張銳

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014035）

業(yè)務(wù)探討 BUSINESS DISCUSSION

微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化研究進(jìn)展

張銳

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014035）

近些年，在有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中微生物的發(fā)酵技術(shù)已得到了非常廣泛的應(yīng)用，特別在醫(yī)藥行業(yè)內(nèi)應(yīng)用此種技術(shù)十分普遍。微生物科技發(fā)展非?？?，因此，人們也有不斷深入的研究微生物的發(fā)酵工藝。為此，本文對(duì)影響微生物發(fā)酵的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基進(jìn)行了分析，又對(duì)優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝的辦法進(jìn)行了討論研究，為微生物工程的發(fā)展提供參考價(jià)值。

發(fā)酵工藝；微生物；培養(yǎng)條件；工藝優(yōu)化；培養(yǎng)基

1 微生物發(fā)酵受培養(yǎng)基的影響

微生物在進(jìn)行生長(zhǎng)、代謝時(shí)，培養(yǎng)基能供給微生物發(fā)酵所需要的能量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)合成發(fā)酵產(chǎn)物的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量保障來(lái)講有著重要意義。在進(jìn)行微生物發(fā)酵時(shí)，因其發(fā)酵條件與菌種的差異和不同的發(fā)酵階段，需要培養(yǎng)基的成分也不同。一般情況下，微生物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)要素有生長(zhǎng)因子，碳源，無(wú)機(jī)鹽和氮源四類。

1.1 選擇氮源與碳源作發(fā)酵的培養(yǎng)基

氮源為微生物提供含氮的有機(jī)物與蛋白質(zhì)，并且，還是合成含氮產(chǎn)物的參與者。氮源主要是有機(jī)氮源與無(wú)機(jī)氮源兩種，如豆粉，氨鹽，蛋白胨與硝酸鹽等。碳源能夠?yàn)槲⑸锾峁┠芰縼?lái)源，形成產(chǎn)物和構(gòu)建細(xì)胞。碳源的形式有油脂，多糖，單糖，天然復(fù)合物，雙糖等，如豆油，葡萄糖，淀粉與蔗糖等。選擇發(fā)酵的培養(yǎng)基中要有均衡的碳源與氮源比，確保其菌體能夠正常生長(zhǎng)，而且還有利于合成產(chǎn)物的速率。

1.2 無(wú)機(jī)鹽對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基的影響

微生物的生長(zhǎng)和生成的代謝產(chǎn)物都與無(wú)機(jī)鹽有關(guān)重要關(guān)系。微生物在進(jìn)行生長(zhǎng)代謝時(shí)，構(gòu)成的輔酶中有磷的參與，它是構(gòu)成微生物生長(zhǎng)，代謝的重要因素。有些菌種的發(fā)酵產(chǎn)物中包含磷酸根，因此在進(jìn)行培養(yǎng)基發(fā)酵時(shí)，添加很多的磷酸鹽，這利于產(chǎn)物快速合成。在微生物發(fā)酵中鈣離子對(duì)細(xì)胞的生理狀況起到了調(diào)節(jié)作用，例如，使細(xì)胞膜的通透性降低，維持細(xì)胞狀態(tài)等。很多酶都用鎂來(lái)作催化劑。微生物生長(zhǎng)所需微量元素有很多，如，鈷，鐵，鋅，錳等。經(jīng)研究證明，枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)中需要錳離子的參與，在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加適量的氯化錳，可以提升枯草芽孢桿菌生成的發(fā)酵物中抑菌物質(zhì)的活性。

