二十二碳六烯酸（DHA）生產(chǎn)工藝簡介(一)
一、DHA背景與意義 DHA（Docosahexaenoic acid, 22:6△4.7.10.13.16.19，全名二十二碳六烯酸）是一種重要的長鏈多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，簡稱PUFA），屬于ω-3系列（分子結構式中一個雙鍵位于-COOH基團反側的第三個鍵上，即ω-3系列）。人和其它哺乳動物只有△4、△5 、△6及△9去飽和酶，缺乏△9 以上的去飽和酶,因此無法自身合成DHA，必須由食物來提供。 1、DHA的結構和性質 DHA的分子式為C22H30O2,分子量為328.48，分子結構為： DHA通常是順式，但在某些異構酶作用下可變成反式。含有多個“戌碳雙烯”結構及5個活潑的亞甲基。這些活潑的亞甲基舍得DHA極易受光、氧、過熱、金屬元素（如Fe、Cu）及自由基的影響，產(chǎn)生氧化、酸敗、聚合、雙鍵共軛等化學反應，產(chǎn)生以羰基化合物為主的魚臭物質。 純DHA為無色、無味，常溫下呈液態(tài)，且具有脂溶性，易溶于有機溶劑，不溶于水，熔點為－45.5~－44.1，所以在低溫下仍然能保持較高的流動性。 2、DHA的來源 2.1 海洋動物 海洋魚類是提取DHA的主要來源。海產(chǎn)魚類特別是中上層魚類的油脂中含有大量的DHA，如鮪魚、秋刀魚、遠東沙丁魚的油中DHA的含量均在10%以上。目前全世界魚油的年產(chǎn)量在100萬噸左右，理論上從中可提取10~25萬噸魚油。實際上由于分離技術等因素的限制，魚油產(chǎn)量要低于上述數(shù)字、而且提取的魚油有相當大的部分被氧化和滲入人造黃油或起酥油中被消耗掉，真正可用于分離DHA的魚油僅占少部分。除此之外還有貝類和甲殼類。 2.2 真菌類 有許多低級的真菌中含有較多的DHA，其中藻狀菌類的DHA含量尤為豐富，是進行DHA商業(yè)性開發(fā)的潛在來源。比如高山被孢霉中的占其總脂肪酸的15%以上，而破囊壺菌中的占總脂肪酸的含量可高達34%。 產(chǎn)DHA的真菌主要是較低級真菌中的藻狀菌，主要有壺菌綱（Class Chytridomycetes）、卵囊菌綱（ClassOomyceres）、霜霉目（OrderPeronosporales）、水霉目（Ordersaprolegniales）、結合菌綱（ClassZygomycetes）、蟲霉目（Order Entomophthorales）等，特別是破囊弧菌Thraustochytriidae，已經(jīng)報道有它的8個屬30 多個菌種能夠產(chǎn)DHA。 2.3 海藻類 許多研究證實，在金藻類、甲藻類、硅藻類、紅藻類、褐藻類、綠藻類及隱藻類等海藻中含有大量的DHA。到目前為止，已測定了上百個品種微藻的脂肪酸，其中某些種類的海藻DHA含量可達30%以上。 3、DHA的分離制備方法 如何高效地從魚油及其他海洋動植物中分離、濃縮DHA，是脂肪酸開發(fā)應用中的難點和關鍵之一。目前，實驗室和實際生產(chǎn)中應用的和分離方法有低溫分級法、尿素包合法、溶劑法、成鹽法、分子蒸餾法、超臨界氣體萃取法、脂酶法及高效液相色譜法等。下面簡要介紹其中幾種重要的分離方法。 3.1 低溫分級法 利用不同的脂肪酸在過冷有機溶劑中的溶解度差異來分離濃縮DHA。將魚油溶解在1~10倍的無水丙酮中，并冷卻至-25℃以下。混合液的下層即形成含有大量飽和脂肪酸及低度不飽和脂肪酸結晶，而上層含有大量高度不飽和脂肪酸的丙酮溶液。將混合液過濾，濾液在真空下蒸餾除去丙酮即可得到DHA含量較高的魚油制劑。為了提高分離效果可在無水丙酮中添加少量親水性溶劑如水或醇類。 3.2 溶劑提取法 利用不同脂肪酸的金屬鹽、在某種有機溶劑中的溶解度差異來分離濃縮DHA。將乙醇、魚油及NaOH按一定比例混合，然后力熱使魚油皂化。皂化后的混合液經(jīng)壓濾分別得到皂液及皂粒。皂液在攪拌下加人H2SO4至PH為1~2。分離上層粗脂肪酸乙醇混合液，加熱回收乙醇，并反復水洗祖脂肪酸至中性，即得DHA含量較高的精制魚油。 3.3 尿素包合法 脂肪酸與尿素的結合能力取決于其不飽和程度。脂肪酸的不飽和度越高、則與尿素的結合能力越弱。依此原理即可將飽和脂肪酸、低度不飽和脂肪酸與高度不飽和脂肪酸分離開來。