張銳

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

業(yè)務探討 BUSINESS DISCUSSION

微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化研究進展

張銳

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院，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用，特別在醫(yī)藥行業(yè)內(nèi)應用此種技術(shù)十分普遍。微生物科技發(fā)展非常快，因此，人們也有不斷深入的研究微生物的發(fā)酵工藝。為此，本文對影響微生物發(fā)酵的培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基進行了分析，又對優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝的辦法進行了討論研究，為微生物工程的發(fā)展提供參考價值。

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

微生物在進行生長、代謝時，培養(yǎng)基能供給微生物發(fā)酵所需要的能量與營養(yǎng)物質(zhì)，對合成發(fā)酵產(chǎn)物的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量保障來講有著重要意義。在進行微生物發(fā)酵時，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，微生物生長需要的營養(yǎng)要素有生長因子，碳源，無機鹽和氮源四類。

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。氮源主要是有機氮源與無機氮源兩種，如豆粉，氨鹽，蛋白胨與硝酸鹽等。碳源能夠為微生物提供能量來源，形成產(chǎn)物和構(gòu)建細胞。碳源的形式有油脂，多糖，單糖，天然復合物，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，而且還有利于合成產(chǎn)物的速率。

1.2 無機鹽對發(fā)酵培養(yǎng)基的影響

微生物的生長和生成的代謝產(chǎn)物都與無機鹽有關(guān)重要關(guān)系。微生物在進行生長代謝時，構(gòu)成的輔酶中有磷的參與，它是構(gòu)成微生物生長，代謝的重要因素。有些菌種的發(fā)酵產(chǎn)物中包含磷酸根，因此在進行培養(yǎng)基發(fā)酵時，添加很多的磷酸鹽，這利于產(chǎn)物快速合成。在微生物發(fā)酵中鈣離子對細胞的生理狀況起到了調(diào)節(jié)作用，例如，使細胞膜的通透性降低，維持細胞狀態(tài)等。很多酶都用鎂來作催化劑。微生物生長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兩方面。在培養(yǎng)基中接入優(yōu)質(zhì)的種子液，可以使微生物快速達到對數(shù)生長期，有效縮短發(fā)酵周期，從而提升產(chǎn)物的質(zhì)量。若是選擇的種齡過長，就會使菌體提早衰退，降低菌體的生產(chǎn)力；若是選擇的種齡過短，就會抑制菌體生長，合成產(chǎn)物的時間過長。如果接種量過少，則菌體細胞生長量就會變小，導致微生物的發(fā)酵時間，對數(shù)生長周期向后推遲，從而嚴重影響產(chǎn)物與酶的生成；若是接種量過大，則會使培養(yǎng)基的消耗加快，使菌體的生長速度過快，菌體提早達到穩(wěn)定期和衰亡期，嚴重影響產(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。如果溫度過高會破壞酶的活性，微生物的生長會受到抑制，而且在溫度過高的環(huán)境下，細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)易變性、凝固，導致細胞死亡；如果溫度過低，就會抑制微生物的生長，因此，在微生物發(fā)酵時，一定要確保其有適宜的溫度。微生物的生長溫度與其菌種有關(guān)，菌種不同，對溫度的要求也不同，而且生長期和合成產(chǎn)物時期的溫度也不同。在設計發(fā)酵溫度時，要對其他的發(fā)酵因素和條件進行全面考慮，例如能源消耗，產(chǎn)率水平，發(fā)酵周期，培養(yǎng)基的成分等，需要時還要對其進行變溫培養(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，這對微生物的生長繁殖和新陳代謝影響非常大；另外，PH值還影響細胞結(jié)構(gòu)與營養(yǎng)物質(zhì)的利用等。PH值對培養(yǎng)基中解離中間代謝產(chǎn)物 與營養(yǎng)物有著明顯的影響，從而導致微生物改變了對這些營養(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，發(fā)現(xiàn)在PH值達到7.0時，其芽孢的萌發(fā)率最高，而PH值大于7.0或是小于7.0時，其芽孢的萌發(fā)率都降低至40%，另外，如果培養(yǎng)基中的PH值無論是過高還是過低，都會對毒素的產(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、代謝。溶氧還影響著次生代謝的產(chǎn)物合成，同時還影響其合成的速率。若是氧量缺乏，就會使微生物不能完全進行有氧的氧化過程，致使對發(fā)酵液的PH值造成影響，生成有毒物質(zhì)，并且，對產(chǎn)物合成需要積累的前體物質(zhì)造成影響，從而對菌體生成產(chǎn)物與生長都有影響。在進行發(fā)酵時，應用罐壓，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，減少裝液量來增加搖瓶發(fā)酵的溶氧量。溶氧對微生物的產(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)中應用了統(tǒng)計學，使優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝的方法由單因子的設計法發(fā)展成均勻設計，正交試驗的設計等方法，優(yōu)化的工藝更加高效化，系統(tǒng)化。眾多研究者利用統(tǒng)計軟件進行優(yōu)化和數(shù)學模擬其試驗的結(jié)果，應用Plackett-Burman設計法科學地篩選其優(yōu)化因子，然后運用響應面的分析法實現(xiàn)其優(yōu)化目的。

3.1 正交試驗的設計法

此方法是利用正交表對微生物發(fā)酵的多因素進行分析，利用多因素實驗得出結(jié)果，再通過直觀分析和直接對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)點是工作量小，效率高，方法簡單等，因此在優(yōu)化發(fā)酵工藝時，廣泛應用正交試驗的設計方法。

3.2 Plackett-Burman設計法

這種設計法可以及時篩選出影響試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素。一般情況下，運用Plackett-Burman設計法進行N次試驗，而能研究的因素最多只有N-1個，每個因素中取兩個水平，一般將低水平設為原始的培養(yǎng)條件，而高水平則是低水平的1.25倍，利用對整體差異和兩水平差異做分析對比，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，就會使Plackett-Burman設計法的試驗結(jié)果失去作用，然而就需要再次進行因素選取重新做試驗；若是有有效的Plackett-Burman試驗模型，就能夠確定其因素對試驗影響明顯，接下來再利用響應面的設計方法等，將最優(yōu)條件的因素篩選出來。

3.3 響應面的設計法

這種設計方法利用數(shù)學建模、統(tǒng)計分析等方法的有機結(jié)合，通過試驗設計分析其有關(guān)的數(shù)據(jù)，同時擬合的函數(shù)關(guān)系采用多元二次的回歸方程法，從而達到對優(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，則選用響應面的設計法取得的效果十分明顯，基于Plackett-Burman設計法，能夠非常準確的確定最優(yōu)的發(fā)酵因素、培養(yǎng)基的配方等，這對微生物發(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，響應面的設計法得到了廣泛的應用，而且在醫(yī)學、制藥、生物學等領(lǐng)域的應用已趨于成熟，同時應用效果非常明顯。

4 結(jié)語

在我國科技與生物技術(shù)都在不斷發(fā)展進步的同時，微生物的發(fā)酵技術(shù)也取得了顯著的成果，它不僅應用在工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面，而且在醫(yī)藥領(lǐng)域也有其應用。借助微生物的發(fā)酵技術(shù)能夠解決正常情況無法生產(chǎn)的難題。合理科學地應用微生物的發(fā)酵技術(shù)，同時改進和優(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，進一步擴大其在各行業(yè)的使用價值。

[1]董昌健.對如何推動微生物發(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,郭堅華.微生物發(fā)酵的工藝優(yōu)化研究進展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,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。