溶氧对氨基酸发酵的影响及其控制

张夙夙

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子状态的氧。在氨基酸发酵过程中必须提供氧气，菌体才能繁殖和积累所需的代谢产物。研究溶氧对氨基酸发酵的影响及其控制对提高生产效率、改善产品质量等方面有着重要的意义。

关键词：氨基酸发酵；溶氧；影响；控制

中图分类号 TQ920 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世纪50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行L-谷氨酸发酵取得成功[1]，从此微生物发酵技术在氨基酸生产工艺中占据了越来越重要的地位。目前，氨基酸生产菌均为需氧菌，即必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物[2]。因此，发酵液中的溶氧浓度是氨基酸发酵工艺的一个重要控制参数[3]，同时，合理地供氧还可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧对氨基酸发酵的影响

不同菌种及同一菌种的不同发酵阶段，菌体的需氧量是不同的。发酵液中的溶氧浓度会直接影响微生物酶的活性及代谢途径，进而影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定产量的高低[5]。氨基酸发酵的前期是菌体生长的主要阶段，如果发酵液中的溶氧水平过低，菌体的生长和繁殖就会受到限制，进而抑制氨基酸的合成，生成大量代谢副产物，严重影响氨基酸的最终产量。若菌体长期处于溶氧浓度较低的环境，会导致部分菌体的自溶，给产物的分离提取造成困难。徐庆阳[6]等以L-苏氨酸生产菌TRFC为菌种发酵生产苏氨酸，考察了不同溶氧水平对L-苏氨酸合成的影响。其结果表明，供氧充足、菌体呼吸旺盛可保持较快的生长速率，此外，L-苏氨酸的前体物草酰乙酸主要由对氧浓度要求较高的TCA循环和磷酸烯醇丙酮酸羧化反应提供，充分供氧可使菌体呼吸充足，有利于产酸和糖酸转化。

溶氧水平也并非越高越好。刘雅桢[7]等研究表明，过高的溶氧除了产生过大的动力消耗外，还会产生大量泡沫，同时溶氧水平过高会产生新生氧、超氧化物基O2-或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分。王营[8]等对谷氨酸发酵标准溶氧水平研究发现，在谷氨酸合成期若溶氧水平过高，会导致菌体生长受到高氧抑制，生长慢，耗糖慢，产酸较少，造成后期菌体容易衰老，糖酸转化率偏低。

2 氨基酸发酵中溶氧浓度的控制

氨基酸发酵过程中，菌种只能利用发酵液中的溶解氧，供氧不足将严重影响氨基酸的发酵。因此，如何提高和控制发酵液中的溶氧浓度是影响发酵成功与否的关键因素之一。工业上通常采取以下几种方法提高溶氧浓度：

2.1 搅拌 在发酵罐内设置机械搅拌是提高溶解氧的一个有效方法[9]。其作用主要有以下几个方面：一是将通入发酵液的空气分散成细小的气泡并防止小气泡的聚集，从而增大气液相的接触面积；二是强化发酵液的湍流速度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的传递；三是减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收。应注意的是，搅拌速度应适中，过于激烈的搅拌会产生较大的剪切力，导致菌种和产物的失活[10]。

2.2 通风 考虑到利用率的问题，一般发酵过程中的通气量最少是所需量的2倍，高的可达5～10倍[5]。但通气量过大不利于充分混合，容易导致泡沫的大量产生和发酵液的溢出，进而增加染菌的风险。因此，不能单纯地通过增大通气量来提高溶氧浓度，工业中常采用低通气速率的情况下增加搅拌速度来提高发酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，发酵过程的前期是菌体的生长，中后期则是产物的合成积累。因此发酵生产过程中的溶氧水平不是一成不变的，其一般策略是前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。杨海军[12]等采用正交试验设计研究谷氨酸棒杆菌发酵生产色氨酸的溶氧条件，结果表明采用分段控氧模式比单纯固定搅拌转速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的产量。徐庆阳[6]等通过实验得出，L-苏氨酸发酵过程的溶氧控制为延滞期维持20%溶氧，对数期后维持50%溶氧，进入稳定期提供20%溶氧即可，在该种分阶段供氧模式的控制下，整个发酵过程保持了较高的细胞合成率和L-苏氨酸产率，比恒定供氧表现出更好的发酵状态。

3 结语

氨基酸发酵是一个复杂的生化反应过程，众多影响因素中溶氧水平是重要参数之一。在实际发酵生产工艺中，溶氧的控制是一个动态过程，应根据理论的分析和指导，从设备和操作等方面采取适当的供氧措施，使氧的供应量与实际需求量相适应，从而实现对氨基酸发酵的优化，在满足工艺要求的同时，降低生产成本，提高产量水平，进而实现生产利润的最大化。

参考文献

[1]胡学智.木下祝郎与味精[J].江苏调味副食品，2011，28（3）：42.

