| 哇！好厲害的微生物應用！ 世界最小的「工廠」：微生物 |
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細菌，給你的第一個聯想是什麼？傳染病、上吐下瀉，還是濁水變清、葡萄變美酒？
包括細菌在內的微生物，充斥於我們的周圍環境，其中會危害人體的，比一般人想像的要少得多；而能夠幫助人類的，卻似乎無止境地在增加。
從幾千年前，不明究裡地利用微生物做出各種酒、醬和乳酪，到十七世紀發明顯微鏡後，漸漸認清它們的面目，再到十二年前，基因工程介入，重新發掘微生物的潛力；人類的食品、藥物、居住環境、化工產品，甚至可說從生到死，都不能對這些小小世界的居民，解除倚賴。
「發霉了！」這通常不是什麼好消息。菜變酸了、飯餿了、肉腐敗了，也都不是令人愉快的事。從中作怪的正是防不勝防的微生物，包括黴菌、酵母菌、細菌等。
從另一個角度看，這些微生物所做的不過是把蛋白質、澱粉這些大分子，分解成胺基酸、醣類等小分子，藉以獲得能量，維持活命罷了。雖然偶爾因為「落腳」的地方不對，給人類帶來些小麻煩，但是它們的分解能力對整個物質循環的貢獻，非同小可。
落葉枯枝如何「化作春泥更護花」？全靠腐生細菌之類的微生物分解其中的有機物，把二氧化碳這類副產品釋回空中，金屬鹽類就留在土裡，等待植物重新吸收。
動物的屍體、排洩物莫不經過相似的過程，使每一個既有的元素，都能再生、重被利用。
小兵立大功
這是我們平常覺得理所當然的自然界變化。殊不知理所當然的背後，有多少前仆後繼的微生物在維持生態平衡。
人類認識微生物的歷史雖然不長，役使它們的歷史可不短。
就拿可能是歷史上最早的加工飲料——酒來說，一開始人類恐怕和其他動物一樣，吃了過熟的果子，而嘗到暈陶陶的滋味。
很快地人學會了自己釀酒。
起先極可能是拿放餿了的米飯或麥片，摻在新煮好的飯或麥片裡，經過一段時間，就有酒產生，然後選擇味道好的酒釀保存下來，作為酒藥或酒引子。以後要做新酒時，只要加在別的飯、麥片中，就得到一樣香醇的酒。
做麵包、蒸饅頭，麵團要發得好才好吃，老師傅都會留一些「醒過」的麵團，每次揉麵時加一點進去，功用就和酒引子一樣，可以「引」得整個麵團「醒」過來，發得鬆軟可口。
一般人做麵食點心常用的酵母粉，其實和老師傅的麵團或酒藥效用相同，其中最重要的成分都是酵母菌。
酵母粉是工廠大量培養的酵母菌，經過濃縮乾燥，製成粉狀；若遇適當環境，馬上又能恢復活力。麵團和酒藥裡的活酵母菌，則是從空中落入麵團和飯中，由於溫度、濕度、澱粉成分恰合其意，它們樂不思蜀，不斷分裂繁殖，抑制其他菌種生長，最後滿佈於麵團或飯中，就變成引子。
發麵、釀酒靠酵素
實際上完成發酵工作的，是酵母菌體內的酵素。酵素又叫做
比方，酵母菌在氧氣充分的情況下，獲得能量的方法是先利用化糖
傳統上利用微生物的方式，不外乎借助它們自然的生化反應，把原料製造為我們想要的東西。黃豆做成醬油、牛奶做成乳酪、茶青做成茶葉、米成為醋、青菜成為梅乾菜、咖啡豆製成咖啡、糖蜜製成味精，無一不經過發酵。
「純菌」效率高
現代工業仍然一脈相承過去的發酵方法，不同的是，過去往往以「雜菌」的形態發酵，也就是有許多不同種類的細菌同時在發酵槽裡生長，有些可能對製成品毫無貢獻，只是環境也很適合它們，就待了下來。
