微生物是包括细菌、真菌、病毒以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体,它个体微小、种类繁多,却与人类生活密切相关。微生物在适宜的条件下将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程称为微生物发酵。微生物发酵液中有效成分众多,包括多糖类、酶类、氨基酸类、抗生素类、维生素类、色素类、有机酸类、醇酮类等。主要成分简介如下:
1.多糖类多糖是细菌、真菌、蓝藻等微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的生物高聚物,是一类次生代谢产物。日常生活中常用的微生物多糖有:(1)黄单胞菌多糖(黄原胶):一种典型的水溶性胶体多糖,是工业生产中产率最大的微生物多糖,具有增粘、稳定和互溶等物理性质,主要用作食品和饲料工业中的悬浮剂。(2)短梗酶多糖:一种水溶性胶类物质,由出芽短梗霉菌深层发酵产生,具有良好的水溶性、粘结性、成膜性和安全性,主要用作食品、医药、化妆品等制造中的增稠剂、成型剂和粘结剂。(3)功能性多糖:主要由多孔菌和伞菌代谢产生,具有增强机体免疫力、抑制肿瘤细胞增生的抗癌作用,如香菇多糖、茯苓多糖、猴头多糖、虫草多糖及银耳多糖等。
2.酶类酶是生物细胞产生的一类具有高度催化活性的蛋白质。微生物生产的酶类有数百种,其中大部分是水解酶(碳水化合物水解酶、蛋白酶、脂肪酶等)、氧化酶、转化酶、异构酶等。分子生物学上广泛使用的工具酶(限制性内切酶、聚合酶、连接酶等)大都来源于微生物。我国已经能用发酵法大规模生产工业上所需要的酶及部分工具酶。酶制剂作为工业上的一项新兴产品,在食品、化工、医药、纺织、造纸、农林以及生物科学研究等领域都有着广泛的用途。
3.氨基酸类氨基酸是与生命活动密切相关的蛋白质的基本组成单位,是人体必不可少的物质。氨基酸的发酵生产是通过微生物的代谢作用使含碳和氮的有机物转化成氨基酸,再将发酵液浓缩干燥或通过离子交换树脂将其提取出来。目前工业发酵生产的氨基酸主要有:(1)L-谷氨酸:由谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌以及微杆菌等发酵产生。L-谷氨酸在工业发酵中采用大型通气搅拌发酵罐,以葡萄糖液为碳源,尿素、氨水为氮源,发酵最适温度为30-35℃,最适pH值为7.5-8。(2)L-赖氨酸:是谷类蛋白质中不足的氨基酸,作为食品和饲料中添加的必需氨基酸。赖氨酸发酵菌种是通过诱变处理获得的谷氨酸棒杆菌或黄色短杆菌的营养缺陷型突变株,产量可以达到30g/L以上。
4.抗生素类抗生素是微生物在新陈代谢过程中产生的、以低微浓度能抑制它种微生物的生长和活动,甚至杀灭它种微生物性能的化学物质。抗生素及相关的生物活性物质是微生物最重要的产品。能够生产抗生素的微生物有一百多种,临床应用的有几十种,其中放线菌产生的抗生素种类最多,约占四分之三。目前开发的抗生素类活性物质主要集中在以下几个方面:抗肿瘤物质;抗耐药性金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和结核杆菌物质;抗绿脓杆菌和变形杆菌物质;抗病毒物质和抗心血管疾病物质。
5.色素类色素是菌体生长繁殖过程中不需要的物质,菌体失去合成这种物质的能力后照常生长,是一类次生代谢产物。它一般是在菌体生长后期开始合成,其合成过程可能是在培养基中缺乏某种营养物质,菌体的生长过程受到限制时被启动的。微生物色素除红、橙、黄、绿、青、蓝、紫和黑色之外,还有介于它们之间的各种各样的颜色。微生物有些色素,如细胞色素C,具有十分重要的生理功能,但许多色素的功能尚未被人们认识。在微生物中,最普遍的色素是类胡萝卜素,它可以由光合细菌、红酵母菌和链孢霉菌等生成。在禽类饲料中添加胡萝卜素类,有助于蛋黄和肉鸡皮肤的着色,满足消费者对产品表观色泽的需求。
6.维生素类维生素是维持细胞生长和正常代谢所必须的微量有机化合物。工业上生产维生素的微生物有氧化葡糖杆菌、巨大芽孢杆菌、费氏丙酸杆菌、舒氏丙酸杆菌、橄榄色链霉菌等。生产的维生素有核黄素、β-胡萝卜素、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素C等。其中核黄素是一种不可缺少的饲料营养成分。在饲料中适当添加核黄素,不仅能够满足畜禽生长和生产的需要,还能在一定程度上降低疾病的发病率。
7.有机酸类目前产生有机酸的微生物有乳酸菌、丁酸梭菌和丙酸菌等,他们是益生菌的重要组成部分。微生物工业化生产的有机酸包括柠檬酸、醋酸、葡萄糖酸、曲酸、乌头酸、苹果酸、衣康酸、乳酸、酒石酸、延胡索酸等。他们中的大多数是重要的化工原料。在饲料中添加柠檬酸,能够改善家畜适口性,增进食欲,从而提高采食量,促进生长。
丁酸梭菌菌落形态
丁酸梭菌镜检形态
8.醇酮类微生物发酵产生的醇酮类主要有乙醇、丁醇、丙酮等化工原料,大多由厌氧微生物发酵得到。最常见的应用是白酒的生产,目前白酒多采用固态发酵生产,因为固态发酵白酒具有酶活力高,酶系丰富;发酵过程粗放,对环境要求低;设备简单,能耗低且投资较少;发酵后处理简单,污染少,废水排量低等优点。
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