pH值对普鲁兰多糖发酵的影响及其机理分析

pH值对微生物发酵的影响及其控制一、pH值对发酵的影响发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活的重要因素。

pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。

培养基中营养物质的代谢，是引起pH值变化的主要原因，发酵液pH值的变化乃是菌体代谢的综合效果。

由于pH值不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适生长pH值和最适生产pH值。

各种不同的微生物，对pH值的要求不同。

多数微生物生长都有最适pH值范围及其变化的上下限：上限都在8.5左右，超过此上限，微生物将无法忍受而自溶；下限以酵母为最低(2.5)。

但菌体内的pH值一般认为是中性附近。

pH值对产物的合成有明显的影响，因为菌体生长和产物合成都是酶反应的结果，仅仅是酶的种类不同而已，因此代谢产物的合成也有自己最适的pH值范围，如合成青霉素的最适pH值范围为6.5～6.8。

这两种pH值的范围对发酵控制来说都是很重要的参数。

另外，pH值还会影响某些霉菌的形态。

一般认为，细胞内的H＋或OH－能影响酶蛋白的解离度和电荷情况，改变酶的结构和功能，引起酶活性的改变。

但培养基的H＋或OH－并不是直接作用在胞内酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱碱)上，使之成为易于透过细胞膜的分子状态的弱酸(或弱碱)，它们进入细胞后，再行解离，产生H＋或OH－，改变胞内原先存在的中性状态，进而影响酶的结构和活性。