工業化產業講求高效率，因此會想辦法防止雜菌生存，用密閉的槽，並調節溫度、酸鹼度等，使環境利於最有用的菌種。通常還要有研究人員分離菌株，把最活躍的、或有多項優點的挑選出來，再大量培養這些優異菌株，使生產力更為提高。
但有時候「純菌」反而不如「雜菌」來得有利。講究風味的食品尤然。我們常說某處祖傳秘方釀製的醬最香、或某牌子的乳酪最好吃。其中奧妙很可能是秘方調製造成特殊的環境，引起某些菌種繁殖，而它們的代謝產物促成了獨到的風味。
汙水怎麼變清水？
另一個例子是汙水處理。家庭廢水和工廠廢水都含有許多有機物，可以集中排到汙水處理廠，利用腐生細菌分解碳水化合物、蛋白質和脂肪，若形成氣體，便逸散到空氣中；單純的無機鹽，則溶於水中排掉。剩下的汙泥體積大為減少，性質穩定，而且往往富含氮、磷，還可作為植物的肥料。
但若以分解效率高的純菌處理汙水，很可能不合經濟效益。
台 大環工系教授曾四恭解釋道，汙水本身已含有許多細菌，除非先消毒，否則無法保證「純菌」狀態；然而汙水量極大，不值得花那麼多時間、人力、財力去消毒。其 次，廢水的來源不一定穩定，尤其是綜合性的廢水處理廠，水質變化大，若只培養單一菌種，萬一環境改變，說不定死傷殆半，效果就大為降低。
倒不如讓細菌自由滋生；如果水質特別適合某一種細菌，它自然大量繁殖，主動負擔大部分的分解工作。等到另一種水流入，可能有本來受抑制的菌種喜歡這個環境，再換成它大量生長，把擔子扛過去。
用細菌來發電
我們常在報上看到沼氣發電的消息，沼氣就是處理廢水的腐生細菌製造的。腐生細菌可分為厭氣、兼氣和好氣性三種；顧名思義，好氣需要氧才能生存，厭氣不需要，兼氣性細菌則兩種環境皆可存活。
分解有機物效率最高的是好氣性細菌，一般汙水廠是先讓汙水充分透氣，經過好氣性細菌處理後，再把為數不多的渣滓堆在沈澱槽中，不另通氣，任由厭氣性細菌去慢慢分解。甲烷，也就是沼氣，即為厭氣菌的產物，是很好的燃料。
以上提到的微生物利用方法，皆蓋有年矣。國內在食品發酵方面，基礎很好，有經驗的研究人員也多，味精外銷量高達世界第一位。但是若要繼續在國際上競爭，台大農學院院長蘇遠志認為，必須加速自動化、並開發更好的菌種，才能提高效率、降低成本。
至 於汙水處理方面，有計畫設立的工業區都建有綜合性汙水處理廠，但一般工廠及家庭廢水則不一定有很好的處理措施。拿家庭汙物來說，都市地區人口密集，效率極 低的化糞池對河川和地下水的汙染日益嚴重。但由於衛生下水道管線工程浩大，目前台北市只有迪化街和民生東路各設一座示範性的汙水廠，處理附近社區的廢水。
豬糞造沼氣
家畜、家禽的排洩物也是個問題。希臘神話裡，大力士赫丘里斯完成的十二件重活之一，就是沖洗一座已經卅年沒清洗、養了三千頭牛的牛欄。他的方法是使兩條河改道，沖過牛欄後，再恢復舊河道；這在今天，環保局人員一定要開罰單。
台灣的家畜以豬最多，而一隻豬每天平均排洩量是五．二公斤，累積起來數量驚人。目前工業研究院的能源與礦業研究所，已經和一些大型養豬場合作，試驗利用豬的糞尿發酵厭氣菌，生產沼氣燃燒發電，供養豬場使用。
儘管微生物已經做了許多不可思議的事情，真正使微生物揚名立萬的，是最近十年來遺傳工程的進展。
在談基因工程對微生物動了什麼手腳之前，我們先看看廿世紀以來，人類又從微生物的分泌物中提取了那些東西來用。
