導(dǎo)語(yǔ)

發(fā)酵是一種古老的工藝，利用微生物將糖轉(zhuǎn)化為酒精或酸，多年來(lái)一直是人類文明的重要組成部分。從生產(chǎn)酒精飲料到制作面包、奶酪和酸奶等基本食品，發(fā)酵一直是世界各地傳統(tǒng)和工業(yè)的基礎(chǔ)。如今，發(fā)酵是一種發(fā)展成熟的技術(shù)，在食品生產(chǎn)與保鮮、飲料、制藥、生物燃料、生物聚合物生產(chǎn)等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。近年來(lái)，工業(yè)發(fā)酵技術(shù)被廣泛接受，并被認(rèn)為是有助于減少我們對(duì)傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)品和危險(xiǎn)化學(xué)品依賴的最重要技術(shù)之一，改變了食品和飲料、制藥、能源和環(huán)境可持續(xù)性等各個(gè)領(lǐng)域。

發(fā)酵是一種生物過(guò)程，通過(guò)各種微生物，如酵母、細(xì)菌和真菌的參與，將復(fù)雜底物轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的簡(jiǎn)單化合物（如酶生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物、生物質(zhì)、重組技術(shù)和生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物），并且在工業(yè)規(guī)模上進(jìn)行。有機(jī)酸和酒精是發(fā)酵的主要產(chǎn)物。在這個(gè)過(guò)程中，還會(huì)釋放出抗生素、酶和生長(zhǎng)因子等次生代謝產(chǎn)物。它們具有生物活性，因此也被稱為生物活性化合物。

這些化合物含有植物和食品成分的微量，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。各種生物活性化合物包括次生代謝產(chǎn)物，例如酚類化合物、生長(zhǎng)因子、食品色素、抗生素、霉菌毒素和生物堿。其中酚類化合物的成分包括黃酮類化合物（黃酮醇、黃酮、花色素苷和異黃酮）、單寧和酚酸。黃酮類化合物包括了植物酚類化合物中最大的一類，其中大多數(shù)是自然存在的化合物。

公元前 7000 年：發(fā)現(xiàn)釀造啤酒

人們普遍認(rèn)為，發(fā)酵的歷史可以追溯到古代文明。大約9,000年前，蘇美爾人偶然發(fā)現(xiàn)了釀造啤酒的過(guò)程，這一意外發(fā)現(xiàn)將影響人類文化和社會(huì)數(shù)百年。該過(guò)程最早的形式涉及谷物（主要是大麥）的自然發(fā)酵，這有助于創(chuàng)造我們今天所熟知的啤酒這種酒精飲料。

然而也有證據(jù)表明，一種由蜂蜜、大米和水果制成的發(fā)酵酒精飲料可以追溯到新石器時(shí)代的中國(guó)，大約在公元前7000年至6600年之間。

公元前 300 年：蒸餾法的發(fā)明

蒸餾工藝是古希臘人在大約公元前300年發(fā)明的，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了烈酒的生產(chǎn)方式。蒸餾使酒精分離和濃縮成為可能，從而生產(chǎn)出更烈性的飲料和精油，標(biāo)志著發(fā)酵技術(shù)的重大進(jìn)步。此外，它還擴(kuò)大了可生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品范圍，并拓寬了應(yīng)用范圍。

19世紀(jì)：工業(yè)化推動(dòng)大規(guī)模生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化

19世紀(jì)見(jiàn)證了發(fā)酵技術(shù)的兩次重大發(fā)展。首先，人們對(duì)微生物在發(fā)酵過(guò)程中的作用有了重大認(rèn)識(shí)，特別是在釀酒和釀酒中。路易斯·巴斯德對(duì)酵母發(fā)酵技術(shù)的研究為現(xiàn)代微生物學(xué)和發(fā)酵科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。其次，工業(yè)革命使得啤酒、葡萄酒等發(fā)酵飲料的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能，從而導(dǎo)致了這些產(chǎn)品的商業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

20世紀(jì)：基因工程和生物反應(yīng)器

20世紀(jì)，隨著新微生物菌株的發(fā)現(xiàn)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)酵技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，科學(xué)家能夠改造微生物，通過(guò)發(fā)酵過(guò)程生產(chǎn)特定的化合物，如酶和藥物。此外，生物反應(yīng)器（用于控制發(fā)酵的容器）的發(fā)展使得人們能夠更精確地監(jiān)測(cè)和優(yōu)化發(fā)酵條件，從而顯著提高生產(chǎn)力和產(chǎn)量。