[2]张智，滕婷婷，王淼.溶氧对发酵的影响及控制[J].科技视野，2008，21：63.

[3]张俊刚，张兰峰，吴泽华.溶氧对氨基酸发酵的影响及控制[J].科技视界，2012，35：223.

[4]陈宁.氨基酸工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2007：47-59.

[5]刘晓波，李宗伟，闫世梁，等.溶氧控制对氨基酸发酵的影响[J].安徽农业科学，2008，36（19）：7977-7979.

[6]徐庆阳，冯志彬，孙玉华，等.溶氧对L-苏氨酸发酵的影响[J].微生物学通报，2007，34（2）：412-314.

[7]刘雅桢，张兰峰，吴泽华，等.赖氨酸发酵过程溶氧控制研究[J].技术与应用，2012，5：21-22.

[8]王营，董亮，张雁铃，等.谷氨酸发酵标准溶氧水平的确定[J].食品与发酵工业，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，张世有.好氧发酵过程中影响溶解氧的因素及如何提高溶解氧的浓度[J].黑龙江医药，2005，18（4）：276.

[10]刘玉平，林建强.浅谈如何提高发酵生产的溶解氧浓度[J].医药工程设计杂志，2005，26（2）：24.

[11]黄荣.发酵过程中溶氧的影响及调控[J].生物技术世界，2013，3：68.

[12]杨海军，周小苹，周文平.L-色氨酸10L罐发酵溶氧条件的研究[J].农产品加工，2011，7：63. （责编：张宏民）

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子状态的氧。在氨基酸发酵过程中必须提供氧气，菌体才能繁殖和积累所需的代谢产物。研究溶氧对氨基酸发酵的影响及其控制对提高生产效率、改善产品质量等方面有着重要的意义。

关键词：氨基酸发酵；溶氧；影响；控制

中图分类号 TQ920 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世纪50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行L-谷氨酸发酵取得成功[1]，从此微生物发酵技术在氨基酸生产工艺中占据了越来越重要的地位。目前，氨基酸生产菌均为需氧菌，即必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物[2]。因此，发酵液中的溶氧浓度是氨基酸发酵工艺的一个重要控制参数[3]，同时，合理地供氧还可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧对氨基酸发酵的影响

不同菌种及同一菌种的不同发酵阶段，菌体的需氧量是不同的。发酵液中的溶氧浓度会直接影响微生物酶的活性及代谢途径，进而影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定产量的高低[5]。氨基酸发酵的前期是菌体生长的主要阶段，如果发酵液中的溶氧水平过低，菌体的生长和繁殖就会受到限制，进而抑制氨基酸的合成，生成大量代谢副产物，严重影响氨基酸的最终产量。若菌体长期处于溶氧浓度较低的环境，会导致部分菌体的自溶，给产物的分离提取造成困难。徐庆阳[6]等以L-苏氨酸生产菌TRFC为菌种发酵生产苏氨酸，考察了不同溶氧水平对L-苏氨酸合成的影响。其结果表明，供氧充足、菌体呼吸旺盛可保持较快的生长速率，此外，L-苏氨酸的前体物草酰乙酸主要由对氧浓度要求较高的TCA循环和磷酸烯醇丙酮酸羧化反应提供，充分供氧可使菌体呼吸充足，有利于产酸和糖酸转化。

溶氧水平也并非越高越好。刘雅桢[7]等研究表明，过高的溶氧除了产生过大的动力消耗外，还会产生大量泡沫，同时溶氧水平过高会产生新生氧、超氧化物基O2-或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分。王营[8]等对谷氨酸发酵标准溶氧水平研究发现，在谷氨酸合成期若溶氧水平过高，会导致菌体生长受到高氧抑制，生长慢，耗糖慢，产酸较少，造成后期菌体容易衰老，糖酸转化率偏低。

2 氨基酸发酵中溶氧浓度的控制

氨基酸发酵过程中，菌种只能利用发酵液中的溶解氧，供氧不足将严重影响氨基酸的发酵。因此，如何提高和控制发酵液中的溶氧浓度是影响发酵成功与否的关键因素之一。工业上通常采取以下几种方法提高溶氧浓度：

2.1 搅拌 在发酵罐内设置机械搅拌是提高溶解氧的一个有效方法[9]。其作用主要有以下几个方面：一是将通入发酵液的空气分散成细小的气泡并防止小气泡的聚集，从而增大气液相的接触面积；二是强化发酵液的湍流速度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的传递；三是减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收。应注意的是，搅拌速度应适中，过于激烈的搅拌会产生较大的剪切力，导致菌种和产物的失活[10]。

