菌种改良技术在食品生物技术中的重要作用

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：菌种改良技术的进步是发酵工业发展的技术支撑。菌种选育改良的具体目标包括4部分。生产效率和效益总是排在一切商业发酵过程目标的首位，提高目标产物的产量是菌种改良的重要标准；②提高目标产物的纯度，减少副产物。广义上说，菌种改良可描述为采用各种技术手段处理微生物菌种，从中分离得到能显示所要求表型的变异菌种。

菌种改良技术的进步是发酵工业发展的技术支撑。来源于自然界的微生物菌种，在长期进化过程中形成了一整套精密的代谢控制机制，微生物细胞内具有反馈抑制、阻遏等代谢调控系统，不会过量生产超过其自身生长、代谢需要的酶或代谢产物。因此，从自然界分离得到的野生菌株，不论在产量或质量上，均难适合工业化生产要求。育种工作者的任务是设法在不损及微生物基本生命活动的前提下，采用物理、化学或生物学以及各种工程学方法，改变微生物的遗传结构，打破其原有的代谢控制机制，使之成为“浪费型”菌株。同时按照需要和设计安排，过量生产目的产物，最终实现产业化的目的。

菌种选育改良的具体目标包括4部分。①提高目标产物的产量。生产效率和效益总是排在一切商业发酵过程目标的首位，提高目标产物的产量是菌种改良的重要标准；②提高目标产物的纯度，减少副产物。提高目标产物产量的同时，减少色素等杂质含量以降低产物分离纯化过程的成本；③改良菌种性状，改善发酵过程，包括改变和扩大菌种所利用的原料范围、提高菌种生长速率、保持菌株生产性状稳定、提高斜面孢子产量等；④改变生物合成途径，以获得高产的新产品。

广义上说，菌种改良可描述为采用各种技术手段（物理、化学、生物学、工程学方法以及它们的各种组合）处理微生物菌种，从中分离得到能显示所要求表型的变异菌种。常见的微生物菌种育种方法如下：

（一）诱变育种

诱变育种是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，使其突变率大幅度提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践和科学研究用。当前发酵工业中使用的高产菌株，几乎都通过诱变育种大大提高了生产性能。诱变育种除能提高产量外，还可达到改善产品质量、增加品种和简化生产工艺等目的。尽管诱变育种具有有利变异少、盲目性大、处理量大等缺点，但具有方法简单、快速、收效显著等特点，仍是目前广泛使用的主要育种方法。当前发酵工业中使用的高产变异菌株，大部分都通过诱变大大提高了生产性能。

常用的诱变剂包括物理、化学和生物三大类。物理诱变剂主要包括紫外线、X射线、激光、快中子等；化学诱变剂种类较多，如2-氨基嘌呤、硫酸二乙酯（DES）、吖啶类物质等；生物诱变剂主要包括噬菌体、转座子等。

（二）杂交育种

杂交育种是指两个基因型不同的菌株通过接合，使遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。一般指人为利用真核微生物的有性生殖或准性生殖，或原核微生物的接合、F因子转导、转化等过程，促使两个具有不同遗传性状的菌株发生基因重组，获得优良的生产菌株。是一类重要的微生物育种手段，与诱变育种相比具有更强的方向性和目的性。杂交育种的目的是将不同菌株的遗传物质进行交换、重组，使不同菌株的优良性状集中在重组体中，不仅可克服长期诱变引起的生活力下降等缺陷，还可扩大变异范围，改变产品产量和质量，甚至创造出新品种。

（三）原生质体融合育种(www.chuimin.cn)

原生质体融合技术开始于20世纪50年代，最早在动物实验室发展起来，后来在酵母菌、霉菌、高等植物以及细菌和放线菌中也得到了应用。原生质体融合就是首先用酶分别酶解两个出发菌株的细胞壁，在高渗环境中释放出原生质，将它们混合，在助融剂或电场的作用下，使其互相融合，促使两套基因组之间的接触、交换、遗传重组，在适宜条件下使细胞壁再生，在再生的细胞中获得重组体。原生质体融合技术是继转化、转导和接合等微生物基因重组方式之后，又一个极其重要的基因重组技术，由于这一技术可以打破种属间的界限、提高重组频率、扩大重组幅度等而备受关注。

（四）代谢控制育种

代谢工程育种是根据代谢途径进行定向选育，获得某种特定的突变体，以达到大量积累人们所需有用物质的目的。代谢工程育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢终产物的生产或切断支路代谢途径及提高细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累的方向进行。代谢工程育种大大减少育种工作中的盲目性，提高育种效率。代谢工程育种首先广泛应用在初级代谢产物的育种中，这是由于初级代谢的代谢途径和调节机制已比较清楚。但在次级代谢方面，由于代谢复杂，很多代谢途径和调节机制尚未从理论上阐明，因此这方面工作相对落后。

（五）基因工程育种

基因工程是指按人们的愿望将某一生物体的遗传信息在细胞外与载体相连接，构建成一个新的重组DNA分子，然后将其转入另一生物体细胞中，使其在受体细胞中复制、转录、翻译，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，以最大限度满足人类活动的需要。基因工程早已渗入传统发酵工业领域，大大提升发酵工业技术水平，带来十分可观的经济效益。基因工程在菌种选育上取得的成果令人振奋，对发酵行业的影响不可估量。如氨基酸、核苷酸、维生素、抗生素、多糖、有机酸、酶制剂、乙醇、饮料、啤酒等，均已采用重组DNA技术构建了重组DNA工程菌，有的已获准进行专门生产，如细菌α-淀粉酶、凝乳酶、L-苏氨酸、L-苯丙氨酸等。据悉，丹麦的诺维信（Novozyme）公司的工业酶已有75%是由工程菌生产，传统发酵领域里的基因工程菌数量也正在急剧上升。

（六）蛋白质工程育种

酶或蛋白质在医药、工业和环境保护中起着重要的作用，为了获得具有新功能的酶或蛋白质，可通过寻找新的物种，再从中分离筛选新蛋白质，或者通过对天然功能蛋白质进行改造的方法实现。实际工作中，由于常对蛋白质的性质有特殊要求，天然蛋白质难以满足要求，因此近年来在体外对蛋白质进行改造已成为医药和工业领域中获得新功能蛋白质的重要方法，也称为蛋白质工程。目前，根据实验的指导思想可以把蛋白质工程的方法分为理性设计（定点突变、定向改造）和非理性的体外定向进化（随机化突变、定向筛选）两大类。

菌种改良技术在食品生物技术中的重要作用

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