高粘度发酵技术及其在微生物多糖工业生产中的应用

基于高密度培养的两阶段发酵技术生产热凝胶的研究马立伟，詹晓北，吴剑荣江南大学生物工程学院，工业生物技术教育部重点实验室，江苏无锡 (214122)E-mail: xbzhan@摘要：微生物多糖在发酵过程中产生的高传氧阻力限制了高密度发酵技术在发酵过程中的直接应用，削弱了微生物多糖发酵的生产强度。

本文根据热凝胶发酵过程中不同时间和空间对氧传质的不同需求，实施两阶段发酵工艺：第一阶段在种子罐中实施高密度培养，第二阶段在发酵罐中稀释细胞密度，使微生物直接进入产胶阶段，同时解除氧传质对产热凝胶的限制作用，达到高强度发酵生产热凝胶的目标。

通过对两阶段发酵工艺的构建和优化，结果表明该工艺较好地满足菌体生长和热凝胶合成对营养和氧传质的不同要求，热凝胶产量达到66 g/L，相对于分批发酵工艺产胶量提高了106％，比产胶速率提高了20％，并且在菌体生长阶段发酵规模比分批发酵缩小了75%，因此节约了能量，降低了功率消耗。

关键词：粪产碱杆菌，热凝胶；两阶段发酵；高密度培养中图分类号：Q815 文献标识码：A0. 前言热凝胶是由粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis var myxogene）在氮源限制条件下生成的胞外多糖，是一种水不溶性的β-(1,3)-D-葡聚糖，具有独特的热成胶特性，在食品中具有广泛的应用[1]。

国内外关于热凝胶生产的研究主要集中在营养物质添加、pH控制、搅拌速度和反应器设计对热凝胶产量的影响[2,3,4,5]。

热凝胶是一种典型的非生长偶联性产物，Lee等人[6]提出了结合pH控制和提高生物量的两阶段发酵观点，首先通过调节氮源的数量来控制菌体浓度，接着进行热凝胶发酵。

本实验室前期研究[7]是通过提高分批发酵中初始NH4Cl浓度的办法来提高生物量，从而来提高热凝胶的产量；然而过高的NH4Cl浓度会不利于细菌的生长，发酵液中残留的铵离子，还会抑制热凝胶的合成。

微生物多糖发酵属于高粘度发酵，在发酵过程中产生的高传氧阻力限制了高密度发酵技术在发酵过程中的直接应用，但由于大部分微生物多糖均属于次级代谢产物，若将微生物细胞培养与多糖合成分为两个阶段进行，第一阶段在种子罐中以低C/N营养条件促进快速高密度培养微生物，第二阶段在发酵罐中稀释细胞后以高C/N营养条件高强度生产微生物多糖，使细菌直接进入产胶期，既解除发酵体系高传氧阻力与细胞高耗氧需求的矛盾，又满足微生物多糖合成阶段与菌体生长阶段的不同营养需求。

不同因素对微生物多糖溶液黏度的影响不同因素对微生物多糖溶液黏度的影响微生物多糖是一种广泛存在于自然界中的多糖物质，具有很强的黏性与水溶性，是生物体的重要成分和广泛应用的稀有资源。