在魚油中加人尿素甲醇（或乙醇）后加熱混合、過濾并用適當溶劑萃取濾液，即得萃取液脫去溶劑、真空干燥后即得到DHA含量較高的精制魚油。 尿素包合法是一種比較簡便有效的分離方法，但在實際生產(chǎn)中應用時，存在溶劑損耗大、排水和因尿素添加物而引起的廢物處理等問題。為此，Kazuhiko開發(fā)了一種尿素包合與連續(xù)精餾相結合的分離方法，既解決了上述問題，又避免了魚油因與空氣接觸而氧化，還可以提高分離效果，適合工業(yè)化生產(chǎn)。 3.4 超臨界氣體萃取法 即將含有DHA的魚油溶解于超臨界狀態(tài)的CO2中，通過改變溫度和壓力，達到分離DHA的目的。此法能分離出高純度的DHA，但對碳數(shù)相同而雙鍵數(shù)不同的脂肪酸的分離效果較差。為此，可利用銀離子能與雙鍵絡合形成可逆的絡合物的特性，在超臨界CO2萃取裝置中增加1支AgNO3－硅酸色譜柱，達到將碳數(shù)相同而雙鍵數(shù)不同的脂肪酸分離的目的。 上述分離方法同樣適用于通過選擇和培養(yǎng)某些真菌和海藻來提取DHA的途徑。 4、DHA的生理功能 4.1 抗凝血、抑制血栓形成 DHA能抑制血小板凝集，減少血栓素形成，從而預防心肌梗塞、腦梗塞的發(fā)生。血小板合成的血栓素（TXA2）具有促進血小板凝集和收縮血管的作用，血管內皮產(chǎn)生的前列腺素（PGI2）具有抑制血小板凝集和舒張血管的作用，TXA2 和PGI2 之間的平衡是調節(jié)血小板和血管功能，促進血栓形成的關鍵。TXA2 和PGI2 是以花生四烯酸（AA）為前體，通過磷酸化酶的作用從細胞膜磷酸甘油酯中釋放出來。DHA和EPA可競爭性抑制AA向TXA2 和PGI2 轉化而生成TXA3 和PGI3，TXA3 幾乎沒有生物活性，而PGI3 與PGI2 的生理功能和活性相似，因而減少了血小板凝集并增加了血管舒張作用，使血栓形成減少。對血栓病患者,可使患者的血小板存活時間延長,血小板計數(shù)減少, 血小板因子的血漿水平下降， 血漿中血栓球蛋白降低，可阻止血小板與動脈壁相互作用，延緩血栓形成。 4.2 降血脂、防動脈硬化 DHA可以降低血清中甘油三酯生成及從肝臟排出；降低低密度脂蛋白、極低密度脂蛋白、增加高密度脂蛋白，改變脂蛋白中脂肪酸的組成，從而增加其流動性；增加膽固醇的排泄，抑制內源性膽固醇的合成。因此，可以預防和治療動脈硬化，對高血壓、心血管疾病有一定的治療作用，被人譽為“心血管疾病無可比擬的特效品”，是血管的“清道夫”。 4.3 抗炎作用 調查發(fā)現(xiàn)，愛斯基摩人很少患氣管炎、風濕性關節(jié)炎等慢性疾病，用EPA喂飼小鼠，其實驗性炎癥的水腫程度降低。原因：慢性反應物質SRSA是三種特異的白三烯，是變態(tài)反應中的活性物質，在過敏性反應中調節(jié)支氣管收縮和血管通透性。花生四烯酸促進白三烯LTB4形成，LTB4有助炎作用；DHA和EPA可促進白三烯LTB5形成，它幾乎無生理活性，從而EPA具有抗炎作用。用ω-PUFA防治某些炎性疾病如類風濕性關節(jié)炎、帶狀泡疹及紅斑、疤疹、哮喘等已取得良好效果，是一種理想的功能性食品原料。 4.4 健腦作用 DHA 是人腦的主要組成物質之一，占人腦脂質的10%左右，在一定程度上可以提高腦的柔軟性，抑制腦的老化。其在人腦中主要以磷脂的形式存在，存在于大腦的灰白質部，磷脂對腦細胞的形成和構造起重要作用，如果缺少神經(jīng)元的突起就不能維持，所形成的網(wǎng)狀組織易被破壞，大腦傳遞信息就不靈，也影響人的智力，記憶和思維能力。在腦細胞形成的過程中，DHA有利于腦細胞突起的延伸和重新產(chǎn)生。在胎兒時期，從受精卵在母親子宮內分裂開始就需要DHA，因此，孕婦應攝入足量的DHA，以促進胎兒大腦的發(fā)育和腦細胞的增殖。正常情況下，一位孕婦每天應攝入0.5~1.5 g DHA（普通人需要0.5~1.0 g），特別是在胎兒大腦發(fā)育最快的妊娠第4個月至嬰兒出生后1歲末未發(fā)育完成這一重要時期，DHA 的攝入尤為重要。同樣，幼、童及青少年也應該進補，他們正處于接受大量信息的學習階段，這對腦細胞是一種刺激，補充能保證腦細胞突觸延長，使神經(jīng)細胞之間聯(lián)系加強，信息的傳遞更為迅速，大腦功能增強，記憶力提高。此外也是老年人不可忽視的營養(yǎng)素，補充可以延緩大腦萎縮，防止大腦功能衰退和老年性癡呆癥發(fā)生。