可爱的“小东西”——微生物工程

在远古时代，我们的祖先发现，一些长霉的谷物经过水泡了一段时间以后，能够散发出一种特殊的香味和辛辣味。于是，在 4000 多年以前，勤劳、智慧的中国人民就学会了利用自然界中天然存在的微生物来酿造美酒。所以就有了“杜康造酒”、“仪狄作酒，禹饮而甘之”等许多美丽的传说，传诵至今。

在国外，如古埃及等国家，人们也早就知道利用发酵方法来酿制可口的葡萄酒和啤酒，而且懂得如何将牛奶做成酸奶和干酪。

虽然古代的人们并不知道微生物的存在，也不晓得发酵的机理。但是他们创造的许多发酵工艺完全符合科学原理，酿制出的食品色味俱美，所以流传至今，人们仍在采用它。

到了 16 世纪中叶，一位名叫列文·虎克的科学家制成了能够放大 200～ 300 倍的简易显微镜，并且用它发现了微生物。这时，科学家们开始集中精力寻找和发现各种新的微生物。并对这些已发现的微生物进行分类，但是他们并没有注意和研究微生物和发酵的关系，也就没有发现发酵就是由这些可爱的“小东西”引起的。

直到 19 世纪 50 年代，法国的一位著名科学家巴斯德经过大量实验后证

明糖变成酒精是由酵母菌引起的，而酒的变质则是由于一些杂菌污染的结果。随后，著名学者柯赫发明了两种从自然界中分离、纯化微生物的方法—

—划线法和平板稀释法，这为进行纯种发酵奠定了基础，这两位科学家的重要发现的首要功绩，在于把古已有之的发酵技术提高到一个现代化的新水平。由此以后的几十年间，食品发酵、酿酒、酵母生产等得到迅猛发展，世界各国的许多现代化发酵工厂如雨后春笋般涌现出来。

第二次世界大战（20 世纪 40 年代）以后，以生产抗生素为代表的新型发酵工业得到了迅速的发展，新产品层出不穷，发酵设备同时得到了比较完善的发展。这时，微生物发酵工程体系基本形成。

要谈微生物发酵工程，必然要说到微生物，让我们先从与微生物发酵工程有关的微生物开始说起吧。

常用的微生物

微生物发酵工程是以微生物的生命活动作为基础的，任何一种类型的发酵过程都必须有相应的微生物存在。

在自然界里，微生物的种类纷繁复杂，有无细胞结构、单细胞、多细胞的各种微生物。这类生物个体都非常细小，通常只能借助于显微镜才能看到。

有些微生物对人类有害，也有许多微生物对人类有益，如酵母菌，就是人类喜爱的“小东西”之一。在工业上，我们所使用的全部微生物都称为工业微生物。工业生产时，我们还常常会遇到杂菌污染问题，杂菌污染会严重影响、甚至完全破坏所需的发酵过程。在不同的生产中，有些微生物会从工业生产菌变为令人讨厌的杂菌，例如醋酸菌在生产醋时是生产菌，但是它也会引起酒类变质。

在工业生产上经常使用的工业生产菌，主要是一些细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。随着微生物发酵工程及与其相关的技术的发展，病毒、单细胞藻类等其它微生物也正在逐步成为工业生产菌。

①细菌

细菌是单细胞生物，一般个体很小，只有 1 微米左右大小，它的基本形态有三种：球状、杆状、螺旋状。有些细菌的细胞体表面生长着一种极其纤细而呈波浪形的丝状物，我们把它叫做鞭毛。实际上，鞭毛是细菌的运动器官。而有些细菌向其细胞壁外面分泌一层疏松、透明的粘稠物质，这一外被叫荚膜。荚膜可以保护细菌，不让它受到侵蚀，同时还能贮藏养分，堆积废物等。有些细菌在其生活史的一定阶段，体内会生成一内生孢子，称作芽孢。芽孢含水量很低，代谢活动缓慢，它具有一个致密的不易渗透的外壁，对化学药品、干燥和高温等不利的条件具有高度的抵抗力。

工业上常用的细菌有许多种，这里仅介绍主要的几种：

醋酸菌属——分为两个菌群：葡萄糖杆菌和醋酸杆菌。葡萄糖杆菌将乙醇氧化生成醋酸，但不能进一步分解醋酸，因此醋酸是其最终产品。这种杆菌还能将葡萄糖氧化成葡萄糖酸。醋酸杆菌不仅能将乙醇氧化为醋酸，而且可以将产生的醋酸进一步氧化生成二氧化碳和水。

乳杆菌属——德氏乳杆菌可以将糖转化为乳酸。链球菌亚属、串珠菌亚属等也是重要的乳酸菌。它们都是革兰氏阳性细菌、不运动、兼性需氧。乳酸菌与食品工业的关系很密切，由它所产生的乳酸是多种酿造食品的成分。大肠杆菌和产气杆菌为革兰氏阴性、无孢子的杆菌，在动物肠中形成细

菌群。如食品中有此种细菌存在，则此食品有污染动物排泄物的可能，因此

它可作为公共卫生上的重要指标。现在利用大肠杆菌作为基因克隆的受体尤为普遍。

②放线菌

放线菌的菌落呈放射状排列，因而得名。放线菌具有生长发育良好的菌丝体，其菌丝分基内菌丝和气生菌丝两种。基内菌丝即为营养菌丝，气生菌丝是基内菌丝发展到一定阶段的产物。气生菌丝成熟后，在它上面生成孢子丝，形成孢子。放线菌的繁殖是靠菌丝断裂或形成孢子进行的。

