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工业发酵的菌种和发酵特征
(2007-08-21 11:44:40)
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知识/探索 |
工业发酵的菌种和发酵特征
微生物工业中，发酵术语指的是任何大规模过程，已成了习惯用语，不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用。进行工业发酵的容器称为发酵罐(fermenter )，也可叫做生物反应器(bioreactor)。在微生物发酵过程中，有机物既是电子最终受体，又是被氧化的基质。通常这些氧化基质都是氧化不彻底，因此发酵的结果积累某些有机物，即产生多种多样的发酵产物。某些发酵产物可能在工、农、医、药、环保等领域应用，具有潜在的经济和社会效益，这些产物经发酵后的处理，通称后处理(downstream processing)，如：分离、纯化或再加工等，成为商业性的发酵产品。微生物的工业发酵，就是利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。
微生物的工业发酵方式有多种多样，但发酵过程是很类似的，其基本步骤如图15-1所示，有的发酵过程更繁多，有的则可省去某些步骤。
图15-1 微生物工业发酵的基本过程
一、生产菌种的要求和来源
1.生产菌种的要求
微生物工业发酵所用的微生物称为菌种。不是所有的微生物都可作为菌种，即使是同属于一个种(species)的不同株的微生物，也不是所有的株都能用来进行发酵生产。例如：发酵生产碱性蛋白酶(洗涤剂的重要用酶)的生产菌种地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)，就不是该种菌中所有菌株都能用来作为菌种，而是经过精心选育，达到生产菌种的要求的菌株才可作为菌种。对菌种一般有以下要求：
首先菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。菌种发酵产生所需的最终产品量，按所用发酵培养基的单位体积或重量所产生的数量计算，应该是高的，越高越好。高、低的标准是与当时同一产品发酵所得的水平相比，或用其商业价值或社会效益来衡量；
第二，菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如许多发酵工业都是用农副产品配制成发酵培养基，不仅能满足菌种发酵所要求的营养成分，转化率高，而且发酵原料易获得，价格低廉。从表15-1可见部分农副产品的营养成分，在制备发酵培养基时合理配制是能够满足许多菌种生长、繁殖、产生各 种各样的发酵产品。
第三，菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要充分评估，严格防护。
第四，菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，而且产品相对容易地与不需要的物质分离，下游技术能用于规模化生产。下游技术(downstream of biotechnology)一般是泛指从菌种的大规模培养、监测一直到产品的分离、纯化、质量分析等一系列单元操作技术，其中的产品分离纯化技术即后处理，是菌种实现产业化的关键。
第五，菌种的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作。这不仅可以保障发酵工业高产、稳产，而且为菌种的进一步改良，产品质和量的增加，成本的下降，应用基因工程技术创造了很好的条件。
表15-1 一些农副产品的营养成分表(%)
|
名 称
|
水 分
|
粗蛋白
|
粗脂肪
|
粗纤维
|
无氮浸出物
|
粗灰分
|
钙
|
磷
|
|
玉米粉
|
12.0
|
9.0
|
4.3
|
1.5
|
72.0
|
1.3
|
0.22
|
0.31
|
|
甘薯粉
|
13.0
|
4.1
|
0.5
|
1.4
|
79.0
|
2.4
|
-
|
-
|
|
木薯粉
|
13.12
|
2.45
|
0.52
|
4.8
|
?
|
1.7
|
-
|
-
|
|
小麦粉
|
12.0
|
9.9
|
1.8
|
0.6
|
74.0
|
1.1
|
0.038
|
0.268
|
|
小米粉
|
11.0
|
13.8
|
7.8
|
2.1
|
63.0
|
2.2
|
0.054
|
0.305
|
|
米 糠
|
9.0
|
9.4
|
15.0
|
11.0
|
46.0
|
9.6
|
0.08
|
1.42
|
|
鲜甘薯
|
80~67
|
1.8~1.3
|
0.5~0.2
|
0.5~0.2
|
29.0~20.5
|
0.9~0.5
|
0.025~0.018
|
0.027~0.020
|
|
马铃薯
|
79.0
|
1.9
|
0.9
|
1.4
|
16.0
|
1.2
|
0.011
|
0.059
|
|
麸 皮
|
11.0
|
13.9
|
4.2
|
10.5
|
56.0
|
5.3
|
0.011
|
0.014
|
|
豆 饼
|
12.1
|
35.9
|
6.9
|
4.6
|
34.9
|
5.1
|
0.27
|
0.63
|
|
花生饼
|
10.4
|
43.8
|
5.7
|
3.7
|
30.9
|
5.5
|
0.33
|
0.58
|
|
菜子饼
|
13.8
|
16.2
|
6.5
|
16.7
|
42.0
|
4.8
|
0.24
|
0.25
|
|
棉子饼
|
4.6
|
38.1
|
11.4
|
10.1
|
29.9
|
5.9
|
0.24
|
2.25
|
|
米糖饼
|
15.7
|
13.1
|
6.1
|
8.9
|
45.5
|
11.1
|
0.18
|
1.4
|
|
豆腐渣
|
85.1
|
5.0
|
