shí)間后，將全部反應(yīng)物取出。
半分批式操作：也稱流加式操作。是指先將一定量底物裝入罐內(nèi)，在適宜條件下接種使反應(yīng)開始。反應(yīng)過程中，將特定的限制性底物送入反應(yīng)器，以控制罐內(nèi)限制性底物濃度在一定范圍，反應(yīng)終止將全部反應(yīng)物取出。
反復(fù)分批式操作：分批操作完成后取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作進(jìn)行。
反復(fù)半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反應(yīng)系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作進(jìn)行。
連續(xù)式操作：反應(yīng)開始后，一方面把底物連續(xù)地供給到反應(yīng)器中，同時(shí)又把反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，使反應(yīng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)條件不隨時(shí)間變化。
分批發(fā)酵法(batch fermentation)
分批發(fā)酵又稱分批培養(yǎng)，發(fā)酵工業(yè)中常見的分批發(fā)酵方法是采用單罐深層分批發(fā)酵法。每一個(gè)分批發(fā)酵過程都經(jīng)歷接種、生長繁殖、菌體衰老進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。這一過程在某些培養(yǎng)液的條件支配下，微生物經(jīng)歷著由生到死的一系列變化階段，在各個(gè)變化的進(jìn)程中都受到菌體本身特性的制約，也受周圍環(huán)境的影響。只有正確認(rèn)識和掌握這一系列變化過程，才有利于控制發(fā)酵生產(chǎn)。
分批發(fā)酵的特點(diǎn)是：微生物所處的環(huán)境是不斷變化的，可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時(shí)，易改變發(fā)酵對策，對原料組成要求較粗放等。
分批培養(yǎng)過程微生物生長可分為：停滯（或調(diào)整）期、對數(shù)（生長）期、穩(wěn)定期和衰亡期四個(gè)階段。研究細(xì)胞的代謝和遺傳宜采用生長最旺盛的對數(shù)期細(xì)胞。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，使用的種子應(yīng)處于對數(shù)期，把它們接種到發(fā)酵罐新鮮培養(yǎng)基時(shí)，幾乎不出現(xiàn)停滯期，這樣可在短時(shí)間內(nèi)獲得大量生長旺盛的菌體，有利于縮短生產(chǎn)周期。在研究和生產(chǎn)中，常需延長細(xì)胞對數(shù)生長階段。
補(bǔ)料分批發(fā)酵法(fed-batch fermentation)
補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或半連續(xù)培養(yǎng)，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點(diǎn)為：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致加劇供氧的矛盾；②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。
補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶制劑、核苷酸、有機(jī)酸及高聚物等的生產(chǎn)。
連續(xù)發(fā)酵法(continuous fermentation)
連續(xù)發(fā)酵又稱連續(xù)培養(yǎng)，連續(xù)發(fā)酵過程是當(dāng)微生物培養(yǎng)到對數(shù)期時(shí)，在發(fā)酵罐中一方面以一定速度連續(xù)不斷地流加新鮮液體培養(yǎng)基，另一方面又以同樣的速度連續(xù)不斷地將發(fā)酵液排出，使發(fā)酵罐中微生物的生長和代謝活動始終保持旺盛的穩(wěn)定狀態(tài)，而pH值、溫度、營養(yǎng)成分的濃度、溶解氧等都保持一定，并從系統(tǒng)外部予以調(diào)整，使菌體維持在恒定生長速度下進(jìn)行連續(xù)生長和發(fā)酵，這樣就**提高了發(fā)酵的生長效率和設(shè)備利用率。
開放式連續(xù)發(fā)酵
在開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，培養(yǎng)系統(tǒng)中的微生物細(xì)胞隨著發(fā)酵液的流出而一起流出，細(xì)胞流出速度等于新細(xì)胞生成速度。因此在這種情況下，可使細(xì)胞濃度處于某種穩(wěn)定狀態(tài)。另外，最后流出的發(fā)酵液如部分返回(反饋)發(fā)酵罐進(jìn)行重復(fù)使用，則該裝置叫做循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)酵液不重復(fù)使用的裝置叫做不循環(huán)系統(tǒng)。
封閉式連續(xù)發(fā)酵
在封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)中，運(yùn)用某種方法使細(xì)胞一直保持在生物反應(yīng)器內(nèi)，并使其數(shù)量不斷增加。這種條件下，某些限制因素在生物反應(yīng)器中發(fā)生變化，最后大部分細(xì)胞死亡。因此在這種系統(tǒng)中，不可能維持穩(wěn)定狀態(tài)。封閉式連續(xù)發(fā)酵可以用開放式連續(xù)發(fā)酵設(shè)備加以改裝，只要使用部分菌體重新循環(huán)。另一種方法是采用間隔物或填充物置于設(shè)備內(nèi)，使菌體在上面生長，發(fā)酵液流出時(shí)不帶細(xì)胞或所帶細(xì)胞極少。