因而，有人稱DHA為“腦黃金”。 4.5 保護視力 在人體各組織細胞中，DHA 含量最高的是眼睛的視網(wǎng)膜細胞，DHA 能保護視網(wǎng)膜、改善視力。一方面，DHA 能使視網(wǎng)膜與大腦保持良好的聯(lián)系，防止視力減退，改善視力；另一方面，充足的DHA能防止視網(wǎng)膜血栓的產(chǎn)生，阻止脂質滲出，從而徹底改善視力，甚至復明。DHA的含量減少，對光的敏感性就降低，視力則下降。 4.6 作用 據(jù)文獻報道英國專家發(fā)現(xiàn)并分離出導致癌癥患者身體消瘦的一種物質。這種名叫卡奇非克因子的物質類似荷爾蒙，這種蛋白質經(jīng)血液到達人體內脂肪組織后，直接使脂肪組織分解使人消瘦。而魚油中的DHA和EPA可阻滯這種蛋白質因子的形成，使腫瘤患者消瘦過程得到逆轉，從而起到增強患者體質，進而起到抗腫瘤的作用。 5、DHA的合成、消化以及代謝 5.1 微生物合成DHA的代謝途徑 微生物合成多價不飽和脂肪酸通常是在單不飽和脂肪酸基礎上開始，合成機制與高等生物一致，包括延長碳鏈和去飽和作用兩個過程，分別由相應的膜結合延長酶和脫飽和酶所催化，使碳鏈增長；脂肪酸脫飽和體系由微粒體膜結合的細胞色素b5、NADH-細胞色素b5還原酶和脫飽和酶組成。微生物合成DHA是從油酸開始，其脫飽和途徑是ω- 3；供體(乙酰CoA或丙二酰單酰CoA)提供兩C原子，在12、13位C原子之間引入一個雙鍵，形成亞油酸，再在15、16位碳原子間引入一個雙鍵，形成α-亞麻酸，再經(jīng)進一步的碳鏈延長和脫飽和而形成DHA，形成過程如下：油酸(18:1△2)→亞油酸(18:2△9,12)→a-亞麻酸(18:3△9,12,15)→二十碳五烯酸EPA (20:5△5,8,11,14,17)→DHA(22:6△4,7,10,13,16,19）。 5.2 DHA的消化吸收方式 DHA在體內的消化吸收與其他脂肪酸相比，差異很大。以甘油三酯形式存在的DHA為例，在小腸中，甘油三酯被肝臟分泌的膽鹽乳化后，在胰脂肪酶和腸脂肪酶的作用下，分解成甘油二酯、甘油一酯、脂肪酸和極少量甘油。這些水解產(chǎn)物與膽固醇、溶血磷脂和膽鹽共同形成一種水溶性的混合微粒，穿過小腸絨毛表面的水屏障到達微絨毛膜以被動擴散的方式被吸收（膽鹽除外）。 脂質在魚體內的吸收和哺乳動物體內的吸收相似。攝食的脂肪在內腔水解后，單甘油酯和游離脂肪酸以微團的形式通過擴散作用在腸道的上皮細胞被吸收。在粘膜細胞內重新組裝成甘油三酯，形成乳糜微粒，通過淋巴系統(tǒng)進入血液循環(huán)。而長聯(lián)脂肪酸（LFA）則只在膽鹽乳化作用下就可被吸收，吸收后的LFA仍需合成甘油三酯再通過淋巴進入血液循環(huán)。在人體，主要通過淋巴途徑和靜脈途徑吸收DHA，有人提出了第三途徑即十二指腸途徑。 一般來說，短鏈脂肪酸比長鏈脂肪酸易于被吸收，不飽和脂肪酸比飽和者更易被吸收。魚類對不飽和脂肪酸和短鏈脂肪酸的消化吸收率高達95％，對飽和脂肪酸和長鏈脂肪酸的吸收約為85％。 5.3 影響DHA消化吸收的因素 首先，是脂肪酸的組分和結構差異對其被消化吸收的影響。有研究者認為脂質來源及脂肪酸存在的形式的差異可能會影響吸收、分配和生物利用。以磷脂形式存在的DHA比以甘油三酯形式存在的更易被吸收。甘油三酯被胰脂肪酶水解成2-甘油一磷酸和游離脂肪酸，而磷脂被胰磷酸脂酶A2水解生成溶血磷脂和游離脂肪酸，離子化的脂肪酸和2-甘油一磷酸進入膽汁微團后和磷脂形成水溶性混合顆粒，有助于無極性的脂類穿過小腸絨毛表面的水屏障到達微絨毛膜被吸收。 脂肪酸在甘油三酯中的位置決定其是以2-甘油一磷酸酯還是以游離脂肪酸的形式被吸收。當DHA在甘油三酯Sn-2位置上，它們最容易被吸收。一般情況下，磷脂代謝重建酶可選擇性地將不飽和脂肪酸置于甘油酯的Sn-2位置,而將飽和脂肪酸置于Sn-1位置。 其次，是脂肪酸所含的基團或包容物的互相作用對其被消化吸收的影響。攝食的磷脂所含的磷酸鹽基團和氮基（主要是維生素B復合體），可能會在幾個代謝途徑中互相影響；脂肪酸的磷脂源（來自雞蛋蛋黃和動物組織）含有大量的膽固醇，也會影響脂肪酸的消化吸收；此外，脂肪酸的消化率還與它的熔點有關，含不飽和脂肪酸越多，熔點越低，越容易消化。 總之，影響DHA消化吸收的 因素很多，內外有之，而且不同物種和個體之影響因素可能會相異，其機理正在研究中。 