生物技术导论结课论文

现代生物技术导论结课论文 微生物发酵工程的原理及其应用摘要：本文着重讨论了现代生物技术中的微生物发酵技术的原理以及在医药行业和食品行业中的广泛应用，利用一些实例深入浅出的讨论微生物发酵原理及应用等相关内容，使我们对发酵技术在中药领域和饲料工业的应用有更深入的认识。关键词：发酵工程；中药；饲料；应用正文：微生物是生物的一大类，包括细菌、放线菌、霉菌、酵母菌、螺旋体、立克次体、支原体、衣原体、病毒、类病毒、原生动物及单细胞藻类等。它们是一群形体微小、构造简单的生物，遍布于土壤、水、空气、各种有机物及生物体内外，其特点是繁殖快，具有多种多样的生命活动类型。而微生物可以产生丰富的酶系，在温和的条件下有非常强大的分解转化物质的能力，并能产生丰富的次生代谢产物，因此利用微生物的特性我们逐渐发展起来了微生物工程又称微生物发酵工程，它是指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术生产有用物质，或直接应用于工业化生产的一种技术体系。它主要包括菌体的生产和应用，微生物代谢产物的生产，微生物机能的利用以及菌种的选育和保藏等技术。20世纪70年代以来，它已与基因重组、细胞融合、蛋白质工程等新技术相结合，发展成为现代微生物发酵工程，并形成了抗生素、酶制剂、维生素及氨基酸等新产业。一、微生物发酵工程原理微生物发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。千百年，特别是最近几十年的发酵工业生产的实践证明:微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。从生物科学的角度重新审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原理是其生物学原理，而前述的发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。因此，发酵工程的生物学原理是发酵工程最基本的原理，并且可以把它简称为“发酵原理”。发酵原理的核心内容是微生物复杂系统运行的自然规律（ 即微生物生命活动的三个基本假说）。代谢能支撑假说（生命活动的前提，动力）暗示：微生物活细胞是耗散结构，这种结构依靠代谢能来支撑。这个假说体现了生命活动的空间性（方位排列的有序）、时间性（周期变化的有序）。代谢网络假说（生命活动的内容，结构）显示：代谢网络是细胞代谢活动的运行图。这个假说体现了生命活动的整体性、流动性、层次性。细胞经济假说（生命活动的法则，控制）揭示细胞经济的运行原理，它们体现了细胞代谢活动的自主性。以面包制作过程中的发酵过程为例谈谈发酵原理。面包在制作的过程中首先需要面团的发酵，而面团发酵主要是依靠酵母的大量繁殖，产生大量的二氧化碳气体，促进面团体积的膨胀。面团发酵的过程是一系列物理、化学变化的过程，它使面团变得柔软、延展性好，发酵所产生的气体均匀分布在面团中，使面包的组织结构疏松多孔；面包发酵的过程中，产生各种生成物，使面包具有诱人的芳香风味。在各种生物酶的作用下，面团中的双糖和多糖转化成糖，在适宜的温度、水分、pH值以及必要的矿物元素环境下，酵母直接利用单糖进行新陈代谢，产生二氧化碳，并进行繁殖，使面团中的酵母数量愈来愈多，产生大量的气体，最终使面团膨胀成类似海绵的组织结构；酵母发酵的过程伴随产生的各种复杂化学芳香物质，以及对面团分子结构的改变，都使面团在烘焙过程中体积膨胀、口味芳香创造了有利的条件。发酵条件控制：(1)温度的控制：面团的发酵温度一般控制在26℃一28℃之间，最高不超过30℃。温度越高，酵母的产气量越高，发酵的速度越快。实践证明26℃一28℃时，酵母的产气能力大，发酵耐力强，产气量比较均匀，面团的持气能力比较大；当温度超过30℃时，酵母的量大，产气的速度过快，不利于面团的持气和充分膨胀，也容易引起面团中其他杂菌的繁殖而影响面包的品质。(2)湿度的控制：湿度在85％左右最为适宜。(3)时间的控制：发酵时间随面包的品种和加工的工艺有关，时间从1小时到五六个小时不等，通常发酵时间的控制以面团充分发酵达到标准的时间为准。