溶氧对发酵的影响及控制

好氧微生物细胞分散在培养液中,只能利用溶解氧,但是氧是一种难溶气体,并且培养基中一般含有大量的有机物和无机盐,由于盐析等作用造成氧在培养基中的溶解度更低,因此在好氧微生物的发酵过程中,氧的供应往往是成功与否的重要限制因素之一。 
一般来说,在大规模发酵生产中,通常采用深层培养方式,氧的提供是给培养中的微生物通入无菌空气来进行。此时需要不断通风和搅拌,才能满足不同发酵过程对氧的需求,而且为了提高供氧效率,还必须控制搅拌速率。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵,供氧不足时,谷氨酸积累就会明显降低,产生大量乳酸和琥珀酸。 
改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖,需氧量大于供氧,溶氧出现一个低峰。在生长阶段,产物合成期,需氧量减少,溶氧稳定,但受补料、加油等条件大影响。补糖后,摄氧率就会增加,引起溶氧浓度的下降,经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。如继续补糖,又会继续下降,甚至引起生产受到限制。发酵后期,由于菌体衰老,呼吸减弱,溶氧浓度上升,一旦菌体自溶,溶氧浓度会明显上升。 
 
好氧微生物的酶的活性对氧有着很强的依赖性。 
以谷氨酸发酵为例,高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低,产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。[1 ]  
    下图1 和图2 所示的分别是在不同溶氧条件下的谷氨酸发酵的谷氨酸浓度和乳酸浓度的变化曲线图。从图1 中可以看出,溶氧水平对谷氨酸发酵中谷氨酸的生成量有很大的影响。低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,谷氨酸生成速度明显比高溶氧(DO = 50 %) 条件下要高,并且最终谷氨酸浓度也比高溶氧条件下的高;从图2 可以看出,低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,主要代谢副产物乳酸的生成速度比高溶氧条件下要高出许多,乳酸积累量也很大,而高溶氧条件下则积累很少。
可以推测这可能与不同溶氧条件下谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶的酶活大小有关,为此我们测量了不同溶氧条件下的谷氨酸脱氢酶的酶活以验证上述试验现象。 
    图3所示的是不同溶氧(DO = 10 %和DO =50 %) 条件下谷氨酸脱氢酶的酶活曲线图。从图3可以看出,高溶氧条件下,产酸中后期GDH 的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。图4所示的是不同溶氧(DO = 10 %和DO =50 %) 条件下乳酸脱氢酶的酶活曲线图。从图4可以看出,高溶氧条件下,LDH 酶活明显比低溶氧条件下的LDH 酶活要低,有报道认为,一定的厌氧环境对于乳酸脱氢酶的酶活有利[3 ] 。

通过上述对谷氨酸发酵过程中溶氧水平对谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶酶活的影响的研究,可以看出极端缺氧的条件对谷氨酸脱氢酶造成的影响是不可逆的;低溶氧对保持谷氨酸脱氢酶的酶活有利,但是这也造成乳酸脱氢酶活力的提高,使得代谢副产物乳酸大量积累,所以应该把溶氧控制在适当的水平,在保持谷氨酸脱氢酶较高活力的同时尽可能的降低乳酸脱氢酶的酶活。寻找这个最佳溶氧策略就是生产的关键。[1] 
 
对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。 
例如氧在啤酒生产过程[2 ]中的影响有两个方面在啤酒的发酵阶段, 酵母的繁殖需要有足够的氧气,在除此之外的任何阶段都应极力避免氧的参与。 
其中氧的有利一面, 即麦汁充氧。在麦汁营养充分、温度相对稳定、酵母接种量、生理活性相对一致的情况下, 酵母的增殖速度和数量主要取决于麦汁中的氧含量。麦汁充氧量太低不利于酵母的繁殖, 酵母收率和发酵速度下降, 高级醇生成量减少, 醋的含量增加, 双乙酞还原减慢充氧量太高, 酵母繁殖过于旺盛, 会形成多量的α一乙酞乳酸, 而且会消耗多量的还原性物质, 从而导致后期双乙酞还原缓慢, 发酵副产物中含有多量的高级醇。麦汁的充氧量和酵母菌种、接种量、麦汁浓度等有关, 一般要求达到8-10ppm(百万分比浓度), 高浓发酵或要求发酵度高时, 可适当增加充氧量。充氧时间在添加酵母后的冷麦汁管道中, 不宜将氧充人热麦汁中, 会造成麦汁的氧化, 增加麦汁的色度。同时要求麦汁一进人大罐就必须立即充氧,太迟的充氧会延长酵母生长的迟滞期, 影响酵母的繁殖。 
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