第二章发酵过程的生物学基础

第二章发酵过程的生物学基础第一节发酵过程与微生物（自学）自然界中存在着各种各样的微生物，它们具有不同的形态结构和生理特征，可以分成不同的类群。其中，细菌、放线菌、酵母和霉菌等已广泛应用于发酵工业，有的直接利用其菌体细胞，有的则利用其代谢产物或转化机能。了解微生物的种类、形态及生理特征的目的在于认识微生物的特性，掌握其生命活动规律，使其在工业生产中充分发挥作用。微生物具有体积小、种类多、分布广、繁殖快、便于培养和容易发生变异等特点，并且在生产中不易受时间、季节、地区的限制，所以在工业生产上越来越广泛地被重视和应用。如前所述，发酵工程是以微生物的生命活动为中心的，各种发酵生产都必须有相应的微生物。微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应产物的生成。工业上用的全部微生物都称为工业微生物。此外还要和杂菌污染打交道，杂菌污染会严重影响甚至完全破坏我们所需的工业发酵过程。此外，有些微生物既是工业生产茵，又可能是杂菌。例如，醋酸菌在生产醋时是生产菌，但会引起酒类的败坏。工业生产上常用的微生物和经常遇到的杂菌主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进入发酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在逐步地变为工业生产菌。本章主要介绍与发酵工程有关的主要微生物类群。一、细菌细菌是自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属单细胞原核生物，具有较典型的核分裂或二分分裂繁殖。体形微小，通常在1000倍的光学显微镜成电子显微镜下才能看到。工业生产常用的细菌有以下几种：1，枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)枯草芽孢杆菌为生孢孢的需氧菌。营养细胞杆状，大小一般为0.7~0.8×2~3μm。菌端半圆形。单个或呈短链。在细胞中央部位形成芽孢，芽孢为椭、圆形，大小约为0．6~0．7×1．0~1．5μm。芽孢萌发，沿赤道分裂，为中腰发芽。细胞侧生鞭毛，能运动。革兰氏染色阳性。生长温度为30~39℃，但在50、56。℃时尚能生长。最适pH为6.7~7.2。属需菌菌。芽孢耐高温，一般在100℃3h才能杀死。有的芽孢抗高温能力更强，在100℃煮沸8h尚能发育生长，故需高温灭菌才行。它能在铵盐液体中发酵各种糖类生成酸。由于芽孢能耐高温，所以分布较广，常存于枯草和土壤中。一般来说为腐败茵，如在酱油、酱类和白酒制曲时，如果水分含量大，温度较高，就容易造成枯草杆菌迅速繁殖。这不但消耗原料蛋白质和淀粉，而且生成刺眼鼻的氨味，造成曲子发钻和异臭，使制曲失败。经科研获得的枯草杆菌能产生大量的淀粉酶和蛋白曲，这些已分离到的优良菌种在工业生产上得到了广泛应用。例如，ASl．393枯草芽泡杆菌用于生产中性蛋白酶却发酵生产酱油、食醋。及饴糖时就可采用BF7658枯草芽孢杆菌生产的α—淀粉酶。2，大肠杆菌(Escherihiacoli)细胞杆状，长度为0.5×1.0~3.0μm，有的近似球状，有的则为长杆状。革兰氏染色阴性。能运动或不运动，运动者周生鞭毛。许多小种产生荚膜或微荚膜，无芽抱。大肠杆菌发酵葡萄糖和乳糖，产酸、产气。大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶在工业上被用来进行谷氨酸定量分析。还可以利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸等。在医药方面和基因工程方面，大肠杆菌是很好的研究材料。3，乳酸杆菌(Lactobacillus)细胞杆状到球状。常生长成链，大多不运动，能运动者为周生鞭毛。革兰氏染色阳性。无芽孢。正常菌落粗糙。发酵碳水化合物，产物的85％以上为乳酸。厌氧或兼性厌氧。生长温度为45、50℃。常用的德氏乳酸杆菌为杆状，大小为0.5~0.8×2、9μm。在麦芽汁糖化液内，繁殖特别旺盛。菌体肥壮，产酸力特别强。在固体培养基上，菌落微小。