发酵的标准的程度就是发酵成熟，反之为发酵不足和发酵过度。发酵的结果：发酵的结果有发酵不足、发酵成熟、发酵过度，发酵的程度是否适宜对面包的品质影响很大。A.发酵成熟的面团制成的面包体积大，内部组织均匀，气孔壁薄呈半透明，具有酒香和酯香，口感松软、富有弹性；B.发酵不足的面团制成的面包体积小，内部组织粗糙，风味平淡、香气不足，口感不佳、面包表皮色深；C. 发酵过度的面团制成的面包烘焙弹性好，炉中起发大，但出炉后易陷、收缩变形，表皮颜色浅、有皱纹、无光泽，内部组织有大气孔，不均匀、酸味大甚至有异味。因此，生产加工中，要正确地控制和掌握发酵的成熟程度，面团的发酵达到最佳状态。总之发酵过程就是微生物发生的一系列物质和能量代谢的过程，其中控制好发酵的条件是发酵技术成功与否的关键环节。二、发酵工程在中药研究中的应用2.1提高有效成分提取率中草药中植物类药材占90％，药材有效成分多存在于胞浆中，植物细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶质、木质素等物质构成的致密结构。在中药有效成分提取过程中，当胞浆中的有效成分向提取介质扩散时，必须克服细胞壁及细胞间质的双重阻力，使有效成分浸出受阻。微生物可利用中药中的成分为营养进行分裂、生长、繁殖和代谢，在代谢过程中分泌蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等几十种胞外酶进入培养基，使细胞破裂，细胞间隙增加，减小细胞壁、细胞间质等传质屏障对有效成分从胞内向提取介质扩散的传质阻力。体外试验证明对盾叶薯蓣采用预发酵有效组分薯蓣皂苷元的产率明显提高。2.2  提高有效成分的吸收和利用传统中草药给药途径多采用口服，小分子活性物质易通过血脑屏障而与人体细胞蛋白结合,因而比大分子物质具有更高的活性。药物中的有效成分在进入肠道后与肠道菌群发生关联，某些成分经细菌的作用发生代谢转化后被吸收，体内环境中肠道菌群是完成中药有效成分代谢的重要因素之一。研究证明多种中药有效成分被肠道菌群代谢后发生转化，产生出具有较强药理活性的代谢产物。如大豆异黄酮主要以9种异黄酮糖苷和3种相应的配糖体组成，经肠道微生物作用，部分糖苷脱离释放出游离式的二羟基异黄酮(大豆苷元)和三羟基异黄酮(染料木黄酮)，这两种异黄酮可以被机体有效吸收。中药经发酵处理更有利于有效成分的吸收和利用。2.3  产生新化合物 在灵芝发酵过程中加入黄芪，结果发酵液中多糖的组分发生变化,有可能产生新的物质。李国红用枯草芽孢杆菌对三七须根进行发酵，得到5个新化合物。微生物在分裂、生长、繁殖和代谢过程中可将中草药的成分分解转化，由于中药的某些物质可能对微生物的生长代谢及活性成分的产生有促进或抑制作用，微生物在中药的特殊环境中也有可能改变自身的代谢途径，在生长过程中产生丰富的初生或次生代谢产物，或以中药中的有效物质或一些非有效物质为前体，经酯化、氧化、葡萄糖基化、异构化、甲基化、去甲基化、乙酰化等多种生物转化形成新的化合物，发酵具有反应选择性强、反应条件温和、副产物少、不造成环境污染和后处理简单以及可以进行传统有机合成所不能或很难进行的化学反应等优点，具有一般化学反应无法比拟的优点。2.4  减毒增效微生物有可能将中药中的有毒物质进行分解,从而降低药物的毒副作用。喜树碱具有较强的抗肿瘤活性,同时又具有严重的胃肠毒性，如抑制骨髓功能和引起出血性膀胱炎等，制约了它在临床的进一步应用，10-羟基喜树碱是喜树碱的结构类似物，对多种癌症具有显著的疗效，且毒副作用很小，但它在喜树中的含量仅为十万分之二，提取分离费时、费力，朱关平采用无毒黄曲霉菌株1100T-419将喜树碱转化为10-羟基喜树碱，转化率达50%以上。大黄生用泻下作用峻烈，易引起腹痛、恶心等胃肠道反应。大黄泻下成分主要是结合性蒽醌衍生物，其中以二葸酮番泻苷的作用最强。在中医临床中，为了缓和大黄的泻下作用及对胃肠道的不良反应，常用不同的炮制方法，使结合性蒽醌分解或破坏，从而缓和泻下作用和其它副作用，研究用酵母菌发酵大黄，结果大黄总蒽醌含量略有降低，结合型蒽醌含量降低，分离型蒽醌含量增加，起到减毒增效的作用。