而微生物多糖的黏度又是其性质之一，它的测定与研究对于多糖的生产、提取、纯化和应用等方面具有很重要的意义。

因此，本文将从影响微生物多糖溶液黏度的不同因素的角度分析并探讨微生物多糖的黏度性质。

一、分子结构的影响微生物多糖分子结构的差异是影响其黏度的重要因素，分子量、分子结构单元数量、糖基之间的化学键、糖基之间的建立方式等都会影响微生物多糖的溶液黏度。

首先，分子量越大，微生物多糖的黏度就越高，这与其在水中形成聚集体相关。

其次，微生物多糖的结构单元数量和糖基之间的化学键数量将决定其结构层数及其分子间的张力大小，从而对黏度产生影响。

最后，不同的糖基之间的建立方式也是影响其黏度大小的重要因素。

如在多肽中，糖基之间的交联会加强不同糖基之间的互相作用力，从而使溶液的黏度增加。

二、pH值的影响微生物多糖的pH值对其黏度也产生了明显的影响。

在不同的pH值下，微生物多糖的分子结构发生变化，从而影响黏度。

当pH值过低或过高时，会导致微生物多糖的分子结构缩紧、破坏，水分子进入分子之间发生反应，从而导致分子间斥力增大，致使微生物多糖的黏度降低。

三、离子强度的影响离子强度也是影响微生物多糖黏度的重要因素。

微生物多糖的黏度可受离子强度的影响而改变，由于离子的存在会阻碍多糖分子组成的聚集体之间的弱相互作用力，使这些聚集体成熟的颗粒结构得到较好的稳定，导致溶液成为高粘度。

但过高的离子浓度则会产生阻力，导致微生物多糖的黏度降低。

四、温度的影响微生物多糖的黏度也受温度的影响。

随着温度的升高，分子间的引力会减弱，分子的运动速度也会加快，从而导致微生物多糖的黏度降低。

但是，当温度过高时，由于聚集体的分解与稳定之间的平衡发生改变，导致部分聚集体的分解难度增加，从而使得微生物多糖的黏度增加。

食品工业中微生物多糖的应用-食品工业论文-轻手工业论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：微生物多糖可利用微生物发酵快速大量获得，生产可控性强，不受地理、季节和收成的限制，且微生物多糖本身具有性能好、毒性低的特点，在食品工业中具有较好的经济效益和良好的市场前景。

文章介绍了几种微生物多糖的性能和其在食品工业中的应用。

关键词：微生物多糖；食品工业；应用微生物多糖是微生物产生的生物高聚物。

最初这种在细菌荚膜中被提取出来的化学物质受到了医学届的重视，并被制成疫苗。

生物学进入分子时代后，有关微生物多糖对人体健康的影响机制的研究也非常多，科学家发现其与免疫、代谢、细胞与分化、细胞凋亡等都有密切的关系。

本世纪初，随着基础研究对工业的带动作用，微生物多糖在食品工业中的用途研究也日益增多。

微生物多糖可分为三大类：细胞壁多糖、胞内及胞外多糖。

其中胞外多糖在微生物代谢中产生量最大，和菌体分离容易，可利用深层发酵技术实现大规模工业化生产。

微生物多糖在食品工业中的应用比较广泛，可以用作抗凝剂、保鲜剂、增稠剂、稳定剂、被膜剂、膨松剂等。

微生物多糖的生产可控性强，不受地理、季节和收成的限制，有较强价格优势和发展前景。

本文选取食品工业中常用的几种微生物多糖进行介绍。

1黄原胶黄原胶（Xanthangum），又名汉生胶，属胞外多糖，在食品工业中应用较多。

黄原胶是由野油菜黄单胞杆菌（Xanthomnascampestris）经发酵工程生产出来的。

黄原胶由μ-葡萄糖、μ-甘露糖、μ-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸聚合而成。

1988年8月我国卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并将其列入食品添加剂的名单中[1]。

