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当前位置:第一节 酵母菌和霉菌
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/29 8:31:34阅读：nyq
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发酵工程的创立
所谓发酵工程是指把微生物发酵现象就用于生产生活，它是生物学和工程技术相结合的产物。微生物的发酵开始于人类见到微生物前的一段漫长的历史时期，大约在距今8000年前至公元1676年。最常见的例子就是发面、天然果酒的酿制、牛乳和乳制品的发酵以及利用霉菌来治疗一些疾病等。其中应用水平最高的是中国人在制曲、酿酒方面的伟大创造。
我国人民在距今约8000至4500年间，已发明了制曲酿酒工艺。在2500年前的春秋战国时期，已知如何制酱和醋。在宋代，已采用老的曲子——“曲母”来进行接种，还根据红曲菌有喜酸和喜温的生长习性，利用和控制有益微生物的生命活动，从而提高产量。酵母菌是人类最古老的家养生物之一。酒的出现一般认为是人类进入农业社会后的自然产物，并非个人的发明。那么，我国何时进入农业社会呢？1977年，河南新郑县发掘到的裴李岗遗址是距今近8000年（7885年±480年）的一处较早的新石器时代遗址，在这里找到了谷物的收割工具。至4000~5000年前新石器时代晚期的“龙山文化”时期，从发掘到的樽等陶制酒器来看，说明当时酿酒工艺已经大有发展。中国酿酒制曲的技术和经验在《齐民要术》（公元6世纪）和《天工开物》（1637年）中有详尽的记载。在曲、酒和菌种上种类十分多样。如曲种有散曲、小曲、饼曲、草药曲、红曲和干酵等多种；酒的品种仅《齐民要术》中就记载了39种；至于菌种，当时虽没有纯种微生物，但是，经过精心选择和独特培养后，已选育出以根霉、米曲霉、酵母菌、红曲霉或毛霉为主体的各种曲种。这些都是我们祖先为后人留下的丰富的菌种库。1892年，法国人考表特（A.Ca lmette）曾从中国小曲中分离出一株糖化力很高的毛霉——鲁氏毛霉(Mucorrouxianus)，并利用它所产生的糖化酶对淀粉进行糖化以生产酒精。这就是酒精发酵技术中著名的“阿米露法”(amvloprocess)。
1667年，列文虎克用自制的显微镜发现了微生物。1860年巴斯德进一步弄清了传染病、发酵和腐败的真正原因。他在寻求防止法国葡萄酒变质的方法时，进行了酵母的人工发酵。科赫提出了科赫法则，说明微生物可以分离并纯化，纯化后的微生物与原来的微生物相同。1872年维尔特开发了霉的纯种培养技术，1878年他开发了啤酒酵母的纯种培养技术，使酿造业迈进了近代化的行列。另外，随着迅速发展的社会需要，又开拓了利用发酵工业生产酒精、丙酮等的领域。
1897年德国人毕希纳（E.Büchner）用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”，对葡萄糖进行发酵获得成功，从而开创了微生物系列生化研究的新时代。另外，把微生物各种潜在能力和新型的培养核技术相结合，又陆续建立了抗生素、氨基酸、核酸等新型工业。1943年，英、美合作研究开发了青霉素的通气搅拌部培养法，开始了青霉素的大批量生产。
科学家在发现微生物能生产有用物质并研究找到批量生产的技术之后，又开发了所谓代谢控制发酵技术，使氨基酸、核酸发酵成为今天发酵工业最重要的领域。其基本步骤是：先获得优良菌种，不论是人工诱变，还是细胞工程中要防止杂菌污染，因此要严格灭菌。同时要注意保证最佳条件，使“工程菌”旺盛生长和繁殖。最后还要分离纯化，这一步骤要在发酵进行到最佳阶段时进行，才能使产量有所提高。
