柠檬酸高糖糖化发酵试验

李黎明

摘 要：糖化酶的添加，能够提升菌体活性，使产酸速率提升，发酵周期可以缩短3小时。在供氧不足的条件下，高糖发酵前期会出现RQ上升再下降的现象。糖化的RQ值略高。

关键词：糖化酶；菌体活力；产酸

柠檬酸发酵结束后，发酵中菌体干重一般大约为13g/L，根据质量守恒定律，至少约有13g/L的葡萄糖用于菌体生长，即有1.3%的葡萄糖，约占10%的总糖白白消耗，没有用于产酸。如采用高糖糖化工藝，大大延长产酸期，提高单批菌体的利用效率，减少由于菌体生长而必须消耗的糖分，使更多的糖转化成酸，进而提高原料转化率（平均约可提高3～5百分点）。

1 试验设备

60T种子罐，450T发酵罐，Extrel公司MAX300-LG质谱仪

2 试验数据分析

2.1 添加糖化酶对发酵水平的影响

糖化与非糖化发酵水平对比（备注：①非糖化（对照罐批）选取糖化结束后第51-第61批，其中第54批、第59批次因种子罐异常，统计时未剔除。）非糖化：種龄34.4；周期66；酸度15.91%；单罐供酸54.31；粮耗1.565；转化率98.71%。糖化：种龄33.6；周期62.9；酸度15.99%；单罐供酸54.54；粮耗1.559；转化率96.52%。在相同产酸的条件下，糖化酶的添加有利于缩短发酵周期。

2.2 糖化过程DE值变化

从上面两个图表可以看出，添加糖化酶后，DE值由之前的30～33%逐渐上升，在接种前，DE值达到65～80%，说明糖化酶的添加能够将淀粉水解成葡萄糖，但是除第44批外，其他8批的种前DE值均未达到80%，可能与糖化酶的添加方式、作用时间、添加量有关系。

本次试验用的NOVO苏宏Ⅱ糖化酶的最适pH为4.0～4.3，随着pH的升高酶活力下降；最适作用温度60-63℃；建议添加量为0.8 kg/tds～1kg/tds，而我们目前的加量仅为0.58 kg/tds。由于目前未确定全面糖化，因此pH值现无法控低，但可通过提高酶的加量使糖化更加充分。

2.3 糖化酶的添加对DO的影响

从图3可以看出（备注：蓝色曲线-糖化；红色曲线-未糖化），在高糖条件下，未添加糖化酶的批次，当DO到达最低点时，OUR并非最低。说明此时培养基中的溶解氧最低，但是菌体对氧气的消耗未达到最高点，随着培养时间的延长，菌体活力提升，菌体耗氧量继续增大，这是典型的缺氧现象。添加糖化酶后，这种现象没有得到有效改善，且糖化后溶氧最低值更低，说明在高糖条件下的存在缺氧现象，仅仅依靠糖化的方式无法改善。

2.4 糖化酶的添加对菌体活力和产酸速率的影响

从图4可以看出（备注：红色曲线-高糖糖化；绿色曲线-高糖未糖化；蓝色曲线-低糖未糖化）：在高糖条件下，添加糖化酶后，OUR的值有较大幅度的提升，且产酸速率加快。

结合着DO曲线可以发现：糖化酶的添加有利于菌体活力增强，菌体活力的增强，一方面带来产酸速度的增加，另一方面导致耗氧量增加，所以DO值下降，缺氧现象更严重。

2.5 糖化酶的添加对呼吸熵和转化率的影响

无论是否添加糖化酶，RQ值变化趋势一致：在发酵约12小时，RQ值均有一个上升再下降的趋势，而RQ上升的时间与OUR下降的时间一致。分析这种现象可能与供氧不足有关，因为在供氧不足的情况下，菌体活力受影响，菌活力下降，耗氧率也随之降低，发酵过程中形成的CO2不再进行羧化而被大量释放出来，造成途径的变化，CO2释放率增大导致RQ 的陡升。从整个RQ曲线来看，糖化的RQ值较高，代表着转化率较低，这也是因为供氧不足导致。

2.6 培养温度对发酵的影响因素

本次试验重点考察糖化酶的添加对发酵周期、、转化率的影响，试验的过程中还有一些细微的变化（如培养温度）可能对发酵产生影响。在发酵过程中温度变化趋势与OUR正相关，温度高则OUR高，温度低则OUR低。这可能与温度上升酶活性增加、菌体代谢加快有关，中粮生化研发部在华东理工大学的试验也表明：发酵后期提升温度可以提高酶的活性，增加产酸。

3 研究结果

①糖化酶的添加，能够提升菌体活性，使产酸速率提升，发酵周期可以缩短3小时；

②在控制条件不变的情况下，仅仅依靠添加糖化酶来改变培养基的黏度，提升气液之间氧气的传递效率，从根本上解决不了氧限制问题；

③在供氧不足的条件下，高糖发酵前期会出现RQ上升再下降的现象。糖化的RQ值略高，代表着转化率低；

④温度对OUR的提升有一定的益处，可能是温度的提升促使菌体酶活力增强有关。