微生物发酵工艺优化研究进展

微生物发酵工艺优化研究进展

作者：张锐

来源：《海外文摘·学术》2017年第03期

摘要：近些年，在有关技术领域中微生物的发酵技术已得到了非常广泛的应用，特别在医药行业内应用此种技术十分普遍。微生物科技发展非常快，因此，人们也有不断深入的研究微生物的发酵工艺。为此，本文对影响微生物发酵的培养条件和培养基进行了分析，又对优化微生物发酵工艺的办法进行了讨论研究，为微生物工程的发展提供参考价值。

关键词：发酵工艺；微生物；培养条件；工艺优化；培养基

中图分类号：TQ920.6 文献标识码：A 文章编号：1003-2177（2017）03-0058-02

1 微生物发酵受培养基的影响

微生物在进行生长、代谢时，培养基能供给微生物发酵所需要的能量与营养物质，对合成发酵产物的效率和产品的质量保障来讲有着重要意义。在进行微生物发酵时，因其发酵条件与菌种的差异和不同的发酵阶段，需要培养基的成分也不同。一般情况下，微生物生长需要的营养要素有生长因子，碳源，无机盐和氮源四类。

1.1 选择氮源与碳源作发酵的培养基

氮源为微生物提供含氮的有机物与蛋白质，并且，还是合成含氮产物的参与者。氮源主要是有机氮源与无机氮源两种，如豆粉，氨盐，蛋白胨与硝酸盐等。碳源能够为微生物提供能量来源，形成产物和构建细胞。碳源的形式有油脂，多糖，单糖，天然复合物，双糖等，如豆油，葡萄糖，淀粉与蔗糖等。选择发酵的培养基中要有均衡的碳源与氮源比，确保其菌体能够正常生长，而且还有利于合成产物的速率。

1.2 无机盐对发酵培养基的影响

微生物的生长和生成的代谢产物都与无机盐有关重要关系。微生物在进行生长代谢时，构成的辅酶中有磷的参与，它是构成微生物生长，代谢的重要因素。有些菌种的发酵产物中包含磷酸根，因此在进行培养基发酵时，添加很多的磷酸盐，这利于产物快速合成。在微生物发酵中钙离子对细胞的生理状况起到了调节作用，例如，使细胞膜的通透性降低，维持细胞状态等。很多酶都用镁来作催化剂。微生物生长所需微量元素有很多，如，钴，铁，锌，锰等。经研究证明，枯草芽孢杆菌的生长中需要锰离子的参与，在发酵培养基中添加适量的氯化锰，可以提升枯草芽孢杆菌生成的发酵物中抑菌物质的活性。

2 微生物发酵受培养条件的影响

2.1 微生物发酵受种子质量的影响

种子的质量影响发酵菌的生长与产物的合成。种子质量的优劣取决于接种的种龄和接种量两方面。在培养基中接入优质的种子液，可以使微生物快速达到对数生长期，有效缩短发酵周期，从而提升产物的质量。若是选择的种龄过长，就会使菌体提早衰退，降低菌体的生产力；若是选择的种龄过短，就会抑制菌体生长，合成产物的时间过长。如果接种量过少，则菌体细胞生长量就会变小，导致微生物的发酵时间，对数生长周期向后推迟，从而严重影响产物与酶的生成；若是接种量过大，则会使培养基的消耗加快，使菌体的生长速度过快，菌体提早达到稳定期和衰亡期，严重影响产物的合成。

2.2 微生物发酵受温度的影响

酶的活性需要良好的温度条件做保障。如果温度过高会破坏酶的活性，微生物的生长会受到抑制，而且在温度过高的环境下，细胞内的蛋白质易变性、凝固，导致细胞死亡；如果温度过低，就会抑制微生物的生长，因此，在微生物发酵时，一定要确保其有适宜的温度。微生物的生长温度与其菌种有关，菌种不同，对温度的要求也不同，而且生长期和合成产物时期的温度也不同。在设计发酵温度时，要对其他的发酵因素和条件进行全面考虑，例如能源消耗，产率水平，发酵周期，培养基的成分等，需要时还要对其进行变温培养。

