微生物發酵工藝優化研究進展

周海嬌　何木　王晨陽　石博文

摘要：近幾年，微生物發酵技術在相關工程技術領域已經獲得了相當廣泛的應用，尤其是在醫藥領域的應用非常普遍。隨著微生物科學的不斷進步，人們對微生物發酵工藝的研究也越來越加深入?；诖?，文章首先分析了培養基與培養條件對微生物發酵的影響，然后探討了微生物發酵工藝優化的方法，以期為相關研究提供一些理論借鑒。

關鍵詞：微生物；發酵工藝；工藝優化；培養基；培養條件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ920 文章編號：1009-2374（2017）01-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.015

根據已有的相關參考文獻可知，微生物發酵影響的因素包括發酵培養基中的碳源、氮源，無機鹽，pH值以及溫度等，本文對這些影響因素展開了詳細的研究。微生物發酵工藝的優化可以有效地提升發酵生產效率，進而使得發酵生產成本有效降低。針對于此本文探討了正交試驗設計法、響應面設計法以及Plackett-Burman設計法等微生物發酵工藝的優化方法。

1 培養基對發酵的影響

微生物發酵的培養基在微生物生長或者代謝時提供所需的營養物質和能量，對發酵產物的生物合成效率以及保障產品的質量可謂是意義重大。在微生物發酵中由于菌種和發酵條件的差異以及發酵階段的不同，所需的培養基成分也有所差異。在通常情況下，碳源、氮源、無機鹽以及生長因子是微生物生長的四大營養要素。

1.1 發酵培養基碳源和氮源的選擇

碳源用于提供微生物能量來源、構建細胞以及形成產物。碳源包括單糖、雙糖、多糖、天然復合物、油脂等，比如葡萄糖、蔗糖、淀粉以及豆油等。氮源是微生物蛋白質和其他含氮有機物的重要來源，與此同時，氮源也參與形成含氮產物。氮源包括無機氮源以及有機氮源，比如氨鹽、硝酸鹽、蛋白胨以及豆粉等。需要保持培養基配方中碳/氮源比例均衡，從而保證滿足菌體的正常生長，同時提高產物的合成速率。

1.2 發酵培養基中無機鹽對發酵的影響

無機鹽對代謝產物的生成及微生物的正常生長都具有相當重要的影響。在微生物的生長代謝過程中，磷參與了微生物細胞中核酸等輔酶的構成，是微生物能量代謝、生長的重要因素之一。在蘇云金芽抱桿菌的發酵產物蘇云金素的分子結構中包含磷酸根，所以在其發酵培養基中添加更多磷酸鹽，更有利于產物蘇云金素的合成。鈣離子在微生物發酵過程中的主要作用是調節細胞的生理狀態，比如說維持細胞的膠體狀態、降低細胞膜的通透性等。與此同時，在大多數發酵培養基里面，添加適量的CaC03，能夠對發酵液含菌量的變化起到相當明顯的影響，其主要原因是CaC03的添加對發酵液的pH值具有非常良好的緩沖作用，從而大大改善了菌體的生長環境。鎂元素是許多酶的催化劑。錳、鋅、鐵、鉬以及鈷等元素是微生物所需要的微量元素。已有大量的相關研究表明，錳離子是枯草芽抱桿菌生長必不可少的元素，有很多相關方面的學者及研究人員通過研究指出，將適量的MnCl2添加到發酵培養基里面，能夠使枯草芽抱桿菌發酵產物抑菌物質活性得以有效地提升。

2 培養條件對發酵的影響

2.1 種子質量對發酵的影響

微生物發酵中接入的種子質量對菌的生長以及產物的合成具有非常大的影響。種子的質量取決于以下兩個方面，其分別為接種量以及接種的種齡。在發酵培養基中接入合適的接種量以及種齡適宜的優質種子液，能夠使目標微生物更加迅速地進入到對數生長期，從而使發酵周期大大地減短，進而促使產物質量得以有效提升。如果種齡過長則會直接導致菌體過早的發生衰退，菌體的生產能力也隨之而有一定程度的下降；如果種齡過短，則會直接導致菌體生長緩慢，產物合成時間大大推遲。若接種量過小，那么便會使得菌體細胞的生長量變小，從而使得對數生長期的時間、發酵時間有所延長，進而對一些酶及產物的生成造成極為不利的影響；如果接種量過大，那么便會直接加快微生物培養基的消耗速度，促使菌體生長過快，進而使得菌體提前進入到穩定期與衰亡期，對產物的合成造成極大的負面影響。

2.2 溫度對發酵的影響

溫度是保證酶活性的重要條件之一。過高的溫度環境會對微生物細胞內的酶活性造成一定程度的破壞，嚴重地抑制微生物的正常生長，并且微生物細胞內的蛋白質在過高的溫度環境下極易發生凝固或者變性，最終造成細胞死亡；而過低的溫度環境也會對微生物的生長造成較大程度的抑制作用，故在發酵過程中必須保證最為適宜的溫度環境。不同微生物菌種的生長溫度不同，而生長與產物合成階段的最適溫度也有差異。在發酵溫度的設計過程中要綜合考慮其他的發酵條件及因素，比如培養基成分、能源消耗、發酵周期和產率水平等，必要時還可以考慮變溫培養。

