发酵工程与轻工生物技术的创新任务和发展趋势

发表时间:2019/6/10   来源:《科技研究》2019年3期   作者:王忠强
[导读] 本文将从发酵工程在大宗发酵产品转型升级、传统产业节能减排、食品加工过程中所产生的安全问题以及功能营养品生物制造这四个方面入手,从而简要分析发酵工程未来的发展趋势。

(国投生物能源(海伦)有限公司  152300)
        摘要:工业生物的主要任务是把生命科学发展转化为工业产品、系统以及服务,从而为经济发展创造全新的机遇,并且受到世界各地的重视。发酵工程不仅是工业生物技术的一个十分重要的组成部分,还在重塑发酵工业和和轻工业。本文将从发酵工程在大宗发酵产品转型升级、传统产业节能减排、食品加工过程中所产生的安全问题以及功能营养品生物制造这四个方面入手,从而简要分析发酵工程未来的发展趋势。
        关键词:发酵工程;发酵食品安全;轻工生物技术;创新;发展
       
       
        引言
        轻工生物技术的主要任务是灵活的将生命科学发展转化为工业性的产品、服务以及系统,进一步为能源、化工、医药以及食品等产业链创造全新的机遇。我国已将工业生物列为七大战略性新型产业之一。发酵工程借助于现代工程技术,利用天然生物体或者人工改造的生物体的特定性状,生产人类所必须的物质产品或者直接将生物体应用于工业生产的过程中去,是工业生物技术的极为重要的组成部分。我国是一个发酵工业的大国,各种大宗发酵产品的产量均位列世界第一位。我国的发酵工程方面的各项技术都在不停的改进与创新,甚至已经达到世界领跑水平。以柠檬酸以及维生素C为例,我国的发酵生产水平和技术工艺在不断地进步,现如今,我国的柠檬酸以及维生素C的发酵生产水平以及技术性的工艺均已处于世界相对领先的水平。发酵工程技术方面的发展发展促进了发酵工业的进步,并且也在对发酵工业和轻工业进行重塑。发酵工业与轻工业的创新任主要包括以下四个方面。
        一、大宗发酵产品的转型升级
        在传统的生产模式中,大宗发酵产品存在生产强度相对较低、水和电消耗相对较高的普遍问题。而要想解决这些问题,主要就是要改革发酵模式,重建流程。大宗发酵产品的典型代表是柠檬酸,这种产品是当前世界上需求量最大的有机酸代表,而仅我国就占据了世界有机酸总资源的80%以上。而对发酵方式进行改革,让柠檬酸的发酵进行转型升级,使得柠檬酸的发酵产量、转化率、生产强度都达到世界一流的水准。
        维生素C是相对典型的大宗发酵产品,上个世纪,中国的科学院微生物所研创出“三菌二步”发酵工艺。令我国一跃成为世界上最大的维生素C的生产和出口国。然而“三菌二步”的发酵工艺却存在着水能消耗高、工艺相对复杂、菌种选育复杂等一系列的缺点,因此,需要通过流程重构来实现发酵的转型和升级。
        二、传统产业的节能减排
        造纸与纺织工业在相对传统的产业中是一个耗能和污染排放都相对较高的产业领域。因此,这一类的产业都急需要通过技术的设计改革来实现节能减排这一目标。以造纸业中纸板的生产过程举例,如果在生产过程中使用酶技术的话,可以推进绿色造纸的进程。而酶技术可以应用的领域包括:生物制浆、黏胶和树脂去除与控制、混合废纸的脱墨工作等各个方面。



