发酵工程技术近年来在各领域的应用及发展前景

胡迎峰 赵锐 刘康

摘  要：微生物中的酶已在工农业生产中广泛应用，发酵工程技术取得了重大进步。该文对发酵工程在食品生产、污染整治、发酵制药、农业生产等方面的应用和发展进行了综述。

关键词：发酵工程;食品工业;农业生产;微生物制药;污染整治;造纸

中图分类号 Q815文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）13-0048-03

Abstract：Fermentation engineering，one of the four major bioengineering technologies，essentially uses the function of microorganisms to put microorganisms into the process of industrial production. In order to better provide high-quality products in various fields，human beings continue to promote the study of microbial theory，and also push fermentation from workshop-style production into the scope of bio-engineering. Through decades of continuous practice，fermentation engineering technology has made gratifying progress. This paper analyzes the application and development of fermentation engineering in food production，pollution remediation，fermentation pharmacy，agricultural production，and other aspects for reference.

Key words：Fermentation engineering;Food industry;Agricultural production;Microbial pharmacy;Pollution remediation;Papermaking

發酵工程是现代生物工程技术中的一种“旧改新”技术。利用生物学基础理论，改良微生物的一些特殊功能，为社会提供更多优质的产品或将微生物直接应用于工农业生产。其内容包含微生物的选择、营养条件的确定、灭菌、种子罐扩大化培养、接种，以及在发酵后期中的产品分离纯化等。

从古至今，人类都没有放弃对发酵工程的研究，不断致力于改进工艺，提高生产效益，并寻找方法将发酵工程应用到更广泛的领域。进入21世纪的第2个10年至今，人们仍在不断致力于追寻更高效率、更易被控制、更环保的发酵方法，并运用发酵工程技术去拓展其他方面的应用。

1 发酵工程在食品工业中的应用

1.1 传统食品发酵工艺的改良 国内现有的食品工艺大多来源于当地居民在数千年来的历史发展中，根据自己的生活常识，融合当地的自然条件，并不断创新而形成。但随着科学技术的进步，对传统食品工业的改良势必在行。利用现代生物学的基础理论，对传统食品的发酵工艺进行理论上的分析，并推理设计出更合理的发酵途径，对菌种不断进行纯化，提高生产效率，改善口味，让整个发酵过程更稳定可控，产品更优质安全。

在传统食品的生产中，与发酵最为密切相关的为“酱、醋、茶”3大类。酒精与醋酸发酵出自同种方法，这里以酒精发酵为例，简单叙述改良过程。在旧石器时代，猿采集含有糖类物质的果物，放在坑洞中，作为储备，时间一久，这些果物被依附在土壤中的或果皮上的野生酵母菌发酵，变成清香宜人的果酒。

酒精的发酵总反应式为：

即生物体的糖酵解过程（EM途径），每一步都需要不同种酶的催化。

但直至1897年，毕希纳才发现部分菌种在经破碎处理后的提取物依然可以进行整个发酵过程。由此我们可以推断出对碳水化合物进行酒精发酵的物质并不是某些微生物，而是这些微生物体内分泌产生的某种物质所导致的，这种物质就是我们常见的——酶。这个发现为我们现代化的制酒工业奠定了坚实的基础[1]。目前对酒精生产的改良策略主要包括以下3个方面：①利用基因工程、细胞工程等，优选更加适合生产的酵母菌，改良酵母菌的生产菌株;②对发酵过程的生产工艺进行改进，包括发酵罐及配套设备、复合酶添加过程营养限制因子的改进等[2];③在发酵过程中，对生产纯化工艺及生产途径的改进。

1.2 食品添加剂的生产 采用化学方法制取食品添加剂的成本低廉，但其生产所需时间较长且长期摄入此类物质，会对人体产生伤害。从植物中萃取食品添加剂，虽然安全健康，但成本过高，不利于规模化生产。因此现代发酵工程，是食品添加剂生产制备的最好方法[3]。以谷氨酸钠发酵为例，将传统谷氨酸发酵工艺分为2类：①生物素亚适量菌种发酵法，采用单发酵罐进行等电离子交换的方法，进行谷氨酸的制取，简称“亚适量等电离交”法。由于此工艺耗能严重，且会对环境造成严重污染，产量与成本不相匹配，已逐渐被淘汰。②温度敏感型菌种发酵法，即使用浓缩等电连续提取谷氨酸的工艺，简称“温敏浓缩等电”法。尽管此工艺成本低廉、排废量较小、发酵强度高，但其产量较低。目前各大味精厂家针对传统工艺的缺陷，对发酵的流程进行重新设计，创新性的采用“超亚适量转晶等电离交”法。该工艺在一定程度上，对以上工艺的弊端进行了改良，但生产的产品依旧存在成色不佳的现象，此外该工艺的副产品成色相对较好[4]。

