工业发酵与产品分类

（一）工业发酵类型

微生物发酵是一个错综复杂的过程，尤其是大规模工业发酵，要达到预定目的，需要采用和研究开发多种多样的发酵方式，通常按发酵工艺中某一方面的情况，人为地进行分类。

1. 纯菌/混菌

纯菌发酵：指接入纯种微生物进行培养的发酵过程，这种发酵在现代发酵工业中最常见，如啤酒等发酵食品。

混菌发酵：指采用两种或两种以上的微生物进行发酵，这是传统发酵中常用的发酵方式。这种发酵方式可以利用天然的微生物菌群或已知的纯种进行混合发酵，传统大曲酒的生产采用天然微生物菌群进行发酵，而酸乳、液态酿酒等则采用已知的纯种进行混合发酵。污水处理过程往往采用多种微生物共同作用来分解有机污染物。

2. 好氧/厌氧/兼性厌氧

好氧发酵：也称通风发酵，指需要通风提供氧气的发酵过程，如谷氨酸、柠檬酸、醋酸发酵等属于好氧发酵。

厌氧发酵：指不需要通风提供氧气的发酵过程，如乳酸发酵等属于厌氧发酵。一般厌氧发酵过程需要在密闭容器里进行。

兼性厌氧发酵：指菌体生长繁殖是在好氧条件下进行，而在厌氧条件下积累代谢产物。如酵母菌属于兼性厌氧微生物，当有氧供给的条件下，进行好氧呼吸，积累酵母菌体；而在缺氧条件下，进行厌氧发酵，积累代谢产物酒精。

3. 固态/半固态/液态

固态发酵：指微生物接种于固态培养基中进行的发酵过程。如固态酱油发酵。

半固态发酵：指微生物接种于半固态培养基中进行的发酵过程。如黄酒发酵、酱油稀醪发酵。

液态发酵：指微生物接种于液态培养基中进行的发酵过程，是目前发酵工业中最主要的发酵方式。目前我国和世界大多数国家发酵工厂都采用液体深层发酵。如柠檬酸、醋酸及啤酒等的发酵。

4. 分批/补料分批/连续

分批发酵：指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法，是目前广泛采用的一种发酵方式。

补料分批发酵：指在微生物分批发酵过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术。

连续发酵：是将发酵液连续不断放出，同时不断添加等量的培养基，使菌体保持稳定的生长状态的发酵过程。

5. 研究/中试/生产

研究规模发酵：指在实验室进行小规模的发酵过程，一般反应器容积在10～100L。

中试规模发酵：指介于实验室小试和工业规模生产之间中试规模上进行的发酵过程，一般反应器容积在100～3000L。

生产规模发酵：指在工业生产规模上进行的发酵过程，一般反应器容积在3000L以上。

在微生物发酵工业生产中，各种发酵方式往往是结合进行的。现代发酵工业大多数主流发酵方式采用的是好氧、液体、深层、分批、游离、单一纯种发酵方式结合进行的。

（二）发酵产品类型

发酵产品的类型繁多，根据其性质大致分为四类：微生物菌体、微生物酶、微生物代谢产物和微生物转化产物等。

1. 微生物菌体

微生物菌体产品是指发酵的最终产物是微生物本身。目前，按用途不同，主要有如下几类。(www.xing528.com)

（1）微生态制剂 可以直接食用，用于改善人体和动物肠道微生物环境。目前，微生态制剂已被应用于饲料、农业、医药保健和食品等各领域中。在饲料工业中广泛应用的有植物乳杆菌、枯草芽孢杆菌等，在食品中广泛应用的有乳酸菌、双歧杆菌、肠球菌和酵母菌等。

（2）活性干酵母 包括面包活性干酵母和各种酿酒活性干酵母，使用方便。酵母菌是工业上最重要，应用最广泛的一类微生物，如啤酒酵母、饲料酵母、酵母抽提物等。酵母细胞的生产工艺过程如图1-2所示。

（3）食用和药用酵母 包括作为营养强化剂或添加剂用的普通食用酵母，用于帮助消化的普通药用酵母，能产生药用代谢产物的红酵母，以及具有特殊功效的富集酵母，如富锌酵母、富铁酵母、富硒酵母等。

（4）单细胞蛋白 20世纪70年代出现了微生物单细胞蛋白的生产，包括藻类、酵母、细菌、丝状真菌和放线菌等。作为饲料用单细胞蛋白，其粗蛋白含量高达40%～80%，是饲料的良好蛋白质来源。近年来，螺旋藻等光自养微生物的大规模培养也有很大的发展，藻体细胞用于营养保健或提取有关细胞成分（如类胡萝卜素等）。

图1-2 酵母细胞的工业化生产

（5）其他菌体产品 其他菌体产品有食用菌、药用真菌、某些工业用酶制剂（胞内酶）、微生物杀虫剂和生物防治剂等，也被广泛研究和应用。如苏云金杆菌芽孢的伴孢晶体对鳞翅目害虫有非常好的防治作用。