21世紀(jì)：生物技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展的交融

在過(guò)去二十年中，發(fā)酵技術(shù)經(jīng)歷了復(fù)興，這得益于生物技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)可持續(xù)性的關(guān)注?；蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)徹底改變了微生物及其代謝途徑的研究，使針對(duì)不同應(yīng)用的發(fā)酵工藝得以量身定制。過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)化進(jìn)一步提高了發(fā)酵的效率和一致性。廢物回收、生物燃料生產(chǎn)和可生物降解材料合成等可持續(xù)實(shí)踐也日益受到重視，凸顯了發(fā)酵技術(shù)應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)的潛力。

液態(tài)發(fā)酵在富含營(yíng)養(yǎng)的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物。這種發(fā)酵主要用于工業(yè)應(yīng)用。該過(guò)程涉及在密閉容器中培養(yǎng)微生物，容器中含有營(yíng)養(yǎng)豐富且氧氣含量高的培養(yǎng)基。生產(chǎn)培養(yǎng)基是深層發(fā)酵的重要組成部分，可根據(jù)微生物和目標(biāo)分子進(jìn)行優(yōu)化。

SmF有三種模式：分批模式、補(bǔ)料分批模式和連續(xù)模式。

分批模式

這是一種簡(jiǎn)單的發(fā)酵方式，其中所有過(guò)程的先決條件都放在一個(gè)容器中，中間除了空氣外不添加任何東西。先決條件包括發(fā)酵罐和生產(chǎn)培養(yǎng)基的滅菌以及接種物的添加。發(fā)酵罐以封閉方式運(yùn)行，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡或目標(biāo)分子達(dá)到其最大濃度時(shí)，該過(guò)程終止。批處理模式的優(yōu)點(diǎn)包括：使用簡(jiǎn)單，污染的機(jī)會(huì)較少，即使相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作員也可以處理它。

補(bǔ)料分批模式

顧名思義，補(bǔ)料分批模式是一種發(fā)酵方式，其中系統(tǒng)不以封閉方式運(yùn)行。在這種模式下，根據(jù)需要將底物、營(yíng)養(yǎng)物或誘導(dǎo)劑添加到系統(tǒng)中。這種產(chǎn)品的添加增加了微生物的生產(chǎn)階段。補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)包括：實(shí)現(xiàn)了高細(xì)胞密度，會(huì)導(dǎo)致代謝物的產(chǎn)生增加，可以控制生物的生長(zhǎng)速度及其氧氣需求。

連續(xù)模式

在這種模式下，生物體被注入新鮮的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)去除廢培養(yǎng)基和細(xì)胞，從而以恒定的速率維持體積、底物濃度、產(chǎn)物和生物量。連續(xù)模式的優(yōu)點(diǎn)包括：可以延長(zhǎng)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)了高細(xì)胞密度，可以用這種模式來(lái)研究文化生理學(xué)。

固態(tài)發(fā)酵是微生物在潮濕的固體基質(zhì)上生長(zhǎng)，顆粒間無(wú)水或水分極少。固體培養(yǎng)基的水分含量在12-80%之間。這種發(fā)酵類型主要用于農(nóng)產(chǎn)品和食品，例如由曲霉和根霉發(fā)酵大豆。

SSF的應(yīng)用包括：

酶生產(chǎn)，如果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶和植酸酶。

生產(chǎn)沒(méi)食子酸、乳酸等有機(jī)酸。

產(chǎn)生各種次生代謝產(chǎn)物，例如赤霉酸和抗生素。

不飽和脂肪酸和生物防治劑的生產(chǎn)。

固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)包括產(chǎn)品滴度高、用水量少、浪費(fèi)水少、無(wú)需起泡、費(fèi)用低、能耗低。當(dāng)然，它也存在一些缺點(diǎn)，例如難以控制固體基質(zhì)的水分、氧氣供應(yīng)不足、發(fā)酵過(guò)程中沒(méi)有控制pH的方法，以及可用于SSF的物種有限等。

Technology

Application 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)酵依賴于酵母和細(xì)菌等天然微生物進(jìn)行所需的生化轉(zhuǎn)化。然而，隨著微生物工程和合成生物學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)和改造微生物，以改進(jìn)發(fā)酵過(guò)程，用于特定應(yīng)用。這種方法可以創(chuàng)造出具有改進(jìn)的代謝途徑、更高的生產(chǎn)率和更強(qiáng)的環(huán)境條件抵抗力的新型菌株。例如，人們正在開(kāi)發(fā)工程酵母菌株，以便從玉米、甘蔗和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)等可再生資源中更高效地生產(chǎn)生物乙醇。同樣，工程細(xì)菌也被用于生產(chǎn)產(chǎn)量和純度更高的有價(jià)值的化學(xué)品、藥物和生物燃料。

