呂家樑，汪劍(黑龍江新和成生物科技有限公司，黑龍江 綏化 152001)

0 引言

近年來，微生物發(fā)酵工程技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。利用有益微生物和收集相關(guān)細(xì)菌或代謝物來提高產(chǎn)量和預(yù)防疾病的研究越來越多。不同的微生物和發(fā)酵條件有利于發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)。國內(nèi)外對發(fā)酵過程的優(yōu)化主要集中在碳源、氮源、微量元素、發(fā)酵溫度、pH值、發(fā)酵時間等發(fā)酵條件上。通過不同的工藝優(yōu)化方法，有效提高了發(fā)酵效率，降低了生產(chǎn)成本，促進了發(fā)酵工程技術(shù)的快速發(fā)展。

1 發(fā)酵工藝概述

微生物發(fā)酵生產(chǎn)的好壞主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)氛圍及培養(yǎng)的環(huán)境。發(fā)酵過程廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、能源、化工、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。微生物發(fā)酵主要是指培養(yǎng)優(yōu)良發(fā)酵產(chǎn)物的過程。人們根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品準(zhǔn)備必要的發(fā)酵產(chǎn)品，選擇相應(yīng)的環(huán)境，控制pH、溫度等客觀條件。在這個過程中，品種的選擇和客觀條件的控制是最重要的。同時，發(fā)酵環(huán)境的pH值、介質(zhì)溫度和控制同樣非常重要[1]。嚴(yán)格按照無菌條件控制工藝要求，獲得優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)品。我們經(jīng)常在發(fā)酵過程中引入計算機控制技術(shù)，通過發(fā)酵生產(chǎn)線和連續(xù)發(fā)酵來保證相應(yīng)的代謝產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同需要，對發(fā)酵產(chǎn)物進行分離純化。代謝的初級代謝產(chǎn)物往往不能滿足目標(biāo)代謝產(chǎn)物的要求，往往需要轉(zhuǎn)化。代謝物和純化主要用于工業(yè)分離產(chǎn)品。代謝物通常在一次或兩次分離后即可滿足要求。同時要嚴(yán)格控制無菌條件，產(chǎn)品在收集、分離、純化過程中應(yīng)保持無菌，并在整個過程中進行控制。

2 培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響

發(fā)酵培養(yǎng)基主要用于微生物大規(guī)模生長或代謝產(chǎn)物合成所需的營養(yǎng)和能量。其組成對微生物的生長和繁殖能力有重要影響。用于科學(xué)研究和微生物產(chǎn)品發(fā)酵的培養(yǎng)基也因物種、生長階段和發(fā)酵條件的不同而不同。

2.1 發(fā)酵培養(yǎng)基碳、氮源的選擇

碳源是主要的能量來源，主要在環(huán)境中為微生物在培育過程中提供能量。目前較為常用的碳源應(yīng)是己糖，主要作為微生物細(xì)胞成分和代謝的產(chǎn)物。在工業(yè)規(guī)模性培育繁殖中，原料的成本及易用性是著重需要考慮的因素之一。在發(fā)酵過程中較為常用的碳源有淀粉、蔗糖、米糠纖維等。在微生物發(fā)酵中，碳源固然重要，但氮源同樣是微生物發(fā)酵培養(yǎng)中必不可少的物質(zhì)。氮源主要用于微生物細(xì)胞材料和含氮的代謝產(chǎn)物，氮源通常分為兩類，一類是延遲氮源，而另一類屬于速效氮源。延遲氮源通常包括肽和氨基酸，其主要作用機理是促進細(xì)菌生長，在代謝物的形成中同樣具有促進作用[2]。而速效氮源通常包括酵母浸膏、蛋白胨等，能夠滿足細(xì)菌發(fā)酵和產(chǎn)品合成時對氮源的需求。在整個微生物的發(fā)酵培育過程中，通過延遲氮源與速效氮源的合理搭配，形成的負(fù)荷氮源既能滿足節(jié)桿菌屬細(xì)菌的生長，同時還能促進病原拮抗劑的抑制，達到良好的發(fā)酵效果。