放线菌在自然界中分布很广。它的最大价值在于能产生各种抗生素，已知由放线菌产生的抗生素大约有 4000 种左右，其中有数十种具有临床价值和农业生产使用价值，例如链霉素、卡那霉素、井冈霉素等。

③酵母菌

酵母是一群属于真菌的单细胞微生物。它分为两类：能产生子囊孢子的真酵母和不能生成子囊孢子的类酵母。酵母的细胞形态有球形、卵圆形、椭圆形、腊肠形等，通常以出芽方式进行无性繁殖。

差不多所有的酵母都能发酵葡萄糖、果糖及甘露糖而生成酒精和甘油。酵母除发酵产生酒精和甘油外，其有利用价值的化合物大部分在细胞

中。酵母含丰富的蛋白质，工业上常用它来制造单细胞蛋白，供应食用和用作饲料。酵母细胞中的核蛋白、核酸及其分解产物，常用来制取核糖核酸、核苷酸。现在人们利用味精废液、酒精废液制备单细胞蛋白时，往往利用酵母作为生产菌种。

常用的酵母菌种有啤酒酵母，我们都知道面包色香诱人，啤酒更是现代家庭、宴席中不可缺少的饮品，二者的生产制作均得归功于啤酒酵母；此外，德巴利氏酵母、毕赤氏酵母等都是常用的菌种。

④霉菌

霉菌，能引起各种食物发霉、变质，引起人畜的病害，所以它给人的印象往往不佳。比如发霉的花生中长有黄曲霉，其产生的黄曲霉毒素，食入体内后会引起癌变，食入过多甚至会引起人畜的死亡。而事实上并不尽如此，比如鲁氏毛霉能产生蛋白酶，有分解大豆中蛋白质的能力，常用于生产豆腐乳；展青霉能产生灰黄霉素，可用于治疗真菌性皮肤病等等，举不胜举。

霉菌在自然界分布极为广泛，存在于土壤、空气、水和生命体中。它可用来制酒、制酱等。还可以用来生产酒精、柠檬酸、抗生素、酶制剂等。当然，如前所述，它也会引起食物、仪器设备等发霉、变质。

霉菌也叫丝状真菌，是真菌的一种。它的营养体由菌丝构成，菌丝像捕鱼网一样，互相交织在一起形成菌丝体。部分菌丝向空中发展到一定阶段，分化成繁殖器官，产生孢子并进行繁衍。

发酵及微生物发酵工程

在前面，为了便于大家进一步了解微生物发酵工程，我们已经讨论了常用菌种的有关问题。由于微生物发酵工程的实质就是发酵，我们下面先说一说发酵吧。

随着科学技术的进步，发酵作为一门技术的定义还在不断的得到发展和充实。现在，人们通常把利用微生物的生命活动来制备菌体本身或其代谢产物的过程统称为发酵。

要实现发酵过程并得到如期产品，必须要具备这样一些条件：1.要有合适的微生物或经过加工改造后的基因工程微生物；2.要有进行发酵，提取产

品的设备；3.要提供微生物进行代谢活动的各种条件（培养基组成、温度、氧浓度、酸碱度等）。

在发酵过程中，微生物为了利用培养基中的养份，往往需要向体外环境分泌一些品种繁多的生物催化剂——酶。在这些酶的作用下，培养基中的各种大分子如淀粉、蛋白质被分解为小分子，如葡萄糖、氨基酸等，可被微生物细胞吸收利用。这些小分子化合物进入微生物体内后，又在细胞内的一系列酶的帮助下，参加微生物的新陈代谢作用，产生细胞体生命活动所需的能量和各种细胞结构物质，构建成新的微生物细胞；与此同时产生各种各样的代谢产物。因此可以说，酶在发酵过程中起着决定性的作用。没有酶就没有生命，也就没有发酵。

谈到这里，我们就不难理解发酵工程了，它就是利用微生物的一些特定性状，通过现代化工程技术进行发酵，产生有用物质或直接应用于工业化生产，以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全球性课题联系起来的一种技术体系。它的主要内容包括菌种选育、发酵条件选择、发酵罐的设计、产品提取等。

微生物发酵工程就其发酵的方式可分为厌气发酵和通风发酵两大类型。厌气发酵的主要代表有酒类发酵、乳酸发酵、甲烷发酵等，而酵母培养、抗生素发酵、氨基酸发酵、酶制剂生产等属于通风发酵。

按应用目的和范围，微生物发酵工程大体上可分为：

①微生物菌体的生产和应用，如利用一级原料生产饲料蛋白。

②微生物代谢产物的应用，如氨基酸、抗生素等生理活性物质。

③微生物机能的利用，如微生物对有毒化合物和高分子化合物的分解净化、细菌冶金、化学转换有机废水（渣）的处理与利用、提高石油开采率和石油加工、宇宙开发等。

由于微生物发酵工程具有投资省、见效快和污染小的特点，日益受到各方面的重视。现在在全世界范围内已建立了一大批微生物产业，如食品、饲料、医药、农药、生理活性物质和生物能等产业。可以说，微生物发酵工业已成为世界经济的重要组成部分。

生物工程中的各大领域如遗传工程、酶工程、细胞工程等研究成果，一定要通过微生物工程才能转化为生产力，获得可观的经济效益或社会效益。由此可见，微生物发酵工程在整个生物工程中是一个最重要的组成部分。加强微生物发酵工程的研究，不仅其本身能给人类带来巨大的恩惠，而且，对加强整个生物工程的发展也起着决定性的作用。“微生物虽小威力大”，正是由于微生物发酵工程的重要价值，使世界各国投入大量的人力、物力、财力进行规划、研究，使其充分发展。