2 微生物發(fā)酵受培養(yǎng)條件的影響

2.1 微生物發(fā)酵受種子質(zhì)量的影響

種子的質(zhì)量影響發(fā)酵菌的生長(zhǎng)與產(chǎn)物的合成。種子質(zhì)量的優(yōu)劣取決于接種的種齡和接種量?jī)煞矫妗Ｔ谂囵B(yǎng)基中接入優(yōu)質(zhì)的種子液，可以使微生物快速達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，有效縮短發(fā)酵周期，從而提升產(chǎn)物的質(zhì)量。若是選擇的種齡過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)使菌體提早衰退，降低菌體的生產(chǎn)力；若是選擇的種齡過(guò)短，就會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)，合成產(chǎn)物的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果接種量過(guò)少，則菌體細(xì)胞生長(zhǎng)量就會(huì)變小，導(dǎo)致微生物的發(fā)酵時(shí)間，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)周期向后推遲，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)物與酶的生成；若是接種量過(guò)大，則會(huì)使培養(yǎng)基的消耗加快，使菌體的生長(zhǎng)速度過(guò)快，菌體提早達(dá)到穩(wěn)定期和衰亡期，嚴(yán)重影響產(chǎn)物的合成。

2.2 微生物發(fā)酵受溫度的影響

酶的活性需要良好的溫度條件做保障。如果溫度過(guò)高會(huì)破壞酶的活性，微生物的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，而且在溫度過(guò)高的環(huán)境下，細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)易變性、凝固，導(dǎo)致細(xì)胞死亡；如果溫度過(guò)低，就會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，因此，在微生物發(fā)酵時(shí)，一定要確保其有適宜的溫度。微生物的生長(zhǎng)溫度與其菌種有關(guān)，菌種不同，對(duì)溫度的要求也不同，而且生長(zhǎng)期和合成產(chǎn)物時(shí)期的溫度也不同。在設(shè)計(jì)發(fā)酵溫度時(shí)，要對(duì)其他的發(fā)酵因素和條件進(jìn)行全面考慮，例如能源消耗，產(chǎn)率水平，發(fā)酵周期，培養(yǎng)基的成分等，需要時(shí)還要對(duì)其進(jìn)行變溫培養(yǎng)。

2.3 微生物發(fā)酵受PH值的影響

不同微生物菌種的生長(zhǎng)與合成產(chǎn)物與PH值有著重大關(guān)系。微生物受PH值的影響主要體現(xiàn)在不同種酶的活力上，這對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝影響非常大；另外，PH值還影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用等。PH值對(duì)培養(yǎng)基中解離中間代謝產(chǎn)物 與營(yíng)養(yǎng)物有著明顯的影響，從而導(dǎo)致微生物改變了對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。常亞飛等人研究蘇云金芽孢桿菌時(shí)，發(fā)現(xiàn)在PH值達(dá)到7.0時(shí)，其芽孢的萌發(fā)率最高，而PH值大于7.0或是小于7.0時(shí)，其芽孢的萌發(fā)率都降低至40%，另外，如果培養(yǎng)基中的PH值無(wú)論是過(guò)高還是過(guò)低，都會(huì)對(duì)毒素的產(chǎn)量有直接影響，還有可能造成伴胞晶體的毒素完全不產(chǎn)生的情況。

2.4 微生物發(fā)酵受溶氧的影響

好氧型微生物的生長(zhǎng)離不開溶氧這一關(guān)鍵性因素，只有氧量充足才能保證好氧微生物的生長(zhǎng)、代謝。溶氧還影響著次生代謝的產(chǎn)物合成，同時(shí)還影響其合成的速率。若是氧量缺乏，就會(huì)使微生物不能完全進(jìn)行有氧的氧化過(guò)程，致使對(duì)發(fā)酵液的PH值造成影響，生成有毒物質(zhì)，并且，對(duì)產(chǎn)物合成需要積累的前體物質(zhì)造成影響，從而對(duì)菌體生成產(chǎn)物與生長(zhǎng)都有影響。在進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，應(yīng)用罐壓，攪拌速率，通氣量能夠確保與控制氧的供給量。利用增加轉(zhuǎn)速，減少裝液量來(lái)增加搖瓶發(fā)酵的溶氧量。溶氧對(duì)微生物的產(chǎn)物合成有著良好的影響。

3 優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝的辦法

一般情況下，優(yōu)化微生物的發(fā)酵工藝可從兩方面進(jìn)行優(yōu)化：培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基成分的比例。近幾年，在微生物的發(fā)酵技術(shù)中應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)學(xué)，使優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝的方法由單因子的設(shè)計(jì)法發(fā)展成均勻設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)等方法，優(yōu)化的工藝更加高效化，系統(tǒng)化。眾多研究者利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)學(xué)模擬其試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)用Plackett-Burman設(shè)計(jì)法科學(xué)地篩選其優(yōu)化因子，然后運(yùn)用響應(yīng)面的分析法實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化目的。

