發(fā)酵行業(yè)影響菌種質(zhì)量的主要因素

菌種擴(kuò)大培養(yǎng)的關(guān)鍵就是搞好種子罐的擴(kuò)大培養(yǎng)，影響種子罐培養(yǎng)的主要因素包括營養(yǎng)條件、培養(yǎng)條件、染菌的控制、種子罐的級數(shù)和接種量控制等。

1.培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是微生物獲得生存的營養(yǎng)來源，對微生物生長繁殖、酶的活性與產(chǎn)量都有直接的影響。不同微生物對營養(yǎng)的要求不一樣，但它們所需的基本營養(yǎng)大體上是一致的，其中以碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長素和金屬離子等最重要。

一般來說，種子罐是培養(yǎng)菌體的，培養(yǎng)基的糖分要少，而對微生物生長起主導(dǎo)作用的氮源要多，且其中無機(jī)氮源所占的比例要大些。種子罐和發(fā)酵罐的培養(yǎng)基成分相同，使處于對數(shù)生長期的菌種移植在適宜的環(huán)境中發(fā)酵，可以大大縮短其生長延滯期。其原因是執(zhí)行代謝活動的酶系已經(jīng)形成，可立即實(shí)施代謝功能，不需花費(fèi)時間另建適宜新環(huán)境的酶系。因此，種子罐和發(fā)酵罐的培養(yǎng)基成分趨于一致較好，但各成分的數(shù)量（即原料配比）需根據(jù)不同的培養(yǎng)目的各自確定。

2.接種齡和接種量

接種齡和接種量是種子制備過程中重要的控制指標(biāo)。

接種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌體從開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間。在種子罐中，隨著培養(yǎng)時間的延長，菌體量增加，基質(zhì)消耗和代謝產(chǎn)物積累，菌體量不再增加，逐漸老化。因此，選擇適當(dāng)?shù)慕臃N齡是一個至關(guān)重要的因素。接種齡一般以菌體處于生長旺盛期，且培養(yǎng)液中菌體量還未達(dá)到最高峰時，即對數(shù)生長期最合適。如果種子過于年幼，接入發(fā)酵罐后，會出現(xiàn)前期生長緩慢，整個發(fā)酵周期拉長，產(chǎn)物開始形成的時間推遲，而過老的種子也會出現(xiàn)生產(chǎn)能力下降而使菌體自溶的現(xiàn)象。對于不同菌種、不同產(chǎn)品品種、不同工藝條件，其接種齡也不相同，具體的生產(chǎn)，接種齡要進(jìn)行多次試驗(yàn)，從發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量的多少，即產(chǎn)率大小來確定最適接種齡。

接種量指的是移入的種子懸浮液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。抗生素的工業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)發(fā)酵的最適接種量為7%～15%或更多。啤酒生產(chǎn)發(fā)酵的接種量為5%～10%，谷氨酸發(fā)酵接種量僅為1%。接種量大小取決于生產(chǎn)菌的生長繁殖速度。大接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌體數(shù)達(dá)到高峰的時間，可以提早形成產(chǎn)物。這是因?yàn)榉N子液中含有胞外水解酶類，種子量大，酶量也多，有利于對基質(zhì)的作用和利用，同時菌體量多，占有絕對生長優(yōu)勢，可以相對減少少雜菌污染的機(jī)會。但接種量太大，也會造成菌體生長過速，溶解氧跟不上，從而影響產(chǎn)物的合成。