2.3 微生物发酵受PH值的影响

不同微生物菌种的生长与合成产物与PH值有着重大关系。微生物受PH值的影响主要体现在不同种酶的活力上，这对微生物的生长繁殖和新陈代谢影响非常大；另外，PH值还影响细胞结构与营养物质的利用等。PH值对培养基中解离中间代谢产物与营养物有着明显的影响，从而导致微生物改变了对这些营养物质的吸收和利用。常亚飞等人研究苏云金芽孢杆菌时，发现在PH值达到7.0时，其芽孢的萌发率最高，而PH值大于7.0或是小于7.0时，其芽孢的萌发率都降低至40%，另外，如果培养基中的PH值无论是过高还是过低，都会对毒素的产量有直接影响，还有可能造成伴胞晶体的毒素完全不产生的情况。

2.4 微生物发酵受溶氧的影响

好氧型微生物的生长离不开溶氧这一关键性因素，只有氧量充足才能保证好氧微生物的生长、代谢。溶氧还影响着次生代谢的产物合成，同时还影响其合成的速率。若是氧量缺乏，就会使微生物不能完全进行有氧的氧化过程，致使对发酵液的PH值造成影响，生成有毒物质，并且，对产物合成需要积累的前体物质造成影响，从而对菌体生成产物与生长都有影响。在进行发酵时，应用罐压，搅拌速率，通气量能够确保与控制氧的供给量。利用增加转速，减少装液量来增加摇瓶发酵的溶氧量。溶氧对微生物的产物合成有着良好的影响。

3 优化微生物发酵工艺的办法

一般情况下，优化微生物的发酵工艺可从两方面进行优化：培养条件和培养基成分的比例。近几年，在微生物的发酵技术中应用了统计学，使优化微生物发酵工艺的方法由单因子的设计法发展成均匀设计，正交试验的设计等方法，优化的工艺更加高效化，系统化。众多研究者利用统计软件进行优化和数学模拟其试验的结果，应用Plackett-Burman设计法科学地筛选其优化因子，然后运用响应面的分析法实现其优化目的。

3.1 正交试验的设计法

此方法是利用正交表对微生物发酵的多因素进行分析，利用多因素实验得出结果，再通过直观分析和直接对比找出最适合的组合，利用此法能够确定影响发酵的主要因素。这种方法的优点是工作量小，效率高，方法简单等，因此在优化发酵工艺时，广泛应用正交试验的设计方法。

3.2 Plackett-Burman设计法

这种设计法可以及时筛选出影响试验结果的关键因素。一般情况下，运用Plackett-Burman 设计法进行N次试验，而能研究的因素最多只有N-1个，每个因素中取两个水平，一般将低水平设为原始的培养条件，而高水平则是低水平的1.25倍，利用对整体差异和两水平差异做分析对比，从而确定其因素的显著性。然而还要格外注意，若是没有选取适宜的因素水平，就会使Plackett-Burman设计法的试验结果失去作用，然而就需要再次进行因素选取重新做试验；若是有有效的Plackett-Burman试验模型，就能够确定其因素对试验影响明显，接下来再利用响应面的设计方法等，将最优条件的因素筛选出来。

3.3 响应面的设计法

这种设计方法利用数学建模、统计分析等方法的有机结合，通过试验设计分析其有关的数据，同时拟合的函数关系采用多元二次的回归方程法，从而达到对优化微生物发酵工艺参数的要求。如果在微生物的发酵中存在非常多的变量因素，则选用响应面的设计法取得的效果十分明显，基于Plackett-Burman设计法，能够非常准确的确定最优的发酵因素、培养基的配方等，这对微生物发酵产量的提高有着显著效果。在优化微生物发酵工艺中，响应面的设计法得到了广泛的应用，而且在医学、制药、生物学等领域的应用已趋于成熟，同时应用效果非常明显。

4 结语

在我国科技与生物技术都在不断发展进步的同时，微生物的发酵技术也取得了显著的成果，它不仅应用在工业和农业方面，而且在医药领域也有其应用。借助微生物的发酵技术能够解决正常情况无法生产的难题。合理科学地应用微生物的发酵技术，同时改进和优化其发酵工艺，能够提高其生产的效率，促使发酵技术健康持续的发展，进一步扩大其在各行业的使用价值。