在食品和飲料行業(yè)，發(fā)酵仍然是生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)，有助于改善各種產(chǎn)品的風(fēng)味、質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。然而，發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)步有助于制造商擴(kuò)大產(chǎn)品供應(yīng)并滿足日益增長(zhǎng)的消費(fèi)者需求。例如，植物替代品的日益普及帶來(lái)了發(fā)酵衍生蛋白的創(chuàng)新，如真菌蛋白（來(lái)自真菌）和豌豆蛋白，它們可以作為肉類和奶制品等動(dòng)物源蛋白的可持續(xù)替代品。此外，發(fā)酵技術(shù)正被用于開(kāi)發(fā)具有健康益處的功能性成分，如益生菌、益生元和酶，它們可以促進(jìn)腸道健康和消化。

在制藥和生物技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)酵在治療性蛋白質(zhì)、抗生素、疫苗和其他生物制劑的生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。發(fā)酵技術(shù)的最新進(jìn)展提高了這些生物制藥生產(chǎn)的可擴(kuò)展性、效率和成本效益。例如，重組DNA技術(shù)的使用可以在大腸桿菌和酵母等微生物宿主中表達(dá)復(fù)雜蛋白質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高純度和高效力的大規(guī)模生產(chǎn)。此外，正在實(shí)施連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)和在線監(jiān)控技術(shù)，以改善過(guò)程控制、縮短生產(chǎn)時(shí)間并最大限度地減少資源消耗，從而提高生物制藥生產(chǎn)的可持續(xù)性。

除了常規(guī)應(yīng)用外，發(fā)酵還被用于可持續(xù)能源生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)。厭氧消化和微生物燃料電池等生物能源技術(shù)利用發(fā)酵過(guò)程將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為沼氣和電力等可再生能源。這些技術(shù)不僅可以減少溫室氣體排放、減少對(duì)化石燃料的依賴，而且還提供了一種利用廢物和回收資源的方法。此外，微生物發(fā)酵正被用于環(huán)境修復(fù)目的，例如通過(guò)專門的微生物群落降解污染物，對(duì)受污染的土壤和水進(jìn)行生物修復(fù)。

Technological development

發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展

近年來(lái)，工業(yè)發(fā)酵取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和突破。代謝工程和合成生物學(xué)、連續(xù)發(fā)酵工藝、先進(jìn)分析技術(shù)、生物傳感器和下游處理等方面的發(fā)展使得發(fā)酵啟動(dòng)菌的合理設(shè)計(jì)成為可能。這些發(fā)展，再加上生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和工程方面的重大進(jìn)步，對(duì)我們的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

代謝工程在工業(yè)發(fā)酵中的應(yīng)用主要集中在改善細(xì)胞代謝以提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品產(chǎn)量。此外，通過(guò)合成生物學(xué)，可以開(kāi)發(fā)混合或新的代謝途徑，生產(chǎn)新產(chǎn)品，擴(kuò)展底物范圍或提高處理特性。代謝工程的一個(gè)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是像Medicago這樣的制藥公司的工作，他們利用代謝工程來(lái)創(chuàng)造疫苗和治療藥物。他們使用一種稱為VLP（病毒樣顆粒）的技術(shù)，涉及利用植物代謝途徑來(lái)產(chǎn)生模擬病毒結(jié)構(gòu)的病毒樣顆粒。這些顆?？捎糜诖碳っ庖呦到y(tǒng)并保護(hù)免受疾病侵害。

圖. 代謝工程和合成生物學(xué)在農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化中應(yīng)用的示意圖，用于轉(zhuǎn)化煙草植物產(chǎn)生 VLP

連續(xù)發(fā)酵的主要好處之一是能夠更好地控制發(fā)酵過(guò)程，并優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)條件。通過(guò)細(xì)胞循環(huán)和固定化，這一過(guò)程降低了資本成本，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)量。細(xì)菌的連續(xù)培養(yǎng)比批次培養(yǎng)具有更高的生產(chǎn)率。連續(xù)發(fā)酵被廣泛采用。例如，諾維信公司采用連續(xù)發(fā)酵工藝來(lái)幫助生產(chǎn)各種工業(yè)應(yīng)用的酶。連續(xù)發(fā)酵的使用還使公司可以以更小的占地面積和更低的環(huán)境影響運(yùn)營(yíng)，通過(guò)回收和重復(fù)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水和其他資源，有助于降低成本和減少環(huán)境影響。

圖：帶有細(xì)胞循環(huán)的連續(xù)發(fā)酵過(guò)程示意圖；圖源Drioli E, Giorno L (1999) 生物催化膜反應(yīng)器：在生物技術(shù)和制藥工業(yè)中的應(yīng)用

工業(yè)發(fā)酵中的另一個(gè)關(guān)鍵發(fā)展是越來(lái)越多地使用生物過(guò)程模擬和建模。這些工具使研究人員能夠預(yù)測(cè)和分析微生物在不同條件下的行為，從而優(yōu)化諸如底物和啟動(dòng)菌濃度、氧氣攝取、溫度、pH、攪拌速度等因素，以實(shí)現(xiàn)最大效率和生產(chǎn)率。此外，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的應(yīng)用越來(lái)越普遍，研究人員正在開(kāi)發(fā)算法來(lái)預(yù)測(cè)和控制微生物生長(zhǎng)，并優(yōu)化整個(gè)發(fā)酵過(guò)程。

