天然产物的微生物及其发酵液有效成分

微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。能够提供有效成分的主要是真核生物中的真菌与藻类，以及其他微生物的代谢（发酵）产物。来源于微生物及发酵液的有效成分主要有多糖类、酶类、抗生素类、色素类、氨基酸类、有机酸类、醇酮类、维生素类、核酸类等等。现将主要成分简介如下： 微生物多糖是一类次生代谢产物。其中的有些同琼脂、果胶、阿拉伯胶等一样，是一类水溶性胶体物质，具有高粘度、高水溶性、高稳定性以及安全性等性质，因而在工业上具有多方面的特殊利用价值。某些来自高等真菌的多糖具有抗肿瘤作用，医用价值很大。根据存在位置的不同，多糖可分为细胞内多糖、细胞壁多糖和细胞外多糖。微生物大量产生的多糖主要是胞外多糖。胞外多糖的种类很多，根据所含糖苷基的情况可分为同型多糖和异型多糖。同型多糖中糖苷单体只有一种，如葡萄糖苷组成的葡聚糖、果糖苷组成的果聚糖、甘露糖基聚合的甘露聚糖。植物体内的淀粉和纤维素是葡聚糖型的同型多糖。异型多糖也称杂多糖，是由两种以上（一般为2-4种）不同的糖苷基组成的聚合体。构成异型多糖的单体糖有葡萄糖、甘露糖、葡糖酸、鼠李糖、葡萄糖醛酸、甘露糖醛酸和半乳糖等。有的异型多糖含有少量丙酮酸、琥珀酸等有机酸成分，也称为酸性多糖。日常生活中常用的微生物多糖有：

黄单胞菌多糖（黄原胶）：一种典型的水溶性胶体多糖，是工业生产中产率最大的微生物多糖。由甘露糖、葡萄糖和葡糖酸（2:2:1）构成的杂多糖，具有增粘、稳定和互溶等物理性质。在食品工业中作为饮料、调味品、面包和罐头制品中的添加剂。

短梗酶多糖：水溶性胶类物质，由出芽短梗霉菌深层发酵产生。由葡萄糖构成的麦芽三糖为糖苷基单位，是一种同型多糖。具有良好的水溶性、粘结性、成膜性和安全性，主要用作食品、医药、化妆品等制造中的增稠剂、成型剂和粘结剂。

右旋糖酐：是一种发现较早的微生物多糖。发酵生产用菌种是肠膜明串珠菌。右旋糖酐为类似淀粉和糊精的葡聚糖物质，主要用途是在医疗中作为代血浆、动脉硬化抑制剂等，在食品加工上作为稳定剂和保湿剂等。

海藻酸：最初在海藻中提取。主要由甘露糖醛酸和古洛糖醛酸单体聚合而成。海藻酸可作为乳化剂、稳定剂和增粘剂用于食品、医药和造纸工业。其钠盐是一种通透性良好、无毒多聚胶体物质。

其他的大型真菌主要是多孔菌和伞菌中的种类，其多糖类代谢物具有增强机体免疫力、抑制肿瘤细胞增生的抗癌作用，著名的如香菇多糖、茯苓多糖、猴头多糖、虫草多糖及银耳多糖等。 氨基酸是在食品、医药、饲料、化工和农业等部门中具有广泛用途的化学原料。是一类具有特殊重要意义的化合物，是与生命活动密切相关的蛋白质的基本组成单位，是人体必不可少的物质。氨基酸广泛存在于动物、植物和微生物中。

氨基酸分子中既有碱性-NH2和酸性COOH，与强酸强碱都能作用生成盐，因此氨基酸为两性化合物。氨基酸根据分子中所含的氨基和羧基的数目分为中性氨基酸、碱性氨基酸和酸性氨基酸。中性氨基酸是指分子中氨基和羧基数目相等的一类氨基酸。分子中氨基的数目多余羧基时称为碱性氨基酸，氨基的数目少于羧基时称为酸性氨基酸。

氨基酸为无色晶体，熔点一般都较高（常在230-300℃）之间），熔融时即可分解放出二氧化碳。氨基酸都能溶于酸性或碱性溶液中，但难溶于乙醚等有机溶剂。在纯水中各种氨基酸的溶解度差异较大，加乙醇能使许多氨基酸从水溶液中沉淀析出。