3.溫度

溫度對微生物的影響，不僅表現(xiàn)在對菌體表面的作用，而且因熱平衡的關(guān)系，熱傳遞至菌體內(nèi)，對菌體內(nèi)部所有的物質(zhì)都有作用。由于生物體的生命活動可以看作是相互連續(xù)進(jìn)行的酶反應(yīng)，任何化學(xué)反應(yīng)又都和溫度有關(guān)，通常在生物學(xué)范圍內(nèi)每升高10℃，生長速度就加快1倍，所以溫度直接影響酶反應(yīng)，進(jìn)而影響著生物體的生命活動。對于微生物來說，溫度直接影響其生長和合成酶活性。任何微生物的生長都需要有適宜的生長溫度，在此溫度范圍內(nèi)，微生物生長、繁殖最快。大多數(shù)微生物的最適生長溫度在25～37℃范圍內(nèi)，細(xì)菌的最適生長溫度大多比霉菌高些。如果所培養(yǎng)的微生物能承受稍高一些的溫度進(jìn)行生長、繁殖，可減少污染雜菌的機(jī)會，減少夏季培養(yǎng)所需降溫的輔助設(shè)備，對工業(yè)生產(chǎn)有很大的好處。

不管微生物處于哪個生長階段，每種微生物都有自己的最高生長溫度和最低生長溫度。為了使種子罐培養(yǎng)溫度控制在一定的范圍，生產(chǎn)上常在種子罐上安裝熱交換設(shè)備，如夾套、排管或蛇管等進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，冬季進(jìn)風(fēng)時還需加熱。

4.pH值

培養(yǎng)基的氫離子濃度對微生物的生命活動有顯著影響。各種微生物都有自己生長與合成酶的最適pH值。同一菌種合成酶的類型與酶系組成可隨pH值的改變而產(chǎn)生不同程度的變化。例如，黑曲霉合成柚苷酶時，培養(yǎng)基在pH 6.0以上的環(huán)境中，果膠酶活性受到抑制，pH值改變到6.0以下就形成果膠酶，且酶系組成由pH值決定。泡盛酒曲霉突變株在pH 6.0條件下培養(yǎng)時以產(chǎn)生α-淀粉酶為主，糖化型淀粉酶與麥芽糖酶產(chǎn)生極少，在pH 2.4條件下培養(yǎng)，轉(zhuǎn)向糖化型淀粉酶與麥芽糖酶的合成，α-淀粉酶受到抑制。

由此可見，培養(yǎng)基的pH值與微生物生命活動和酶系組成關(guān)系十分密切。培養(yǎng)基pH值在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變，陰離子（如醋酸根、磷酸根）被吸收或氮源被利用后NH3的產(chǎn)生，使pH值上升；陽離子（如、K+）被吸收或有機(jī)酸的積累，使pH值下降。一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH值轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH值轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接相關(guān)。因此，培養(yǎng)基必須保持適當(dāng)?shù)膒H值，而調(diào)節(jié)pH值的方法有三種，即使用酸堿溶液、緩沖液以及各種生理緩沖劑（如生理酸性與生理堿性的鹽類）。

5.通氣與攪拌

好氧菌或兼性需氧菌的生長與合成酶都需要供給氧氣。不同微生物要求的通氣量不同，即使是同一菌種，在不同生理時期對通氣量的要求也不相同。因此，在控制通氣條件時，必須考慮到既能滿足菌種生長與合成酶的不同要求，又要節(jié)省電耗，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

在培養(yǎng)階段的各個時期究竟如何選擇通氣量，要根據(jù)菌種的特性、罐的結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)基的性質(zhì)等許多因素，通過試驗(yàn)確定。通氣量的多少，最好按氧溶解的多少決定。只有氧溶解的速度大于菌體的吸氧速度時，菌體才能正常地生長和合成酶，否則氧的溶解比消耗少，氧的濃度降低，降到某一濃度（稱溶解氧的臨界點(diǎn)）時，菌體生長就減慢。因此，隨著菌體繁殖、呼吸增強(qiáng)，必須按菌體的吸氧量加大通氣量，以增加溶解氧的量。一般來說，培養(yǎng)罐深、攪拌轉(zhuǎn)速大、通氣管開孔面積小或數(shù)量多，氣泡在培養(yǎng)液內(nèi)停留時間就長，氧的溶解速度也就大，且在這些因素確定的條件下，培養(yǎng)基的黏度越小，氧的溶解速度也越大。因此，根據(jù)罐的結(jié)構(gòu)考慮培養(yǎng)液的黏度，增加一定的通氣量，可以達(dá)到菌體所需的溶解氧，滿足菌體呼吸的需要。