透析膜連續(xù)發(fā)酵是一個(gè)新方法，它是采用一種具有微孔的有機(jī)膜將發(fā)酵設(shè)備分隔，這種膜只能通過發(fā)酵產(chǎn)物，而不能通過菌體細(xì)胞。這樣，將培養(yǎng)液連續(xù)流加到發(fā)酵設(shè)備的具有菌體的間隔中，微生物的代謝產(chǎn)物就通過透析膜連續(xù)不斷地從另一間隔流出。在一些發(fā)酵過程中，當(dāng)發(fā)酵液中代謝產(chǎn)物積累到一定程度時(shí)就會抑制它的繼續(xù)積累，而采用透析膜發(fā)酵的方法可使代謝產(chǎn)物不斷透析出去，發(fā)酵液中留下不多，因而可以提高產(chǎn)物得率。
三、應(yīng)用領(lǐng)域范圍
微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)條件。發(fā)酵工程的應(yīng)用范圍有：
醫(yī)藥工業(yè)，食品工業(yè)，能源工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，農(nóng)業(yè)：改造植物基因；生物固氮；工程殺蟲菌生物農(nóng)藥；微生物飼料。環(huán)境保護(hù)等方面。
1、酒類
包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用釀酒酵母，在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精生產(chǎn)的。白酒經(jīng)過蒸餾，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加熱后易揮發(fā)物質(zhì)，如各種酯類、其他醇類和少量低碳醛酮類化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發(fā)酵時(shí)酵母將果汁中或發(fā)酵液中的葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精，而其他營養(yǎng)成分會部分被酵母利用，產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等，也會進(jìn)入發(fā)酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營養(yǎng)價(jià)值較高。
2、醋
食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化學(xué)合成的食品級醋酸勾兌的外，其他的則是由醋酸菌在好氧條件下發(fā)酵，將固體發(fā)酵產(chǎn)生的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸生產(chǎn)的。由于使用的微生物菌種或曲種的差異，在葡萄糖發(fā)酵過程中會產(chǎn)生乳酸或其他有機(jī)酸，因而使醋有不同的風(fēng)味。
3、醬油
醬油生產(chǎn)以大豆為主要原料，其他有麥麩、小麥、玉米等，將上述原料經(jīng)粉碎制成固體培養(yǎng)基，在好氧條件下，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉進(jìn)行發(fā)酵。微生物在生長過程中會產(chǎn)生大量的蛋白酶，將培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、調(diào)制成醬油產(chǎn)品。醬油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。
4、酸奶
牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發(fā)酵，將乳糖分解，并進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和其他有機(jī)酸，以及一些芳香物質(zhì)和維生素等；同時(shí)蛋白質(zhì)也部分水解。因此，酸奶是營養(yǎng)豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應(yīng)癥者的優(yōu)良食品。
5、醪糟
又稱酒釀，是大米經(jīng)蒸煮后，接種根霉，在好氧條件下，發(fā)酵生產(chǎn)的含低濃度酒精和不同糖分的食品。根霉在生長時(shí)會產(chǎn)生大量的淀粉酶，將大米中的淀粉水解成葡萄糖，同時(shí)利用部分葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精。由于使用的根霉菌種不同，可以生產(chǎn)不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。
6、面包
面包均是利用活性干酵母（面包酵母）經(jīng)活化后，與面粉混合發(fā)酵，再加入各種添加劑，經(jīng)烤制生產(chǎn)的。面粉發(fā)酵后淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變得易于消化、營養(yǎng)易于吸收。
糖果、餅干、果凍等添加了紅曲色素，以調(diào)節(jié)色澤；
果汁、餅干、面包、點(diǎn)心、方便面等添加了黃原膠，起懸浮、穩(wěn)定、增稠、改善口感、防止粘牙、延長儲存期等作用；
各類罐頭，包括蔬菜、水果、蘑菇、魚類、肉類、蛋類罐頭，香腸，包裝奶等添加了乳鏈桿菌肽，以保鮮、防腐，保存營養(yǎng)和改善口感等；
各種果汁、啤酒和飲料中均需使用檸檬酸或乳酸作為酸味劑調(diào)節(jié)口味、口感；
飯店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鮮味。
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