氨基酸的发酵生产是通过微生物的代谢作用使含碳和氮的有机物转化成氨基酸，再将发酵液浓缩干燥或通过离子交换树脂将其提取出来。通过发酵法制得的是具有生化活性的L型氨基酸。大部分氨基酸几乎都可以用微生物来生产。这比人工合成或用天然蛋白质降解的制造方法来得容易，且效益也大大提高。谷氨酸（味精）是最早用微生物工业化生产的氨基酸。用发酵法生产的氨基酸有赖氨酸、丙氨酸、精氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、苏氨酸、脯氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸等。目前工业发酵生产的氨基酸主要如下：

L-谷氨酸：生产谷氨酸的主要有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌以及微杆菌中的种类。工业发酵采用大型通气搅拌发酵罐，碳源采用淀粉质原料（玉米、甘薯、小麦和马铃薯等）糖化后的葡萄糖液。尿素、氨水是良好的氮源。发酵最适温度为30-35℃，最适pH值为7.5-8。

L-赖氨酸：是谷类蛋白质中不足的氨基酸，作为食品和饲料中添加的必须氨基酸。赖氨酸发酵菌种是通过诱变处理获得的谷氨酸棒杆菌或黄色短杆菌的营养缺陷型突变株，人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制，能大量积累赖氨酸，产量可以达到30g/L以上。 抗生素是微生物在新陈代谢过程中产生的、以低微浓度能抑制它种微生物的生长和活动，甚至杀灭它种微生物性能的化学物质。抗生素根据作用机制可以分为以下几类：

作用于DNA合成系统的抗生素：核苷酸生物合成的抑制剂抑制dATP、dGTP、dTTP、dCTP的合成，5FU、FdUMP、叶酸拮抗剂抑制从dUMP到dTMP的生成。ara C及ara CTP抑制从dCTP生成DNA。抗癌霉素抑制DNA多聚酶。丝裂霉素、烷化剂、博来霉素、奈里酸、腐草霉素、抗原虫剂、嗜癌素、喹啉类、早妥链丝菌素以及新制癌素C（纺锤菌素、远霉素A、多色霉素等）作用于模板DNA或RNA。此外还有抑制核苷酸生物合成的化合物：叶酸和5FU。

抑制转录反应的抗生素：利福霉素、曲张链丝霉素、链霉菌素、α-鹅膏菌素、放线菌素、柔红霉素、丰加霉素、冬虫夏草菌素等。

作用于核苷酸生物合成系统的有冬虫夏草菌素、重氮霉素A、丙氨菌素等。

抑制蛋白质合成系统的有吲哚霉素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、四环素等。

抑制细菌细胞壁粘肽生物合成系统的有磷霉素、D-环丝氨酸、万古霉素、杆菌肽以及β-内酰胺类抗生素等。

作用于细胞质膜的有持久霉素、青霉素、多粘菌素B、大四环抗生素、缬氨霉素、大四环抗生素以及英恩霉素等。

作用于能量代谢系统或作为抗代谢物的有：抗霉素A、寡霉素、短杆菌肽S等。

就作用和产值而言，抗生素及相关的生物活性物质是微生物最重要的产品。迄今已经能够生产的有一百多种，临床应用的有几十种。放线菌产生的抗生素种类最多，约占四分之三。目前开发的新微生物生物活性物质目标集中在以下几个方面：抗肿瘤物质；抗耐药性金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和结核杆菌物质、抗绿脓杆菌和变形杆菌物质、抗病毒物质、抗心血管疾病物质。 色素根据溶解性能的不同可以分为水溶性的色素和油溶性的色素。水溶性的色素有柠檬黄、日落黄、苋菜红、靛蓝、亮蓝、甜菜红、花青素、玫瑰茄红、越橘红等，脂溶性的色素有胡萝卜素、辣椒红素、姜黄、玉米黄、红曲酶色素等。微生物色素除红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，褐和黑色之外，还有介于它们之间的各种各样颜色。这些色素有在细胞内的，有在细胞外的；有自身合成的，有转化培养基中的某些成份而形成的。总的来说，可以分为两类；①菌苔本身呈色而不渗入培养基，称为非水溶性色素。④菌苔本身呈色或不呈色，但使培养基呈色，称水溶性色素。

