生物技术人门 ■1.1酒文化伊始 精，人们还常常在发酵液中加入一些有机 酸来抑制潜在病原体的生长。 我们所知道的最早的啤酒，大约是公 元前8000-公元前6000年，由地处幼发拉 我们的祖先用啤酒、葡萄酒或醋饮来 底河与底格里斯河（现在的伊拉克）之间 解渴。发酵—这种古老的生物技术为人 的美索布达米亚苏美尔人酿造的。他们浸 们提供了新鲜刺激而又干净卫生的饮品。 泡大麦或二粒小麦（一种古老的、生长在 这样具有革命性意义的技术应该一代代传 当地的小麦作物)使其发芽，从而酿造出 承下去。 种营养丰富、不易腐坏，并能使人兴奋 除了美索不达米亚人，古埃及人也会 的饮料—啤酒。一块公元前3000年的陶 酿造啤酒。一幅公元前2400年的壁画记录 土片上就记录着小麦去壳的全过程，现在， 了古埃及人酿造啤酒的全过程（图11）。古 图11古埃及人酿造率酒（距 这块被称为“Monument bleu'”的陶土片已 埃及人发现，加入少许以往发酵的沉淀物 今4500年前). 被当作文物收藏在巴黎卢浮宫内。将这些 会加速发酵的过程。因为他们使用的是已 发芽的麦子揉到面中，经略微焙烤后制成 经烘烤过的啤酒面包，所以生产的啤酒颜 啤酒面包，然后将面包碾碎拌人水中，再 色偏深，而且酒精含量可以高达 将这种混合物通过柳条筛过滤，装入陶土 12%-15%。此外，瓶装啤酒也是古埃及人 容器里密封好，之后，随着发酵作用，就 发明的一在建造金字塔时，人们把啤酒 会产生气泡。 装入陶罐中，这样就能方便地输送到建筑 发酵(fermentation)是一种厌氧作用， 工地供工匠们饮用。 图12古希腊妇女制作面色（距 今6000年前)。 能将糖汁变成酒，啤酒就是一个很好的例子。 公元6世纪，当凯尔特人与日耳曼人正 一部分发芽的麦子会被放在太阳底下 得意于自己酿制的蜂蜜酒（一种装在500 晾晒（相当于现在的烘干作用），然后再保 升的大容器内，置于10℃地下室贮存的酸 存起来，以便应对新鲜麦子短缺时的需 啤酒)时，修道士的发明使啤酒酿造技术达 求。后来，巴比伦人代替苏美尔人统治了 到了又一个顶峰。中世纪的修道士在斋戒 两河流域，他们也酿造啤酒，但味道有点 期间要承受繁重的体力劳动，为了在精神 酸，这是由于发酵过程同时产生了乳酸发 上和身体上都做好准备，他们便酿造了营 酵(lactic acid fermentation)。正是因为许 养丰富的烈性啤酒以取代食物，因为有“禁 多微生物不能在酸性环境中生长，乳酸发 食但不禁饮”(liquida non fragunt ieunum, 酵大大延长了啤酒的保存时间。这对于气 英语即“liquids do not break the fast”")这一 候炎热的中东地区来说是十分重要的 说法。 只有干净卫生的饮品才会受到人们的青 图1.3上图为列文虎克所描绘 啤酒的英文“Beer”源自于古撒克逊人 的酵母前图案：下图为现代扫 睐。 的“Bere”一词，意思是“大麦”。酿造出 描电镜所拍摄的酵母菌，图中 酒精(alcohol)是糖经过酵母的发酵作 好的啤酒不难，但真正明白其中的门道却 可清是地看到出茅子加胞。 用所得到的终产物。即便只有2%-3%的酒 是另一回事。 精含量，也会影响细菌细胞质膜的通透性， 安东尼·范·列文虎克(Antonie van 从而抑制细菌的生长。因此在气候炎热的 Leeuwenhoek,1632-1723)是第一个用自 中东地区，利用发酵减缓微生物的生长具 己研制的单透镜显微镜从啤酒样品中观察 有一定的、甚至是决定性的优势。农业的发 到黄色酵母菌团的人，也是第一个观察到 展使得人口日益增多，干净卫生的饮品日 细菌的人。那个时候，酵母菌可以通过浓缩 渐匮乏。直到19世纪末，这个问题才在西 和提取的方式获得，并广泛用于酿酒和面 方国家得以解决，而在世界其他许多地方， 包焙烤。 至今尚无好的解决办法。试想一下，被人畜 ■1.2酵母：发酵背后的秘密 PDG 尸体和粪便污染的恒河地区，这些被污染 的水是多么危险，而像啤酒、葡萄酒或者醋 真菌中，数目和种类最多的一类是子 图14中世纪的啤酒造 之类的发酵制品却是干净无菌的。除了酒 囊菌(Ascomycota),酵母就是其中的一员
