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微生物發酵產業
貼出者為 slayers 於Monday, July 23 @ 10:38:49 CST

   作者:
  林昇慧 臺鹽實業股份有限公司 陳婉伶 臺鹽實業股份有限公司 郭武東 臺鹽實業股份有限公司
   微生物發酵有悠久的歷史,酒的釀造就是一個典型但又古老的發酵技術。同樣是高粱、米、葡萄、小麥等基質,由於不同地區栽種植物品種的差異,經由不同的菌種、釀造方式與氣候的影響,可以釀出截然不同風味的酒。這也顯示傳統發酵是一個略帶藝術,並且成為製造特殊風味食品產業的技術。一直到現在,發酵在生活中仍然扮演了一個非常重要的角色。從嚴謹的醫藥業,到一般的農業或環保產業,都可以見到它的蹤影。
  發酵得到的產品範圍極廣,從極高單價的醫藥級產品,例如降血脂藥物或抗生素,到工業用的酵素,像是澱粉分解、纖維分解、蛋白質分解酵素等;還有食品用的有益微生物,例如乳酸菌、紅麴菌、納豆菌、食藥用菇菌等,以及味精類的調味品,農業用的生物殺蟲劑,像蘇力菌,或者枯草桿菌、放射線菌、木黴菌等拮抗菌類的微生物;甚至,從動物飼料藥劑或直接添加在飼料中的微生物等,到廢棄物回收、各類污染處理及清理用的微生物,以及其他的特殊酵素。
  微生物就像一個精細的微小生產工廠,人們可以依靠現代發酵技術,指揮每毫升中的數十億個微小工廠,生產出想要的產物。只要能掌握技術與菌種,這種生產方式既有效率又便宜。一般來說,只要技術成熟,部分發酵生產製造的成本會比完全化學合成的低廉,操作危險性也較低,而且液態發酵可以快速進行規模放大而降低成本。簡單地說,就是透過培養環境來告訴微生物,什麼時侯該做什麼動作,讓它乖乖地依照你的需求來生產。
  所謂調整微生物培養環境的方法,就是進行物理或化學環境的改變,例如調整剪力、壓力、光照、溫度、濕度及氧氣,或提供生長、代謝所需營養成分,像碳氮源、微量元素、特殊胺基酸、自身的代謝產物等。
  調整培養環境包括下列方式:跟它競爭食物讓它飢餓、提供前趨物或訊號物質來誘導或欺騙它、清除它的代謝產物、改變酸鹼值、改變溶液中特定離子的濃度、提高菌量、提供依附介質、甚至加入其他微生物或其代謝產物,或者殺死一部分的微生物等。這些方法的目的不外乎是操控微生物,讓它聽話並遵循你的指令來生產。
  挑選可以讓微生物聽話的方法雖然不少,但是什麼樣的控制方式才是你應該用的呢?基本上要從了解微生物開始,包含了解微生物的來源、在什麼樣的環境下生長繁殖、在哪一個生長階段或什麼時候會產生你想要的東西。接下來就是在實驗室模擬微生物生長的自然環境,利用上述的條件來調控關鍵因子。一般來說,會先搜尋前人的基礎研究,看看要生產的產物跟哪一類比較接近,其所需要的條件是哪一些。而當很多條件可以選擇時,就要考慮成本與設備的需求,以及產物回收的難易度。
  在一般情形下,尋找達到提高產率與降低成本的方法有很多種,例如一次一因子的測試、多因子測試、反應曲面法、田口法等,各種方法各有其適用的時機。現代大規模的工業微生物發酵生產胺基酸、酵素、抗生素、藥物、色素等,為了生產便利與成本考量,會把所需要的特殊產物,由原來可能在比較不熟悉、不好培養或不安全的微生物上,轉換到基因轉殖菌株來生產,像是我們已相當熟悉且易培養的酵母菌、大腸桿菌、青黴菌、枯草桿菌等,以利快速進入量產的階段。
  除此以外,因應極高單價的特殊抗癌藥物、生長激素等的生產,可以利用植物細胞與動物細胞來進行跨物種間的基因轉移,由發酵生產出所需的產物。