微生物有些色素，如细胞色素C，具有十分重要的生理功能，但许多色素的功能尚未被人们认识。在微生物，最普遍和常见的色素是黄色和橙色--类胡萝卜素。所有光合微生物都有类胡萝卜索，如光合细菌。许多非光合微生物也含有类胡萝卜素，如红酵母菌、链孢霉菌、藤黄八叠球菌等。许多假单胞菌靶一些放线菌可以产生各种颜色的 吩嗪类色素，如紫色的碘菌素、蓝绿色的绿脓杆菌素、金黄色的金色菌素等。真菌的色素种类也很多，一种真菌往往可以产生不只一种色素，色素的主要成份是甲苯醌、萘醌和咄吨酮等类型的衍生物。

色素是一种次生代谢产物，一般是在菌体生长后期开始合成，其合成过程可能是在培养基中缺乏某种营养物质，菌体的生长过程受到限制时被启动的。一般是菌体生长繁殖过程中不需要的物质、菌体失去合成这种物质的能力后照常生长。 目前用微生物生产的酶有数百种，其中大部分是水解酶（碳水化合物水解酶、蛋白酶、脂肪酶等）、氧化酶、转化酶、异构酶等，均已大规模生产和应用。分子生物学上广泛使用的工具酶（限制性内切酶、聚合酶、连接酶等）大都来源于微生物。目前我国已经能用发酵法大规模生产工业上所需要的酶及部分工具酶。

微生物由于催化自身代谢的需要，能合成种类繁多的酶。酶具有催化各种生化反应的功能。酶在化工、食品、酿造、医药、纺织和制革等工业上用途很广。利用微生物的工业发酵可以生产各种酶产品。

酶是生物细胞产生的一类具有高度催化活性的蛋白质，其催化能力比无机催化剂要高出几万倍甚至几亿倍。在生产上应用酶来催化各种反应，同使用无机催化剂相比具有许多优点，如作用快，生产周期短，转移性强，副产物少，产物易提纯；代替强酸强碱的催化作用，不污染环境等。目前酶制剂已经称为工业上的一项新兴产品，在食品、化工、医药、纺织、造纸、农林以及生物科学研究等领域有着广泛的用途。

氧化还原酶类如脱氢酶和过氧化物酶；转换酶类如转氨酶和转磷酸酶等；水解酶类如淀粉酶、纤维素酶、脂酶和蛋白酶等；裂解酶类如脱羧酶、脱氨酶和DNA内切酶等；异构酶类如葡萄糖异构酶和磷酸丙糖异构酶等；连接酶如DNA连接酶等。 维生素是维持细胞生长和正常代谢所必须的微量有机化合物。在化学结构上不属于同一类化合物，脂肪族、芳香族、脂环族、糖苷和杂环类等化合物都有。虽然结构不同，生理功能各异，但也有以下几点共同点：以本体形式或可被利用的前体形式存在于天然食品中；多数不能在体内合成，也不能大量储存在组织中；不是构成各种组织的原料，也不提供能量；常以辅酶或辅基的形式参与酶功能；有的维生素结构和生物活性相近，如吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺等。

维生素根据溶解性能可分为两大类：脂溶性和水溶性维生素。脂溶性的维生素包括维生素A、D、E、K，它们不溶于水而溶于脂肪及有机溶剂中，在食物中常与脂类共存；水溶性维生素包括B族维生素和维生素C.一般无毒性，容易在体内被代谢出。用微生物生产的维生素有核黄素、β-胡萝卜素、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素C等。 有机酸：目前用微生物工业化生产的有机酸有柠檬酸、醋酸、葡糖酸、葡萄糖酸、丁烯二酸、曲酸、乌头酸、苹果酸、α-酮戊二酸、衣康酸、乳酸、酒石酸、延胡索酸等。他们中的大多数是重要的化工原料。

有机酸具有超过抗生素的多种作用，其中包括降低pH值和增强胰腺分泌。作为一类化学物质，它们都有共同的结构R-COOH。

醇酮类：乙醇、丁醇、丙酮等化工原料都可利用微生物来生产。