第一章啤酒，面包，奶酪 知识框1.1生物技术的历史： 文虎克突发奇想地用显徽镜观察一滴雨 像蜂房似的，他给这样的小室取名为“细 列文虎克 水，看到的画面让他大吃一惊。在显微 胞”(c心l)。他也用显微镜证实了列文虎 镜下的雨水滴里，有不计其数的“小动 克的发现，然而他却不知道，列文虎克 物”在游动，他估计这些“小动物”只 描述的“可怜的小动物”其实也是由很 有虱子眼睛的千分之一大小。 多细胞或者单个细胞组成的。 AS 皇家学者们通过显微镜观察到了列 文虎克所描述的画面，并为这一发现而 激动不已。1680年，经全体皇家学会的 学者一致同意，从未受过大学教育的列 文虎克破例成为英国皇家学会的一员。 列文虎克正在使用自己制作的单透镜显微 镜，其放大待数能够达到200倍 “在视野中，这些小东西飞快地运 动着，就像梭子鱼飞过水面一样。这 列文虎克绘制的第一张细菌图片。英国科学 类小生命的数量不多。另一种正如图 作家Brian F.Ford也会试着做了一个列文虎 B所示，像纺锤一样不断地自旋并向 克那样的显微镜，并观察到了螺旋状细菌。 外旋转，运动路线如图C到图D之间 的轨迹。这还不算什么。还有一种小 1673年，在友人的鼓励下，列文虎 到甚至都看不清形状，看上去似平是 克用荷兰语写了一封热情洋溢的信，与 椭圆形，但很快又变成圆形。跟图E中 当时最具声望的英国皇家学会建立了联 的小圈一样，它们太小了，运动时好 系。当渊博的学者们读到“可怜的小动 像一群小蚊子或苍蝇。 物”时都领为惊讶，那是列文虎克在信 中描述他的新发现。 它们多到不计其数，我想，在沙 粒大小的一滴水（或者沾有唾液的水） 中，可能有成千上万个。我所观察的 样品是取自犬齿和白齿之间，里面含 有一堆堆黏糊糊的东西，虽然长度不 同，但厚度是一样的。这些小东西有 些呈弯曲状，有些是直棒状，如图F所 示，没有特定的规律。” 胡克制作的多校镜显微镜。通过这种复式显微 镜，他在软木塞薄片中看到了他命名的“细驰” (引自Paul de Kruif的《探索微生 物的人们》，Microbe Hunters,1930,) 列文虎克凭借好奇心、灵巧的双手 列文虎克(1632~1723)对在显微 和坚持不懈的努力取得的成就，远远大 镜下观察到的牙垢沉积物进行的描述， 于那些墨守陈规的学者们一倘若问他 为人类打开了另一个全新的微观世界。 们一头驴子有多少颗牙齿，他们只会查 作为一个商人，他也是一位自学成才 列文虎克的显微镜.他制造了大约500多个单 阅亚里士多德的著作，而不是看看驴子 校镜显微镜 的科学家，是第一个观察到细菌并做 嘴里究竞有几颗牙齿.各国的王公贵族、 出精确描述的人。列文虎克有一次碰 罗伯特·胡克(Robert Hooke, 专家学者都对列文虎克的发现颇感兴趣 巧看见一位眼镜工匠打磨镜片，脑海 1635-1703)是当时英国皇家学会的一 英国女皇，普鲁士国王佛雷德里克一世， 里便产生了一个念头：要制作一幅放 员，专门负责学会中各研究项目的组织 以及俄国沙皇圣彼得大帝（他曾经隐瞒 大率高达200倍的特殊镜片。后来，这 开展。他根据列文虎克提供的资料设计 身份去荷兰学习造船技术)都争先与他 个一直素绕在心头的愿望达成了。他 了结构较为复杂的显微镜。有一次，他 见面会谈。 可以花上数小时用显微镜观察一根羊 切了一块软木薄片放在自己制造的多透 在当时，列文虎克显微镜下观察到 毛，在那个奇妙的视野下，纤细的羊 镜复式显微镜下观察，发现软木片是由 的“小动物”的确引起了人们的兴趣，但 毛看起来竞粗如一根麻绳。一天，列 很多小室构成的，各小室之间有壁隔开， 这个新奇事物不久又被人们所遗忘。 3