5.4 DHA在體內的存在形式 在哺乳動物和水產(chǎn)動物體內，DHA主要以磷脂形式存在，游離脂肪酸很少。磷脂主要存在于細胞膜中。 5.5 DHA的分解代謝 天然不飽和脂肪酸多為順式，需轉變?yōu)榉词綐嬓?，才能被β－氧化酶系作用，進一步氧化分解。在生物體內，不飽和脂肪酸的氧化需要更多酶的參與才能順利進行，由于雙鍵的存在，是DHA比飽和及單不飽和脂肪酸很難氧化分解。 n-3脂肪酸的氧化供能，主要是在過氧化物酶體和線粒體中通過β-氧化進行。DHA在大鼠肝中的代謝不能在線粒體內進行β-氧化，而是通過被過氧化物酶體氧化。人類皮膚表皮細胞對不飽和脂肪酸（PUFAs）的代謝表現(xiàn)出很高的活性，皮膚表皮15-脂氧合酶的活性非常高，可將2-高-γ-亞麻酸（DGLA）轉化為15-羥基二十碳三烯酸，將EPA轉化為15-羥基二十碳五烯酸，將DHA轉化為15-羥基二十碳六烯酸。 DHA被哺乳動物吸收后，絕大部分被結合在甘油三酯。DHA是哺乳動物和魚類生物膜的重要組成部分和一些激素的主要前體，DHA并不是作為機體的主要能量來源，只是在特殊情況下，如饑餓時其他脂肪酸被大量利用后，DHA才可能會被氧化分解。 6、DHA的應用及開發(fā)前景 6.1 醫(yī)藥保健用品 由于 DHA 和EPA可增加腦部益智、保護視力、降血脂、防動脈硬化、抗凝血等生理功能，目前市場上有大量的魚油制品出售，其DHA+EPA的含量在20%~80%之間。一般每天服用DHA+EPA約1 g會產(chǎn)生很好的保健效果。 6.1.1 DHA魚油膠囊 目前，在國內外市場上，DHA和EPA的主要產(chǎn)品是魚油膠丸，其含量為30％左右。 6.1.2 DHA乙酯膠囊 該產(chǎn)品主要將富含DHA的油與乙醇進行醋化，生成DHA的乙醋，經(jīng)提純后，含量可達90％以上，作為醫(yī)藥品使用，售價每克達1萬日以上。 6.1.3 DHA甲酯膠囊 主要是將富含DHA的油進行甲醋化, 從而得到DHA甲醋型魚油制劑膠丸，含量可達60％~70％。 6.1.4 微膠囊化DHA 該產(chǎn)品主要將密封于20~30μm微粒子中。膠囊的制法是將含DHA的精制魚油、乳化劑、抗氧化劑、玉米蛋白及有孔淀粉等混合調制后，加入乙醇、水，再高溫微粉末化。產(chǎn)品特點為氧化穩(wěn)定性好，貯存天14后pov不上升，DHA含量無減少。耐高溫，180℃加熱后貯存, 上述數(shù)值沒有什么變化, 消化性能很好。 6.1.5 DHA為主的保健營養(yǎng)飲料 日本萊新藥公司制成無魚腥味且容易飲用的DHA保健營養(yǎng)飲料。根據(jù)動物實驗的結果, 得出人類每日須攝取0.5~1.0g DHA。該公司研制的DHA飲料每瓶500mL，價格300及500日元二種。產(chǎn)品中除含DHA外，也含有EPA、紫蘇油、紅花油、天然維生素、蜂王乳、大蒜精、胡羅卜素、人參精、茶葉萃取物、蜂蜜、葡萄糖、果糖等。 6.1.6 DHA粉末 將魚油精制后制成化學性能穩(wěn)定的DHA粉末?？蓪⒃摦a(chǎn)品直接添加到人造奶油、蛋黃醬、冰淇淋和面包等功能性食品中去。 6.2 食品工業(yè) 目前，國際上已開發(fā)出了 DHA 和EPA 嬰兒奶粉，DHA 飲料，富含DHA 和EPA的雞蛋、香腸、罐頭等多種食品。 6.2.1 DHA醬油 日本相模中央化學研究所和洼田味增醬油公司共同研究開發(fā)出含DHA成份的醬油新產(chǎn)品。魚油中的魚腥味一般很難脫除，但醬油中含有一種稱之為“曲酸”的成份具有消除腥臭味的功能。為此, DHA成份添加入醬油中，腥臭成份便自然消減, 并利用乳化劑等解決了DHA魚油的上浮現(xiàn)象。 6.2.2 DHA的嬰兒配方奶粉 明治乳業(yè)股份公司自1987年就開始銷售添加了DHA油的嬰兒配方奶粉。母乳中含的DHA含量隨著母親的飲食不同而有很大差異。FAO/WHO為了使嬰幼兒的大腦及腦網(wǎng)膜等發(fā)育正常, 把高度不飽和脂肪酸的攝取比例標準規(guī)定為ω-6系/ω-3系。 除此之外，現(xiàn)在已開發(fā)和正在開發(fā)的產(chǎn)品還有，用各種維生素、礦物質、必需氨基酸相結合的飲料食品，如病人專用飲料、兒童乳酸菌飲料。用纖維類組合的方便食品、病后康復食品。用于魚糕、魚香腸之類魚制品制成的高級食品、提高水產(chǎn)貝類罐頭的附加值。