微生物发酵工艺优化研究进展

杨武

中国医学科学院医学生物学研究所  云南 昆明  650031

摘要：在本篇，笔者主要针对于微生物发酵工艺中可能影响发酵产物的有关因素进行了分析研究，主要包含培养基如碳源、氮源以及无机盐等以及客观因素中的温度、pH 值等。最后深入探讨微生物发酵工艺的优化研究进展，希望能有效提升生产效率，推进产业化应用。

关键词：微生物；发酵工艺；优化研究；进展

引言：伴随着生物发酵工艺的不断发展，其应用领域变得更加广泛，并发挥着愈来愈大的作用和效率。例如在农业生产中，有效应用微生物发酵，可助力于农业的增产以及防病等多方面。为了促进微生物发酵更好的发展，需要集中研究发酵工艺的优化。众所周知，微生物种类繁多，并且不同种类有着不同的菌种特性，因此所需要的发酵条件也是不同的，所以需要不断改进发酵条件来帮助有益发酵产物的出现。下面主要介绍微生物发酵的影响因素，并应用不同工艺优化方法来推进发酵工艺的高量发展。

1 影响微生物发酵的因素

1.1 培养基因素探究

1.1.1 碳源、氮源

微生物能量来源于碳源，并且微生物细胞构建以及产物形成都无法离开碳源。通常情况下，碳源主要含有单糖、双糖以及多糖、天然复合物等等。例如葡萄糖、蔗糖以及淀粉等。

微生物蛋白质以及其他含氮有机物的源头则是氮源，除此之外，氮源是含氮产物形成的重要参与物。无机氮源和有机氮源都是氮源，例如氨盐、 硝酸盐以及豆粉等等。

为了确保菌体能够正常顺利地长大，还需要保证培养基中碳源和氮源的比例是均衡有效的，由此还可以促进产物合成的速度。

1.1.2 无机盐

对于微生物来说，无机盐有着重要的作用，它会直接影响到代谢产物和微生物的生长。例如磷，属于无机盐，在微生物生长代谢中，微生物细胞核酸等辅酶的形成离不开磷的作用；此外还有钙离子，对于细胞生理状态的调节发挥着重要作用，更是有相关研究表面，添加碳酸钙将会很好缓冲发酵液的pH 值，确保菌体的生长环境趋于良好；同时还有镁元素、锰离子等无机盐，都会影响到微生物的发酵，譬如镁元素可以充当酶的催化剂，而锰离子更是能大幅提升枯草芽孢杆菌发酵产物抑菌物质的活性[1]。

1. 2 客观因素分析

1.2.1 PH 值

保障微生物能够正常繁殖和代谢的重要参数是pH值，如果起初便设置好最佳pH值，对于不同微生物的发酵以及发酵产物都会影响深远。pH值具有重要影响作用，原因在于三点：

第一点则是pH值会刺激微生物细胞原生质膜的电荷，从而影响到微生物的新陈代谢和成长，促进其顺利成长；第二点则是会刺激到微生物细胞中的酶活性，进而改变微生物的新陈代谢以及生长繁殖；最后一点在于pH值会导致培养基内的重要营养物质与中间代谢产物发生解离，进而影响到最后物质的吸收应用。

1.2.2 温度

对于发酵来说，温度的影响很大，并且对微生物发酵的影响因素体现在直接效应以及间接效应上。前者主要为导致微生物的成长速度以及酶活性、营养需求等发生改变，后者则主要包含对溶质分子溶剂性以及离子运输、扩散上。如果温度过高会促使微生物细胞中的蛋白质变性或是发生凝固现象，导致微生物细胞的酶活性被破坏掉，导致微生物走向灭亡，但温度过低，又会导致微生物难以正常长大。

1.2.3 溶氧

影响微生物发酵的还有因素在于溶氧。只有存在大量的空气，才能确保微生物满足溶氧需求。适宜的溶氧将会有效推进次生代谢产物的合成，提高其速率。除此之外，在进行微生物发酵的时候，通常减小装液量，提高转速，至于发酵罐则是应用提高搅拌转速、加强空气流量来促使溶氧量变大，从而确保微生物能够正常发酵。

1.2.4 种子质量

种子质量对于微生物发酵以及代谢产物合成起着很大的作用和帮助。如果在培养基中，适时接入适宜的接种量以及高质量种子液，将会有效帮助微生物尽快达到对数生长期，由此缩减发酵时间，推进产物高质量发展。但是需要注意避免种龄过长，因为一旦出现该种现象，就会刺激菌体发生衰退现象，降低菌体的生产能力；与此同时，种龄也不能过段，否则会大大延长产物合成时间，促使菌体生长十分缓慢。接种量的大小也会影响到菌体细胞的生长量，如接种量偏大，会刺激培养基的消耗速度，加快微生物生长；但如果偏小，会降低菌体细胞生长量，延长若对数生长期时间以及发酵时间，进而影响到酶及产物的构成[2]。