2.2 通风 考虑到利用率的问题，一般发酵过程中的通气量最少是所需量的2倍，高的可达5～10倍[5]。但通气量过大不利于充分混合，容易导致泡沫的大量产生和发酵液的溢出，进而增加染菌的风险。因此，不能单纯地通过增大通气量来提高溶氧浓度，工业中常采用低通气速率的情况下增加搅拌速度来提高发酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，发酵过程的前期是菌体的生长，中后期则是产物的合成积累。因此发酵生产过程中的溶氧水平不是一成不变的，其一般策略是前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。杨海军[12]等采用正交试验设计研究谷氨酸棒杆菌发酵生产色氨酸的溶氧条件，结果表明采用分段控氧模式比单纯固定搅拌转速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的产量。徐庆阳[6]等通过实验得出，L-苏氨酸发酵过程的溶氧控制为延滞期维持20%溶氧，对数期后维持50%溶氧，进入稳定期提供20%溶氧即可，在该种分阶段供氧模式的控制下，整个发酵过程保持了较高的细胞合成率和L-苏氨酸产率，比恒定供氧表现出更好的发酵状态。

3 结语

氨基酸发酵是一个复杂的生化反应过程，众多影响因素中溶氧水平是重要参数之一。在实际发酵生产工艺中，溶氧的控制是一个动态过程，应根据理论的分析和指导，从设备和操作等方面采取适当的供氧措施，使氧的供应量与实际需求量相适应，从而实现对氨基酸发酵的优化，在满足工艺要求的同时，降低生产成本，提高产量水平，进而实现生产利润的最大化。

参考文献

[1]胡学智.木下祝郎与味精[J].江苏调味副食品，2011，28（3）：42.

[2]张智，滕婷婷，王淼.溶氧对发酵的影响及控制[J].科技视野，2008，21：63.

[3]张俊刚，张兰峰，吴泽华.溶氧对氨基酸发酵的影响及控制[J].科技视界，2012，35：223.

[4]陈宁.氨基酸工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2007：47-59.

[5]刘晓波，李宗伟，闫世梁，等.溶氧控制对氨基酸发酵的影响[J].安徽农业科学，2008，36（19）：7977-7979.

[6]徐庆阳，冯志彬，孙玉华，等.溶氧对L-苏氨酸发酵的影响[J].微生物学通报，2007，34（2）：412-314.

[7]刘雅桢，张兰峰，吴泽华，等.赖氨酸发酵过程溶氧控制研究[J].技术与应用，2012，5：21-22.

[8]王营，董亮，张雁铃，等.谷氨酸发酵标准溶氧水平的确定[J].食品与发酵工业，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，张世有.好氧发酵过程中影响溶解氧的因素及如何提高溶解氧的浓度[J].黑龙江医药，2005，18（4）：276.

[10]刘玉平，林建强.浅谈如何提高发酵生产的溶解氧浓度[J].医药工程设计杂志，2005，26（2）：24.

[11]黄荣.发酵过程中溶氧的影响及调控[J].生物技术世界，2013，3：68.

[12]杨海军，周小苹，周文平.L-色氨酸10L罐发酵溶氧条件的研究[J].农产品加工，2011，7：63. （责编：张宏民）

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子状态的氧。在氨基酸发酵过程中必须提供氧气，菌体才能繁殖和积累所需的代谢产物。研究溶氧对氨基酸发酵的影响及其控制对提高生产效率、改善产品质量等方面有着重要的意义。

关键词：氨基酸发酵；溶氧；影响；控制

中图分类号 TQ920 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世纪50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）进行L-谷氨酸发酵取得成功[1]，从此微生物发酵技术在氨基酸生产工艺中占据了越来越重要的地位。目前，氨基酸生产菌均为需氧菌，即必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物[2]。因此，发酵液中的溶氧浓度是氨基酸发酵工艺的一个重要控制参数[3]，同时，合理地供氧还可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧对氨基酸发酵的影响

不同菌种及同一菌种的不同发酵阶段，菌体的需氧量是不同的。发酵液中的溶氧浓度会直接影响微生物酶的活性及代谢途径，进而影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定产量的高低[5]。氨基酸发酵的前期是菌体生长的主要阶段，如果发酵液中的溶氧水平过低，菌体的生长和繁殖就会受到限制，进而抑制氨基酸的合成，生成大量代谢副产物，严重影响氨基酸的最终产量。若菌体长期处于溶氧浓度较低的环境，会导致部分菌体的自溶，给产物的分离提取造成困难。徐庆阳[6]等以L-苏氨酸生产菌TRFC为菌种发酵生产苏氨酸，考察了不同溶氧水平对L-苏氨酸合成的影响。其结果表明，供氧充足、菌体呼吸旺盛可保持较快的生长速率，此外，L-苏氨酸的前体物草酰乙酸主要由对氧浓度要求较高的TCA循环和磷酸烯醇丙酮酸羧化反应提供，充分供氧可使菌体呼吸充足，有利于产酸和糖酸转化。