        传统的染整加工存在着水能消耗高、废水难处理等方面的问题,而生物酶法染整则对节能减排起到一定的作用,另外,染整酶是生物酶法染整的一个相对必要的条件。染整加工的过程不可避免的存在着化学物添加的现象,而热处理、机械性的搅拌等物理操作则会丧失染整酶的活力。而就这个问题,可以采取相应的措施来进行解决,酶分子改造、无自由水催化以及添加保护剂等都会促进酶的稳定性。
        三、对食品加工过程中产生的安全问题进行解决
        食品的烘焙与加工过程都会因为高温而产生丙烯酰胺。而国际癌症研究中心却将丙烯酰胺列为了致癌物质,也就是说,人们在日常食用的物品中如果丙烯酰胺的话,长此以往就会有致癌的风险。而发酵制备中天酰胺酶可以有效的降解氨基酸的前身天冬酰胺。在生产发酵的当天可以用天酰胺酶来对食物的原料进行处理,以此来有效的减少食物中的丙烯酰胺的含量。因此,天冬酰胺酶目前是北美市场中需求量第二的食品酶制剂。
        氨基甲酸乙酯广泛存在于多种传统的发酵食品中,比如各种酒精饮料、酱油、泡菜等。高剂量的EC可导致多种急性炎症和胃肠道疾病,长期摄入的话可能会导致多种癌症的发生。而世界卫生组织将EC划分为2A类致癌物质。我国发酵食品中的EC含量普遍高于欧美国家的限量标准,着成为了我国发酵食品出口的主要障碍。因此,解决EC高含量问题迫在眉睫。通过黄酒中EC前体的系统筛选确定了EC为尿素或瓜氨酸与乙醇反应的产物。采用定向进化获得了低产尿素、瓜氨酸黄酒酵母,在100t发酵罐、30次工业化生产体系实验中验证了所获得的黄酒酵母可控制EC产生的有效性。
        四、功能营养品的生物制造
        功能营养品可以调节人体的部分生理功能并且它的目的也不是对疾病进行治疗的一种食品。而功能营养品的相对传统的制作方法主要是从动植物组织中提取,但是在提取过程中又存在着诸多的问题。首先,对动植物组织的提取含量少而成本相对高昂,另外动植物的收货具有季节性,不可调控,其次,种植物的体内含有大量的农业、激素与大量化学物质的残留。
        而要想解决这一系列的问题,最有效的途径莫过于建立微生物合成营养化学品的技术路线。黄酮类化合物是一种相对重要的营养化学品,并且具有高度的结构多样性这一特点,现如今已知的种类大体哦包括四千余种,并且大部分的黄酮类化合物拥有高度复杂的结构,而这些结构几乎不可以靠化学合成的方法来进行再造。而美国的药典委员会在对美国植物提取物的零售市场进行调查后发现,在排名前20位的植物提取物中,有12种植物提取物中含有黄酮类化合物。由此可见,在植物提取物中,黄酮类化合物所占地位非比寻常。而将微生物合成黄酮类化合物的具体技术性的操作是合成基因鉴定及克隆,对合成途径进行调控,增加前提的供给,对发酵过程进行优化升级,对产物进行分离和提取,然后最终得到产品。而这种生成路线适用于上千种黄酮类化合物,因此,可以根据需求运用微生物合成生产各种高价值的黄酮类化合物。
        结语
        综上所述,发酵工程目前最主要的任务就是要实现大宗产品的转型升级以及对传统工业的生产过程进行节能减排的改造。同时,发酵工程还应该积极参与到国家重大社会问题的解决中去,比如食品安全以及国民的健康,只有这样才能在提高技术时效性的同时来彰显发酵工程的社会担当。通过与其他学科进行交叉,发酵工程应该跳出生产制造这一狭窄的视角,来参与到新理论、科学以及方法的发展中去。发酵智能化技术与装备体系和发酵智能化工业新模式是发酵工程领域的重要发展趋势。发酵智能化技术与装备体系主要包括高通量筛选技术及装备、基于过程实时监测的发酵过程及装备,基于数据深度学习的智能化控制体系和高效产物分离及三废无害化与资源化处理技术及装备。而智能制造技术与装备、信息的集成与协同以及智能决策系统的综合运用,将会对发酵智能化工业新模式的发展产生巨大的促进作用。发酵智能化工业新模式主要包括在信息层面建立核心数据库、在过程层面建立多尺度生物过程自动监测与控制的智能生物反应器,在装备层面建立自动化车间并进行自动化工业规模生产。发酵智能化技术以及相关的装备体系和发酵的智能化工业新模式将不断的引领发酵工程领域的发展方向。
        参考资料:
        [1]陈今朝,梁姗,韩国强,吴鹏飞,冉景盛.“发酵工程”混合式教学改革与实践[J].农产品加工,2019(06):88-89+92.
        [2]杨再良.食品行业中发酵工程的应用[J].食品安全导刊,2018(33):152+154.

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