溶氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響分析

張兆峰+孫麗美+張現(xiàn)峰

摘 要：控制溶解氧，使其最大限度地發(fā)揮作用，保障氨基酸發(fā)酵工程的質(zhì)量，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士探討的共同課題。對(duì)氨基酸發(fā)酵及其他酸類的發(fā)酵具有戰(zhàn)略性意義。L-色氨酸作為8種基本氨基酸之一，具有普遍性。從氧在氨基酸好氧發(fā)酵過(guò)程中發(fā)揮的作用入手，引出溶氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響分析實(shí)驗(yàn)。以大腸桿菌為培養(yǎng)菌群，以L-色氨酸為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了一些成果，以期對(duì)業(yè)內(nèi)相關(guān)研究起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：溶氧；氨基酸；大腸桿菌；L-色氨酸

中圖分類號(hào)：TQ922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.098

利用菌群產(chǎn)生氨基酸的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50多年，并且取得了顯著的成效。當(dāng)前，氨基酸發(fā)酵仍然是十分實(shí)用的，是很多企業(yè)常用的發(fā)酵技術(shù)。在發(fā)酵過(guò)程中，溶解氧起著十分重要的作用，其濃度直接影響著氨基酸發(fā)酵的質(zhì)量——濃度過(guò)低或者過(guò)高都有可能直接破壞菌群的生長(zhǎng)和培育，影響產(chǎn)酸過(guò)程。

1 氧在氨基酸好氧發(fā)酵中發(fā)揮的作用

我們知道，需要氧氣的菌類和兼性厭氧的菌類是氨基酸發(fā)酵過(guò)程中最為常見(jiàn)的兩種菌種，發(fā)酵過(guò)程離不開(kāi)溶氧的參與。氨基酸的發(fā)酵首先是生產(chǎn)菌種的充分生長(zhǎng)，然后才是菌類代謝物的聚集。無(wú)論哪一個(gè)環(huán)節(jié)，都要以溶氧的輔助為前提，溶氧的濃度一定要適宜，否則適得其反。以谷氨酸為例，在菌種的發(fā)育成長(zhǎng)階段，如果溶氧濃度過(guò)高，高氧會(huì)阻礙氨基酸發(fā)酵菌種的生長(zhǎng)，使之難以消耗糖原，加速菌類的老化，進(jìn)而使菌種無(wú)法將糖轉(zhuǎn)化為所需的養(yǎng)分；相反，如果溶氧的濃度過(guò)低，氨基酸的合成速度將會(huì)受到影響，會(huì)產(chǎn)生很多代謝廢物，不利于其成長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，不適宜的濃度會(huì)嚴(yán)重阻礙培養(yǎng)菌的健康生長(zhǎng)，甚至還會(huì)使整個(gè)氨基酸的質(zhì)量受到破壞。在菌種代謝物的產(chǎn)生過(guò)程中，溶氧的濃度也很重要。在菌類產(chǎn)酸的合成期，需要大量的溶氧，溶氧量要充足，這樣才能夠配合菌類充分發(fā)酵產(chǎn)酸；如果溶氧量剛剛好，氨基酸生產(chǎn)可以達(dá)到最大量；如果溶氧量不足，不僅代謝物的產(chǎn)生會(huì)受到阻礙，還有可能產(chǎn)生其他的副產(chǎn)物，給氨基酸的培養(yǎng)生產(chǎn)帶來(lái)麻煩。

那么，如何有效地控制溶氧量呢？下面以L-色氨酸為對(duì)象，以大腸桿菌為菌種進(jìn)行溶氧量控制實(shí)驗(yàn)。

2 溶氧量控制實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)基本材料和實(shí)驗(yàn)方法

培養(yǎng)基：蛋白陳、牛肉膏、酵母膏、氯化鈉、瓊脂、硫化鈉溶液、硫化鎂溶液、玉米漿等。

實(shí)驗(yàn)條件：無(wú)菌工作室。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：搖瓶4只、鼓風(fēng)器、烘干機(jī)、干燥劑、精細(xì)儀表盤(pán)、高速離心機(jī)、滅菌儀器、發(fā)酵儀器、恒溫箱等。