2.3 pH值對發酵的影響

最適pH值在很大程度上會直接影響到不同種類微生物生長以及產物的合成。pH值對微生物的影響主要是影響各種酶的生命活力，進而使得微生物的新陳代謝與生長繁殖發生較大的改變；除此之外，pH值對營養物質的利用以及細胞結構也有相當重要的影響。pH值會顯著地影響培養基中的營養物以及中間代謝產物的解離，進而使微生物對這些物質的利用與吸收發生一定的改變。常亞飛等人在探究蘇云金芽抱桿菌的過程中發現其芽抱萌發率在pH值7.0時最高，其芽抱萌發率在pH值過大或者過小時僅為40%，除此之外，若培養基pH值過高或者過低，還會直接影響到毒素產量，甚至有可能導致完全不產生伴胞晶體毒素。

2.4 溶氧對發酵的影響

溶氧是好氧微生物生長所必須的關鍵因素之一，只有提供足夠量的氧才能維持菌的正常生長、代謝。溶氧對次生代謝產物的合成途徑影響顯著，而且還會對代謝的合成速度造成一定程度的影響。如果氧不足，那么便會造成微生物對營養物質的有氧氧化過程不能徹底地進行，從而影響發酵液pH值，產生有毒物質，與此同時，還會影響產物合成所需的前體物質的積累，進而影響菌體的生長以及產物的生成。在微生物發酵的過程中，通過調節通氣量、攪拌速率、罐壓可以有效控制和保證氧的供給。搖瓶發酵可以采取降低裝液量、增加轉速來有效地增加溶氧量。葉云峰等人通過實驗研究發現，裝液量對枯草芽抱桿菌B47產抗菌物質的影響是最為顯著的，菌體生成產物的能力隨裝液量的減少而大大增多，這充分地說明溶氧對產物合成具有正面的影響。

3 微生物發酵工藝優化的方法

通常情況下，微生物發酵工藝優化可以從培養基成分比例及培養條件兩個方面進行優化。最近幾年以來，隨著統計學在微生物發酵領域的有效應用，優化方法從單因子設計法逐步發展成為正交試驗設計、均勻設計等方法，更加系統高效。愈來愈多的研究人員通過統計軟件對試驗結果進行數學模擬與優化，利用Plackett-Burman試驗設計方案來對優化因子進行科學的篩選，再在中心組合實驗設計基礎上采用響應面分析法以達到優化的目的。本文對目前集中比較常用的優化方法進行了比較詳細的探討。

3.1 正交試驗設計法

正交試驗設計法是利用正交表來分析多因素問題，通過多因素多水平實驗得出相應的結果，然后再通過直接對比與直觀分析來找出最佳的因素水平組合，通過這種方法可以對影響微生物發酵的主要因素進行確定。正交試驗設計法具有方法簡單、效率高以及工作量小等許多顯著的優點，所以在對微生物發酵工藝進行優化的過程中，正交試驗設計法是應用得最為普遍的方法。

3.2 Plackett-Burman設計法

Plackett-Burman法主要針對因子數較多且未確定眾因子相對于響應變量的顯著影響，采用的試驗設計方法。能夠及時有效地篩選出對試驗結果具有顯著影響的關鍵因素。在通常情況下，使用Plackett-Burman設計法開展的N次試驗最多能夠研究（N-1）個因素，對每個因素取兩個水平，通常是設低水平為原始培養條件，高水平為低水平的1.25倍，通過對各個因素兩水平的差異與整體的差異進行對比分析來對因素顯著性進行確定。需要加以注意的是，如果因素水平選取得不合適有可能導致Plackett-Burman試驗結果無效，從而需要重新選取因素來進行再一次的試驗；如果Plackett-Burman試驗的模型有效，那么則可以確定對試驗具有顯著影響的因素，然后下一步可以通過開展響應面設計等方法來篩選出最優的條件。袁輝林等利用Plackett-Burman設計方法獲得了預期結果。

3.3 響應面設計法

響應面設計法主要結合統計分析、數學建模等方法經過試驗設計來對相關數據進行分析，并利用多元二次回歸方程來擬合函數關系，進而實現優化工藝參數的目的。響應面設計法對變量因素比較多的微生物發酵的參數優化效果是相當良好的，在Plackett-Burman試驗結果的基礎上，可以準確地確定出最優培養基配方、發酵因素等，從而有效地提高微生物發酵的產量。響應面設計法的適用范圍是非常廣泛的，其在生物學、制藥、醫學等方面已經獲得了非常成熟的應用，且取得了良好的應用效果。

4 結語

隨著科技的不斷進步以及生物技術水平的持續提升，微生物發酵技術已經得到了非常廣泛的發展，除了在農業與工業方面獲得了廣泛的應用外，其在醫藥領域的應用更加值得期待。利用微生物發酵技術可以有效地解決許多正常生產不能夠解決的難題。合理運用微生物發酵技術，并對發酵工藝進行持續地優化與改進，可以有效地提升生產效率，推動發酵工程技術不斷前進與健康發展，從而擴大微生物發酵在各領域的應用價值。

參考文獻

[1] 張文芝，郭堅華.微生物發酵工藝優化研究進展[J].

廣東農業科學，2013，（6）.

[2] 董昌健.對如何推動微生物發酵工藝優化的研究[J].

吉林農業，2013，（10）.

[3] 陳堅，劉立明，堵國成，等.發酵過程優化原理與技

術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4] 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，（4）.

[5] 羅立新.微生物發酵生理學[M].北京：化學工業出

版社，2009.

作者簡介：周海嬌（1985-），女，江蘇連云港人，正大天晴藥業集團股份有限公司主任，工程師，碩士，研究方向：生物制藥。

（責任編輯：黃銀芳）