  在發酵型態方面,一般來說,液態發酵的優勢在於可以做比較細微的產程條件的調控,容易監控批次生產的過程與結果。相對來說,比較穩定也容易放大生產,缺點則是生產設備的投資金額比較高。如果想在短時間內達到相當量的生產規模,液態生產會是最佳的選擇。固態發酵生產通常是在液態生產結果不佳、產量需求較小、或發酵結果要求比較不嚴謹時才會選用。
  發酵的應用面相當廣泛,單單以農業為例,從病蟲害防治到堆肥製作,可用的微生物菌株與功能特性不下數十種。而在食品產業中,發酵的應用範圍包含直接添加的有益微生物,以及食物、食品調味或添加物的生產等,例如味精、醬油、食用色素、酒、醋、味噌、豆腐乳、臭豆腐、醬菜及乳酪。以下針對食品產業進一步舉例說明。
  食品產業 味精:味精是臺灣近代在食品發酵方面稱霸全世界的產品之一。臺灣大學蘇遠志教授利用微生物,把簡單的原料直接轉化成味精,達到降低成本與拉升產量的目的,使臺灣成為味精工業技術與市場的領先者。
  醬油:純釀造醬油是大豆經過水解處理後,在鹽分環境下經過長時間發酵的產物。不過,一般市面上的醬油並非全是完全釀造而成,有些是經過化學程序處理的。
  食用色素:紅麴菌在發酵過程中產生的色素,是常使用的紅色或黃色色素之一。
  特殊胺基酸:一些保健食品中常添加的特殊胺基酸,也是由特定菌種發酵生產而來的。
  酒類:以不同的植物原料,配上適合的微生物發酵而得。有些會經過再蒸餾處理,例如各種水果酒、葡萄酒、啤酒、高粱酒、白蘭地、米酒、伏特加等。它們發酵所需要的時間、酒精的濃度與風味,並不完全相同。
  保健食品產業 除農業與食品以外,近年來發酵也延伸應用在保健食品與化妝品產業上。
  腸胃道益生菌 國內所用的菌株以乳酸菌為主,包括耳熟能詳的養樂多代田菌、被稱呼成 ABC 三益菌的嗜酸乳酸桿菌、比菲德氏菌以及代田乳酸菌。雙叉桿菌(又常被稱作龍根菌)也經常用在食品中。此外,也有少數使用芽孢型乳酸菌。
  這些益生菌的來源多是向丹麥、法國及日本購買的,然後在國內進行發酵或稀釋調配成產品,例如發酵乳、乳酸菌飲料、乳酪、優酪乳、酸乳、冷凍優格、乳飲料、奶粉或冰淇淋。另外,也有不少使用在點心、糖果、糕餅、蔬果汁、豆奶、發酵豆奶上,但還是以優酪乳、優格與養樂多類的飲料食品市場較大 腸胃道益菌除了傳統的腸胃道保健功能以外,近來也有科學報導指出,可用腸胃道益菌改善過敏。這些益菌已經商品化,並添加在幼兒食品中。此外,在日本已有相當久食用歷史的納豆,近幾年在廠商推廣下也變得熱門。除了原有的納豆鮮食型態外,液態發酵的納豆也單獨或混合紅麴、中草藥成分等做成保健食品。它的保健訴求在於納豆激酶可以改善血液黏稠度,以及納豆菌對於腸胃道的保健及幫助睡眠。這幾年也陸續出現相關專利,整體市場尚在成長中。
  食藥用真菌類 這些真菌類包括靈芝、樟芝、雲芝、茯苓、舞菇、巴西蘑菇、冬蟲夏草、桑黃等。其中,比較早開始研究的是靈芝,已有豐富的相關資料,不管是在日本、大陸或臺灣,都有相當多的單位或公司研究它的成分。菌類有效成分的功能主要在免疫力調控、抗癌等,其他則因不同種類菌菇而有不同的功能,像是樟芝強調保肝、冬蟲夏草強調體力增強等。
  利用發酵最大的好處,就是把原本來源、數量及品質都不穩定的野外採集菇菌類,改成液態或固態發酵,以確保有效成分、縮短時間及放大產能。同時,也可以減少批次間的差異,確保不因採集時期或地區的不同而有不同的功效。當然,減少野外採集對自然保育也有一份貢獻。
  自然生長與人工發酵培養的差異處,就是後者需要靠發酵技術來改良。有些藥用的菌株因為每批採集都不盡相同,其實也不容易界定工業生產所用菌株是否就是原來真正的藥用菌株,甚至有些藥用菌原本就是多菌株的通稱。菌株本身的差異與培養的技術,其實都會影響到它的實際效果,因此儘量挑選知名廠商與有實驗數據的產品,對消費者比較有保障。