从20世纪70年代初开始，生物学基础理论的飞速发展，结合现代工程技术，出现了发酵工程，又使微生物工程突飞猛进地发展起来了。它具有比化式产品优越得多的优点，例如，一步生产，条件温和，原料便宜，设备通用，污染较少等。抗生素是人们使用最多的药物，目前各国由发酵法生产的抗生素约400种，广泛应用的有120种。经过人们对“工程菌”的改造和重新设计，不仅可以制造出许多高效低毒的新型抗生素，还可改造工艺，使抗生素产量成倍增长。目前利用发酵法生产的维生素有维生素C、维生素B2、维生素B12、生物素、，β-胡萝卜素等。这些维生素需求量很大，而且每年销售量仍在以10%的速度递增。原来人们用两种“工程菌”（草生欧文氏菌和棒状杆菌）生产维生素C，称为“二步发酵法”。它们像接力赛运动员一样各自承担了一段转化任务。在此基础上科学家将棒状杆菌的关键基因克隆到草生欧文氏菌中去，结果使原来的“二步发酵”简化为“一步发酵”，只需一种“工程菌”，这样能够大大降低成本。此外，1980年6月，日本科学家将大豆球蛋白基因移入大肠杆菌，通过培养、发酵，生产大量大豆球蛋白。1977年，全世界运用发酵法生产氨基酸，产量达38吨。日本 的此项生产，年产值达到2.5亿美元。在酿酒方面，我国一直沿用混合菌株传统酿造发酿技术，产品具有独特的香型，闻名全球。国外采用真空发酵和减压蒸馏技术，酒精生产能力提高三四十倍。令人感兴趣的是，在生物反应器中把酵母吸附于不动载体上，缓缓流入麦芽汁，源源不断地造出啤酒，发酵时间缩短到1天，甚至90分钟。生物反应器中的酵母连续发酵3个月活力不降低，为制造“生物啤酒”开创了新途径。另外，微生物发酵生产的柠檬酸、乳酸、苹果酸等多种有机酸，是饮料中不可缺少的酸味剂。近年来国外开发出用毛霉发酵生产γ-亚麻酸，具有防癌、防病毒感染、防皮肤老化等功效，是理想的保健品、化妆品添加剂。由于成本降低，价格由原来传统生产方法的325美元/千克降至6.5美元/千克。可以预期在本世纪，在人类从利用有限的矿物资源的时代过渡到利用无限的可再生的生物资源的时代中，微生物工程必将对人类社会的发展作出越来越大的贡献。
总之，发酵工程的出现和发展由来已久，多少科学家为之付出了辛勤的劳动，形成了如今多种多样的学科体系，以及先进完备的工艺水平。这对微生物的应用，环境污染的治理，食品、药品的生产等都有着举足轻重的作用。
资料来源《创造发明1000例》
发明青霉素的故事
英国细菌学家亚历山大·弗莱明是青霉素的发现者。他曾在伦敦大学任细菌学教授，著有《青霉素——它的实际运用》等，被誉为“抗菌素之父”。
弗莱明是一个脚踏实地的人，他不尚空谈，他的一生是在“观察”中度过的。他回忆在山村度过的童年生活时说：“在那儿，要用自己的眼睛，又要保持缄默，这对一个研究人员真是一种必不可少的锻炼啊！”“用眼睛”、保持“缄默“，正是“观察”的形象概括。
弗莱明平日里默默无言地工作，经常对许许多多的葡萄球菌（一种能使伤口化脓的细胞）的培养碟，进行仔细观察。一个初夏的早晨，弗莱明和往常一样，怀着必胜的信心，走进了实验室。他的敏锐的目光，突然停留在一只被绿色霉菌污染的培养碟上，一种奇怪的现象使他惊异。他走近窗前，又在阳光下仔细观察着。这时他发现，在这绿色霉菌的周围，所有原来生长的葡萄球菌全都消灭了，竟出现一圈空白的地方。啊！凶恶异常的葡萄球菌，现在却给来自空气的绿色霉菌乖乖地制服了，多么使人激动啊！
弗莱明立刻用高倍显微镜进一步仔细而缜密地观察。结果发现，原来空气中的一粒微尘长出的绿色霉菌，正在生长并消灭了那些葡萄球菌。
当时弗莱明所看到的那粒“微尘”，正是我们“植物学”课本中所讲的能产生青霉素的青霉菌的孢子。
怎么会有这种情况发生呢？经过反复的实验证实了，原来在空气中一颗青霉菌的孢子，恰巧在打开培养碟的一刹那，落在弗莱明的葡萄球菌培养碟里，又被弗莱明尖锐的目光所发现，终于找到了青霉菌可以使致病菌溶化这一重要关系。
同学们，你知道吗？我们现在治病用的青霉素就是真菌中的青霉菌所产生的。弗莱明发誓要探索并制造出一种既可治疗各种疾病，而又不会伤害人体的抗菌药物，经过他多年的努力，终于实现了这一美好的愿望。