添加到牛奶、酸乳酪、胚芽等食品中。6.3 飼料工業(yè) 淡水魚類喂富含 DHA 的飼料，可大大提高其DHA含量，從而提高其品質；養(yǎng)殖富含DHA的海藻作成飼料，將很有前途，日本人用含DHA的魚粉喂母雞，結果生產(chǎn)出了富含DHA的雞蛋—“健腦蛋”。 二、DHA生產(chǎn)工藝研究1、從魚油中獲得DHADHA主要是從魚油中分離制備，具有代表性的沙丁魚，金槍魚、黃金魚和肥壯金槍魚。但DHA含量高且可作為提取DHA原料的是金槍魚和鏗魚油。從魚眼窩脂肪酸中提取DHA的工藝如下：魚頭——摘出眼窩脂肪——分煮沸抽提——油層分離——脫臘——脫色——脫臭——精制DHA油但是隨著漁業(yè)資源的日漸緊缺，從魚油中提取 DHA時也面臨著一些問題：（1）從魚油中提取的DHA因膽固醇含量高，并且?guī)в恤~腥味，極大地影響了產(chǎn)品的品質；（2）魚油中DHA的含量又是隨著魚的種類、季節(jié)、地理位置以及人類的捕撈時間等條件的變化而變化；（3）在對魚油進行加工過程中的氫化處理工藝降低了魚油中的DHA產(chǎn)量，造成了DH不必要的浪費；（4）由于一般魚油中的DHA含量不是很高，同時還含有大量其他飽和及低不飽和的脂肪酸，因而濃縮較為困難，加工處理過程復雜，從而提高了DHA生產(chǎn)的成本，使得DHA的價格極為昂貴。故從魚油中分離得到的DHA無論是數(shù)量還是質量都難以滿足社會的需求，另外從魚油中純化得到的DHA還具有一定的難度。從而尋求廉價的DHA生物資源提取的可替代的新途徑受到國內外學者的廣泛關注。2、微生物合成DHA隨著研究的繼續(xù)深入，DHA新的生理功效及作用機理不斷被發(fā)現(xiàn)和揭示，并且不少學者發(fā)現(xiàn)許多種類的海洋微藻以及海洋真菌都能自身合成DHA，并且其相對含量遠遠高于魚油中的DHA含量，而DHA含量豐富多集中于海水金藻、甲藻、隱藻、硅藻等海生異養(yǎng)微藻以及海洋真菌中的破囊壺菌和裂殖壺菌中，而且主要以儲存油和膜脂形式存在。2.1 從微藻中獲得DHA目前從海洋微藻中提取多不飽和脂肪酸的工藝還處于實驗室階段，目前主要采取以下的步驟：藻體收集——冷凍干燥——脂肪酸萃取——脂肪酸轉酯化—— 分離——純化。2.2 真菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA利用真菌發(fā)酵生產(chǎn) DHA的研究主要集中在破囊壺菌Thraustochytrium和裂殖壺菌Schizochytrium，二者均來自海洋，是有色素和具光刺激生長特性的海生真菌。利用真菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA可以克服從魚油獲取 DHA的不足，能夠人為控制影響因素，保持DHA產(chǎn)量和含量的穩(wěn)定。真菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA時，一般合成EPA及其他多不飽和脂肪酸較少，這有利于DHA的分離濃縮，制備高純度DHA。微生物發(fā)酵生產(chǎn)DHA的研究已經(jīng)取得一定的進展，但還存在以下的問題：（1）缺乏高產(chǎn)DHA的優(yōu)質菌種，在發(fā)酵過程中菌體生長速率低，其脂質含量和DHA含量不高；（2）DHA微生物發(fā)酵研究大多停留在實驗室的搖瓶階段，沒有大規(guī)模實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；（3）從微生物發(fā)酵液中提取DHA的方法還有待于進一步改進，以適應于工業(yè)化的需要；（4）尚需探索微生物可利用的廉價底物，以降低其生產(chǎn)成本。因此當前最迫切的任務是從自然界微生物資源中篩選高產(chǎn)DHA的優(yōu)質菌種，加強對DHA的發(fā)酵條件，代謝調控和工藝的研究。理論分析3、基本發(fā)酵工藝工業(yè)發(fā)酵是利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質的一門現(xiàn)代工業(yè)，而現(xiàn)代發(fā)酵工程則是指直接把微生物（或動植物細胞）應用于工業(yè)生產(chǎn)的一種技術體系，是在化學工程中結合了微生物特點的一門學科。