  傳統上,紅麴是使用於防腐與食物染色,近代則把它應用於生產可以降低膽固醇及血脂的莫那可林K(Monacolin K),即通稱的羅法他汀(lovastatin)。此外,也可以用另外一種真菌--土麴菌來生產它。把中藥像是黃耆當成基質,再利用微生物發酵,經過安全性測試與功效測試後,也已在市場上銷售。
  茶類發酵飲料--紅茶菇,是利用多種菌株把茶飲料發酵而成的,由於多菌株共同發酵,製程與品質控管比較困難。在低溫下把蔬菜無氧發酵幾個月,再分裝成飲品販售,最早是由日本開始,目前也陸續引進臺灣。
  在臺灣市場上可以見到的發酵原料,有幾丁質、幾丁聚醣等。其中一種生產方式是利用液態發酵生產大量真菌細胞壁,再經過酸或鹼處理,製備幾丁質或幾丁聚醣,做為機能性食品的原料,通常應用於瘦身或免疫調節方面。在醫藥上,也可以應用在降血壓及降膽固醇、生醫材料、藥物、新型止血劑等方面。
  利用被孢黴菌屬可生產人體無法自行合成的 γ -亞麻油酸,能協助舒緩肌膚不平衡現象,是捍衛細胞膜健康的重要因子。
  前幾年相當火紅的原料--茄紅素,不一定要由番茄生產,也可以經由像是三孢布拉黴的微生物來發酵生產胡蘿蔔素,再轉化成茄紅素。原本存在於紅藻內的蝦紅素,目前也可以利用紅酵母大量發酵,除了在抗氧化方面引起注意外,在增加肌肉對氧的利用力與視覺保護上,都有正面的研究報告出現。
  化妝保養品產業 目前化妝清潔用品有含菌量上限的規定,因此活菌不能直接做為化妝品的原料,而主要是採用在化妝品中添加不含菌的發酵產物的方式,其中最具知名度的是含有豐富的營養與生長促進因子的酵母萃取物。此外,對於追求美容保養流行趨勢的時尚消費者而言,對輔酵素Q10 的功效應該不陌生吧!含有輔酵素Q10 的飲品及美容保養品,在日本、香港地區都造成旋風式的搶購風潮。
  衛生署在 95 年元月開放輔酵素Q10 做為合法的食品原料,也引起國內搶購的旋風,目前也有相當多的產品問市。日本鐘淵化學工業公司是目前世界上輔酵素Q10 供應量與市占率最大的廠商,就是利用酵母菌發酵生產的。
  如果以產品的功能性來區分,微生物生產的各式各樣的化妝品原料有下列幾項。
  保濕劑原料:例如透明質酸可以用基因轉殖的枯草桿菌來生產,而聚麩胺酸用一般的納豆菌來生產就可以了。
  去角質原料:蛋白質及角質分解酵素或用在清潔產品中的油脂分解酵素,都可用枯草桿菌生產。
  抗氧化原料:強效抗氧化劑--蝦紅素可由紅酵母合成,而麩胱苷肽及 γ -麩胺醯半胱胺酸可以用麵包酵母菌生產。
  美白原料:麴黴菌屬和青黴菌屬都可以生產鞠酸。鞠酸的作用機制是藉由與銅離子結合,阻止酪胺酸酶的生成,進而降低酪胺酸酶活性,達到抑制黑色素生成、淡化黑斑的美白效果。
  「仿曬」原料:利用二羥丙酮會和表皮蛋白質結合的梅納反應特性,可達到皮膚變褐色的目的,而以甘油為基質由弱氧化醋酸菌發酵,即可得到二羥丙酮。
  除皺原料:肉毒桿菌所純化的肉毒桿菌素具有抑制神經的功用,在美容產業上是極具速效的除皺原料。
  發酵產業的未來 發酵產業的好處在於不受自然環境的影響,只要發酵的技術與設備足夠成熟,都可以生產多樣化產品。現代社會逐漸邁入老年化,也更重視工作與休閒的平衡,因此,有益身體健康的保健食品會是未來的發展重點。隨著研發技術的精進,可以有效地降低成本及加速商品化的發酵技術,在保健食品產業中扮演的角色會越來越重要,而化妝保養品產業在未來也會仰賴發酵達到降低成本的目的。整體而言,微生物發酵技術除了應用在傳統產業中之外,將來也會因為保健食品與化妝保養品的需求而蓬勃發展,值得多加關注。
  

轉載自 國科會-科普知識 網站