2 工艺优化方法

通过上述分析，对于微生物发酵工艺的影响因素有了清楚的了解和认知，接下来对于发酵工艺的优化方法展开探讨。

2.1 正交试验设计法

依据“正交表”来对多因素问题开展的安排与分析属于正交试验设计法，是数理统计颇为有效的方法，能够尽快得出结果，并将其直观展示在人们面前，可继续找出会影响到指标的重要因素。应用正交试验设计法，试验次数会大大减少，并且工艺效果良好，应用起来也是便捷、高效等优点，因此由于正交试验法本身独特性，将其广泛应用到工农业生产当中以及相关科学研究项目，应用结果获得人们一致赞誉，有着较好的使用效果。 如郝林华

[3]等把单因素试验和正交试验进行有机结合，成功优化枯草芽孢杆菌的液体发酵，大幅度提升了发酵后的菌体产量；王云霞[4]和荆卓琼[5]也是借助正交试验有效优化处理产酶溶杆菌OH11和枯草芽孢杆菌B2的发酵，最终如期获得试验结果。

2.2 响应面设计法

该种工艺优化方法，包含多种技术，如数学建模、统计分析以及试验设计技术。通过合理准确的试验设计可得到较为精准有效的数据，紧接着依据多元二次回归方程来拟合，找到因素和试验结果即响应值两者的函数关系。最终得到一个回归方程并绘出相应的图形。在得到的图形中，判断需要优化的区域，借此找到最佳的工艺指数，有效找到能够解决多变量因素对试验影响的有效手段，该种统计方法直观明了。设计和中心组合设计是RSM经常使用到的技术方法，通过使用RSM展开工艺，可以将工艺步骤进行较好的优化处理，主要包括试验设计、数据模型建立以及相关性评估、响应值预测等等，最后还需要根据实际的考察结果，了解模型精准性。

在最近的这些年中，因此建模和统计的方法被广泛应用到各个领域当中，因此促使响应面设计法的使用范围和领域又一次得到了扩展，同时也是有着愈来愈多的人开始关注响应面设计法，医学、生物学以及食品、制药等各个领域中，常见到响应面的应用。Banga[6]等人利用黄曲霉进试验，希望能够利用RSM来有效优化黄曲霉培养基成分，刺激肝素酶产量能够大幅上升，结果表明上升了2.37倍。此外还有王飞[7]等人使用RSM 方法来促进北虫草液体发酵培养基组分的优化，并将3 因素3水平BBD进行试验设计，从而得到最适宜的培养基构成，最后则是利用多元二次回归方程将发酵后的多糖产量和三种因素拟合到一起得出相应的函数关系，最后则是进行分析并展开验证，从而获得培养基三个因素的最佳配方是：蔗糖是3.23% ，蛋白胨为1.05%，KH2PO4 为0.08%。应用响应面法优化发酵工艺，可以促使生防效果的枯草芽孢杆菌得到较好的发酵优化，刺激目标产物产量的大幅上升。

结束语

总而言之，在对微生物进行发酵工艺优化研究中，需要相关工作人员选用科学、有效的科学技术来不断推进微生物发酵工艺的优化，促使发酵工程可持续化发展，带给人们更多的使用价值。

参考文献

[1]刘平平, 虞旦, 王昌涛,等. 三七多糖的微生物发酵提取工艺优化及其抗炎功效评价[J].  2022(18).

[2]孟瑶. 微生物发酵生产高品质番茄红素的研究进展[J]. 产城:上半月, 2022(2):2.

[3]郝林华 , 孙丕喜 , 姜振波 , 等 . 枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) 液体发酵条件 [J]. 上海交通大学 学 报 ( 农业 科学 版 ),2006,24(4):380-385.

[4]王云霞 . 产酶溶杆菌 OH11 菌株摇瓶发酵条件优化和色素突变体筛选、基因克隆及特性的研究 [D]. 南京 : 南京农业大学 ,2008.

[5]荆卓琼 . 枯草芽孢杆菌 B2 发酵工艺及其复配研究 [D]. 兰州 : 甘肃农业大学 ,2009.

[6]Banga J, Tripathi C K. Response surface methodology for optimization of medium components in submerged culture of Aspergillus flavus for enhanced heparinase production [J]. LettAppl Microbiol, 2009, 49(2): 204-209

[7]王飞 , 刘霞 , 陈明 辉 . 响应面法优化北虫 草产多 糖液体发酵培养基 [J]. 安徽农业科学 ,2007,35(8):2218-2224.