生物技术人门 知识框1.2 淀粉已被部分降解成麦芽糖。这时，再 出来，煮沸，加入啤酒花，得到浓缩且 现代啤酒酿造技术 将麦芽放入缓慢升温（从起始温度45℃ 无菌的麦茅汁(wo)。啤酒花中含有树 升至60-80℃， 制造黑啤酒则需要升至 脂、香精油及一些苦味物质，这些物质 结合1516年巴伐利亚人建立的啤酒 105℃)的烘箱中烘干，烘干后的麦芽称 不仅会使啤酒略带苦味，还有助于贮藏。 纯度标准(purity requirements,见图 为焦麦茅(brown malt)。 1.28)来看，德国的啤酒酿造技术十分简 当麦芽汁在涡流池中逐渐冷却并吸 酿酒厂一般通过碾榨麦芽来得到 单易行，它所需的原材料只有麦芽、啤 人氧气时，加人酵母并不停搅拌（这些 麦芽汁。碾轧时需要加人大量的水，并 酒花、水，以及酵母。 酵母都是酿酒酵母的纯培养物，它能在 将混合物不断加热。榨汁过程必须适 不断加氧的环境中优先生长)，之后将混 谷物中的淀粉不能直接用于发酵， 时中断，以便酶的降解作用(enzymatic 合液注入发酵罐中。 而是先要进行糖化作用，即通过淀粉酶 breakdown)得到更好的发挥。B葡聚糖 (amylase)将淀粉降解成麦芽糖和葡萄 酶在低于50℃时，可以降解类胶物质，避 淡啤酒(lager beer)是通过8-10天 糖，这一过程发生在大麦出芽阶段。出 免麦芽汁在过滤时发生阻塞。 缓慢的底层发酵(bottom fermentation) 麦芽是啤酒酿造的第一步，其后才是麦 而制成的，德语中“lager”即“储存” 蛋白质降解(protein breakdown)过 芽汁的榨取和发酵。 (storage)之意。这种啤酒十分耐储存， 程一般在50-60C之间进行，而糖化作 即使是采用颠簸的船运也能保持良好的 在麦芽制造房内，大麦首先被分 用(saccharification step)则需60-74C, 稳定性。相对而言，46天快速的表层发 类，洗净，然后在水中浸泡1-2天。之 因为只有在这个温度范围内，淀粉分解 酵(top fermentation)则能生产出小麦啤 后，这些谷粒就集中起来形成一个大型 酶（主要是a、B淀粉酶）才能将残余淀 酒(weissbier)、淡啤酒(ale)、黑啤酒 的发芽反应堆，7天之内的温度均维持 粉降解为麦芽糖、葡萄糖及大分子淀粉 (porter）i 和烈性啤酒(stout)。 在15-~18℃，在这样的条件下，谷粒逐渐 链（糊精）。 发生变化。7天后，发芽过程告一段落， 这时的啤酒就可贮存于贮液缸中， 当过滤桶中的残渣已逐渐沉淀至底 在得到的初产物绿麦等(green malt)中， 将温度控制在0-2℃，几周后待其酿熟 部，麦芽浆逐渐澄清时，将麦芽汁过滤 (mature)便可分装了。 麦芽 水 啤酒花 过滤 麦芽汁煮沸 碾榨 捣碎 涡流池 酵母 空气 麦芽汁冷却 灌装 贮液缸 发酵桶
第一章啤酒，面包，奶酪 空间填充构型图 图1.5文中所提到的各类分子与 原子的分子式.球棒模型和空间 Q 填充构型图。 氢0 碳闷 氨0M 氧(O) 磷円 硫S⑤) B-D-葡萄糖 氨基酸（例如L~半胱氨酸） 乙酸 SH CH ⊙HN H-0-H 与细菌不同，酵母是真菌，属于真核生 环境中。 酵母细胞壁中的主要成分为半纤 物，具有复杂的细胞结构（包括一个真正的 维素和几丁质，后者也是昆虫体壁的组成 细胞核及许多相对独立的细胞器，如线粒 成分。 体等)。它们能进行无性繁殖(asexual pro- pagation),因而也可被称作芽殖真菌。当 在啤酒酿造过程中，酵母就像是魔术 然，酵母也可以通过两个单倍体芽殖细胞 师，通过乙醇发酵把谷物中的碳水化合物酶 的结合进行有性繁殖(sexual reproduc- 解（图1.15），产生酒精、二氧化碳和其他 图1.6古埃及的啤酒酿造 ion)。因此，通过繁殖方式的不同，就可 微量发酵产物。其中的奥妙就在于，这些碳 以将酵母分门别类。 水化合物大部分为多糖，在被分解为二糖和 单糖后，即可被酵母中的糖酵解酶分解。 