微生物發酵工藝優化研究進展

張銳

（包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭 014035）

業務探討 BUSINESS DISCUSSION

微生物發酵工藝優化研究進展

張銳

（包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭 014035）

近些年，在有關技術領域中微生物的發酵技術已得到了非常廣泛的應用，特別在醫藥行業內應用此種技術十分普遍。微生物科技發展非常快，因此，人們也有不斷深入的研究微生物的發酵工藝。為此，本文對影響微生物發酵的培養條件和培養基進行了分析，又對優化微生物發酵工藝的辦法進行了討論研究，為微生物工程的發展提供參考價值。

發酵工藝；微生物；培養條件；工藝優化；培養基

1 微生物發酵受培養基的影響

微生物在進行生長、代謝時，培養基能供給微生物發酵所需要的能量與營養物質，對合成發酵產物的效率和產品的質量保障來講有著重要意義。在進行微生物發酵時，因其發酵條件與菌種的差異和不同的發酵階段，需要培養基的成分也不同。一般情況下，微生物生長需要的營養要素有生長因子，碳源，無機鹽和氮源四類。

1.1 選擇氮源與碳源作發酵的培養基

氮源為微生物提供含氮的有機物與蛋白質，并且，還是合成含氮產物的參與者。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，形成產物和構建細胞。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。選擇發酵的培養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物的速率。

1.2 無機鹽對發酵培養基的影響

微生物的生長和生成的代謝產物都與無機鹽有關重要關系。微生物在進行生長代謝時，構成的輔酶中有磷的參與，它是構成微生物生長，代謝的重要因素。有些菌種的發酵產物中包含磷酸根，因此在進行培養基發酵時，添加很多的磷酸鹽，這利于產物快速合成。在微生物發酵中鈣離子對細胞的生理狀況起到了調節作用，例如，使細胞膜的通透性降低，維持細胞狀態等。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。經研究證明，枯草芽孢桿菌的生長中需要錳離子的參與，在發酵培養基中添加適量的氯化錳，可以提升枯草芽孢桿菌生成的發酵物中抑菌物質的活性。

2 微生物發酵受培養條件的影響

2.1 微生物發酵受種子質量的影響

種子的質量影響發酵菌的生長與產物的合成。種子質量的優劣取決于接種的種齡和接種量兩方面。在培養基中接入優質的種子液，可以使微生物快速達到對數生長期，有效縮短發酵周期，從而提升產物的質量。若是選擇的種齡過長，就會使菌體提早衰退，降低菌體的生產力；若是選擇的種齡過短，就會抑制菌體生長，合成產物的時間過長。如果接種量過少，則菌體細胞生長量就會變小，導致微生物的發酵時間，對數生長周期向后推遲，從而嚴重影響產物與酶的生成；若是接種量過大，則會使培養基的消耗加快，使菌體的生長速度過快，菌體提早達到穩定期和衰亡期，嚴重影響產物的合成。

2.2 微生物發酵受溫度的影響

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境下，細胞內的蛋白質易變性、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，菌種不同，對溫度的要求也不同，而且生長期和合成產物時期的溫度也不同。在設計發酵溫度時，要對其他的發酵因素和條件進行全面考慮，例如能源消耗，產率水平，發酵周期，培養基的成分等，需要時還要對其進行變溫培養。

2.3 微生物發酵受PH值的影響

不同微生物菌種的生長與合成產物與PH值有著重大關系。微生物受PH值的影響主要體現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值還影響細胞結構與營養物質的利用等。PH值對培養基中解離中間代謝產物 與營養物有著明顯的影響，從而導致微生物改變了對這些營養物質的吸收和利用。常亞飛等人研究蘇云金芽孢桿菌時，發現在PH值達到7.0時，其芽孢的萌發率最高，而PH值大于7.0或是小于7.0時，其芽孢的萌發率都降低至40%，另外，如果培養基中的PH值無論是過高還是過低，都會對毒素的產量有直接影響，還有可能造成伴胞晶體的毒素完全不產生的情況。

2.4 微生物發酵受溶氧的影響

好氧型微生物的生長離不開溶氧這一關鍵性因素，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，致使對發酵液的PH值造成影響，生成有毒物質，并且，對產物合成需要積累的前體物質造成影響，從而對菌體生成產物與生長都有影響。在進行發酵時，應用罐壓，攪拌速率，通氣量能夠確保與控制氧的供給量。利用增加轉速，減少裝液量來增加搖瓶發酵的溶氧量。溶氧對微生物的產物合成有著良好的影響。

3 優化微生物發酵工藝的辦法

一般情況下，優化微生物的發酵工藝可從兩方面進行優化：培養條件和培養基成分的比例。近幾年，在微生物的發酵技術中應用了統計學，使優化微生物發酵工藝的方法由單因子的設計法發展成均勻設計，正交試驗的設計等方法，優化的工藝更加高效化，系統化。眾多研究者利用統計軟件進行優化和數學模擬其試驗的結果，應用Plackett-Burman設計法科學地篩選其優化因子，然后運用響應面的分析法實現其優化目的。

3.1 正交試驗的設計法

此方法是利用正交表對微生物發酵的多因素進行分析，利用多因素實驗得出結果，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酵的主要因素。這種方法的優點是工作量小，效率高，方法簡單等，因此在優化發酵工藝時，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果的關鍵因素。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學建模、統計分析等方法的有機結合，通過試驗設計分析其有關的數據，同時擬合的函數關系采用多元二次的回歸方程法，從而達到對優化微生物發酵工藝參數的要求。如果在微生物的發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的發酵因素、培養基的配方等，這對微生物發酵產量的提高有著顯著效果。在優化微生物發酵工藝中，響應面的設計法得到了廣泛的應用，而且在醫學、制藥、生物學等領域的應用已趨于成熟，同時應用效果非常明顯。

4 結語

在我國科技與生物技術都在不斷發展進步的同時，微生物的發酵技術也取得了顯著的成果，它不僅應用在工業和農業方面，而且在醫藥領域也有其應用。借助微生物的發酵技術能夠解決正常情況無法生產的難題。合理科學地應用微生物的發酵技術，同時改進和優化其發酵工藝，能夠提高其生產的效率，促使發酵技術健康持續的發展，進一步擴大其在各行業的使用價值。

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

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TQ920.6

A

1003-2177（2017）03-0058-02

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