1.8
|
2.1
|
5.4
|
0.6
|
0.09
|
0.01
|
|
玉米芯
|
8.7
|
2.0
|
0.7
|
28.2
|
58.2
|
2.0
|
1.1
|
0.08
|
|
花生壳
|
10.1
|
7.7
|
5.9
|
59.9
|
10.4
|
6.0
|
1.08
|
0.07
|
|
粉渣(绿豆)
|
86.0
|
2.1
|
0.1
|
2.8
|
8.7
|
0.3
|
0.06
|
0.03
|
|
酒糟(啤酒)
|
76.9
|
6.8
|
2.2
|
4.2
|
8.7
|
1.2
|
0.12
|
0.12
|
|
酒糟(高梁酒)
|
30.4
|
15.3
|
9.6
|
13.1
|
24.5
|
7.1
|
0.18
|
0.37
|
|
玉米秆
|
11.2
|
3.5
|
0.8
|
33.4
|
42.7
|
8.4
|
0.39
|
微量
|
|
大麦秸
|
12.9
|
6.4
|
1.6
|
33.4
|
33.8
|
7.9
|
0.13
|
0.02
|
2.生产菌种的来源
发酵工业要获得具有上述基本要求的菌种，主要来源：
(1)自然环境
工业微生物所用菌种的根本来源是自然环境，包括从土壤、水、动物、植物 、矿物、空气等样品中，筛选分离到产所需的发酵产品的菌株，经培育改良后可能成为菌种 。
图15-2 筛选生产菌种主要过程的示意图
(2)收集菌株筛选
如果已知所需发酵产品的产生菌的种名，则尽量多地收集该种菌的不同菌株。可向世界各地微生物或培养物保藏单位(表15-2)、各种微生物实验室免费索取或购置这种菌的不同菌株，然后将不同的菌株分别按照图15-2的主要过程，从稀释涂布平板开始进行筛选，有的菌株可能不显示产生所需产品的指示特征，或发酵试验中产量很低，这些菌株很快被淘汰，只有经系列试验符合生产菌种要求的菌株才可作为生产菌种。
表15-2 国际承认的培养物保藏单位
|
保藏单位(简称)
|
所在国家
|
保藏范围
|
|
澳大利亚国家分析试验室(AGAL)
|
澳大利亚
|
微生物菌种
|
|
比利时微生物保藏中心(BCCM)
|
比利时
|
大部分微生物菌种
|
|
保加利亚菌种保藏库(NBIMCC)
|
保加利亚
|
微生物菌种
|
|
中国典型培养物保藏中心(CCTCC)
|
中国
|
几乎所有的培养物
|
|
中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC)
|
中国
|
普通菌种
|
|
捷克微生物保藏所(CCM)
|
捷克
|
普通微生物菌种
|
|
法国微生物保藏中心(CNCM)
|
法国
|
几乎所有的培养物
|
|
德国微生物保藏中心(DSM)
|
德国
|
普通微生物菌种
|
|
匈牙利国家农业和工业微生物保藏中心(NCAIM)
|
匈牙利
|
工业菌种
|
|
日本国家生命科学和人类技术研究所(NIBH)
|
日本
|
几乎所有的培养物
|
|
荷兰真菌保藏所(CBS)
|
荷兰
|
真菌类
|
|
韩国细胞系研究联盟(KCLRF)
|
韩国
|
动植物细胞系
|
|
韩国微生物保藏中心(KCCM)
|
韩国
|
微生物菌种
|
|
韩国典型培养物保藏中心(KCTC)
|
韩国
|
培养物
|
|
俄罗斯微生物保藏中心(VKM)
|
俄罗斯
|
工业微生物
|
|
俄罗斯科学院微生物理化所(IBFMVKM)
|
俄罗斯
|
所有培养物
|
|
俄罗斯国家工业微生物保藏中心(VKPM)
|
俄罗斯
|
工业菌种
|
|
斯洛伐克酵母保存所(CCY)
|
斯洛伐克
|
酵母菌
|
|
西班牙普通微生物保藏中心(CECT)
|
西班牙
|
普通微生物菌种
|
|
英国藻类和原生物动物保藏中心(CCAP)
|
英国
|
藻类、原生动物
|
|
欧洲动物细胞保藏中心(ECACC)
|
英国
|
动物细胞系等
|
|
国际真菌学研究所(IMI)
|
英国
|
真菌、细菌等
|
|
英国国家食品细胞保藏中心(NCFB)
|
英国
|
工业细菌
|
|
英国国家典型培养物保藏中心(NCTC)
|
英国
|
普通微生物
|
|
英国国家酵母菌保藏中心(NCYC)
|
英国
|
酵母菌
|
|
英国国家工业和海洋细菌保藏中心(NCIMB)
|
英国
|
工业及海洋细菌
|
|
美国北方农业研究所培养物保藏中心(NRRL)
|
美国
|
以微生物菌种为主
|
|
美国典型培养物保藏中心(ATCC)
|
美国
|
几乎所有的培养物
|
(3)购置生产菌种
一般都是购置专利菌种，或向生产单位购置产量高的菌种。生物技术方面的发明申请专利，如果它的实现涉及到微生物或其它生物培养物，仅依靠专利申请说明书是不能实现发明的，为此，大多数国家的专利法规定，涉及生物培养物的发明专利，此生物培养物又为公众所不知道的，申请人除了提供专利说明书之外，还要向专利局指定的保藏机构提供用于所申请的专利程序的生物培养物，给予保藏。许多专利法，包括我国专利法在内，对专利发明中的微生物菌种本身也实行保护，同样要送到指定的保藏机构保藏。国际上承认的具体法律效力的权威保藏单位，目前为28个，其中包括武汉大学的中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)，中科院微生物研究所的中国普通微生物菌种保藏中心(简称CGMCC)(表15- 2)。需要生产菌种可向专利发明人购置，由保藏该发明专利菌种的机构提供。如果向生产单位购置，由生产单位直接提供或由其委托的菌种保藏单位供给。购置的菌种如果符合生产菌种的要求可直接用于发酵生产。但应该注意的是，绝大多数卖主，都不愿意将最好的菌种出售或放在保藏单位保藏。如果所购菌种不符合生产菌种的要求，仍需进行未达要求的相关试验，直到达到各项要求，才可用于商业性生产。一些传统微生物产品的制作，菌种来源于自然环境，或根据传统的习惯，凭经验保藏、选育和使用菌种。
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