神奇微生物：從發(fā)酵食品到青霉素

兩三千年前，人類就有了發(fā)酵食品

人類應(yīng)用微生物的歷史非常久遠。遠古時代，當人們采集的水果和糧食有了剩余的時候，便要儲存，它們在儲存過程中有的會發(fā)生變質(zhì)，腐爛，變成美味的發(fā)酵食品，甚至產(chǎn)生了“酒”這種奇妙的東西。于是，人們開始有意無意地“制造”這種現(xiàn)象，這就是人類利用微生物的開始。

經(jīng)過長期實踐，人們慢慢學會了制作發(fā)酵食品和釀酒：他們用陶罐、竹筒或皮口袋裝上水果或糧食，用來釀酒或制造酸奶，這是人類最原始的工業(yè)微生物應(yīng)用工藝。在公元前2400年間，埃及第五王朝的墓葬壁畫上就有烤面包和釀啤酒的大幅浮雕。而從考古發(fā)掘的用于盛酒、煮酒和沖酒的青銅器，以及從這些容器中提取的殘留有機物判斷，我國釀酒的歷史可能有9000年之久。

我國釀醋和醬油釀造技術(shù)始于約3000年前，在漢代則開始有了葡萄酒，距今已有2000多年。發(fā)酵使糧食水果等的成分發(fā)生較大改變，使食品的營養(yǎng)成分更容易吸收，風味也更豐富，因此人類已經(jīng)不能離開發(fā)酵食品了。我國民間所說的開門七件事：柴、米、油、鹽、醬、醋、茶，其中醬、醋就是微生物的貢獻。

揭曉發(fā)酵食品的“秘密”

為什么食物會發(fā)酵？直到19世紀后期，以巴斯德為代表的科學家們才發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵是由微生物生命活動引起的化學變化，而且不同微生物會引起不同的發(fā)酵作用，產(chǎn)生不同的發(fā)酵產(chǎn)物。從此，人們知道了酒精原來是由酵母菌發(fā)酵糖類產(chǎn)生的。其中，德國人許旺（Schwann）等首先查明了酒精發(fā)酵是酵母菌引起，隨后荷蘭人漢森（EmilChristinHansen）成功地獲得了單細胞純種培養(yǎng)的酵母菌。1879年，巴斯德發(fā)現(xiàn)通氣有利于酵母的生長，首次使用通氣法生產(chǎn)酵母。1881年，焦金森（Jargensen）利用漢森的方法選擇優(yōu)良的酵母菌株用于啤酒發(fā)酵，同年阿瓦瑞（Avery）利用乳酸菌生產(chǎn)乳酸。1894年日本的高峰利用米曲霉制造了高峰淀粉酶。

1897年，一位后來獲得了諾貝爾獎的德國科學家布赫納在研究酒精發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)，酒精發(fā)酵是酵母菌細胞內(nèi)發(fā)生的一系列化學變化，其中必然有稱做“酶”的催化劑在參與作用。從此，生命科學的一個新興分支——生物化學誕生了，人們開始考慮用微生物來生產(chǎn)化學物質(zhì)，并深入研究微生物細胞內(nèi)的各種化學變化、微生物的新陳代謝途徑，酶學研究從此興旺起來。

微生物發(fā)酵被用于工業(yè)生產(chǎn)

社會需要就是科學技術(shù)發(fā)展的動力。第一次世界大戰(zhàn)期間，大國生產(chǎn)軍火需要就成了發(fā)酵工程的催產(chǎn)婆。德國生物化學家能伯爾格發(fā)現(xiàn)，如果在進行酒精發(fā)酵的容器中添加亞硫酸氫鈉，酒精發(fā)酵時的副產(chǎn)物——甘油就會大量增加。甘油是生產(chǎn)火藥的必需原料，由于英國海軍封鎖使德國難于進口生產(chǎn)甘油的原料，于是能伯爾格的發(fā)現(xiàn)就被德國用于工業(yè)化生產(chǎn)。這時德國的敵人英國也急需生產(chǎn)火藥的另一種原料—丙酮，一位在俄國出生的猶太化學家魏茲曼，利用20世紀巴斯德發(fā)現(xiàn)的丙酮、丁醇梭核菌生產(chǎn)了丙酮，并在1915年取得了專利。甘油和丙酮、丁醇的大規(guī)模生產(chǎn)則成為工業(yè)微生物學正式問世的標志。

從此，微生物的發(fā)酵作用不再僅僅被利用來制造食品，而是開始成為現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的一個產(chǎn)業(yè)部門。

被視為絕密的青霉素生產(chǎn)技術(shù)

工業(yè)微生物學的第二次飛躍，發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)后期。當時，由英國微生物學家佛萊明發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生青霉素的青霉菌，已被佛羅瑞和錢恩兩位科學家制成了青霉素。這種第一次被人類制成的抗生素不僅對多種細菌感染有很強的治療效果，還對防止戰(zhàn)后感染有神奇效果，因此這項技術(shù)被美國定為絕密，重要性等同于原子彈試驗的“曼哈頓計劃”。由于青霉素的巨大應(yīng)用價值，研究工作得到了鼎力支持，在不到3年的時間里，用于生產(chǎn)的微生物菌種和生產(chǎn)設(shè)備都得到了空前的改良。

隨著青霉素發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的成熟，青霉素已經(jīng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)，不僅為世界帶來了年產(chǎn)值達數(shù)百億美元的抗生素產(chǎn)業(yè)，使人類的平均壽命延長了整整10周歲，而且為人類利用微生物進行大規(guī)模生產(chǎn)提供了成功典范。