檸檬酸高糖糖化發(fā)酵試驗(yàn)

李黎明

摘 要：糖化酶的添加，能夠提升菌體活性，使產(chǎn)酸速率提升，發(fā)酵周期可以縮短3小時(shí)。在供氧不足的條件下，高糖發(fā)酵前期會(huì)出現(xiàn)RQ上升再下降的現(xiàn)象。糖化的RQ值略高。

關(guān)鍵詞：糖化酶；菌體活力；產(chǎn)酸

檸檬酸發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵中菌體干重一般大約為13g/L，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，至少約有13g/L的葡萄糖用于菌體生長，即有1.3%的葡萄糖，約占10%的總糖白白消耗，沒有用于產(chǎn)酸。如采用高糖糖化工藝，大大延長產(chǎn)酸期，提高單批菌體的利用效率，減少由于菌體生長而必須消耗的糖分，使更多的糖轉(zhuǎn)化成酸，進(jìn)而提高原料轉(zhuǎn)化率（平均約可提高3～5百分點(diǎn)）。

1 試驗(yàn)設(shè)備

60T種子罐，450T發(fā)酵罐，Extrel公司MAX300-LG質(zhì)譜儀

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 添加糖化酶對(duì)發(fā)酵水平的影響

糖化與非糖化發(fā)酵水平對(duì)比（備注：①非糖化（對(duì)照罐批）選取糖化結(jié)束后第51-第61批，其中第54批、第59批次因種子罐異常，統(tǒng)計(jì)時(shí)未剔除。）非糖化：種齡34.4；周期66；酸度15.91%；單罐供酸54.31；糧耗1.565；轉(zhuǎn)化率98.71%。糖化：種齡33.6；周期62.9；酸度15.99%；單罐供酸54.54；糧耗1.559；轉(zhuǎn)化率96.52%。在相同產(chǎn)酸的條件下，糖化酶的添加有利于縮短發(fā)酵周期。

2.2 糖化過程DE值變化

從上面兩個(gè)圖表可以看出，添加糖化酶后，DE值由之前的30～33%逐漸上升，在接種前，DE值達(dá)到65～80%，說明糖化酶的添加能夠?qū)⒌矸鬯獬善咸烟?，但是除?4批外，其他8批的種前DE值均未達(dá)到80%，可能與糖化酶的添加方式、作用時(shí)間、添加量有關(guān)系。

本次試驗(yàn)用的NOVO蘇宏Ⅱ糖化酶的最適pH為4.0～4.3，隨著pH的升高酶活力下降；最適作用溫度60-63℃；建議添加量為0.8 kg/tds～1kg/tds，而我們目前的加量僅為0.58 kg/tds。由于目前未確定全面糖化，因此pH值現(xiàn)無法控低，但可通過提高酶的加量使糖化更加充分。

2.3 糖化酶的添加對(duì)DO的影響

從圖3可以看出（備注：藍(lán)色曲線-糖化；紅色曲線-未糖化），在高糖條件下，未添加糖化酶的批次，當(dāng)DO到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，OUR并非最低。說明此時(shí)培養(yǎng)基中的溶解氧最低，但是菌體對(duì)氧氣的消耗未達(dá)到最高點(diǎn)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，菌體活力提升，菌體耗氧量繼續(xù)增大，這是典型的缺氧現(xiàn)象。添加糖化酶后，這種現(xiàn)象沒有得到有效改善，且糖化后溶氧最低值更低，說明在高糖條件下的存在缺氧現(xiàn)象，僅僅依靠糖化的方式無法改善。

2.4 糖化酶的添加對(duì)菌體活力和產(chǎn)酸速率的影響

從圖4可以看出（備注：紅色曲線-高糖糖化；綠色曲線-高糖未糖化；藍(lán)色曲線-低糖未糖化）：在高糖條件下，添加糖化酶后，OUR的值有較大幅度的提升，且產(chǎn)酸速率加快。

結(jié)合著DO曲線可以發(fā)現(xiàn)：糖化酶的添加有利于菌體活力增強(qiáng)，菌體活力的增強(qiáng)，一方面帶來產(chǎn)酸速度的增加，另一方面導(dǎo)致耗氧量增加，所以DO值下降，缺氧現(xiàn)象更嚴(yán)重。

2.5 糖化酶的添加對(duì)呼吸熵和轉(zhuǎn)化率的影響

無論是否添加糖化酶，RQ值變化趨勢(shì)一致：在發(fā)酵約12小時(shí)，RQ值均有一個(gè)上升再下降的趨勢(shì)，而RQ上升的時(shí)間與OUR下降的時(shí)間一致。分析這種現(xiàn)象可能與供氧不足有關(guān)，因?yàn)樵诠┭醪蛔愕那闆r下，菌體活力受影響，菌活力下降，耗氧率也隨之降低，發(fā)酵過程中形成的CO2不再進(jìn)行羧化而被大量釋放出來，造成途徑的變化，CO2釋放率增大導(dǎo)致RQ 的陡升。從整個(gè)RQ曲線來看，糖化的RQ值較高，代表著轉(zhuǎn)化率較低，這也是因?yàn)楣┭醪蛔銓?dǎo)致。

2.6 培養(yǎng)溫度對(duì)發(fā)酵的影響因素

本次試驗(yàn)重點(diǎn)考察糖化酶的添加對(duì)發(fā)酵周期、、轉(zhuǎn)化率的影響，試驗(yàn)的過程中還有一些細(xì)微的變化（如培養(yǎng)溫度）可能對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生影響。在發(fā)酵過程中溫度變化趨勢(shì)與OUR正相關(guān)，溫度高則OUR高，溫度低則OUR低。這可能與溫度上升酶活性增加、菌體代謝加快有關(guān)，中糧生化研發(fā)部在華東理工大學(xué)的試驗(yàn)也表明：發(fā)酵后期提升溫度可以提高酶的活性，增加產(chǎn)酸。

3 研究結(jié)果

①糖化酶的添加，能夠提升菌體活性，使產(chǎn)酸速率提升，發(fā)酵周期可以縮短3小時(shí)；

②在控制條件不變的情況下，僅僅依靠添加糖化酶來改變培養(yǎng)基的黏度，提升氣液之間氧氣的傳遞效率，從根本上解決不了氧限制問題；

③在供氧不足的條件下，高糖發(fā)酵前期會(huì)出現(xiàn)RQ上升再下降的現(xiàn)象。糖化的RQ值略高，代表著轉(zhuǎn)化率低；

④溫度對(duì)OUR的提升有一定的益處，可能是溫度的提升促使菌體酶活力增強(qiáng)有關(guān)。