在肉汁培养基内略带浑浊。由于乳酸菌能产生乳酸，所以可用于食品的保存和调整食品的风味。在食品工业上如干酪的成熟、乳脂的酸化和腌莱、泡菜等制作无不与乳酸菌有关。在酱油酿造过程中，它也起到了良好的作用。4，丙酮丁醇梭菌(Clos.acetobutyleum)细胞呈杆状，圆端，0.6~0.7×2.6~4.7μm，芽孢囊1.3~1.6×4.7~5.5μm。单生或成对，但不成链。芽孢卵圆，中生或次端生，使芽孢囊膨大成梭状或鼓槌状。无荚膜。以周毛运动。有淀粉粒。革兰氏染色阳性，可能变为阴性。专性厌氧茵。在葡萄糖琼脂上形成圆形紧密隆起的菌落，乳脂色，不透明，液化明胶。能发酵多种糖类，包括淀粉、糊精等。生产上多用来生产丙酮丁醇。发酵适温30~32℃，生长适温37℃，最适pH6.0~7.0。5，肠膜状串珠菌(Leuconostocmesenteroides)细胞呈球状或双凸镜状，大小0.5~0.7×0.7~1.2μm，成对或链，常排列成短链。革兰氏染色阳性，菌落小，灰白，隆起，不液化明胶。能同化多种糖产酸、产气。微需氧至兼性厌氧。生长需缬氨酸和谷氨酸。此菌在蔗糖液中形成特征性葡聚糖粘液。促使形成这一特征的温度是20~25℃。在厌氧条件下能分解葡萄糖。此菌生长温度在10~37℃之间，适温为20~30℃。因其常使糖汁变粘而无法加工，故为糖厂之害菌。但它却是葡聚据的生产茵。6，醋酸杆菌(Acetobacter)细胞从椭圆形到杆状，0.6~0.8×1.0~3.0μm。有单个的、成对的；也有成链的。在老培养物中易呈多种畸形菌体，如丝状、梯状、弯曲等。鞭毛有两种类型，一种是周生鞭毛，另一种是端生鞭毛。不形成芽抱。醋酸菌是化能异养菌，革兰氏染色阴性。因为没有芽孢，故对热抵抗力较弱。根据醋酸菌发育时对温度的要求和特性。可将醋酸菌分为两类：一般发育适温在30℃以上，以氧化酒精成醋酸为主的称为醋酸杆菌；另一类发育适温在30℃以下，氧化葡萄糖为葡萄糖酸的称为葡萄糖氧化杆菌（Gluconobacter）。在醋酸杆菌中常用的有ASl.41，外形为短杆状，两端钝圆，革兰氏染色阴性。对培养基要求粗放，在米曲汁培养基中生长良好。好气性。氧化酒酒精为醋酸，于空气中使酒精变浑浊。表面有薄膜，有醋酸味。也能氧化醋酸为CO2和H2O。繁殖适宜温度为3l℃，发酵温度一般为36~37℃。7，棒状杆菌(Corynebacterium)细胞呈杆状，直形或微弯。常呈一端膨大的棒状，折断分裂，。成“八”字形排列或栅状排列。不运动，仅少数致病菌能运动。无芽孢。革兰氏染色阳性，也有些阴性反应者。菌体内着色不均匀，好氧或厌氧。调味品生产中，如谷氨酸生产常用的菌种有北京棒状杆菌(Corynebacteriumpekinense)。其细胞通常为短杆状至小棒状，有时微呈弯曲，两端钝圆，不分枝。呈多形态，即培养6h后细胞有延长现象。细胞排列为单个、成对或“八“个字形。细胞大小为0.7~0.9×1.0、2．5μm。在26、37℃培养时生长良好，41℃时生长较弱。pH5~10均能生长，最适pH为6~7.5。生物素是必需的生长因素，硫胺素或某些氨基酸有促进生长的作用。能利用葡萄糖、果糖、甘露糖、麦芽糖等产酸，但均不产气。通气培养在含葡萄糖和尿素或铵盐的适宜培养基中，能大量积累L-谷氨酸。8，短杆菌(Brivibacterium)细胞为短而不分枝的直杆状，一般在0.5~1.0×1.0、5μm左右；，大多数不具鞭毛。在肉汁蛋白胨培养基上生长良好。有时产生非水溶性色素，呈红、橙红、黄、褐色。革兰氏染色阳性。不形成芽孢。为好氧微生物。多数从葡萄糖发酵产酸，不发酵乳糖。大多数液化明胶，还原石蕊。此属菌有谷氨酸发酵能力，在利用糖质原料的谷氨酸发酵中，需要生物素作为生长因子，才能满足谷氨酸发酵。短杆菌属中的黄色短杆菌(Brivibacteriumflavum)和硫殖短秆菌(Brivibacteriumthiogenitalis)能用于谷氨酸发酵生产。9，黄单胞菌(Xanthomonas)细胞直杆状；两端钝圆稍尖；大小为0.4~0.7×1.2~1.5μm。革兰氏染色阴性，无芽孢，极生鞭毛。在含蔗糖的琼脂平板上可形成圆形、边缘整齐、粘稠光滑的黄色菌落，液体培养形成黄色粘稠的胶状物一荚膜多糖，其黄色为一种非水溶性色素。