发酵概观及应用

 

发酵（fermentation）是细菌和酵母等微生物在无氧条件下，酶促降解糖分子产生能量的过程。

 

       发酵有时也写作酦酵，其定义由使用场合的不同而不同。通常所说的发酵，多是指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应，如今在食品工业、生物、农业、医药、酿造、食品及化工等方面中均有广泛应用。其也是生物工程的基本过程，即发酵工程。对于其机理以及过程控制的研究，还在继续。
　　发酵时会冒气泡和佛腾，沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成二氧化碳和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。
　　发酵的菌种（微生物） 微生物(microorganism简称microbe)是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、环保等诸多领域。
　　原核：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体。　
　　真核：真菌、藻类、原生动物。　非细胞类：病毒和亚病毒。
　　复杂的有机化合物在微生物的作用下分解成比较简单的物质。发面、酿酒等都是发酵的应用，也作酦酵。有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程统称为生物氧化。微生物生理学把生物氧化区分为呼吸和发酵，呼吸又可进一步区分为有氧呼吸和无氧呼吸。因此，发酵是生物氧化的一种方式。
　　发酵是这样一种生物氧化方式：在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化与内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物的还原相耦合，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化，而是通过底物（激酶的底物）水平磷酸化来获得代谢能ATP；能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD，以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD，同时将后者还原成发酵产物（不完全氧化的产物）。
　　细胞中的NAD是有限的，如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是生物氧化（包括发酵）继续进行下去的必要条件。
　　工业生产上笼统地把一切依靠的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。
　　近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。
　　“发酵”这个词汇在生活中往往是人联想到酿酒和发面制作大饼、油条、馒头、包子，或者联想到食品酸败物品霉烂。其实，“发酵”作为专业词汇，其含义不但覆盖发面制作大饼、油条、馒头、包子，更重要的是指用发酵的手段工业化生产酒及酒精饮料、维生素、食品及食品添加剂、饲料及饲料添加剂、药品、化工材料等等。
      发酵的特点：
　　发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下：
　　1，发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。
　　2，发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其它农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这—特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。
　　3，发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单—的代谢产物。
　　4，由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。
　　5，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。
　　6，微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。
　　7，工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，开可以取得显著的经济效益。
　　基于以上特点，工业发酵日益引起人们重视。和传统的发酵工艺相比，现代发酵工程除了上述的发酵特征之外更有其优越性。除了使用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌”来进行反应；反应设备也不只是常规的发酵罐，而是以各种各样的生物反应器而代之，自动化连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新。
       发酵的类型
　　根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型：
　　1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等。
　　2，按发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。
　　3，按发酵形式来区分，则有：固态发酵和液体深层发酵。
　　4，按发酵工艺流程区分则有：分批发酵、连续发酵和流加发酵。
　　5，按发酵过程中对氧的不同需求来分，一般可分为：厌氧发酵和通风发酵两大类型。
　　发酵工程在生物工程中的位置
　　生物工程主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和发酵工程等5个部分；
　　基因工程和细胞工程的研究结果，目前大多需要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往是通过酶工程来获得；酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。由此可见，生物工程各个分支之间存在着交叉渗透的现象。
　　

