微生物代谢产物发酵

在生长代谢过程中，微生物会分泌两类代谢产物：一级代谢产物和二级代谢产物。前者是微生物在对数生长期分泌的物质，例如氨基酸、核酸、脂类和糖类等；后者是微生物在稳定期分泌的物质，例如抗生素、生物碱和植物生长因子等。

• 抗生素
  
  工业化生产中最重要的微生物产物就是抗生素。抗生素是微生物产生的化学物质，可以杀死或抑制其他微生物的生长，在医学应用上具有重要影响力。抗生素属于二级代谢产物。尽管在大多数工业发酵中，抗生素的产量相对较低，但由于其具有较高的疗效和工业价值，因此可以通过微生物发酵进行工业生产。许多维生素也可以通过化学合成，但由于抗生素的化学性质复杂，并且化学合成的费用较高，与微生物发酵相比，化学合成的可能性较小。
  
  具有经济价值的抗生素主要由放线菌属（Actinomyces）和一些真菌产生。它们在国民经济中扮演着重要角色。
  
  
  
• 维生素
  
  维生素作为食品和饲料添加剂以及化学工业的原料具有广泛应用。维生素的商业化生产通常通过化学合成来实现，但某些维生素的合成技术非常复杂，无法以较低成本合成。在这种情况下，可以采用微生物发酵的方法进行生产。例如，维生素B12目前已经通过发酵工业化生产。利用丙酸杆菌属（Propionibacterium）的一些菌种进行生产，其维生素B12的产量可达到1923毫克/升。维生素B12的结构中的原子含有必需的部分，添加钻石到培养基中可以显著提高维生素B12的产量。核黄素是黄素AD和黄素AT的前体，在所有生物体的氧化还原酶系统中起重要作用。许多微生物都能够合成核黄素，包括细菌、酵母和真菌。曲霉属（Ashbya gossypii）的真菌可以在其生长过程中产生大量的核黄素。
  
  
  
• 氨基酸
  
  氨基酸作为食品工业、医学领域以及化学工业的原料具有广泛应用。其中最重要的是谷氨酸，它是一种增味剂。天冬氨酸和苯丙氨酸是另外两种重要的氨基酸，它们是人造甜味剂L-天冬氨酰苯丙氨酸甲酯的组成部分。后者也是无糖产品中销售的软饮料和其他食品的重要成分。大多数氨基酸可以通过化学方法合成，但产生的产物通常是D型和L型消旋产物。如果需要获得具有重要生物学意义的手性氨基酸，就需要通过酸促反应或微生物方法生产。各种生物体都产生各种酶，大多数酶只以少量存在并参与细胞过程，然而一些生物体可以大量产生特定的酶，这些酶通常分泌到培养基中。胞外酶通常作用于可溶性营养物质，如纤维素、蛋白质和淀粉，将其消化为能够供细菌生长的产物。一些胞外酶可以用于食品加工和纺织工业，它们可以通过微生物合成大量产生。
  
  酶的工业化生产可以由细菌和真菌进行，生产过程通常是好氧的，并使用类似抗生素发酵的培养基。通过向培养基中添加适当的诱导物，可以产生诱导酶。
  
  
  
• 柠檬酸和其他有机化合物
  
  许多有机化合物是通过高产量的微生物进行工业发酵产生的。柠檬酸广泛用于食品和饮料工业，草酸用于丙烯酸树脂的生产，由真菌产生的葡萄糖酸用于生产葡萄糖酸钙，该物质可用作钙补充剂，并在工业上用作洗涤剂和软化剂。山梨糖是在乙酸菌氧化山梨糖醇的过程中产生的，可用于生产抗坏血酸，即维生素C。赤霉素是由真菌产生的一种植物生长激素，用于促进植物生长。葡聚糖是一种树胶，用于生产血浆扩容剂和生化试剂。乳酸是由乳酸菌产生的，用于食品工业中的酸化剂和饮料等。
  
  

发酵工业的特点和发展趋势

一、发酵工业的特点

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：发酵工业利用微生物的化学活性进行物质转化，用于各种产业的工业化生产。发酵工业具有独特的优点，使得许多产品从化学合成转向发酵生产。发酵工业的优点包括：

1. 微生物反应通常在常温下进行，而化学合成往往需要高压反应，操作风险与压力成正比。
   
   
2. 微生物反应器通常是通气、搅拌的通用反应器，同一种或类似的反应器可以生产各种产物。例如，某制药厂的生产线可以生产三种不同的抗生素。
   
   
3. 生产原料主要是农副产品，适合中国的国情。例如，柠檬酸发酵在中国采用干红薯作为原料，产品在国际市场具有竞争力。
   
   
4. 发酵工业具有高度的选择性，通过微生物特有的应激反应机制实现。例如，黄色短杆菌能够将延胡索酸转化为L-苹果酸，而化学合成只能得到DL-苹果酸。
   
   
5. 通过菌种培育技术，如突变育种和杂交育种，以及基因工程育种，可以显著提高生产效率。例如，青霉素生产的初期发酵单元只有2单位/毫升，而现在已经达到85,000单位/毫升，其中很大一部分是由菌种培育贡献的。
   
   
6. 某些现代生物制品，如酶、B疫苗和生长因子，只能使用基因工程微生物或细胞通过发酵生产。

尽管发酵工业具有许多优点，但也存在一些缺点：

1. 发酵工业消耗大量能源，特别是空压机和搅拌器消耗大量能量。发酵容器内的微生物需要持续供氧和搅拌，长时间停止供氧和搅拌会导致微生物失活和产物损失。
   
   
2. 发酵工业依赖微生物的生长和代谢来产生产品，这导致大量原料被耗用于微生物生长。然而，微生物本身是无用的，并且有时会引起环境污染。
   
   
3. 微生物反应的溶剂主要是水，几乎没有例外，并且培养基中的基质浓度较高，这导致发酵容器体积较大，但产物产量相对较低，效率较低。
   
   
4. 在发酵收集过程中，收获少量产品后，剩余液体需要进行处理或回收。此外，发酵洗涤所使用的水量也很大，废水中的生化需氧量（BOD）通常较高，导致污染。
   
   由于发酵工业存在上述缺点，并且石油化工行业的发展为化学合成法提供了丰富而廉价的原料，微生物发酵技术和化学合成工程技术之间的竞争非常激烈。在某些情况下，结合两种方法的优点的生产技术取得了较好的经济效益。例如，维生素C的生产就是利用微生物先将山梨醇发酵转化为山梨糖，然后通过化学合成方法合成维生素C。
   

在全球各国中，美国在发酵工业的规模和产值上处于领先地位。目前，有100多种产品实现了大规模生产。日本的发酵工业在过去20年中经历了快速发展，特别是在氨基酸发酵、核酸发酵和有机酸固定化细胞生产等领域占据领先地位。