2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基中無機鹽對發(fā)酵的影響

磷、硫、鈉、鋅、錳等無機鹽對微生物的生長和代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生有一定的影響，磷是微生物生長和代謝活動的重要組成部分，參與磷脂、核酸和多種輔酶的合成，在代謝調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。如成分失衡和高滲壓升高，這將部分導(dǎo)致微生物的生長。微生物發(fā)酵和發(fā)酵離子交換介質(zhì)。

2.3 發(fā)酵培養(yǎng)基中其他成分對發(fā)酵的影響

在發(fā)酵過程中，發(fā)酵培養(yǎng)基還需要其他能積極促進微生物發(fā)酵的成分，這大大提高了培養(yǎng)基對微生物發(fā)酵的影響，為其產(chǎn)品的形成提供了必要的營養(yǎng)。其物理性質(zhì)必須適應(yīng)微生物發(fā)酵。在選擇原材料時，還應(yīng)考慮價格，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上選擇低成本的原材料。原料來源必須滿足微生物發(fā)酵工程長期發(fā)展的需要。

3 培養(yǎng)條件對發(fā)酵的影響

在微生物發(fā)酵生產(chǎn)中，除了培養(yǎng)基的組成和濃度外，微生物只有在適宜的環(huán)境條件下才能正常生長和繁殖。以下簡要分析幾項主要的影響因素。

3.1 pH值對發(fā)酵的影響

在微生物發(fā)酵過程中，培育環(huán)境的影響非常顯著。其中，溶液的pH值就是一項非常重要的控制指標(biāo)。pH值通過對各種酶活性的影響，對微生物的代謝、生長和繁殖過程起到顯著的促進和抑制作用。因此，pH值的不同將會直接影響微生物的合成及生長，改變微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的使用和吸收。

3.2 種子質(zhì)量對發(fā)酵的影響

微生物發(fā)酵種子的質(zhì)量對細(xì)菌的生長和產(chǎn)物的合成有很大的影響，通常是指接種量和接種年限。如果種子種齡太長，細(xì)菌產(chǎn)量就會下降。如果種子種齡太短，細(xì)菌的生長將直接減慢，這將大大推遲產(chǎn)品的合成時間[3]。如果接種量太小，會增加對數(shù)生長時間，會對某些酶和產(chǎn)物產(chǎn)生非常不利的影響。

3.3 溫度對發(fā)酵的影響

酶活性與溫度的控制直接相關(guān)，在高溫環(huán)境下會顯著破壞微生物細(xì)胞的酶活性，對微生物的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用。微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)在高溫下容易濃縮或降解。低溫對微生物的生長有重要的抑制作用。不同種類微生物的生長溫度隨產(chǎn)品合成的不同階段而不同。在設(shè)計發(fā)酵溫度時，應(yīng)考慮其他發(fā)酵條件和因素，如培養(yǎng)基的組成。如有必要，可考慮能耗、發(fā)酵周期、產(chǎn)量水平和培養(yǎng)溫度。

3.4 溶氧對發(fā)酵的影響

好氧微生物生長的關(guān)鍵因素之一就是對氧氣的需求，好氧細(xì)菌只有在足夠的氧環(huán)境中才能維持正常的代謝，以促進其生長。溶解氧對次生代謝產(chǎn)物的合成途徑和速率有重要影響。微生物的好氧氧化過程不足可能會影響發(fā)酵液的pH值[4]。產(chǎn)生有毒物質(zhì)，影響產(chǎn)品合成所需前體的積累，進而影響細(xì)菌生長和產(chǎn)品生產(chǎn)。通過調(diào)節(jié)通風(fēng)，可以有效地控制和保證氧氣供應(yīng)。分解發(fā)酵可以減少液體量，提高發(fā)酵速度，有效增加氧氣量，大大提高細(xì)菌的生產(chǎn)能力。通過相應(yīng)的實驗結(jié)果表明，溶解氧對產(chǎn)物的合成有積極的影響。

4 微生物發(fā)酵工藝優(yōu)化的方法

在當(dāng)今的微生物發(fā)酵中，如何有效地實驗微生物發(fā)酵培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。國內(nèi)外有效的優(yōu)化方法主要有正交設(shè)計法、Plackett-Burman設(shè)計法和響應(yīng)面設(shè)計法。