自弗莱明发明青霉素以来，只不过短短的几十年历史。但这种药物却挽救了世界上患肺炎、骨髓炎、败血症、脑膜炎、梅毒等病症的无数病人的生命。为今天的“抗生素时代”奠定了坚实的基础。他也因此而获得了诺贝尔奖金。让我们学会观察，去探索大自然的奥秘吧！
资料来源《初中生物趣读》
酵母菌的利用
你知道又香又软的面食是怎样做成的吗？原来是酵母菌的功劳。人们都称酵母菌是制面包的“厨师”，其实，它的用处可多呢！
酵母菌是一种真菌，广泛分布在自然界，能分解碳水化合物，产生酒精和二氧化碳。它种类很多，人们常用的有面包酵母、酒精酵母、啤酒酵母、饲料酵母等等。它们个体都很小，在显微镜下呈圆球形、卵形和椭圆形等等，1000个酵母菌排列成行，也只有1厘米长。
酵母菌的利用，在我国有着源远流长的历史。古代地理书《山海经》里记述了猴子喜爱喝酒的趣事：果子漫山遍野，果子吃不完，常常落在地面低凹处，果子里的汁液溢出来，经过空气中酵母的作用，把糖发酵成酒精，变成天然的“果子酒”，猴子最早尝到了美酒的滋味。后来，人们也偶尔尝到了这种味美的酒，终于学会了酿酒。
酵母用于发面，大约开始于晋代。现在，市场上卖的鲜酵母，用来做馒头要比用发酵粉好。因为鲜酵母菌可以大量繁殖，还会产生蛋白质、维生素B12和一些生理活性物质等，对人体有利。而发酵粉是一种碳酸氢钠粉剂，只能产生二氧化碳，使面团变得膨胀、松软，却不会增加面团的营养成分。
用鲜酵母制作面包营养价值更高。因为面包在制作过程中还加进了一些糖和油脂等佐料，经过两次发酵，酵母繁殖更多，所以面包比馒头更松软，产生热量也多，营养价值高，更容易被人体消化吸收。
啤酒又是怎样酿造的呢？啤酒是麦芽经过糖化，加进酒花，由酿母菌发酵制造的。酒花是蛇麻草的雌花，绿色，带有幽香，含芳香油，苦味素和单宁等成分。啤酒发酵后，还产生少量的甘油、乳酸、醋酸和大量二氧化碳。啤酒开瓶时发出的嗤嗤声，不断泛起的白泡沫，就是二氧化碳冒出的气泡，馒头和面包里的小窟窿，也是酵母菌分解产生的二氧化碳受热膨胀留下的痕迹。
酵母菌还有其他用途。古代医书中的“醪药”就是酵母。药物中的酵母片，就是脱水的酵母，食母生也是以酵母为主要成分的。还可以酵母菌体提炼出三磷酸腺苷、辅酶A、辅酶I、细胞包素c和谷胱肽等物质。植物饲料，经酵母菌发酵，就可大大提高饲料的蛋白质、各种维生素、糖化酶和脂肪酶的含量，用来饲养家禽、家畜，能够促进它们快速生长。
资料来源《初中生物趣读》
抗生素的发现与发展
微生物学家从长期的实践观察中认识到：微生物之间存在着拮抗作用（即两种微生物培养在同一培养基中，一种微生物的生长受到另一种微生物的抑制），有可能利用某种微生物杀死另一种微生物。抗生素就是在对拮抗现象的深入探索研究中发现的。
1928年，英国伦敦大学的细菌学教授弗莱明（AlexanderFleming，1881—1955）进行病原菌实验。实验的主要目的是用显微镜观察细菌以及细菌的培养和生长状态。在研究葡萄球菌时，他将几个培养皿里面放上用肉羹汁做的培养基，经消毒冷却后，往培养皿中移植葡萄球菌，然后控制温度在30℃左右，极为适合细菌生长。但是这一细菌培养实验总是受到干扰，即培养皿中经常沾染上各种杂菌。
有一天，弗莱明又像往日一样做实验，突然注意到其中的一个培养皿中生长着一片青霉，而且凡是培养物与青霉接触的地方，都没有大片大片的金黄色葡萄球菌，而是干干净净的一圈。
虽然细菌培养实验失败了，但弗莱明由此作出了一个推测：会不会是青霉产生某种物质，杀死或抑制了葡萄球菌呢？于是他不再去培养细菌了，而是培养在培养皿中发现的这种青霉，结果证明了自己的推测是完全正确的。并彻底地研究了这种青霉对各种各样的细菌分别有什么作用。