黄原胶易溶于水，在冷水、热水中分散性稳定，在低浓度下能产生很高的粘度，增稠性良好，具有较高的假塑性、良好的稳定性，也具有良好的分散和乳化作用。

黄原胶在食品工业中可用作稳定剂、乳化剂、悬浮剂、增稠剂等。

它能改善半流质食品及调味品的流变特征，保持食品质地的均一性并改善口感；在乳饮料中，可充当乳化剂，提高悬浮体系均一化程度，防止油水分层，增进蛋白质的稳定性，满足消费者对粘稠乳制品的感官需求；利用其抗氧化特性，用含有黄原胶的保鲜剂涂抹处理水果，可延长水果的贮藏时间；利用其稳定性和保型性，在面点、糖果和糖果加工业，黄原胶可使产品获得更长的保质期和更浓郁的口感；利用其持水性和假塑性，在肉食品加工业，黄原胶可明显提高火腿和香肠的持水性，并使产品具有人的色泽、口感和风味。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.02.12C N 103571775A(21)申请号 201310486445.0(22)申请日 2013.10.17CGMCC NO.3819 2010.05.07C12N 1/20(2006.01)A23C 9/127(2006.01)C12R 1/46(2006.01)(71)申请人哈尔滨工业大学地址150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人韩雪 张兰威 冯镇 单毓娟易华西 宋微 张英春(54)发明名称一种改善发酵乳黏度的产胞外多糖乳酸菌及其应用(57)摘要一种改善发酵乳黏度的产胞外多糖乳酸菌及其应用，属于乳品加工领域。

本发明提供的产胞外多糖乳酸菌菌株为嗜热链球菌ZLW-TM11菌株，保存于中国普通微生物菌种保藏中心，其保藏编号为CGMCC No.3819，保藏日期为2010.5.7。

本发明菌株产胞外多糖含量约为43mg/L ，单菌发酵乳粘度为7716mPa/s ，可做为酸奶发酵剂应用于酸乳中，改善酸奶品质。

使用上述改善发酵乳黏度的产胞外多糖菌ZLW-TM11制备的直投发酵剂应用到发酵乳中，可与发酵乳用任何一株菌或直投发酵剂混合使用，不改变原有发酵制品产酸速度及风味，且制得的产品中胞外多糖含量可达40-45mg/L ，产品具有很好的粘稠性，无须添加明胶等增稠剂。

(83)生物保藏信息(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图2页(10)申请公布号CN 103571775 A1/1页1.一种改善发酵乳黏度的产胞外多糖乳酸菌，其分类命名为嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus ）ZLW-TM11菌株，保存于中国普通微生物菌种保藏中心，保藏编号为 CGMCC No.3819，保藏日期为2010.5.7。