1.3 功能性食品的开发 功能性食物指的是具备特定保健功能的营养食物，即适合专有人群，拥有调整身体机能的功能，但不用于治疗。以糖醇为例，主要是将酵母菌等各类菌种，进行连续分离，利用纯化技术得到功能性甜味剂。

2 发酵工程在农业生产中的应用

2.1 利用农作物废弃物生产食用菌 秸秆中富含各类蛋白质，是优质的食用菌基质。研究人员通过发酵工程，在适宜的环境和条件中，将秸秆转化为良好的食用菌基质，生产出多种食用菌，为人类餐桌提供绿色、健康、营养丰富的食用菌食品。

2.2 利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料 食用菌生长后的菌料被称为菌糠。在纤维素酶的协同作用下，菌丝体将秸秆中的纤维素和半纤维素降解成可以直接被动物所利用的葡萄糖、果糖等小分子物质，降解后富含有机质和各种矿物质元素。N、P、K含量高于秸秆和粪便等其他传统肥料，可作为优良的堆肥材料。研究人员对堆肥中接种高温纤维菌的工艺进行了深入研究。结果表明，在45d后，有机肥的pH值、有机质含量、总养分等各项指标均达到有机肥标准（NY525-2002）[5]。菌糠的营养含量较为丰富，可通过生物降解降低大分子纤维素、半纤维素和木质素的含量，可极大的提高粗蛋白和粗脂肪在有机肥中的含量。特别是饲料中普遍缺乏的必需氨基酸和Ga、Fe、Zn、Mg等各类元素的含量也相对较高，营养价值很高。食用菌糠粉碎后可直接用作饲料来喂养牲畜[6]。

3 发酵工程在污染整治中的应用

3.1 微生物工程处理氮氧化物 NOx废气中的主要污染物是NO2和NO，属于无机气体，元素组成中不含C元素。因此，在使用硝化细菌的同时给予一些额外的C源，微生物可以将NOX废气中的NO2气体作为N源，并将其还原为无毒的N2。在NO2气体还原为N2的过程中，首先将NO2溶解在一定的水中，形成酸根离子，然后通过微生物还原为N2。废气中的NO被微生物吸引在其表面，并发生相应反应，将其转化为N2。

3.2 发酵工程烟气脱硫 烟气中含有大量的SO2，其中一部分的物质被物理吸附或化学吸附进而转化为硫酸。另外，一些SO2受到微生物的影响，使上述转化率更快。在吸附过程中，由于微生物的存在，[Fe2+]和[Fe3+]会不断地相互转化，使反应进行得更快。由于[Fe3+]是一种氧化性较强的离子，且该离子的浓度越高，相应的脱硫速率也会相应加快。在这一过程中，生成的[Fe2+]可作为微生物所需的营养物质，也可转化为[Fe3+]，从而加快了对SO2的吸附速度[7]。

3.3 微生物工程除臭 第1步是将O3中的一部分气体转化为液体，在微生物的作用下被水吸收;另一部分不被水所溶解，而是首先在微生物体外被吸引，再经过微生物胞外酶分泌的作用，将该部分分解成可被溶解的一些小分子，然后渗透到微生物细胞中。当O3进入胞内后，将被微生物体内的各种酶分解，为其生长提供营养和能量，最终完全去除臭味[8]。

4 发酵工程在药物生产中的应用

利用微生物对药物进行生产制备的方法，又称微生物制药工程。主要目的是运用基因工程或细胞工程改造微生物，使它们能够分泌人类所需的成分。可以利用发酵工程进行生产的药物原料主要含有维生素，激素，抗生素以及其它生物分子。另外，对微生物制药的研究还在于对现有微生物的改良筛选、制备工艺的探索、产品跟进等方面的研究。目前，基因工程技术和细胞工程技术在微生物菌种改良中发挥了关键的作用。上世纪以来，随着基因工程技术、细胞融合技术等的不断进步，发酵工业进入了全新的阶段。其产品从传统的酒精酱料，逐渐发展到多种药物原料，如胰岛素（蛋白质）、生长激素和抗生素等。微生物在制药中，利用了微生物生长和新陈代谢产生的各类物质，对中国传统医学（中医）具有极大的促进作用。这种传统中药（TCM）的生产方式比一般方式生产的更加优越，可以药用的成分全面改善，减少副作用，对中药活性成分提供了新的发展方向，产生新的效果，更加针对性的治疗各种症状，充分保护了中药成分，避免对中药活性成分的损害，从而做到节约中药资源的优势[9]。

