溶氧对氨基酸发酵的影响分析

张兆峰+孙丽美+张现峰

摘 要：控制溶解氧，使其最大限度地发挥作用，保障氨基酸发酵工程的质量，已经成为业内人士探讨的共同课题。对氨基酸发酵及其他酸类的发酵具有战略性意义。L-色氨酸作为8种基本氨基酸之一，具有普遍性。从氧在氨基酸好氧发酵过程中发挥的作用入手，引出溶氧对氨基酸发酵的影响分析实验。以大肠杆菌为培养菌群，以L-色氨酸为对象进行了实验，取得了一些成果，以期对业内相关研究起到一定的指导作用。

关键词：溶氧；氨基酸；大肠杆菌；L-色氨酸

中图分类号：TQ922 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.098

利用菌群产生氨基酸的技术已经发展了50多年，并且取得了显著的成效。当前，氨基酸发酵仍然是十分实用的，是很多企业常用的发酵技术。在发酵过程中，溶解氧起着十分重要的作用，其浓度直接影响着氨基酸发酵的质量——浓度过低或者过高都有可能直接破坏菌群的生长和培育，影响产酸过程。

1 氧在氨基酸好氧发酵中发挥的作用

我们知道，需要氧气的菌类和兼性厌氧的菌类是氨基酸发酵过程中最为常见的两种菌种，发酵过程离不开溶氧的参与。氨基酸的发酵首先是生产菌种的充分生长，然后才是菌类代谢物的聚集。无论哪一个环节，都要以溶氧的辅助为前提，溶氧的浓度一定要适宜，否则适得其反。以谷氨酸为例，在菌种的发育成长阶段，如果溶氧浓度过高，高氧会阻碍氨基酸发酵菌种的生长，使之难以消耗糖原，加速菌类的老化，进而使菌种无法将糖转化为所需的养分；相反，如果溶氧的浓度过低，氨基酸的合成速度将会受到影响，会产生很多代谢废物，不利于其成长。总的来说，不适宜的浓度会严重阻碍培养菌的健康生长，甚至还会使整个氨基酸的质量受到破坏。在菌种代谢物的产生过程中，溶氧的浓度也很重要。在菌类产酸的合成期，需要大量的溶氧，溶氧量要充足，这样才能够配合菌类充分发酵产酸；如果溶氧量刚刚好，氨基酸生产可以达到最大量；如果溶氧量不足，不仅代谢物的产生会受到阻碍，还有可能产生其他的副产物，给氨基酸的培养生产带来麻烦。

那么，如何有效地控制溶氧量呢？下面以L-色氨酸为对象，以大肠杆菌为菌种进行溶氧量控制实验。

2 溶氧量控制实验

2.1 实验基本材料和实验方法

培养基：蛋白陈、牛肉膏、酵母膏、氯化钠、琼脂、硫化钠溶液、硫化镁溶液、玉米浆等。

实验条件：无菌工作室。

实验设备：摇瓶4只、鼓风器、烘干机、干燥剂、精细仪表盘、高速离心机、灭菌仪器、发酵仪器、恒温箱等。

2.2 培植方法

实验前，将大肠杆菌接种在活化菌斜面，放于恒温箱中，恒温保存，24 h后取出。将活化斜面上一块正常的大肠杆菌菌群取下放入摇瓶中，将摇瓶密封，再用不透光的卫生布将摇瓶层层包裹，完全密封；将包裹好的摇瓶放于恒温的摇床之中，调至常温，转速为200 r/min，培养1 d。将所有的细菌种子放到发酵箱中，温度保持在28 ℃左右，酸碱度为中性，通风量保持在200 L/h。用种子液浸泡15 min。

2.3 分析方法

用无菌水洗涤大肠杆菌菌种，之后要在高温下烘干。测定方法采用比色法，溶氧量测定采用动态测定法。

2.4 实验结果和实验分析

2.4.1 供氧速率对L-色氨酸发酵的影响

供氧速率会影响L-色氨酸发酵过程中的供氧量。实验显示，搅拌速度越快，通气量越大，供氧效率越高，供氧量就越大，溶氧量也就越大。当通气量为200 L/h时，溶氧量最合理，L-色氨酸的培养数量最多；当搅拌速度为300 r/h左右时，菌体的生长最为健康，产酸量最大。

2.4.2 DO值对L-色氨酸发酵的影响

实验可得，当DO值分别为10%，20%，30%，40%时，L-色氨酸的质量浓度分别为8 g/L、10 g/L、9 g/L、6 g/L，菌体的质量浓度分别为11 g/L、13 g/L、15 g/L、14 g/L。从实验结果可以看出，当DO值为20%时，L-色氨酸的产量达到最大，但是对菌体却没有明显的影响。由此可见，相对稳定的DO值对大肠杆菌和L-色氨酸的培养更为有益。

2.4.3 应用正交设计进行分阶段供养研究

我们将氨基酸的发酵过程分解为3个时间阶段，分别为0～24 h、24～48 h、48～72 h。保持3个时间段中其他因素不变，分别得出4次实验的成果，其正交水平分别为0～24 h：10 302 040，24～48 h：40 301 020，48～72 h：20 403 010.其中，在24～48 h的时间段，正交水平最高，DO值可达到20%，大肠杆菌质量最为稳定，产酸效果最好，L-色氨酸质量最好。

3 结束语

通过以L-色氨酸为对象，以大肠杆菌为菌种的溶氧量控制实验我们可以得出以下结论：①供氧速率对溶氧量起着重要的作用，二者是正比例关系。②通风量和搅拌速度是供氧速率的两个决定因素。当通风量达到200 L/h，搅拌速度在300 r/h左右时，大肠杆菌菌体和L-色氨酸质量最好。③DO值对发酵结果有极大的影响，对L-色氨酸的影响较大，对大肠杆菌菌群的影响不是很明显。当DO值达到20%时，L-色氨酸产酸量达到最大值。正交设计分阶段供养证明，发酵时间不同，溶氧对氨基酸发酵的影响也不同。当发酵时间为24～48 h时，不论是大肠杆菌，还是L-色氨酸，其质量都是最稳定的。

参考文献

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[2]卢志洪，刘志成，郑穗平.不同溶氧条件下谷氨酸棒杆菌发酵过程代谢物及关键酶酶活分析[J].中国酿造，2010（2）：21.

[3]郭智成.对美国L-色氨酸事件的回顾和思考[J].医学与哲学，2011（8）：60-61.

〔编辑：刘晓芳〕