抗生素的出現是醫藥界，也是應用微生物學界的里程碑。雖然一九二八年就已發現青黴菌會產生溶解葡萄球菌的青黴素，但到二次大戰，由於傷患眾多，傷口感染常造成不治，青黴素才重新被發掘出來，一九四四年正式做成藥品上市。
抗生素活人無數
抗生素是微生物彼此爭佔地盤的武器。每一公克土壤，平均有三千萬個微生物（濾過性病毒不算）擠在裡面，為了保障自己的生存空間，有些菌種會分泌物質殺死或抑制附近細菌的生長，這類物質後來即被命名為抗生素。
除了青黴素被人類拿來對付病菌之外，一九四○年代，大家興致勃勃地在土壤裡尋覓其他微生物分泌的抗生素，結果一下子發現了五百多種，大部分是放射菌（又稱放線菌）的產物。
抗生素的生產結合了工程和生化科學，微生物成為製藥工業的寵物。
其 他工業也陸續發現微生物的諸多用途。譬如化學工業發現，若以生物觸媒催化分解或合成某種化學品，有時效果更好。該生物觸媒可能是從動、植物中提取的酵素。 但是如果需要量大，動植物來源有限，成本又高，這時生產相同酵素的微生物就吃香了。因為微生物繁殖迅速，培養的原料多為澱粉，供應不難，所以先要找著優良 菌種，便可發酵增殖，淬取其中的酵素。
此外，色素、維他命、香料、胺基酸的製造，微生物均一一建功。
基因重組開天闢地
一九七三年，科學家把外來基因移植到微生物中，首次在寄主體內成功地得到複製的新基因。遺傳工程的新紀元於焉開始。
流風所及，實驗室裡人人都想找個基因剪接到大腸菌或酵母菌裡，命令它們製造一些本來不會製造的東西。量少價昂的藥物大概是最先被想到的。
治療糖尿病的胰島素，過去要從豬的胰臟提煉，費事而且來源不穩。利用基因重組技術，把人類細胞核中控制胰島素生成的基因和細菌的基因結合，由細菌大量製造的胰島素，終於在三年前通過各種藥理試驗，獲准上市。
人類發育障礙的對症藥生長激素，和治療癌症的干擾素都要直接從人體抽取，過去一直無法充分供應醫療及研究的需求。最近以微生物生產的這些藥物，也即將通過檢驗上市。
細菌產品的潛力可從體制素的例子看出來。體制素是一種荷爾蒙，從一百萬頭綿羊的腦子，可以提煉出十毫克，而運用遺傳工程的技術，十五公升的大腸菌可以在一夜之間製造同樣多的體制素。
事實上，包括微生物產品在內的生物科技，被許多人預測將是主宰廿一世紀的工業。
主宰廿一世紀的科技
國內在民國七十一年把生物技術訂為八大重點科技之一，去年並成立生物技術開發中心，希望將上游的研究成果，由中心評估開發可行性，經過先導工廠試產，再轉移給下游的工業，以逐步建立起本地的生物科技工業。
目前台灣地區企業界對於生物工業似乎並不熱心。根據「卓越雜誌」去年的問卷調查，一百一十五位經理人中，只有兩人看好生物工業，而韓國經濟學人半月刊的調查，一百位經理人中有卅六人認為「生物工業是未來最具潛力的尖端工業」。
就 以產品和微生物有關的國內企業來講，稱得上使用生物「科技」的，仍是鳳毛麟角；連有嘗試念頭的都不多。台大蘇遠志院長說：「公營事業如台糖、公賣局，有固 定的研究發展經費，還能維持幾個實驗機構；私人企業主通常只顧眼前的利，挑容易的做，很少會拿錢出來投資未來的科技。」