野油菜黄单胞菌在通气条件下，于pH6.8~7.0、28~30℃时，能以淀粉作碳源发酵生产黄原胶。二、放线菌放线菌因其菌落呈放射状而得名。它是一个原核生物类群，在自然界中分布很广，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中较多。大多腐生，少数寄生。它的最大经济价值在于能产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素，有60％以上是放线菌产生的，因此人们在抗生素发酵土业中，非常重视对放线茵的研究与运用。常用的放线茵有以下见种：1，链霉菌属(Streptomyces)锭霉菌的基内和气生菌丝多分枝，无分隔，直径0.5~2μm。气生菌丝产生许多孢子串生的孢子链，孢子链长短不等。此属中不少菌种产生抗生素，这些抗生素约占各种微生物(包括放线菌)所产抗生素的50％以上。(1)灰色链霉菌(Streptomycesgriseus)在葡萄糖—硝酸盐培养基上生长时，菌落平而薄，初为白色，逐渐变为橄榄色。气生菌丝浓密，粉状，呈水绿色。发育适温37℃生产链霉素温度为26．5~27．5℃。(2)龟裂链霉菌（Streptomycesrimosus）于1950年就发现此茵能产生氧四环素(也称土霉索)。菌丝白色，呈树枝状；孢子为灰白色，呈拄形；菌落为灰白色，其表面后期有皱褶，呈龟裂状。(3)金霉素链霉菌(Streptomycesaureofaciens)在PDA培养基上生长时，其基内菌丝能产生金黄色色素，但其气生菌丝无色，孢子初为白色，经5~7天培养后，则由棕灰色转变为灰黑色。因该菌所产生的抗生素为金霉素(氯四环素)，故称金霉素链霉菌。如其培养基中的NaCl以NaBr代替时，则此链霉菌又可产生四环素。(4)红霉素链霉菌(Streptomyceserythreus)此菌生长扩展，有不同规则的边缘，菌丝深入培养基内，初为白色，后变为微黄色，菌落周围白色乳状，气生菌丝细，有分技。最适温度25℃，产生红霉素。2，小单孢菌属（Micromonospora）小单孢菌与一般放线菌有不同之处。菌丝体纤细，0.3~0.6μm。有分枝和分隔，不断裂。茵丝体长入培养基内，不形成气生茵丝，而在基内菌丝体上长出孢子梗，其顶端生一个球形、椭圆形或长圆形的孢子。大小约为1.0~1.5×0.9~1.2μm。菌落致密，与培养基紧密结合在一起，表面凸起，多皱或光滑、疣状，平坦者较少。菌落常为黄橙色、红色、深褐色、黑色和蓝色。这是产生抗生素较多的一个属。如绛红小单孢菌(Micromonosporapurpurea)和棘孢小单孢菌(Micromonosporaechinospora)都能产生庆大霉素。3，游动放线菌属(Actinoplanes)一般不形成气生菌丝，基内菌丝分枝，直或卷曲，多数不分隔，直径0.2~2.0μm，孢囊在基内菌丝体上形成，大小为5~22μm，着生在孢囊梗上或菌丝上，孢囊梗直或有分技，在每技顶上有一至数十个孢囊。孢囊孢子在孢囊内盘卷或呈直行排列，成熟后分散为不规则排列。孢子呈球形(1~1.5μm)，有时端生1~40根鞭毛，能运动。孢囊成熟后，孢囊孢子释放出来。有的菌种能形成分生抱子。4，诺卡氏菌属(Norcardia)基丝较链霉菌纤细，0.2~0.6μm，有横隔，一般无气丝。基丝培养十几个小时形成横隔，并断裂成杆状或球状抱子。菌落较小，其边缘多呈树根毛状。主要分布于土壤中。有些种能产生抗生素(如利福霉素、蚁霉素等)，也可用于石油脱蜡及污水净化中脱氰等。5，孢囊链霉菌属(Streptosporangium)抱囊孢子无鞭毛，气丝的孢子丝盘卷成球形孢囊。其孢囊有两层壁，外壁较厚，内壁系薄膜，孢囊内形成孢囊孢子。这类菌亦可产生不少抗生素，如可抑制细菌、病毒和肿瘤的多霉素等。我国生产的创新霉素由济南游动放线菌新菌(Actinoplanestsinanensisn.sp)产生。米苏里游动放线菌(Actinoplanesmissouriensis)能以木糖为诱导物，大量生产葡萄糖异构酶。近年来不仅从放线菌中发现一些医药上使用的抗生素新品种，而且还进一步将放线菌所产生的抗生素开发应用到农牧业