3.1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)法

此方法是利用正交表對(duì)微生物發(fā)酵的多因素進(jìn)行分析，利用多因素實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果，再通過(guò)直觀分析和直接對(duì)比找出最適合的組合，利用此法能夠確定影響發(fā)酵的主要因素。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工作量小，效率高，方法簡(jiǎn)單等，因此在優(yōu)化發(fā)酵工藝時(shí)，廣泛應(yīng)用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。

3.2 Plackett-Burman設(shè)計(jì)法

這種設(shè)計(jì)法可以及時(shí)篩選出影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素。一般情況下，運(yùn)用Plackett-Burman設(shè)計(jì)法進(jìn)行N次試驗(yàn)，而能研究的因素最多只有N-1個(gè)，每個(gè)因素中取兩個(gè)水平，一般將低水平設(shè)為原始的培養(yǎng)條件，而高水平則是低水平的1.25倍，利用對(duì)整體差異和兩水平差異做分析對(duì)比，從而確定其因素的顯著性。然而還要格外注意，若是沒有選取適宜的因素水平，就會(huì)使Plackett-Burman設(shè)計(jì)法的試驗(yàn)結(jié)果失去作用，然而就需要再次進(jìn)行因素選取重新做試驗(yàn)；若是有有效的Plackett-Burman試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，就能夠確定其因素對(duì)試驗(yàn)影響明顯，接下來(lái)再利用響應(yīng)面的設(shè)計(jì)方法等，將最優(yōu)條件的因素篩選出來(lái)。

3.3 響應(yīng)面的設(shè)計(jì)法

這種設(shè)計(jì)方法利用數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計(jì)分析等方法的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析其有關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)擬合的函數(shù)關(guān)系采用多元二次的回歸方程法，從而達(dá)到對(duì)優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝參數(shù)的要求。如果在微生物的發(fā)酵中存在非常多的變量因素，則選用響應(yīng)面的設(shè)計(jì)法取得的效果十分明顯，基于Plackett-Burman設(shè)計(jì)法，能夠非常準(zhǔn)確的確定最優(yōu)的發(fā)酵因素、培養(yǎng)基的配方等，這對(duì)微生物發(fā)酵產(chǎn)量的提高有著顯著效果。在優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝中，響應(yīng)面的設(shè)計(jì)法得到了廣泛的應(yīng)用，而且在醫(yī)學(xué)、制藥、生物學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟，同時(shí)應(yīng)用效果非常明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)科技與生物技術(shù)都在不斷發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，微生物的發(fā)酵技術(shù)也取得了顯著的成果，它不僅應(yīng)用在工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面，而且在醫(yī)藥領(lǐng)域也有其應(yīng)用。借助微生物的發(fā)酵技術(shù)能夠解決正常情況無(wú)法生產(chǎn)的難題。合理科學(xué)地應(yīng)用微生物的發(fā)酵技術(shù)，同時(shí)改進(jìn)和優(yōu)化其發(fā)酵工藝，能夠提高其生產(chǎn)的效率，促使發(fā)酵技術(shù)健康持續(xù)的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大其在各行業(yè)的使用價(jià)值。

[1]董昌健.對(duì)如何推動(dòng)微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化的研究[J].吉林農(nóng)業(yè),2013,(10)：34.

[2]朱秀清,王玲.微生物發(fā)酵高溫豆粕菌種篩選及發(fā)酵工藝優(yōu)化[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2012,(04).

[3]張文芝,郭堅(jiān)華.微生物發(fā)酵的工藝優(yōu)化研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,(06)：114-117.

TQ920.6

A

1003-2177（2017）03-0058-02

張銳（1981—），男，漢族，山西偏關(guān)人，本科，講師，研究方向：生物工程、微生物發(fā)酵、制藥工程。