例如，BioLamina公司使用模擬和建模來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化通過(guò)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)重組蛋白的定制生物。他們使用計(jì)算工具和數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬發(fā)酵過(guò)程中微生物的行為，并預(yù)測(cè)條件變化將如何影響蛋白質(zhì)生產(chǎn)。

開(kāi)發(fā)用于控制微生物生長(zhǎng)的新技術(shù)。創(chuàng)造基因生物傳感器和其他檢測(cè)方法可以加速優(yōu)化微生物細(xì)胞工廠的過(guò)程。首先，設(shè)計(jì)、構(gòu)建和優(yōu)化了生物體系結(jié)構(gòu)和基因調(diào)控元件（例如啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子等），以調(diào)節(jié)和平衡生物合成途徑，從而提高天然產(chǎn)物的產(chǎn)量。此外，生物傳感器啟用的高通量菌株評(píng)估導(dǎo)致了大量數(shù)據(jù)集的快速生成，提供了有關(guān)不同基因組編輯策略如何影響產(chǎn)物形成并改進(jìn)設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)性學(xué)習(xí)。

德國(guó)公司Dynamic Biosensors就是一個(gè)很好的例子，該公司開(kāi)發(fā)用于監(jiān)測(cè)工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的生物傳感器。他們的生物傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量 pH、溫度、溶解氧和葡萄糖水平等參數(shù)，從而優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程并提高發(fā)酵產(chǎn)量。

圖：遺傳生物傳感器與高通量熒光激活細(xì)胞分選 (FACS) 和下一代測(cè)序 (NGS) 相結(jié)合用于天然產(chǎn)物的生物合成。生物技術(shù)趨勢(shì)（2020 38797-810）DOI：(10.1016/j.tibtech.2020.03.013)

最后，下游處理（DSP）的進(jìn)步對(duì)工業(yè)發(fā)酵的進(jìn)步貢獻(xiàn)巨大。作為整個(gè)制造過(guò)程的一個(gè)組成部分，DSP受到多種因素的影響，包括所使用的原材料和生物過(guò)程本身。新的DSP方法改變了工業(yè)發(fā)酵的游戲規(guī)則。應(yīng)用新的膜技術(shù)、結(jié)晶、色譜和甚至納米生物催化劑，使得最終產(chǎn)品的分離和純化更加高效和經(jīng)濟(jì)。

#深度好文計(jì)劃#

結(jié) 論

工業(yè)發(fā)酵取得的重大進(jìn)展，為生產(chǎn)各種產(chǎn)品開(kāi)辟了新的可能性。通過(guò)代謝工程和合成生物學(xué)設(shè)計(jì)新的代謝途徑，微生物產(chǎn)生特定產(chǎn)品的能力得到了提高，連續(xù)發(fā)酵工藝的發(fā)展導(dǎo)致了更加一致和高效的生產(chǎn)。生物過(guò)程模擬和建模的應(yīng)用，以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的整合，為研究人員提供了優(yōu)化發(fā)酵條件以實(shí)現(xiàn)最大效率和生產(chǎn)率的新工具。生物傳感器和改進(jìn)的下游處理技術(shù)也為工業(yè)發(fā)酵的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些進(jìn)步正在推動(dòng)著工業(yè)向前發(fā)展，并為未來(lái)的新發(fā)展鋪平道路。

相關(guān)知識(shí)

智能生物技術(shù)：引領(lǐng)未來(lái)科技的創(chuàng)新與發(fā)展
技經(jīng)觀察丨精準(zhǔn)醫(yī)療將引領(lǐng)健康和醫(yī)療保健的未來(lái)
綠色建筑技術(shù)引領(lǐng)建工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展
量身定制，健康未來(lái)：智能運(yùn)動(dòng)科技的引領(lǐng)
AI技術(shù)，引領(lǐng)未來(lái)家居智能化新未來(lái)
AI技術(shù)引領(lǐng)未來(lái)醫(yī)療健康新紀(jì)元
盈康生命發(fā)布《2023年度可持續(xù)發(fā)展報(bào)告》共“贏”可持續(xù)未來(lái)
可持續(xù)發(fā)展：構(gòu)建一個(gè)可持續(xù)的未來(lái)
生物技術(shù)加持 發(fā)酵健康美味
華熙生物：綠色科技，塑造可持續(xù)護(hù)膚新未來(lái)

網(wǎng)址: 深度丨發(fā)酵技術(shù)：引領(lǐng)未來(lái)的可持續(xù)解決方案 http://m.u1s5d6.cn/newsview473883.html