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微生物發(fā)酵你不得不了解的基礎知識

微生物發(fā)酵是指利用微生物(包括細菌、真菌、酵母等)進行代謝反應獲得所需產物的技術過程。以下是微生物發(fā)酵的基礎知識：
1.微生物發(fā)酵的基本原理：微生物在特定條件下完成各種代謝反應，將有機物質轉化為其他有用物質。
2.液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵：液態(tài)發(fā)酵常用于生產小分子有機物，如乙酸、酒精等；而固態(tài)發(fā)酵則常用于生產大分子有機物，如酶、抗生素、維生素等。
3.發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化：包括pH值、溫度、氣體組成、營養(yǎng)物質等因素的控制。優(yōu)化這些條件可以提高微生物代謝的效率，產物的產量和質量。
4.發(fā)酵產物的分離純化：發(fā)酵的產物可能和微生物混合在一起，需要將其分離純化才能得到所需產物。純化的方法包括沉淀法、吸附法、膜分離法等。
5.微生物質量的控制：保持微生物的健康狀態(tài)、控制微生物種群的構成、避免微生物的污染對于發(fā)酵過程的成功至關重要。
6.化學反應機理的研究：從微觀層面解析微生物在發(fā)酵過程中的行為代謝途徑和化學反應機制，可以為發(fā)酵工藝的優(yōu)化和產物質量的提高提供更深入理論基礎。
微生物發(fā)酵產物的類型
微生物發(fā)酵在工業(yè)上可分為菌體作為目的產物、微生物產生的酶作為目的產物、微生物代謝產物作為目的產物和將添加的化學物質通過微生物進行化學改變或修飾后作為目的產物四個主要類型。
(1) 微生物菌體
主要以菌體細胞作為發(fā)酵產品，包括酵母，各種單細胞蛋白，作為生物防治的蘇云金桿菌及各種人、畜疾病防治用的疫苗等。此外是從菌體細胞中提取有用的發(fā)酵產物，如由酵母細胞提取輔酶A、核糖核酸等產品。有的抗生素主要存在菌絲體中，如灰黃霉素產生菌在發(fā)酵過程中所產生的灰黃霉素主要存在于菌絲體中，因此，也要從菌絲體中進行提取。
酵母細胞圖解
(2) 微生物的酶
微生物的酶可以用發(fā)酵技術大量生產，是其最大的優(yōu)點。主要被用在食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)及其與之相關的工業(yè)中。酶的生產受到微生物的嚴格調控。為了提高酶的生產能力，必須改善這些調控體系。
酶的誘導 
在這些調控體系中，有酶的誘導和酶的反饋抑制等。通過向培養(yǎng)基中添加誘導因子或使菌種變異而改善調控體系，可使菌體的產酶能力大幅提高。目前，工業(yè)上使用的酶大都來自微生物發(fā)酵。
酶的反饋抑制 
我國酶制劑以淀粉酶、蛋白酶、糖化酶為主，多用于食品和輕工業(yè)中，如將微生物生產的淀粉酶和糖化酶用于淀粉的糖化等。在醫(yī)藥生產和醫(yī)療檢測方面，酶的應用也很廣。
(3) 微生物的代謝產物
微生物的代謝產物分為初級代謝產物和次級代謝產物，包括各種有機酸、有機溶劑、氨基酸、核苷酸類物質、抗生素、多糖、維生素及甾體激素等，可以被用在各行各業(yè)。
微生物的生長發(fā)育過程分為延滯期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期。在對數(shù)生長期產生的代謝產物如氨基酸、核酸、蛋白質、脂質、碳水化合物等對菌體的生長繁殖是必需的物質。這些產物稱為初級代謝產物；很多初級代謝產物都具有相當?shù)慕?jīng)濟價值，被工業(yè)化大規(guī)模生產。由于在野生菌株中初級代謝產物只是菌體生長繁殖所必需的量，代謝過程存在反饋調節(jié)、反饋阻遏等作用，不能產生過多。因此，工業(yè)上為了使產物能更有效地蓄積，采用誘變等方法使菌株變異來進行改良或調整培養(yǎng)條件等，在得到更多的產物方面下工夫。
微生物生長發(fā)育過程 
在菌體生長的穩(wěn)定期，有時一些菌體能合成在生長期中不能合成的，與菌的本質代謝不直接相關的物質，這些物質稱為次級代謝產物，如抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子等。形成次級代謝產物的菌體生長時期叫生產期，這樣的次級代謝產物在連續(xù)發(fā)酵時，要在低稀釋率，即菌的生長非常慢甚至在幾乎認為不生長的培養(yǎng)條件下才易生成。另外，在自然環(huán)境下，微生物生長速度比較低，由此可以想到，在自然界中，微生物在穩(wěn)定期會產生比對數(shù)期更復雜、種類更多的代謝產物。
(4) 微生物轉化
微生物可以通過酶的作用，把某些化合物轉化成結構相似但更具經(jīng)濟價值的物質，這種轉化一般是通過糖苷鍵反應、羥基化、脫氫(脫水)反應、酯化反應、環(huán)氧化反應、水解反應、水合反應、異構化等的酶促反應。 
乙醇和乙酸酯化反應
由微生物進行的這些反應相對于化學合成法而言，優(yōu)點是不使用特殊的化學藥品，不使用容易發(fā)生污染的重金屬催化劑，且在相對較低的溫度下就可進行反應，比如把酒精轉換為醋酸的醋就是利用微生物轉換反應的代表。近年來，更高附加值的化學品也通過各種微生物反應生產了出來，如抗生素、前列腺素等都可通過微生物化學的轉換及修飾法產生。
為了提高反應的效率，用這些微生物化學的轉換及修飾法時，一般高濃度的菌體是必要的。因此，把菌體或從菌體提取分離到的酶固定，確保有其高密度的生物酶而進行反應，即固定化細胞或固定化酶，是其很重要的發(fā)展方向。