       反应 
　　发酵反应的过程依据不同糖的利用与产物的生产而不同。以下以葡萄糖生产酒精为例，说明酿酒发酵的过程，同时这也是最经典的发酵反应：
　　化学式：C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量:118 kJ/mol)
       文字式：糖（葡萄糖、果糖或蔗糖） → 醇类（乙醇） + 二氧化碳 + 能量 (ATP)   就实际反应的生化途径而言，在厌氧呼吸的初期，往往是糖酵解途径，之后的途径与终产物有关。
       应用
       固态发酵应用
　　传统上人们利用固态发酵生产面包、麦芽、酒曲、酒精饮料、酱油；利用酒精发酵生产的红酒、豆豉、蘑菇等食品或生产中间原料。近代研究发现利用固态发酵生产的一些食品中含有生理活性物质，表明了固态发酵在生产这些食品及食品添加剂上有优势。随着能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术以其特有的优点引起人们极大的兴趣。人们在固态发酵领域的研究及其在资源环境、蛋白质饲料中的应用取得了较大进展，主要表现在生物饲料、生物燃料、生物农药、生物转化、生物解毒及生物修复等方面的成功开发应用，为固态发酵的不断发展提供了强有力支持，为传统技术发扬光大提供了广阔的应用前景。
       酒精发酵和乳酸发酵生产葡萄酒
　　(1)、破碎和去梗
　　破碎：使果肉和果汗分离。
　　去梗：果梗有青梗味，除非酒中需要额外增加单宁，才会保留果梗。
　　(2)、酒精发酵和浸渍
　　葡萄破碎去梗后，被输送到发酵容器中进行发酵，酵母可以由葡萄自身原有的，也可以是人工添加的，发酵过程持续4~10天，葡萄皮中的单宁和色素就渗入葡萄汁里。
　　单宁和色素的撮过程就称为浸渍。浸渍时间从数日到数周不等。酵造单宁含量低、较柔顺的“新酒”，浸渍时间会很短；酿造可长期收藏的红酒时，由于需要足够的单宁，浸渍的时间会很长。
       (3)、更换容器和压榨皮渣
　　更换容器是为了将皮渣从葡萄原酒中分离，结束浸渍过程。皮渣移出容器后，再经压榨出酒。从皮渣中压榨出的葡萄酒颜色较深，单宁含量也较高，味苦涩。
　　(4)、乳酸发酵
　　在红葡萄酒酿造过程中，通常会进行称为乳酸发酵的副发酵。副发酵是利用乳酸菌把酒中酸涩的苹果酸变成较柔顺且稳定的乳酸。
       生产味精
　　全世界都采用发酵法生产味精。发酵法生产味精的原料基本上都是淀粉、砂糖、醋酸、糖蜜等天然物质，因此味精不是化学合成产品。
       发酵产品
　　酒、酱油、醋、医药、馒头、酸奶、臭豆腐、氨基酸、味精、淀粉糖、酒精、豆鼓、糖、维生素等等
       生物发酵处理垃圾
　　BTA工艺流程可广泛应用于处理生活垃圾、商业垃圾、农业垃圾及城市固体垃圾中的可降解生物垃圾(Biowaste)（垃圾中的有机物部份）。通过BTA工艺流程可将垃圾转换成高质量的生物燃气(Biogas)和有机肥(Compost)，生物燃气又可发电并产出热能。用BTA工艺流程进行垃圾处理时，所用的水基本都是在生产过程中产生的循环水，多余的水可直接应用于农业灌溉或进行进一步的污水清洁处理。
　　较为常用的是BTA单级发酵系统。垃圾浆料的发酵在混合发酵反应罐中一次完成。考虑到投资与运行的成本，现有的发酵设备（如污水处理厂、农业沼气厂的发酵罐）都可以直接改造利用这一工艺。BTA单级发酵系统完全可应用于现有的垃圾处理工厂扩大产量，如果要进行餐厨垃圾的处理还有必要再增加一些BTA杀菌消毒设施。
　　还有一种BTA多级发酵系统，大多用于年处理量超过5万吨的工厂。在BTA多级发酵系统中垃圾浆料通过脱水分离成固态物质和液相物质。液相中包含可溶解的有机成份，可以直接泵入厌氧发酵罐（甲烷反应器）中。经过脱水后的固体渣料中由于仍然包含有未溶解的有机成份，可再一次将其与水混合打进水解反应器，经过约4天后对这些悬浮液再次脱水，然后将液体部分注入到发酵罐（甲烷反应器）中。通过在不同反应器(酸化、水解和甲烷)中的降解过程，BTA多级发酵系统为微生物创造最理想的生长条件，加快了生物的降解速度，只需要几天时间就使60%—80%的有机物质转化成甲烷气体。