微生物代謝產物發酵

微生物在生長代謝過程中分泌的代謝產物有兩個類型：

一是主代謝產物，二是次級代謝產物。前者是微生物在對數生長期所分泌的基本物質，如氨基酸、核酸、類脂、糖類等；後者則是在穩定期所產生的特殊物質，如抗生素、生物鹼、植物生長因子等。

• 抗生素
  
  工業化生產的微生物產物中，最重要的就是抗生素。抗生素是微生物產生的化學物質，它能殺死或抑制其他微生物的生長，因此在醫學應用上具有重要影響力。
  
  抗生素屬於次級代謝產物。雖然在大多數工業發酵中，抗生素的產量相對較低，但由於其具有較高的療效和較高的工業價值，因此可以通過微生物發酵進行工業生產。相比之下，許多維生素也可以通過微生物發酵生產，但由於抗生素的化學性質較為複雜，並且進行化學合成的成本較高，所以與微生物發酵相比，化學合成的可能性不大。
  
  具有經濟價值的抗生素主要是由放線菌屬（Actinomyces）等革蘭氏陽性細菌產生。抗生素在國民經濟中具有重要地位。
  
  
  
  
• 維生素
  
  維生素可作為人類食品和動物飼料的添加劑，在藥物的銷售中也具有重要地位。維生素的生產僅次於抗生素而位居第二，每年生產量近1噸。
  
  許多維生素的商業化生產是通過化學合成的方式進行的，但其中一些維生素由於技術太雜，無法以較低的成本進行合成，因此需要利用微生物發酵的方法來生產。例如，維生素B2和核黃素就是通過微生物發酵生產的。
  
  維生素B12目前已經可以通過發酵的方法進行工業化生產。丙酸桿菌屬（Propionibacterium）的某些菌種經過篩選後用於維生素的生產，其最高維生素B12產量為1923毫克/升。維生素B12中的鈷原子是其結構中必需的部分，如果在培養基中添加鈷，可以大大提高維生素B12的產量。
  
  核黃素是黃素AD和GMP的前體，而後兩者作為輔酶在所有生物體的氧化還原酶系中起重要作用。許多微生物都能合成核黃素，包括細菌、酵母和真菌。例如，真菌Aspergillus niger可以在生產過程中產生大量的核黃素。
  
  
  
• 氨基酸
  
  氨基酸作為食品添加劑廣泛應用於食品工業、醫學領域以及作為化學工業的原料。其中最重要的是谷氨酸（glutamic acid），它是一種增味劑。另外，天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸是人造甜味劑L-天冬氨醯苯丙氨酸甲酯的成分。後者也是無糖產品中的重要組成部分，用於生產軟性飲料和其他食品。
  
  大多數氨基酸可以通過化學方法合成，但產生的產物往往是D、L型消旋體，如果要獲得在生物學上具有重要意義的單一手性氨基酸，就需要使用酶促反應或微生物方法進行生產。微生物體內存在著各種各樣的酶，其中大多數只以少量存在並參與細胞過程。然而，一些微生物體能夠大量產生特定的酶，並將其分泌到培養基中。這些胞外酶通常具有良好的溶解性，可以消化各種可溶性營養物質，如纖維素、蛋白質和澱粉等，在細胞外部提供養分供細菌生長。一些胞外酶可以應用於食品加工和紡織工業，它們可以由微生物合成並進行大規模生產。
  
  酶的工業化生產通常由細菌和真菌完成，生產過程通常是好氧的。培養基類似於抗生素的培養基。當培養基中存在適宜的誘導物時，能夠產生誘導酶。
  
  
  
• 檸檬酸和其他有機化合物
  
  許多有機化合物是通過高產量微生物進行工業發酵生產的。檸檬酸廣泛應用於食品和飲料中，順丁烯二酸（itaconic acid）用於製造丙烯酸樹脂，由真菌產生的葡萄糖酸用於生產葡萄糖酸鈣鹽，該鹽可用於補充人體的鈣不足並在工業上作為洗滌劑和軟化劑。山梨糖是在乙醇菌氧化山梨糖醇過程中產生，可用於生產抗壞血酸（即維生素C）。赤黴素（gibberellin）是由真菌產生的一種植物生長激素，用於刺激植物生長。葡聚糖是一種用於生產血漿擴張劑和生化試劑的樹膠。乳酸是由乳酸菌產生，用於食品工業中的酸化食品和飲料等。
  
  

發酵工業的特點及發展趨勢

一、發酵工業的特點

發酵工業利用微生物的化學活性進行物質轉化，具有以下特點：

1. 微生物反應通常在常溫下進行，而化學合成反應多為高壓反應，具有較高的操作危險性。
   
   
2. 微生物反應器多為通氣、攪拌式通用型反應器，同一種或相似的反應器可以生產多種產物。例如，某些藥廠的生產線能夠生產三種不同的抗生素。
   
   
3. 發酵工業使用的原料主要是農業副產品，適合中國的國情。例如，檸檬酸的發酵在中國使用紅薯乾作為原料，其產品在國際市場上具有競爭力。
   
   
4. 發酵工業具有高度的選擇性，這是通過微生物特有的應激機制實現的。例如，黃色短桿菌能夠將延胡索酸轉化為L-蘋果酸，而化學合成只能得到DL-蘋果酸。
   
   
5. 通過菌種選育（如誘變育種、雜交育種）和基因工程育種等方法，可以大幅度提高生產效率。例如，青黴素的生產過程中，起初的發酵單位只有2單位/毫升，而現在已經達到了85,000單位/毫升，其中很大一部分是由菌種選育貢獻的。
   
   
6. 某些現代生物製品，如蛋白質藥物、B疫苗、促細胞生長因子等，只能通過基因工程菌株或細胞系進行發酵生產。

儘管發酵工業具有上述優點，但也存在一些缺點：

1. 能源消耗較大，特別是空氣壓縮機、攪拌器等能耗較高的設備，並且發酵槽內的微生物需要持續供氧和攪拌，停止供氧和攪拌時間過長會導致微生物失活和產品損失。
   
   
2. 發酵工業依賴微生物的生長代謝來產生產品，因此大量的原料被耗用於微生物生長。而微生物本身是無用的，有時甚至會造成環境污染。
   
   
3. 微生物反應的溶劑是水，這導致培養基濃度較高，需要使用較大容積的發酵槽，但產品產量較低，效率相對較低。
   
   
4. 在收集發酵產品時，少量的產品被取出後，剩餘的液體需要處理或回收利用。此外，發酵過程中產生的廢水中，生化需氧量（BOD）一般較高，也會導致環境污染。
   
   由於發酵工業存在上述缺點，加上石油化工行業的發展，提供了廉價原料的化學合成方法。近年來，一些過去通過發酵法生產的產品，如酒精、丙醇、丁醇等，在美國已經大部分改用化學合成方法生產。因此，微生物發酵技術與化學合成工程技術之間存在激烈的競爭。在某些產品上，利用兩者的優點相互結合的生產技術取得了較好的經濟效益。例如，維生素C的生產就是利用微生物先將山梨醇發酵轉化為山梨醯葡萄糖，然後再通過化學合成方法生產維生素C。
   

在世界各國中，美國的發酵工業規模最大，產值最高。目前已有100多種產品在大規模生產。日本的發酵工業在近20年來有了迅速發展，在某些領域，如氨基酸、核酸發酵和固定化細胞生產有機酸方面佔據領先地位。