像製藥業，絕大多數是進口成品，分裝後便出售，或者頂多是進口半成品，只需予以最後一道加工即可。這樣當然談不上生物科技。或許其中牽涉到製藥基礎深淺、開發藥品成本的問題，我們原本不易和國外的公司競爭。然而從這也可發現，遠遠地跟在別人後面走，很難做出不凡成績。
研究發展要趕快
「新科技競爭激烈，即使向國外引進技術，對方必然要經過若干年才肯開放，此時沒被佔據的市場已經不多，再怎麼努力，發展也有限。過去我們還能依賴低廉的工資彌補科技上的差距，現在這個優勢逐漸消失，再不自己做研究就來不及了。」蘇遠志說。
未來的生物工業可以比做今天的資訊工業，創新的壓力極大，都是腦力密集的高科技。因此，國科會生物發展處處長田蔚城說得急切：「生物產品的生命周期短，一定要不斷有新東西出來，研究發展非常重要。」
國內現階段已有不少大企業把觸角伸入正熱門的資訊業，但對遠景光明的生物工業卻不太留意。只有大同公司兩年前設立了應用微生物研究室，並打算在大同工學院成立應用微生物系。負責人江晃榮表示，他們已自行開發出製造清潔酵素和環狀糊精的技術。
清潔酵素常加在洗衣粉裡，因為它是蛋白質分解
環狀糊精則是馬鈴薯澱粉經過一種細菌酵素作用，所形成的多醣化合物，可以添加在食品、化妝品、藥品裡當作安定劑，甚至能做成粉狀醬油、粉狀酒，要用時加水沖調即可。
前述這兩種產品已在實驗工廠裡製造成功，目前仍在試銷中。大同還想結合生物技術和原有的電子技術，試製生化工程產品。譬如把好氣菌和電極連接，做成生物感應器可用來偵測水質乾淨的程度。
腦力加勞力密集
永豐餘公司的關係企業台東興業，除了食品加工，一直從事生化產品的製造。其中和微生物有關的包括：紅麴菌所分泌的紅麴素，屬於食用色素；還有以細菌的孢子毒素殺死菜蟲的生物殺蟲劑。現在他們正在嘗試自製抗生素、異化澱粉
用微生物賺錢的機構中，比較特殊的是汎球藥理研究所。汎球的發酵部成立九年，專接國外藥廠的計畫，替他們改良已知的菌種和發酵方法。他們培育的微生物會製造抗生素、胺基酸、酵素、維他命等等，不過受合約所限，一律要為計畫的投資人保密。
研究所的人員四分之三以上大專畢業。顯然，這不失為較高級技術人力密集地區可以發展的一個行業。
無論如何，在企業界致力生物工業之前，我們的研究主力仍然在學術研究單位。
到底對於微生物的應用研究，有那些適合我們開發，應該特別加強？「這要考慮市場大小、產品附加價值、國內技術能力等等因素，必須集合國內外專家，彼此討論以後才能訂出大概的方向。」田蔚城說。
國科會為生物技術擬了六項發展重點：遺傳工程、融合瘤、細胞及組織培養、酵素工技、發酵技術和生化工程。看來面面俱到。
醫療用品打先鋒
生物技術開發中心企劃部主任張天鴻認為，各方面的研究都要進行，不能偏廢，然而從開發的角度來看：「尖端科技有個特色，起初一定是用在附加價值最高的產業上，慢慢才普及到其他方面。」因此價昂、銷售市場穩定的醫療用品，常常是國科會開發計畫的主題。
假設發明了一種內服的新藥品，若要打進國際銷售網，通常必須符合美國食品藥物管理局的繁複規定，做各種動物試驗、臨床試驗；不等上數年、投下數千萬美元無法竟全功。
衡諸現實情況，適合國內現階段發展的醫療用品，包括體外診斷用的試劑、動物用藥品等。
台大生化科學研究所所長張文章選擇的研究對象，就是利用基因重組，以微生物製造動物的生長激素。如果成功的話，可以使飼養的肉食用家畜迅速長大，節省時間和人力，市場潛力不小。
