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

秦媛媛刘珂

山东金城生物药业有限公司山东淄博255100

摘要：在近年来的微生物发酵历程中，制药方面的运用越来越广泛，在生物制药中利用有益微生物进行发酵，能够收集菌体或者相关的代谢产物，从而实现药物的增产。微生物发酵对于生产而言有很好的增产作用，但是不同的微生物有自身的菌种特性，因此在发酵过程中需要不同的发酵条件，其中包括PH值、温度、溶氧量等，都属于微生物发酵条件的重要内容。发酵工艺的优化能够提高发酵生产的效率，并且降低生产成本，从而将微生物发酵发展成高效、节资的产业。

关键词：微生物；培养基；发酵条件；工艺优化

引言

根据对目前国内外微生物发酵工艺的研究，相关研究团队进行了综合的分析和研究。通过对微生物发酵工艺中影响发酵的各种因素的分析，总结出了相应的技术经验并且制定了工艺的优化方法。近年来，微生物发酵在相关工程技术领域的应用越来越广泛，该工艺包括培养基组分中碳源、无机盐、氮源、微量元素等的作用，并控制pH值、温度、溶氧等对发酵的影响，从而将微生物发酵工艺进行了优化，以推进生产效率的提高和产业的应用发展。

1培养基对发酵的影响

1.1发酵培养基碳、氮源的选择

培养基中碳源的主要作用是供给微生物进行生命活动所需要的能量，同时构成微生物细胞成分和代谢产物中的碳源来源。一般微生物对碳素化合物的需求是极其广泛的，对于多数微生物来说，己糖是最重要的碳源和能源。考虑到成本及材料易得性，目前发酵工程中常用的碳源主要有淀粉、蔗糖、麸皮、米糠、纤维素等。

微生物发酵培养中氮源的主要作用是作为微生物细胞物质和含氮代谢物的氮素来源。无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源（可以直接被菌体吸收利用）被称为速效氮源；必须通过水解后降解形成胨、肽、氨基酸等才可以被机体利用的蛋白被称为迟效氮源。速效氮源通常有利于菌体的生长，而迟效氮源有利于代谢产物的形成。实验室和生产上常用做氮源的材料有（NH4）2SO4、NH4NO3、尿素、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏以及蛋白质含量较高的黄豆粉、鱼粉、花生饼粉、豆粕等。为了满足菌体发酵、产物合成对氮源的需求，有学者在发酵培养基中采用酵母浸膏、蛋白胨及（NH4）2SO4配比，速效氮源与长效氮源搭配的复合氮源，既满足了节杆菌属（Arthrobacter）细菌YB6的生长，又促进了其抑制青枯病原菌拮抗物质的生成，取得了较好的发酵效果。

1.2发酵培养基中无机盐对发酵的影响

无机盐对代谢产物的生成及微生物的正常生长都具有相当重要的影响。在微生物的生长代谢过程中，磷参与了微生物细胞中核酸等辅酶的构成，是微生物能量代谢、生长的重要因素之一。在苏云金芽抱杆菌的发酵产物苏云金素的分子结构中包含磷酸根，所以在其发酵培养基中添加更多磷酸盐，更有利于产物苏云金素的合成。钙离子在微生物发酵过程中的主要作用是调节细胞的生理状态，比如说维持细胞的胶体状态、降低细胞膜的通透性等。

2培养条件对发酵的影响

2.1温度对发酵的影响

温度对发酵的影响主要表现在直接效应和间接效应两个方面。直接效应包括影响微生物的生长速率、酶活性、细胞组成和营养需求等；间接效应包括影响溶质分子的溶解性、离子的运输和扩散、细胞膜的渗透压及表面张力等。高温会使微生物细胞内的蛋白质发生变性或凝固，同时还破坏了微生物细胞内的酶活性，从而杀死微生物；而低温又会抑制微生物的生长。研究表明，用于植物病害防治的普城沙雷氏菌（Serratiaplymuthica）在一定温度范围内，生长速率随温度的升高而加快，同时最大菌液浓度也随温度升高而增大，但温度过高会抑制沙雷氏菌的生长，最终在优化过程中以28℃为最适发酵温度。在另外一些微生物的培养过程中，各个发酵阶段的最适温度也不同。

2.2种子质量对发酵的影响

微生物发酵中接入的种子质量对菌的生长以及产物的合成具有非常大的影响。种子的质量取决于以下两个方面，其分别为接种量以及接种的种龄。在发酵培养基中接入合适的接种量以及种龄适宜的优质种子液，能够使目标微生物更加迅速地进入到对数生长期，从而使发酵周期大大地减短，进而促使产物质量得以有效提升。如果种龄过长则会直接导致菌体过早的发生衰退，菌体的生产能力也随之而有一定程度的下降；如果种龄过短，则会直接导致菌体生长缓慢，产物合成时间大大推迟。若接种量过小，那么便会使得菌体细胞的生长量变小，从而使得对数生长期的时间、发酵时间有所延长，进而对一些酶及产物的生成造成极为不利的影响；如果接种量过大，那么便会直接加快微生物培养基的消耗速度，促使菌体生长过快，进而使得菌体提前进入到稳定期与衰亡期，对产物的合成造成极大的负面影响。

2.3初始pH值对发酵的影响

pH值是确保微生物正常繁殖、代谢的重要参数，最佳初始pH值对不同种类微生物发酵后目的产物的产量及质量影响较大，其主要原因在于：（1）pH值影响微生物细胞原生质膜的电荷，进而影响微生物的生长和新陈代谢的正常进行；（2）pH值直接影响微生物细胞内的酶活性，从而影响微生物的生长繁殖和新陈代谢。

3微生物发酵工艺优化方法

3.1正交试验设计法

正交试验设计法是一种数理统计方法，这种方法主要是通过建立相应的正交表来对多因素的问题进行分析的，这种研究方法在研究得出结论以后，可以通过直观分析或者是直接对比来对微生物发酵的主要影响因素进行确定。这种优化方法所具有的优点是十分明显的，其不仅操作方法非常的简单，其相应的工作量也非常的小，而所取得的效果是非常好的，因此在进行微生物发酵工艺优化的方法当中，这种优化方法是最为常用的一种方法。现阶段，在生物发酵工业的生产过程中，正交试验设计法都得到了非常广泛的应用，并且在其他的科研领域，这种优化方法也取得了非常显著的效果。例如在利用正交设计法对枯草芽孢杆菌的液体发酵进行优化，使发酵后杆菌的产量得到了大大的提高。

3.2响应面设计法

响应面设计法是一种统计方法，主要结合数学建模、统计分析、实验技术等方法经过试验设计进行数据的分析，并且通过多元二次回归方程进行函数关系的拟合，从而将工艺参数进行优化。该方法对于变量因素较多的微生物发酵有很好的参数优化效果，能够将各方面所需材料、发酵因素等进行准确的定量，从而保证微生物催化的顺利进行。响应面设计法的适用面较广，目前除了微生物发酵领域以外还遍布于生物学、医学、制药等多个方面，成为使用最广的微生物发酵优化工艺。

结束语

总之，对于微生物发酵工艺来说，其在制药工业生产方面所起到的作用是非常巨大的，这也是这项技术能够在制药工业方面都得到了广泛应用的原因。相信随着社会的发展和科学技术的不断进步，相信未来的微生物发酵工艺将会越来越成熟，以至于微生物发酵工艺将不断进行优化以提高生产的效率，从而推动发酵工程技术的不断前进和发展。

参考文献：

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