2. 微生物酶

酶最初来源于动、植物组织中，目前工业应用的酶大多来自微生物的发酵。利用发酵法生产各种酶，已经是当今发酵工业的重要组成部分。微生物酶分为胞内酶和胞外酶，其生物合成特点是需要诱导作用，或受阻遏、抑制等调控作用的影响。胞内酶仅以少量的形式产生，并参与细胞过程，而一些生物体还可产生大量特异性的酶分泌到培养基中，成为胞外酶。胞外酶通常能够催化分解不溶性营养物质（如纤维素、蛋白质、淀粉等），分解后的产物运输到细胞中作为营养供菌体生长。

微生物酶可以由细菌或真菌工业化生产，发酵特点是生产容易，成本低。所生产的酶制剂有广泛应用，如淀粉酶和糖化酶用于食品工业中生产葡萄糖，氨基酰化酶用于氨基酸的光学拆分，葡萄糖氧化酶可用于检测血液葡萄糖的含量。

3. 微生物代谢产物

微生物的代谢产物是发酵工业中种类最多，也是最重要的产品之一。可根据它们与菌体生长、繁殖的关系分为初级代谢产物和次级代谢产物。

在菌体对数生长期所产生的产物，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物称作初级代谢产物。如单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、酶类、核酸、多糖、脂类等生命必需的物质。许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性，分别形成了各种不同的发酵工业，具体产品如表1-2所示。

表1-2 发酵生产的微生物初级代谢产物

在菌体生长进入稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，称为次级代谢产物。许多次级代谢产物是抗生素，有些是特异性的酶抑制剂，有的是细胞生长的促进剂，还有许多具有药理特性。

次级代谢产物只有极少数微生物种类才能合成，如放线菌、真菌以及产芽孢的细菌。这些代谢产物可积累在细胞内，但通常都分泌到细胞外。次级代谢产物多为低分子质量化合物。根据次级代谢产物的结构特征与生理作用的研究，次级代谢产物可大致分为抗生素、植物生长激素、色素、生物碱与毒素等不同类型，具体产品如表1-3所示。

表1-3 发酵生产的微生物次级代谢产物

次级代谢产物的发酵生产是发酵工业的主要组成部分，日益受到人们的关注。其生物合成与初级代谢产物一样受到遗传调节和环境条件的控制，要提高产生菌的生产能力，就要解除一些瓶颈反应，增大代谢流量，提高发酵产品产量。

需要强调的是，将微生物的代谢产物简单地划分为初级代谢产物和次级代谢产物，有时则是困难的，因为某些产物的合成动力学会随着培养条件的改变而发生改变。

4. 微生物转化产物

工业微生物中最具深远意义的是认识到利用微生物的生物转化能完成一些有机化学手段无法实现的特定化学反应。微生物的转化反应是利用微生物代谢过程中的某一种酶或酶系将一种化合物转化成含有特殊功能基团产物的生化反应。其过程是在大型发酵罐中使微生物生长，然后在适当时间加入所需转化的化学底物，经过进一步培养，最后提取发酵液并纯化所需产物。生物转化反应的特点：①反应条件温和（30～40℃，常压，水相反应），反应选择性高；②反应产物纯度高；③反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）；④反应收率主要取决于菌种的性能；⑤设备简单。

19世纪80年代，巴斯德发现乙酸杆菌能将乙醇氧化为乙酸，以后相继发现用微生物可将异丙醇转化为丙醇，葡萄糖转化为葡萄糖酸，山梨醇转化为L-山梨糖等。值得一提的是上海药物所成功将喜树碱（治疗癌症药物，但毒性较大）转化为10-羟基喜树碱（毒性小），提高了对癌症的疗效，属国际首例。另外，维生素C和甾体激素的转化受到广泛重视。

在维生素C生产中，某些合成步骤是由微生物转化完成的。应用乙酸杆菌将D-山梨醇转化为L-山梨糖，再用氧化葡萄糖酸杆菌与巨大芽孢杆菌的自然组合进行第二步转化，将L-山梨糖转化成维生素C的前体2-酮基古龙酸。我国发明的这种维生素C“二步发酵法”（图1-3）已经推广到世界各国，该方法不仅简化了“莱氏法”生产工艺，排除有毒化学药品的污染，而且该工艺实行液体发酵，实现了工业生产的连续化、自动化，大大提高维生素C的产量。

可的松是一种皮质激素药物，具较强的消炎作用，可减轻轻微皮肤刺激所引起的肿胀和瘙痒。单纯用化学方法在天然甾体母核C-11位上导入一个氧原子改造成孕酮需要37步反应，收率为2/10⁵ ，但采用黑根霉的羟化酶进行微生物氧化转化，一步就能完成C-11上的立体特异性羟化作用（图1-4），使原来的合成步骤减少到11步，收率达90%，大大降低了可的松的成本。

由于甾体化合物的微生物转化作用是利用微生物的酶对甾体底物进行特定的化学反应，因而转化的产物不是微生物代谢的产物。在整个发酵过程中，微生物的生长和甾体的转化反应可以完全分开。首先进行菌体的培养，积累转化所需要的酶，再利用这些酶改造甾体分子。转化反应可直接用菌体细胞或孢子，也可用有活性的酶或者采用固定化细胞或固定化酶来完成。