三、发酵工程技术在饲料工业中的研究与应用随着畜牧养殖业的发展,饲料添加剂技术日新月异。进入21世纪后,由微生物发酵生产的酶制剂、单体氨基酸、维生素、抗生素和益生菌微生物制剂等饲料添加剂的使用使发酵工程技术在饲料工业中得到了更广泛应用的。由特异微生物发酵生产的饲用外源酶制剂包括戊聚糖酶和植酸酶等,前2种酶制剂添加于以大麦、小麦、黑麦、燕麦和次粉为主的畜禽饲粮中,能分解这类植物细胞壁的非淀粉多糖(SNSP)(如木聚糖),促进细胞壁崩解,使细胞壁包裹的各种营养物质充分释放出来,在消化道中得到充分吸收,从而提高饲粮养分的利用率。而饲料效率的提高,使生产性能得到改善。另外, 在麦类饲粮中含量很高的可溶性非淀粉多糖有很大的粘性,进入消化道后,食糜的粘度很高,不易消化,导致粪便粘连,污染环境。加入前两种酶后,因提高饲料消化吸收,粪便中粘稠物质排出减少,畜产品的品质(如鸡胸肉及鸡蛋的品质)提高,饲养环境也得到改善。这一技术的应用,大大促进了北欧地区、加拿大和澳大利亚等地区利用当地价廉的大麦、小麦等饲料资源于家禽饲粮中。近年来我国玉米与小麦有时价格差距在每吨150～200元,因此上述酶制剂也有助于小麦等麦类能量饲料应用于鸡、猪饲粮中,达到降低饲料成本的目的。在鸡、猪饲粮中添加植酸酶,能明显提高以植物性原料为主的饲粮中的植酸磷的消化利用,降低无机磷的添加量,故能有效地减少磷排出和对环境的污染,且氨基酸和其他矿物元素的消化利用也有提高。由于现在生产的植酸酶抗高温及抗胃内低pH环境的能力较差,单位活性较低,生产成本较高,故此酶在生产中尚未得到广泛应用。目前,国外学者正利用转基因技术和特殊包被技术研制耐高温和胃低pH环境的高活性植酸酶,以及研制与植酸酶功能相似、而耐高温和抗低pH能力强于植酸酶的酸性磷酸酶,并已取得一定成效。福建省农科院动物营养研究中心已研究出pH在2～3的植酸酶。有些公司采用转基因技术生产的植酸酶因质量提高、售价降低而越来越多地应用于鸡、猪饲粮中。外源酶制剂在饲料工业中应用的时代已经到来。由于上述三种酶制剂在鸡、猪饲粮中的成功应用,正激发人们研究其他酶制剂,如纤维酶、蛋白酶和淀粉酶等在饲料工业中的应用。外源酶制剂应用的目的主要有四:第一,弥补动物体内源酶分泌的不足,如用于幼畜和病畜上;第二,分解动物饲粮中的抗营养因子,如葡聚糖、戊聚糖、植酸和纤维等,从而提高饲料养分的消化利用率;第三,分解某些饲料中的毒素因子,如棉酚和异硫氰酸酯等,提高这些饲料原料的利用潜力;第四,在体外对难消化的动物副产品,如羽毛粉和皮革粉等进行预处理,从而提高这些动物副产品的利用价值。可见,外源酶制剂在饲料营养中有很大的研究与应用潜力。为确保酶添加剂在实际应用中的品质,国外正在研究酶添加于饲粮后的活性高效检测法。3.1纤维素酶解粗饲料秸杆类粗饲料粉或含纤维素的工业废渣(蔗渣和糖醛渣等)，在一定的条件下，通过徽生物纤维素酶的酶解作用,而制成的饲料称为纤维素酶解饲料。纤维素酶可以把原料中的部分纤维素分解成容易消化吸收的塘,提高了营养价值。 在自然界中,细菌和母菌以及担子菌是纤维素降解的主要徽生物。目前国内外所采用的菌种大部分是木称、曲排、青母、根霉,其中以绿色木稼使用的最为广泛。国外已发现能对木质纤维家材料进行降解的白色腐败真菌。大量试验证明,用白色腐败真菌处理后的秸杆消化率提高,可溶性物质增加。纤维素酶解饲料的调制过程分为菌种培养、纤维素酶曲生产和粗饲料酶解三个步骤。我国纤维素酶解饲料的研究从70年代初期开始,取得了一些可喜的进展。如筛选出纤维素酶活性较高的菌株,研究了生产的工艺流程,在一般饲养条件下,增重率也有所提高等。然而,纵观国内外的研究现状,利用生物制剂处理粗饲料以改善其品质的方法,虽然还没有在实际生产中应用,但它可能是未来最有潜力的处理方法。发达国家为了从粗饲料调制出高品质饲料,对广泛使用细菌和酶制剂给予越来越大的关注。在英国、美国和芬兰进行的试验表明,使用酶混合物制剂,明显地降低粗饲料中纤维素的含量,有助于反色家畜瘤胃内迅速消化吸收