因而發(fā)酵工程有時也稱作微生物工程。3.1 基本概念3.1.1 發(fā)酵一詞的來源發(fā)酵現(xiàn)象早已被人們所認識，但了解它的本質卻是近200年來的事。英語中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時的現(xiàn)象。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。在生物化學中把酵母的無氧呼吸過程稱作發(fā)酵。我們現(xiàn)在所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進行的化學反應和生理變化，是多種多樣的生物化學反應根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動的過程。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應過程當中或反應到達終點時所產(chǎn)生的能夠調節(jié)代謝使之達到平衡的物質。實際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過呼吸作用最終生成CO2和水，而發(fā)酵最終是獲得各種不同的代謝產(chǎn)物。因而，現(xiàn)代對發(fā)酵的定義應該是：通過微生物（或動植物細胞）的生長培養(yǎng)和化學變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應過程。3.1.2 發(fā)酵的定義（1）狹義 “發(fā)酵”的定義在生物化學或生理學上發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。（2）廣義 “發(fā)酵”的定義工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。3.2 發(fā)酵的特點發(fā)酵和其他化學工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下： （1）發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件也比較簡單。 （2）發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養(yǎng)?；谶@—特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。 （3）發(fā)酵過程是通過生物體的自動調節(jié)方式來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。 （4）由于生物體本身所具有的反應機制，能夠專一性地和高度選擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉化反應，也可以產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。 （5）發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關重要。除了必須對設備進行嚴格消毒處理和空氣過濾外，反應必須在無菌條件下進行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟損失，要是感染了噬菌體，對發(fā)酵就會造成更大的危害。因而維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關鍵。 （6）微生物菌種是進行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。 （7）工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，開可以取得顯著的經(jīng)濟效益。 基于以上特點，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。