張文章用的工具是大腸菌。大腸菌之所以備受基因工程學者的寵愛，起先是因為常見，容易操作；後來由於研究它的人多了，對它的生理構造、生化機制瞭解得越來越清楚，以後的學者為了方便，做實驗時第一個想到的就是大腸菌。
大腸菌是遺傳工程的功臣
大腸菌本身的「優點」自然不可忽視：培養液調配容易，在攝氏卅七度下，每廿五分鐘就分裂一次，好養又省錢。張文章說，現在甚至發展出一套把外來基因移入大腸菌的標準步驟，只要新物質不被排斥，幾乎百分之百可以成功。
移入只是第一步，看看基因在菌體中有沒有「表現」——也就是有沒有製造出動物生長激素——才是關鍵。萬一沒有表現，就要修改基因，要不然就得換種微生物試試。如果有了表現，再想辦法誘變菌種，使它製造出的新東西越多越好。
通常僅次於大腸菌的選擇是枯草菌。另外，酵母菌也是遺傳工程愛用的微生物，但是構造比較複雜，操作上更難；不過人類早已熟知酵母菌的發酵技術，大量生產反而比較容易。
酵母菌製作肝炎疫苗
被列為另一重點科技的B型肝炎防治計畫中，現在使用的疫苗稱為第一代，是直接抽取患過肝炎者的血液，把肝炎表面抗原提煉出來做成的。
目前國內積極進行研究第二代疫苗，目的是用微生物製造肝炎表面抗原，一方面可以大量生產，降低成本，對防治肝炎有利；另一方面，直接從人血製造疫苗，有可能把血液中未知的病原一起移轉過來，能減少一分危險總是好的。
榮 總醫學研究部研究員朱廣邦說，現有好幾個單位同時進行第二代疫苗的研究。主要構想是，先使表面抗原的基因接合在大腸菌的「質體」上，質體是一個環狀的獨立 遺傳單位，自己會複製，還會串門子，溜到其他菌體中。等移入的基因在大腸菌中有了「表現」，再設法處理酵母菌，使質體能自由進入酵母菌，然後就可在酵母菌 中製造肝炎疫苗的材料了。
微生物生產能源
上面這些，是眼前即有利用價值的研究，然而生物工業是廿一世紀的主流，到時石油產量日低，生物能源的研究亦不可忽視。
吸引人的構想之一是找到或「做出」能夠快速分解纖維質為酒精的微生物來。
地球每年「生質」（biomass生物質量）產量約為一兆八千億噸，其中百分之卅六的成分是纖維質，因此如何利用此資源是很好的題目。尤其是許多農產、林產的廢棄物都含有豐富的纖維，若能從中製造酒精，即可實現垃圾變能源的理想。
其實現在已有不少的微生物發酵方法，可以把纖維原料變為燃料，但成本仍然很高，不及用石油划算。這類生物研究等於是備用的科技，但說不定那天就派上用場了。
我們或許可用遺傳學家霍爾丹一九二九年說的一句話，作為對微生物的禮讚：「要是一個小蟲子可以替你做好，何必自己累得半死去做那些化合物？」
資料來源http://etd.sinica.edu.tw/sinorama/content/ChIm.asp?chptnumber=100619酵母菌的用途 + 基本資料 | ||||||||||||||||||||
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| + 應用 |
| 名稱： 釀酒酵母 |
| 各種發酵麵團的食品，如麵包，饅頭等，酒類和醋等，因為啤酒生產後的副產物酵母菌體內含有高量蛋白質，維生素B群及微量礦物元素，近年來啤酒酵母也被開發作為健康食品。 |
