主题：【原创】酵素发酵的控制

一种成功的酵素发酵主要受两个方面控制：一是酵素益生菌的特性，二是发酵工艺条件。酵素发酵过程中，对酵素成分产生的因素很多，如温度、pH值、氧、二氧化碳、泡沫等都是对发酵影响大的一些因素。

一、温度
温度对酵素发酵过程的影响主要是它能影响细胞生长与产物的合成，其本质是影响了细胞膜的透性和酶的活性。


1、温度对微生物细胞生长的影响
温度对微生物细胞生长的影响主要是通过影响酶的活性来实现的。温度升高，酶反应速度加快，呼吸代谢加强，微生物生长繁殖加快。但是随着温度持续升高，酶失活的速度也在加快，蛋白质变性加快，微生物死亡加剧。


2、温度对酵素产物的影响


（1）影响产物的合成速度。在一定温度范围内，温度越高，酶促反应越快微生物代谢越快，产物合成越多。但是酶对温度是十分敏感的，温度越高，酶失活的风险越大。


（2）影响产物的合成方向。温度与微生物的调节机制有着密切关系，能够影响产物的合成方向。


（3）温度通过改变发酵液的物理性质间接影响产物的合成。


（4）温度影响代谢控制。温度对微生物调节机制有着密切关系，不同温度直接影响酵素益生菌中不同微生物的代谢，进而导致酵素中成分差异很大。


3、发酵过程中温度的变化及最适宜温度的选择


在酵素发酵过程中温度常常发生一定的变化，其变化规律是：前低-中高-后回落。


影响温度变化的因素主要是发酵热，它是微生物代谢产生的生物热、搅拌器与发酵液摩擦产生的搅拌热、发酵罐中由尾气排出时带走的蒸发热以及发酵罐体向外辐射的辐射热等不同形式热的代数之和。


由于温度对酵素产物产生较大影响，因此在发酵生产上需要选择一个最适宜的温度，使得微生物的生长速度最快，目标产物的合成量最大。在酵素发酵过程中，最适宜温度需要分段选择。


二、pH值
1、pH值对发酵过程的影响


（1）对微生物生长和产物合成的影响。pH对发酵的影响主要有以下几个方面：
①影响微生物生长繁殖。不同微生物对pH要求，多数细菌最适宜的pH值6.5-7.5，霉菌4.0-5.8，酵母菌为3.8-6.0。

②影响微生物的菌体形态。如当pH值＜6时，菌丝直径为2-3微米，当pH值＞7时，菌丝直径为2-18微米。

③影响产物的形成。如在塞纳霉菌的发酵过程中，当pH值6.5-7.5时，产量相对稳定，当pH值＞7.5时，合成受到抑制，产量下降。④影响生物合成途径。


（2）pH值影响发酵的主要机理：

①影响酶的活性。

②影响微生物细胞膜所带的电荷，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物细胞对营养的吸收和对代谢产物的排泄。

③影响培养基中某些营养物和中间代谢产物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。此外，pH值改变还会引起菌体代谢途径的改变。


2、影响pH值变化的因素
酵素发酵液pH值变化有一定规律：菌体生长期pH值上升或下降；产物合成期pH值比较稳定；菌体自溶阶段pH值上升。
引起发酵液pH值变化的因素主要是以下三点：


（1）微生物的代谢特性。微生物代谢过程中，会释放出一些生理酸性物质或一些生物碱性物质，从而引起发酵液pH值的变化。


（2）酵素原料及其配方，酵素配方实际上就是培养基，其成分变化会直接影响pH值。


（3）发酵条件。主要是通气或搅拌。在正常通气条件下，葡萄糖氧化生成二氧化碳和水；当通气不足时，则合成乳酸。


3、发酵过程中的pH值控制


（1）调节酵素原始的pH值，或加入pH值缓冲剂。


（2）在发酵过程中，通过加弱酸或弱碱来稳定pH值。


（3）控制发酵液中各营养物的比例，即选择适宜的酵素原料和配方，注意控制碳氮比。


（4）通过补料调节pH值。


三、溶氧量


1、影响微生物需氧的因素
不同的微生物对氧的需求是不同的，具体的需求量常用呼吸强度和摄氧率来表示。呼吸强度是指单位质量的细胞在单位时间内消耗氧的量。呼吸强度随溶解氧浓度的增加而加强，当呼吸强度达到一定量时，它就不再影响微生物的呼吸强度，即使再增加溶氧浓度，呼吸强度也保持不变。摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。


它取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度。细菌在对数生长初期，随着细胞浓度的增加，摄氧率迅速增加，在对数生长后期达到最大，此后，虽然细胞浓度还在增大，但由于传氧能力的限制，摄氧率下降，最后随着基质的消耗和细胞的自溶，摄氧率迅速下降。影响微生物酵素需氧量的因素如下：


（1）酵素益生菌种。不同酵素产品的生成菌种不同，对氧的需要也不同。


（2）菌体浓度。在一定范围内，菌体浓度越大，需氧量也越大。另外，由于酵素随着发酵的进行，浓度增大，粘稠度增加，氧的溶解度也逐渐变小，因此更需要加大通风搅拌。此外，菌丝在受到通气搅拌时，容易发展成网状、绒球状、球状颗粒或成团块状，也影响溶氧。


（3）菌龄。一般幼龄期常常需要较强的呼吸强度。


（4）酵素原料及其配方。


2、溶氧量的控制措施


（1）加大搅拌功率。


（2）降低培养温度。


（3）必要时补充矿泉水或纯净水。


（4）提高罐压，增加通气量，通入纯氧等。