4.1 正交試驗設(shè)計法

正交試驗設(shè)計是一種基于正交表法的數(shù)理統(tǒng)計方法。根據(jù)研究結(jié)論，可通過直接分析或比較確定微生物發(fā)酵的主要影響因素[5]。該設(shè)計方法簡單、有效，而且高效，因此正交設(shè)計是優(yōu)化微生物發(fā)酵過程最常用的方法。通過優(yōu)化枯草芽孢桿菌的正交液體發(fā)酵工藝，可獲得較好的發(fā)酵效果。

4.2 Plackett-Burman設(shè)計法

Plackett-burman方法主要用于確定與反應(yīng)變量和人口統(tǒng)計學(xué)因素相關(guān)的許多因素的顯著影響?？焖儆行У胤治隽擞绊懺囼灲Y(jié)果的關(guān)鍵因素，為設(shè)計方法中的試驗研究提供了可能。通過比較每個因子的兩個水平，確定每個因子的顯著性因子。但是應(yīng)當(dāng)注意，如果未正確選擇系數(shù)級別，則Plackett-Burman測試結(jié)果可能無效。因此，當(dāng)遇到某些突發(fā)情況時測試應(yīng)當(dāng)考慮其他影響因素。如果Plackett-burman測試模型有效，則使用Plackett-Burman設(shè)計來選擇最佳條件，并通過響應(yīng)面設(shè)計的下一步獲得預(yù)期結(jié)果。

4.3 響應(yīng)面設(shè)計法

響應(yīng)面設(shè)計結(jié)合了數(shù)學(xué)建模、測試設(shè)計和統(tǒng)計分析。通過劃分優(yōu)化區(qū)域，解決了試驗中的多因子陰影問題。通過建立回歸方程和繪制曲線，找出最佳工藝參數(shù)。近年來，由于統(tǒng)計和建模在各個領(lǐng)域的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，響應(yīng)面設(shè)計進一步擴大了其應(yīng)用范圍，引起了越來越多研究者的興趣。響應(yīng)法已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物制藥、食品、工程等領(lǐng)域。

5 微生物發(fā)酵過程的優(yōu)化控制策略

5.1 基于線性化近似的經(jīng)典優(yōu)化控制

通過描述發(fā)酵過程的狀態(tài)空間，可以實現(xiàn)發(fā)酵過程的最大化原理和迭代優(yōu)化，但最大化原理只能通過開環(huán)控制來實現(xiàn)。發(fā)酵過程通?？梢越?jīng)過計算得出，但由于忽略了環(huán)境因素對系統(tǒng)的干擾，研究人員結(jié)合最大變量法得到了控制效果良好的最優(yōu)變量曲線。然而，實驗的準(zhǔn)確性和簡單性還沒有達到理想的程度，這對發(fā)酵過程建模的質(zhì)量有很大的影響。

5.2 基于非線性系統(tǒng)理論的優(yōu)化控制

非線性系統(tǒng)理論在發(fā)酵領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。相關(guān)學(xué)者建立了非線性發(fā)酵的空間模型。采用微分法設(shè)計的控制器在發(fā)酵過程中表現(xiàn)出良好的控制效果，實現(xiàn)了從非線性系統(tǒng)到線性系統(tǒng)的過渡[6]，優(yōu)化了控制器結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)酵過程的動態(tài)性。發(fā)酵過程的復(fù)雜性影響著發(fā)酵控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.3 基于人工智能技術(shù)的優(yōu)化控制

利用計算機和人工智能對發(fā)酵過程進行優(yōu)化已成為近年來發(fā)酵過程研究的熱點。建立了基于乙醇生產(chǎn)的專家系統(tǒng)，智能控制方法在仿真活動中仍有局限性。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在確定網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時是不可控的，交叉智能控制方法已成為發(fā)酵控制中亟待解決的問題。

6 結(jié)語

微生物發(fā)酵在生物技術(shù)的發(fā)展中起著重要的作用。微生物發(fā)酵可以解決許多在正常生產(chǎn)中無法解決的問題。合理利用微生物發(fā)酵，不斷優(yōu)化工藝，可以提高生產(chǎn)效率，促進發(fā)酵的不斷進步和發(fā)展。在醫(yī)藥、衛(wèi)生、食品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為這些領(lǐng)域的發(fā)展開辟了一個新時代。