酵母是单细胞真菌，这样一个单细胞 可以称为母体细胞。从母细胞上长出 ■1.3时至今日，啤酒酿造的原材 “芽”，每一个“芽”就可以发育成一个子细 料依然是酵母、水、麦芽和啤酒花 胞，当“芽”逐渐长到成熟大小后便与母体 分离，形成新的个体（图13）。酵母属于异 在苏美尔人酿造啤酒的过程中，大麦 养生物(heterotrophic),它们不能进行光合 发芽一直是首要环节，因为在大麦发芽的 作用，而必须从外界摄取有机物作为食物 过程中，会产生许多发酵所需的关键酶。待 和能源，而且，它们还偏爱于生长在酸性的 大麦发芽后，将麦芽(malt)碾碎，加人温 图17啤酒中的二氧化度气泡 清晰可见
生物技术人门 球道(stre 嗜甲基菌属(Methylophilus) 大肠杆菌(Escherichia coli) 乳酸杆(Lactobacillus 棒状杆诺 单胞菌(Pseudomona 根瘤菌(Rhizobium 苏芸金芽胞杆菌 (Bacillus thuringiensis) 葡葡状球菌(Staphylococcus) 枯草杆(Bacillus subtilis) 链霉菌(Streptomyces 土壤丝菌属(Nocardia) 发芽的孢子(Germinating spores) 图1.8细菌 色后，在显微镜下即清晰可见，根 校菌属(Clostridium.产生丙酮和 鲡菌(bacteria)是原核动物， 据这一种点，可以将细菌分为革 丁醇)都是芽硅(pore-forming） 没有真正的细胞核，它的遭传物 兰氏阴性葡和革兰氏阳性葡 菌。棒我杆菌属(Corynebacte- 质（通常为双链环状DNA)存在 (Gram-negative species and Gram- rium),属于革兰氏阳性菌，能够 于细胞质的拟核中。它们没有真 positive species). 产生氯基酸。 核如胞（酵母，零菌、高等动植物） 需氧性(aerobic)革兰氏阴性 中那些典型的细胞器，如线粒体 产生乳酸的链球首属(SIre 杆菌及球菌色括假单胞菌属 ptococer匹spp),葡莉球首属(Sa 菌落形成的图示。 (细胞呼吸场所)、叶绿体（光合作 (Pseudomonas spp.,可以利用度 用场所)、内质网等等。 phylococeus,与食物致奉相关)， 化合物并含有奏固醇氧化酶)。酷 丙酸杆葡属(Propionibacterium, 大多数细菌是异养的，即必 杆菌属(Acetobacter,可以用于酷 用于制造维他命B。),诺卡氏菌属 须从外界有机物中摄取能量：其 酸的酿造)，根原菌属(Rhizobium, (Nocardia spp.,碳水化合物的氧 他类型的细首则通过光合作用， 与固夏相关)、嘴甲基菌属 化)，链霉菌属(Streptomyces,用 发从无机物（如硫）中损取能量 (Methylophilus,用于生产单细胞 于产生抗生素和酶)、这些都是革 细葡既色括可移动或不可移动的 蛋白质，与甲醇氧化有关)。 兰氏阳性葡。 单如胞有机体（如杆菌和球菌）， 相反，生活在颗道中的大肠 也包括分布于土壤中的多他丝 乳酸杆莆（亿actobacillus spp.) 杆葡(Escherichia coli,是一是 能产生乳酸，属于革兰氏阳性菌 状葡，如土壤丝菌属(Nocardia, 用于研完的典型实验材什，就像 亦称诺十氏菌属)，以及空气中类 但是不属于芽殖美。。 人们更为熟悉的小白鼠。大肠杆 似真菌结构的链霉菌菌丝体。 菌虽然也属于革兰氏阴性首，但 有译多细菌都会致病或导致 彩图中展示了生物技术相关 却是兼性厌秉(facultatively an-- 食物中毒，但也有许多具有经济 的一些细菌。细菌细胞壁的结构 aerobic)的. 效益的加菌，为生物技术敏出巨 氧单胞菌属(Pseudomonas). 大面献。 各有不同（见第四幸）。将细菌染 杆菌属(Bacillus,产生酶)、 b