攪拌可以提高通氣效果，促進(jìn)微生物的繁殖，但是劇烈攪拌會導(dǎo)致培養(yǎng)液大量涌泡，液膜表層的酶容易氧化變性，損傷微生物細(xì)胞，同時泡沫過多將增加雜菌污染的機(jī)會。

6.泡沫

菌種培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的泡沫與微生物的生長和合成酶有關(guān)。泡沫的持久存在影響微生物對氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進(jìn)行，不利于發(fā)酵。此外，由于泡沫大量地產(chǎn)生，致使培養(yǎng)液的容量一般只是種子罐容量的一半左右，大大影響設(shè)備的利用率，甚至發(fā)生跑料現(xiàn)象，導(dǎo)致染菌，使損失更大。

在菌種培養(yǎng)過程中產(chǎn)生泡沫的原因是很多的。通氣、機(jī)械攪拌使液體分散和空氣竄入形成氣泡，培養(yǎng)基中某些成分的變化或微生物的代謝活動產(chǎn)生氣泡，培養(yǎng)基中某些成分（如蛋白質(zhì)及其他膠體物質(zhì)）的分子在氣泡表面排列形成堅(jiān)固的薄膜，不易破裂，聚成泡沫層。

對菌種培養(yǎng)過程的消泡措施的研究，主要偏重于化學(xué)消泡和機(jī)械消泡，并取得了一定的進(jìn)展。微生物工業(yè)目前使用的消泡劑，有各種天然的動植物油以及來自石油化工生產(chǎn)的礦物油、改性油、表面活性劑等，這類消泡劑往往因培養(yǎng)液的pH值、溫度、成分、離子濃度以及表面性質(zhì)的改變，在消泡能力上呈現(xiàn)很大的差別，在培養(yǎng)液內(nèi)殘留量也高，給凈化處理造成不同程度的困難。而新型的有機(jī)硅聚合物如硅油、聚硅氧烷樹脂等，則具有效率高、用量省、無毒性、無代謝性，同時兼有提高微生物合成酶活性等多種優(yōu)良特性，是一類有發(fā)展前途的消泡劑。泡沫的控制除了添加消泡劑外，改進(jìn)培養(yǎng)基成分也是相輔相成的一個重要方面。例如，在培養(yǎng)基配料中增加磷酸鹽已在某些場合收到實(shí)效，可使消泡劑添加量大幅降低。

7.染菌的控制

染菌是微生物發(fā)酵生產(chǎn)的大敵，一旦發(fā)現(xiàn)染菌，應(yīng)及時進(jìn)行處理，以免造成更大的損失。如果不是設(shè)備本身結(jié)構(gòu)存在“死角”，染菌的原因歸納起來主要包括設(shè)備、管道、閥門漏損，滅菌不徹底，空氣凈化不好，無菌操作不嚴(yán)或菌種不純等。

因此，要控制染菌繼續(xù)發(fā)展，必須及時找出染菌的原因，采取措施，杜絕染菌事故再現(xiàn)。菌種發(fā)生染菌會使各個發(fā)酵罐都染菌。因此，必須加強(qiáng)接種室的消毒管理工作，定期檢查消毒效果，嚴(yán)格無菌操作技術(shù)。如果新菌種不純，則需反復(fù)分離，直至完全純粹為止。對于已出現(xiàn)雜菌菌落或噬菌體噬斑的試管斜面菌種，應(yīng)予以廢棄。在平時應(yīng)經(jīng)常分離試管菌種，以防菌種衰退、變異和污染雜菌。對于菌種擴(kuò)大培養(yǎng)的工藝條件要嚴(yán)格控制，對種子質(zhì)量更要嚴(yán)格掌握，必要時可將種子罐冷卻，取樣做純菌試驗(yàn)，確認(rèn)種子無雜菌存在，才能向發(fā)酵培養(yǎng)基中接種。