微生物发酵的工业应用介绍（上）

引言

  微生物发酵，作为利用微生物（包括细菌、酵母、霉菌等）的代谢活动在受控条件下（发酵罐）生产目标产物的核心技术，已从古老的食品酿造工艺发展成为现代生物技术产业的基石。它以其高效、绿色、可持续的特点，深度渗透到食品、医药、化工等关键领域。

一、发酵微生物类群及其特性

  工业发酵的成功，首要在于对生产菌种的精确操控。主要涉及的微生物包括细菌、酵母和霉菌。

1.细菌

  细菌以其繁殖迅速、代谢旺盛、遗传操作相对简便而成为工业发酵的绝对主力。在食品业中，通常使用乳酸菌与醋酸菌进行发酵生产，乳酸菌如乳酸杆菌、链球菌，多为兼性厌氧菌，通过同型或异型发酵将糖类转化为乳酸，是酸奶、奶酪等乳制品生产的核心，其耐酸特性使其能在低pH环境中占据优势；醋酸菌如醋酸杆菌、葡糖杆菌，严格好氧，能将乙醇高效氧化为乙酸，是食醋生产的核心菌种，工艺中需保证充足的氧气供应。

  在工业生产中，通过不同细菌进行选育和代谢工程改造，用于制剂及氨基酸的生产。芽孢杆菌如枯草芽孢杆菌，因其强大的蛋白分泌能力和非致病性，是工业酶制剂（如淀粉酶、蛋白酶）的重要生产菌，其形成芽孢的特性便于菌种的保存和接种；棒状杆菌如谷氨酸棒杆菌，经过多年的代谢工程改造，是氨基酸（如谷氨酸钠、赖氨酸）生产的重要菌种。

2.酵母

  酵母作为单细胞真核生物，兼具微生物易培养和真核细胞复杂蛋白加工能力的优势，除通常的酿造与发酵食物方面，还用于功能蛋白的生产。酿酒酵母为最经典、最安全的模式微生物，除了广泛应用于酿酒和面包烘焙，更是现代生物技术生产重组蛋白（如人胰岛素、乙肝疫苗抗原）的首选平台之一，拥有成熟的外源蛋白表达和分泌系统；毕赤酵母具有发酵能力强、能利用甲醇作为诱导剂和碳源、蛋白分泌效率高等特点，适用于表达分子量较大或结构复杂的重组蛋白。

3.霉菌

  霉菌为丝状真菌，具有分泌水解酶和合成次级代谢产物的能力。曲霉如米曲霉、黑曲霉，米曲霉是酱油、味噌等东方调味品酿造的关键菌种，能分泌丰富的淀粉酶和蛋白酶系；黑曲霉则是工业级柠檬酸和多种酶制剂（如果胶酶、葡萄糖淀粉酶）的高效生产者。

  青霉：如产黄青霉，是抗生素（青霉素）的发现者和主要生产菌。其他青霉种类也用于干酪的熟化。

二、各工业领域的应用与技术要点

1.食品与饮料工业

  这是微生物发酵最传统、最广泛的应用领域，工艺注重风味物质的形成和食品安全。应用详情可查看本公司官网文章《舌尖上的微生物：发酵食品有哪些？》

2.医药与生物技术工业

  此领域对菌种纯度、产物纯度及活性要求极高，通常需符合GMP标准。应用较广泛的为抗生素的生产，如青霉素由产黄青霉生产，链霉素由链霉菌（放线菌）生产。该技术要点为通过进行菌种选育（包括诱变和基因工程）以提高效价，优化培养基成分，特别是前体物质的添加，并控制发酵过程中的溶解氧和pH。

表1 产抗生素的相关菌种及合成途径

（1）以氨基酸为前体的途径

  这类抗生素是由氨基酸直接缩合或经过修饰后形成的。

  所用前体物质为L-α-氨基己二酸、L-半胱氨酸、L-缬氨酸，首先进行三肽形成，上述三种氨基酸在ACV合成酶的作用下，缩合形成线性三肽（δ-（L-α-氨基己二酰）-L-半胱氨酰-D-缬氨酸，简称ACV三肽）；之后进行环化，ACV三肽在异青霉素N合成酶的催化下，发生氧化环化，形成含有β-内酰胺环的四元环的异青霉素N；最后进行侧链修饰，异青霉素N经过转酰基酶的作用，将α-氨基己二酸侧链替换成不同的侧链（如苯乙酸侧链生成青霉素G），从而产生不同活性的青霉素。

  此过程特点为需要由一系列酶参与完成，属于非核糖体肽合成酶途径。

（2）以糖类为前体的途径

  以链霉素等氨基糖苷类的核心骨架来源于糖分子，并经过氨基化、糖基化等修饰。

  所用前体物质为D-葡萄糖、肌醇，首先进行环己醇结构形成，葡萄糖经过一系列转化形成链霉胍的环己醇骨架；后进行糖基组装，将不同的氨基糖（如链霉糖、N-甲基葡萄糖胺）连接到核心骨架上；之后进行进行氨基化、磷酸化等修饰，最终形成具有活性的链霉素。

  此过程特点为涉及复杂的糖基化和氨基化反应。

（3）聚酮体合成途径

  这类抗生素如四环素、红霉素的合成机制与脂肪酸合成类似，由乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A等小分子羧酸单元通过缩合、环化而成。

  所用前体物质为乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A、甲基丙二酰辅酶A，首先进行链的起始与延伸，起始单元（如丙酰辅酶A）与延伸单元（如甲基丙二酰辅酶A）在聚酮合酶的催化下，进行缩合，形成聚酮链；之后在聚酮链增长到特定长度后，从酶上释放并酶促环化，形成复杂的多环结构；最后环化后的分子经过羟基化、甲基化、糖基化等修饰，成为有活性的抗生素。

  此过程是合成结构最多样的天然产物的途径之一，其合酶体系大且复杂。

三、相关培养基的采购

  青岛高科技工业园海博生物技术有限公司有适用于发酵生产菌株涉及的相关培养基，客户可根据实际情况和用途进行选用。

注:本文属海博生物原创,未经允许不得转载。

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