2.2 培植方法

實(shí)驗(yàn)前，將大腸桿菌接種在活化菌斜面，放于恒溫箱中，恒溫保存，24 h后取出。將活化斜面上一塊正常的大腸桿菌菌群取下放入搖瓶中，將搖瓶密封，再用不透光的衛(wèi)生布將搖瓶層層包裹，完全密封；將包裹好的搖瓶放于恒溫的搖床之中，調(diào)至常溫，轉(zhuǎn)速為200 r/min，培養(yǎng)1 d。將所有的細(xì)菌種子放到發(fā)酵箱中，溫度保持在28 ℃左右，酸堿度為中性，通風(fēng)量保持在200 L/h。用種子液浸泡15 min。

2.3 分析方法

用無(wú)菌水洗滌大腸桿菌菌種，之后要在高溫下烘干。測(cè)定方法采用比色法，溶氧量測(cè)定采用動(dòng)態(tài)測(cè)定法。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)分析

2.4.1 供氧速率對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響

供氧速率會(huì)影響L-色氨酸發(fā)酵過(guò)程中的供氧量。實(shí)驗(yàn)顯示，攪拌速度越快，通氣量越大，供氧效率越高，供氧量就越大，溶氧量也就越大。當(dāng)通氣量為200 L/h時(shí)，溶氧量最合理，L-色氨酸的培養(yǎng)數(shù)量最多；當(dāng)攪拌速度為300 r/h左右時(shí)，菌體的生長(zhǎng)最為健康，產(chǎn)酸量最大。

2.4.2 DO值對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響

實(shí)驗(yàn)可得，當(dāng)DO值分別為10%，20%，30%，40%時(shí)，L-色氨酸的質(zhì)量濃度分別為8 g/L、10 g/L、9 g/L、6 g/L，菌體的質(zhì)量濃度分別為11 g/L、13 g/L、15 g/L、14 g/L。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)DO值為20%時(shí)，L-色氨酸的產(chǎn)量達(dá)到最大，但是對(duì)菌體卻沒(méi)有明顯的影響。由此可見(jiàn)，相對(duì)穩(wěn)定的DO值對(duì)大腸桿菌和L-色氨酸的培養(yǎng)更為有益。

2.4.3 應(yīng)用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行分階段供養(yǎng)研究

我們將氨基酸的發(fā)酵過(guò)程分解為3個(gè)時(shí)間階段，分別為0～24 h、24～48 h、48～72 h。保持3個(gè)時(shí)間段中其他因素不變，分別得出4次實(shí)驗(yàn)的成果，其正交水平分別為0～24 h：10 302 040，24～48 h：40 301 020，48～72 h：20 403 010.其中，在24～48 h的時(shí)間段，正交水平最高，DO值可達(dá)到20%，大腸桿菌質(zhì)量最為穩(wěn)定，產(chǎn)酸效果最好，L-色氨酸質(zhì)量最好。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以L-色氨酸為對(duì)象，以大腸桿菌為菌種的溶氧量控制實(shí)驗(yàn)我們可以得出以下結(jié)論：①供氧速率對(duì)溶氧量起著重要的作用，二者是正比例關(guān)系。②通風(fēng)量和攪拌速度是供氧速率的兩個(gè)決定因素。當(dāng)通風(fēng)量達(dá)到200 L/h，攪拌速度在300 r/h左右時(shí)，大腸桿菌菌體和L-色氨酸質(zhì)量最好。③DO值對(duì)發(fā)酵結(jié)果有極大的影響，對(duì)L-色氨酸的影響較大，對(duì)大腸桿菌菌群的影響不是很明顯。當(dāng)DO值達(dá)到20%時(shí)，L-色氨酸產(chǎn)酸量達(dá)到最大值。正交設(shè)計(jì)分階段供養(yǎng)證明，發(fā)酵時(shí)間不同，溶氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響也不同。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為24～48 h時(shí)，不論是大腸桿菌，還是L-色氨酸，其質(zhì)量都是最穩(wěn)定的。

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〔編輯：劉曉芳〕