高粘度微生物发酵工艺对休闲农业废水处理的影响休闲农业是近年来兴起的一种农业经营模式，它将农业与旅游、休闲等元素相结合，吸引了大量的游客和消费者。

然而，休闲农业生产过程中产生的废水问题一直困扰着农场主和经营者。

高粘度微生物发酵工艺作为一种新兴的废水处理技术，具有很大的潜力来解决这个问题。

废水处理是休闲农业中的一个重要环节。

休闲农业废水主要包含有机物、氨氮、总磷等污染物。

高粘度微生物发酵工艺是利用微生物的代谢活性来降解废水中的有机物，进而去除污染物。

相比传统的废水处理技术，高粘度微生物发酵工艺具有处理效果好、周期短、运行成本低等优点。

高粘度微生物发酵工艺对休闲农业废水处理的影响主要体现在以下几个方面。

首先，高粘度微生物发酵工艺可以有效地去除废水中的有机物。

高粘度微生物在发酵过程中产生的酶类可以降解废水中的有机物，将其分解为水和二氧化碳等无害物质。

这样不仅可以减少有机物的浓度，还可以降低废水对环境的污染程度。

其次，高粘度微生物发酵工艺对氨氮的去除也具有良好的效果。

休闲农业废水中的氨氮是一种常见的污染物，过高的浓度会导致水体富营养化。

高粘度微生物发酵工艺通过微生物代谢的过程将废水中的氨氮转化为无害的氮气释放到空气中，从而达到去除氨氮的目的。

再次，高粘度微生物发酵工艺可以降低废水中总磷的含量。

休闲农业废水中的总磷是另一个常见的污染物，其过高的浓度会导致水体富营养化和藻类爆发。

高粘度微生物发酵工艺通过微生物的吸附作用和代谢作用将废水中的总磷去除。

这种方法能够有效地降低废水中总磷的含量，减轻对水体环境的污染。

另外，高粘度微生物发酵工艺还可以用于废水中微生物菌群的调控。

休闲农业废水中的微生物菌群会影响废水处理的效果和稳定性。

通过高粘度微生物发酵工艺可以在废水处理系统中引入有益微生物种群，增强废水处理系统的活性。

这样不仅能够提高废水处理效果，还能够保持废水处理系统的稳定性。

虽然高粘度微生物发酵工艺对休闲农业废水处理产生了积极的影响，但是在实际应用中，还存在一些挑战和问题。

高粘度快速发酵生产燃料乙醇技术研究最终报告作者：靳艳玲赵海方扬来源：《科技创新导报》2016年第01期摘要：在粘度产生机制方面，以甘薯为模式原料利用多糖单克隆抗体芯片分析技术解析了粘度产生的机制，为降粘技术的开发提供了靶点；在降粘技术方面，利用商品化酶开发了复合降粘酶系，同时还自主筛选出了可以同时产生复合降粘酶的单菌株，并开发了配套的降粘工艺，可使甘薯、木薯、芭蕉芋等粘度下降90%以上；在菌种选育方面，选育到8株高浓度乙醇发酵酵母，并通过适应性驯化提高了菌株对高温、高压等环境压力条件的抗性，同时还研究了菌株的压力耐受机制，为进一步改造或优化其应用工艺提供数据支持；在发酵过程调控方面，开发出了代谢促进剂及配套的高浓度快速乙醇发酵技术，发酵24 h内，乙醇浓度可达12%以上；在反应器开发方面，开发出新型利用变频泵驱动的高传质低能耗反应器，可使粘度高达9万mPa·S的薯类浓醪传质均匀；通过高效乙醇发酵菌株，降粘技术体系，快速乙醇发酵和高浓度乙醇发酵等关键技术模块的系统集成建立了高粘度快速发酵生产燃料乙醇技术体系，并应用于西南地区最大的乙醇生产企业——资中县银山鸿展工业有限责任公司3万t燃料乙醇示范生产线上。

以鲜甘薯为原料，发酵时间由现有技术的60 h以上缩短为30 h以内，乙醇浓度由5%～6%（v/v）平均提高到10.69%（v/v），最高可达12.41%（v/v），发酵效率由88%以下提高至90%以上，可提高单位设备的生产力，降低乙醇蒸馏能耗，节能效果明显。

关键词：燃料乙醇粘度非粮Abstract：In terms of the mechanism of viscosity， sweet potato was used as a model material and investigated with polysaccharide monoclonal antibody microarray. The results of this analysis explained what kinds of component related with viscosity and provided targets for viscosity reduction technology. Complex enzymes was developed for viscosity reduction， and fungi which could produce complex viscosity reduction enzymes was screened. Under the function of these enzymes，viscosity of sweet potato，cassava and canna was reduced by 90%. In terms of microbe， 8 strains of yeast were screened， and then acclimation to high temperature and high concentration of ethanol was carried out. The mechanism of stress tolerance of these yeasts was investigated， and the results would be benefit to better performance of these yeasts. In terms of fermentation technology， one fermentation stimulant was developed. Under the function of this stimulant，12% ethanol could be produced within 24h. In terms of reactor， novel reactor with high performance and low energy consumption was developed， which could blend high viscosity sweet potato mash well. After system integration， these technologies were applied to 30，000t scale of production line in the biggest ethanol plants in southwest of China. Fermentation time was reduced from more than 60h to less than 30h， ethanol concentration was increased from 5%～6% to 12%， and ferment efficiency wasenhanced from 88% to 90%. These changes of parameters could enhance productivity of facilities，and decrease energy consumption significantly.Key Words：Fuel Ethanol；Viscosity；Non-grain Material阅读全文链接（需实名注册）：http：///xiangxiBG.aspx？id=14295&flag=1。