5 发酵工程在其他方面中的应用

5.1 造纸业 生物制浆主要分为3种：纯生物制浆、生化制浆、生物机械制浆。这3种方法的技术原理基本相同，主要区别于操作方法和所使用的器具。具有降解木质素能力的微生物（真核真菌中的木质素降解酶系统，如漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶等）对植物纤维原料中木质素进行选择性的降解。由于木质素不能作为支持微生物的碳膜，需要半纤维素和纤维素分解来获得能量，因此选择不具有纤维素酶活性的菌株非常重要。

5.2 植物保护 发酵工程在植物保护中的作用是应用微生物生产的激素、抗生素等来生产生物农药，治理病虫害。目前，生物农药在我国已广泛应用，这类产品主要有生产成本较低、安全性高、效率较高、使用无污染等优势，如利用苏云金芽孢杆菌制备的低毒杀虫剂。随后，研究人员对此不断进行改良，研制出BT菌株并应用于工厂化生产中。主要优势在于安全性较高，为人类提供所需的绿色食品，特别是为无污染农产品的生产提供了机遇。目前，我国抗生素生产已在国际社会占有重要地位，尤其是在刚达美星和阿維菌素生产方面已经成为世界上最大的生产国。该病毒株作为生产杀虫剂的原料，安全高效[10]。

6 发展前景及展望

自上个世纪以来，人类已在生命科学领域取得长足进展，发酵工程作为其中一大分支，在我们的身边的各行各业中都发挥着很大的作用，为经济的发展贡献着自己的力量。现如今，发酵工业早已经不只是生产农产品及农副产品，它和人们的生命健康等各方面都产生了巨大的相关性，具有很大的发展潜力。发酵工程在现代食品工业、农业生产、环境保护、医疗，轻工业等行业的快速发展，充分体现了发酵工程具备极强的生命力和发展潜能。增加发酵工程的理论研究，并对其在生产生活中的性能和附加值加以重视，生产出更多的品种，使现代发酵工程得以平稳发展。

发酵工程不仅为人们的日常生活提供了很多帮助，而且将使生物技术走向产业化和精细化。随着物质文明的多样性和丰富性的不断提高，安全性、高效性和环保性是发酵工程领域关注的重点，同样也是发酵工程的基础。在食品工程中，发酵工程早已成为至关重要的一部分。如今，食品安全问题已经成为人们广泛关注的话题，发酵工程如何在这样的环境中发展，在这样充满机遇和挑战性的社会中占据更重要的地位，是我们必须考虑的问题。

而在环境保护的新型应用方向，发酵工程技术手段依旧处于理论积累时期，不具备产业化的能力。主要是受制于微生物的理论研究水平。微生物工程治理污染的相关设施研究力度不足，无法产生可观的经济效应，缺乏民间资本的投入。将理论转化为实际，缺少具有高效率的产业化设计。因此，在进行发酵工程治理污染研究的进程中，不但需要我们加强对功能菌的选育工作，而且需要考虑是否可以为国家经济发展带来动力，并发展多菌群处理污染物的研究，同时应当继续加强对高效经济的配套设施研究，以促进微生物工程治理污染物的市场化发展，吸引民间资本的加入。

发酵工程的研究和发展不能仅依赖于国家财政的支持，各研究院所、各高校应积极与生物技术企业合作，将理论转化为技术，将技术转化为产品，并取得相应经济效益，以此推动微生物技术的理论研究，使发酵工程的发展处于一个良性循环。

参考文献

[1]生物发酵，千年酿酒文化的密码[J].青海科技，2015，76-77.

[2]侯保朝，杜风光，郭永豪，等.高浓度酒精发酵[J].酿酒科技，2005，82-85.

[3]李玉妹，贾丽娜.发酵工程在食品领域的应用[J].农产品加工，2017（14）：47-48+52.

[4]马长庆，付丙勇，常广乾，等.谷氨酸发酵与提取工艺路线辨析[J].山东化工，2015（21）：84-85.

[5]孙建华，袁玲，张翼.利用食用菌菌渣生产有机肥料的研究[J].中国土壤与肥料，2008（1）：52-54.

[6]李志香，蔡元丽.菌糠发酵饲料的研究[J].中国畜牧兽医，2003，30（5）：8-9.

[7]张捷.生物法处理含硫含氮废气的实验研究[D].武汉：武汉科技大学，2014.

[8]胡浙平，大气恶臭污染物处理中的固定化微生物方法分析[J].科技视界，2016（19）.

[9]張秀婷，王英姿，段飞鹏，等.生物技术在制药行业的应用概况[A].中华中医药学会中药制剂分会、世界中医药学会联合会中药药剂专业委员会.“好医生杯”中药制剂创新与发展论坛论文集（上）[C].中华中医药学会中药制剂分会、世界中医药学会联合会中药药剂专业委员会，2013：4.

[10]邱国强，吕良臣.秸秆生物反应堆与植物疫苗应用技术[J].吉林蔬菜，2013（12）：57. （责编：杨 林）