除了使用微生物外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的“工程菌’來進行反應；反應設備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應器而代之，自動化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎上有所提高和和創(chuàng)新。3.3 發(fā)酵的類型根據(jù)發(fā)酵的特點和微生物對氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類型：（1）按發(fā)酵原料來區(qū)分：糖類物質發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。（2）按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。（3）按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。（4）按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。（5）按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風發(fā)酵兩大類型。3.4 發(fā)酵過程的組成部分3.4.1 發(fā)酵過程的組成除某些轉化過程外，典型的發(fā)酵過程可以劃分成六個基本組成部分：（1）繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份設定；（2）培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設備的滅菌；（3）培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中；（4）微生物在最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中生長；（5）產(chǎn)物萃取和精制；（6）過程中排出的廢棄物的處理。六個部分之間的關系如圖所示。研究和發(fā)展計劃，總是圍繞著就逐步改善發(fā)酵的全面效益而進行的。在建立發(fā)酵過程以前，首先要分離出產(chǎn)生菌，并改良菌種，使所產(chǎn)生的產(chǎn)物符合工業(yè)要求。然后測定培養(yǎng)的需求，設計包括提取過程在內的工廠。以后的發(fā)展計劃，包括連續(xù)不斷的改良菌種、培養(yǎng)基和提取過程3.4.2 發(fā)酵生產(chǎn)的條件（1）某種適宜的微生物（2）保證或控制微生物進行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧pH等）（3）進行微生物發(fā)酵的設備（4）提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設備4、發(fā)酵后期酒精回收工業(yè)生產(chǎn)中常常采用下圖所示的流程進行操作。連續(xù)精餾裝置主要包括精餾塔，蒸餾釜（或稱再沸器）等。精餾塔常采用板式塔，也可采用填料塔。加料板以上的塔段，稱為精餾段；加料板以下的塔段（包括加料板），稱為提餾段。連續(xù)精餾裝置在操作過程中連續(xù)加料，塔頂塔底連續(xù)出料，故是一穩(wěn)定操作過程。（1）塔板的作用塔板的作用是提供氣液分離的場所；每一塊塔板是一個混合分離器，并且足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離。因此每一塊塔板是一個混合分離器，經(jīng)過若干塊塔板上的傳質后（塔板數(shù)足夠多），即可達到對溶液中各組分進行較完全分離的目的。（2）回流的作用回流的主要作用就是提供不平衡的汽液兩相，而構成汽液兩相接觸傳質的必要條件。注意：工業(yè)用精餾塔內由于塔頂?shù)囊合嗷亓骱退椎钠嗷亓鳎瑸槊繅K塔板提供了汽、液來源。
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2018-09-28
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