他的研究表明，在除去青霉以后，培养基同样具有杀菌作用，由此他又推论出这种杀菌剂是青霉在生长过程中的代谢产物，可在培养基中积累，从而抑制或杀死周围其他的微生物。他把这种代谢产物称之为青霉素。因此，人们可利用其培养基制成溶液，从中分离提取青霉素，测定其抗菌作用。此后，他又用实验证明青霉素还有杀死链球菌、肺炎球菌、白喉和炭疽杆菌的作用，而且即使将其稀释1000倍，也能保持原来的杀菌力，但对人和动物的毒性很小，对白细胞无不利影响。最后他还整理出一份受青霉素抑制或不受抑制的细菌一览表。这张表高度准确，至今仍然通用。
接着，弗莱明又做了大量的实验，培养从几种不同的物体上取下的青霉，结果发现这几种青霉都不能产生青霉素。因此，弗莱明将他首先发现的青霉（能产生青霉素的）称为“特异青霉”。
青霉素被发现以后，并没有立即引起人们的重视。弗莱明和助手们坚持提炼青霉素长达4年之久。由于“特异青霉”产生青霉素的量太少，大量生产在技术上又存在着困难，工作就中止了。
大约过了10年，由病菌引起的传染病对人类的危害越来越大，谁要是得了肺炎或败血症，就等于得了不治之症。这时，牛津大学的病理学家弗洛里（1898—1968）重新提出炼制青霉素。他和当时在英国工作的德国生物化学家钱恩（1906—1966）合作，于1939年解决了青霉素的浓缩结晶和提纯问题，使大量生产青霉素成为可能。可是第二次世界大战的爆发中断了他们的研究工作。为了实现青霉素生产的工业化，弗洛里和钱恩在1941年前往美国寻求支援。美国制药公司对此非常感兴趣，伊利诺斯州皮奥里亚的一家工厂生产了第一批青霉素，但产量仍然很低，主要是因为这种青霉娇气，不但需要昂贵的培养液，而且只能在一个不大的容器中生长，产生青霉素的量又很少，培养数百瓶青霉的青霉素产量还不能满足一个病人一天的青霉素需要量。
1942年，弗洛里和钱恩在美国微生物学家们的帮助下继续进行研究探索，分离出了高产的菌种——产黄青霉，又做了大量的实验观察产黄青霉爱吃什么，生长需要什么样的环境等。结果发现，产黄青霉最爱吃玉米浆。美国当时种植玉米的面积很大且产量高，大量的玉米源源不断地运进制药厂，由于改进了培养基，大大地降低了成本。而且产黄青霉不只是在培养液表面生长，而是在整个培养液中都能生长。这样，终于探索出了完善的生产方法。制药厂里建造了约两层楼高，可以装25000加仑（约为113650升）培养液的大容器。像飞机螺旋桨一样大的搅拌棒使空气通过容器内的培养液，大规模生产变成现实。于是，在一年之内，美国有20余家公司开始大规模生产青霉素，到1943年青霉素被广泛使用。在第二次世界大战中，青霉素扼制住了伤口被细菌感染的威胁，挽救了大量战伤士兵年轻的生命。待二次大战结束时，青霉素的产量已足以供一年治疗700万个病人的需要。在治疗同样曾是不治之症的猩红热、化脓性咽候炎、白喉、梅毒、淋病等方面，青霉素也同样具有很高的疗效。
由于对人类的杰出贡献，弗莱明在1944年被封为爵士，1945年，他与弗洛里和钱恩一起共同获得诺贝尔生理学或医学奖。
青霉素治疗的显著效果震动了医药学界，在全世界掀起了寻找新抗生素的热潮。1944年，美籍俄国血统的微生物学家瓦克斯曼（1888—1974）等人从灰链丝霉菌的培养基中分离提取出链霉素，为抗结核杆菌提供了有效的药物。1947年，从一份委内瑞拉土壤中发现并提取出了对伤寒、痢疾等肠道传染病有特效的氯霉素；从密苏里州的一块泥巴里提取出了金霉素；1948年分离出土霉素；1953年分离出四环素；以后具有更高效和更广泛杀菌作用的抗菌作用的抗菌素不断产生，用于医疗上的约有100种左右。我国抗生素总年产量已居世界各国的前列。中国自行设计和建设的第一个专业生产抗生素的上海第三制药厂，于1949年建成，这标志着中国抗生素大发展的起点，童村任该厂副厂长兼总工程师。在青霉素的生产中，他解决了用棉籽饼代替玉米浆，用葡萄糖代替乳糖等课题，进一步降低了成本，为青霉素的发展和提高青霉素的产量起了促进作用。
现在，抗生素已成为治疗传染病非常有效的药物。
资料来源《创造发明1000例》