溶氧水平也并非越高越好。刘雅桢[7]等研究表明，过高的溶氧除了产生过大的动力消耗外，还会产生大量泡沫，同时溶氧水平过高会产生新生氧、超氧化物基O2-或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分。王营[8]等对谷氨酸发酵标准溶氧水平研究发现，在谷氨酸合成期若溶氧水平过高，会导致菌体生长受到高氧抑制，生长慢，耗糖慢，产酸较少，造成后期菌体容易衰老，糖酸转化率偏低。

2 氨基酸发酵中溶氧浓度的控制

氨基酸发酵过程中，菌种只能利用发酵液中的溶解氧，供氧不足将严重影响氨基酸的发酵。因此，如何提高和控制发酵液中的溶氧浓度是影响发酵成功与否的关键因素之一。工业上通常采取以下几种方法提高溶氧浓度：

2.1 搅拌 在发酵罐内设置机械搅拌是提高溶解氧的一个有效方法[9]。其作用主要有以下几个方面：一是将通入发酵液的空气分散成细小的气泡并防止小气泡的聚集，从而增大气液相的接触面积；二是强化发酵液的湍流速度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的传递；三是减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收。应注意的是，搅拌速度应适中，过于激烈的搅拌会产生较大的剪切力，导致菌种和产物的失活[10]。

2.2 通风 考虑到利用率的问题，一般发酵过程中的通气量最少是所需量的2倍，高的可达5～10倍[5]。但通气量过大不利于充分混合，容易导致泡沫的大量产生和发酵液的溢出，进而增加染菌的风险。因此，不能单纯地通过增大通气量来提高溶氧浓度，工业中常采用低通气速率的情况下增加搅拌速度来提高发酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，发酵过程的前期是菌体的生长，中后期则是产物的合成积累。因此发酵生产过程中的溶氧水平不是一成不变的，其一般策略是前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。杨海军[12]等采用正交试验设计研究谷氨酸棒杆菌发酵生产色氨酸的溶氧条件，结果表明采用分段控氧模式比单纯固定搅拌转速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的产量。徐庆阳[6]等通过实验得出，L-苏氨酸发酵过程的溶氧控制为延滞期维持20%溶氧，对数期后维持50%溶氧，进入稳定期提供20%溶氧即可，在该种分阶段供氧模式的控制下，整个发酵过程保持了较高的细胞合成率和L-苏氨酸产率，比恒定供氧表现出更好的发酵状态。

3 结语

氨基酸发酵是一个复杂的生化反应过程，众多影响因素中溶氧水平是重要参数之一。在实际发酵生产工艺中，溶氧的控制是一个动态过程，应根据理论的分析和指导，从设备和操作等方面采取适当的供氧措施，使氧的供应量与实际需求量相适应，从而实现对氨基酸发酵的优化，在满足工艺要求的同时，降低生产成本，提高产量水平，进而实现生产利润的最大化。

参考文献

[1]胡学智.木下祝郎与味精[J].江苏调味副食品，2011，28（3）：42.

[2]张智，滕婷婷，王淼.溶氧对发酵的影响及控制[J].科技视野，2008，21：63.

[3]张俊刚，张兰峰，吴泽华.溶氧对氨基酸发酵的影响及控制[J].科技视界，2012，35：223.

[4]陈宁.氨基酸工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2007：47-59.

[5]刘晓波，李宗伟，闫世梁，等.溶氧控制对氨基酸发酵的影响[J].安徽农业科学，2008，36（19）：7977-7979.

[6]徐庆阳，冯志彬，孙玉华，等.溶氧对L-苏氨酸发酵的影响[J].微生物学通报，2007，34（2）：412-314.

[7]刘雅桢，张兰峰，吴泽华，等.赖氨酸发酵过程溶氧控制研究[J].技术与应用，2012，5：21-22.

[8]王营，董亮，张雁铃，等.谷氨酸发酵标准溶氧水平的确定[J].食品与发酵工业，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，张世有.好氧发酵过程中影响溶解氧的因素及如何提高溶解氧的浓度[J].黑龙江医药，2005，18（4）：276.

[10]刘玉平，林建强.浅谈如何提高发酵生产的溶解氧浓度[J].医药工程设计杂志，2005，26（2）：24.

[11]黄荣.发酵过程中溶氧的影响及调控[J].生物技术世界，2013，3：68.

[12]杨海军，周小苹，周文平.L-色氨酸10L罐发酵溶氧条件的研究[J].农产品加工，2011，7：63. （责编：张宏民）