所以培养基中H＋或OH－是通过间接作用来产生影响的。

pH值还影响菌体对基质的利用速率和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。

普鲁兰多糖作为培养基原料
普鲁兰多糖（Pullulan）是一种由出芽短梗霉（Aureobacidium pullulans）发酵产生的细胞外纯天然高分子多糖。

它是一种水溶性粘质多糖，由葡萄糖通过O-1,4-糖苷键连
接的麦芽三糖重复单位组成。

普鲁兰多糖具有较高的分子量（一般在4.8×10^4至
2.2×10^6之间），结构富有弹性，溶解度较大。

普鲁兰多糖在医药、食品、轻工、化工和石油等领域具有广泛的应用。

在食品行业，它被用作稳定剂、增稠剂和被膜剂等。

在医药领域，普鲁兰多糖由于其独特的物理和化学性质，被用作药物载体、药物控释系统和生物材料等。

当普鲁兰多糖作为培养基原料时，它可以为微生物提供碳源和能量。

由于普鲁兰多糖具有良好的水溶性和生物相容性，它可以促进微生物的生长和代谢。

此外，普鲁兰多糖还可以通过调节培养基的粘度和成膜性，改善微生物培养的条件。

在实际应用中，研究者可以通过改变培养基中普鲁兰多糖的浓度来调控微生物的生长特性。

例如，在发酵过程中，提高普鲁兰多糖浓度可以促进高分子量普鲁兰多糖的产生。

同时，通过研究普鲁兰多糖发酵过程中基因的转录差异，可以揭示影响普鲁兰多糖分子量调控的关键基因，为优化培养基配方提供依据。

总之，普鲁兰多糖作为一种培养基原料，在微生物培养中具有重要作用。

通过调整普鲁兰多糖浓度和探究其对微生物生长特性的影响，可以为发酵工艺优化和产率提高提供支持。

发酵过程ph升高的原因
发酵过程中pH升高的原因
发酵是一种生物化学过程，通过微生物的作用将有机物转化为有用的产物。

在发酵过程中，pH的变化是一个重要的指标。

一般情况下，发酵过程中pH会逐渐升高，这是由多种因素共同作用引起的。

发酵过程中产生的酸性物质的消耗是导致pH升高的主要原因之一。

在发酵过程中，微生物会分解有机物质，产生一系列有机酸，如乳酸、醋酸等。

这些有机酸会降低培养基的pH值。

然而，随着发酵的进行，微生物会利用这些有机酸作为能源，逐渐将其分解代谢，从而消耗掉这些酸性物质，使pH升高。

微生物的代谢产物也可以影响发酵过程中的pH值。

在发酵过程中，微生物会产生一些碱性物质，如氨、氢氧化钠等。

这些碱性物质会中和酸性物质，从而提高培养基的pH值。

发酵过程中微生物的生长和繁殖也会对pH的变化起到影响。

微生物的生长需要适宜的环境条件，包括适宜的pH值。

在发酵过程中，微生物会根据自身的需要调节环境的pH值。

一般情况下，微生物的生长和繁殖会使培养基中的有机酸物质减少，从而导致pH升高。

发酵过程中温度的变化也可能对pH值产生一定的影响。

温度的增加会促进微生物的代谢活动，加快有机物的分解速度。

随着有机物的分解产生的酸性物质的消耗，pH值也会相应地升高。

总结起来，发酵过程中pH升高的原因主要包括：酸性物质的消耗、碱性物质的产生、微生物生长和繁殖以及温度的变化等。

这些因素共同作用，使得发酵过程中的pH值逐渐升高。

了解这些原因对于控制发酵过程中的pH值，保证发酵过程的顺利进行和产物的质量具有重要意义。

普鲁兰多糖的吸湿、保湿性及其黏度稳定性孙芳艳;王萌;王建梓;郝华璇;殷海松;乔长晟【摘要】通过将普鲁兰多糖与透明质酸以及甘油进行对比，对普鲁兰多糖的吸湿和保湿性能进行了研究，并对其吸湿过程作了初步的动力学分析．同时研究不同黏度普鲁兰多糖的保湿性以及温度、pH 和 Na+浓度对普鲁兰多糖黏度稳定性的影响．结果表明：普鲁兰多糖在相对湿度81%,时其吸湿、保湿效果与透明质酸不相上下，其吸湿过程符合二级吸附动力学模型，相关系数达到0.99以上；质量浓度为1,mg/mL 的普鲁兰多糖(黏度为42.7,mPa·s)保湿性能最佳．普鲁兰多糖黏度受温度、pH 以及离子浓度的影响较小，表明其具有较好的黏度稳定性．因此，这为普鲁兰多糖在食品中作为持水剂、增稠剂和稳定剂以及在化妆品中作为保湿因子提供了一定的理论依据．%By comparing hyaluronic acid and glycerin,the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were investigated.Kinetic analysis of moisture absorption process of pullulan was carried out.In addition,the moisture retaining capacity of pullulan with different viscosity and the effects of temperature,pH andNa+concentration on the viscosity stabil-ity of pullulan were examined.Under atmospheric condition of RH 81%,,the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were similar to those of hyaluronic acid,and its moisture absorption process meets the mode of second-order ad-sorption kinetic equation with correlation coefficient higher than0.99.The optimal concentration for moisture retention was1,mg/mL(42.7,mPa·s).The viscosity of pullulan has good stability to temperature,pH and ion concentration.This research has provided atheoretical basis for using pullulan as a water-absorbing agent,thickener and stabilizer in food,as well as a moisturizer factor in cosmetics.【期刊名称】《天津科技大学学报》【年(卷),期】2016(031)004【总页数】5页(P20-24)【关键词】普鲁兰多糖;吸湿性;保湿性;黏度稳定性【作者】孙芳艳;王萌;王建梓;郝华璇;殷海松;乔长晟【作者单位】工业发酵微生物教育部重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457;工业发酵微生物教育部重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457;工业发酵微生物教育部重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457;天津北洋百川生物技术有限公司，天津 300457;工业发酵微生物教育部重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457;工业发酵微生物教育部重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457; 天津北洋百川生物技术有限公司，天津 300457【正文语种】中文【中图分类】O636普鲁兰多糖（pullulan）又名茁霉多糖、普鲁兰糖，是出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）菌株在其生长过程中通过糖发酵途径合成的一种胞外中性多糖.其分子将麦芽三糖作为基本单位，两端再以α-1，6-糖苷键将其连接，反复聚合形成高分子直链多糖，α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键的比例为2∶1［1］.干燥的普鲁兰多糖是一种易溶于水的白色粉末，溶液无胶凝作用且黏稠稳定.普鲁兰多糖的黏结、成膜以及阻氧性能极佳，且具有易自然降解等独特的理化和生物学性质，对人体无毒无害，是一种有极大应用开发价值和前景的多功能新型生物制品［2］.保湿是化妆品不可或缺的功效，皮肤的湿度是保证皮肤年轻化的最基本的条件.透明质酸（HA）是目前自然界中发现的保湿性能最好的物质［3］，被国际化妆品行业公认为最理想的天然保湿因子，但是HA制备方法的局限性使其价格居高不下，难以满足市场需求，寻找合适的透明质酸替代品一直是研究热点［4］.此外，多糖物质的黏性对发挥活性功效也会产生很大影响.目前，普鲁兰多糖作为保湿功效性添加剂在化妆品中的应用研究较浅，本实验以实验室提取干燥的普鲁兰多糖为研究对象，以HA、甘油为对照，研究普鲁兰多糖的吸湿、保湿性，进一步研究其吸湿动力学以及黏度稳定性，旨在为低成本生产的普鲁兰多糖在食品工业和化妆品行业的应用提供一定理论依据.1.1 原料与试剂普鲁兰多糖，本实验室提取所得（Mw=2.0× 105）；透明质酸（HA，化妆品级），山东福瑞达生物化工有限公司；甘油（分析纯），湖北化工科技开发公司；其他化学试剂均为分析纯.1.2 仪器101-0 型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；NDJ-1型旋转式黏度计，北京爱格森自动化有限公司；S21-3型磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；FG2-FiveGoTM型便携式 pH计，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；SHZ-GWX型数显恒温振荡水浴锅，金坛市国旺实验仪器厂；FA2104A型电子分析天平，上海精天电子仪器有限公司.1.3 普鲁兰多糖吸湿、保湿性测定1.3.1 普鲁兰多糖吸湿性的测定以具有吸湿性的HA、甘油为对照，测定普鲁兰多糖的吸湿性.将普鲁兰多糖、HA、甘油置于 105，℃烘箱中 3，h，再将样品移至干燥器中，冷却至室温后分别称取各样品 1，g于干净玻璃培养皿中（直径6，cm），25，℃条件下将培养皿置于相对湿度为81%，（饱和硫酸铵溶液）的干燥器中，每隔 3，h称量 1次. 每个样品作3 组平行.按式（1）计算吸湿率.式中：mt为t小时后培养皿和样品的质量，g；m0为质量恒定的培养皿和样品的质量，g；m为样品质量，g.1.3.2 普鲁兰多糖保湿性的测定将1.3.1中吸湿24，h后的样品移至干燥器（装有硅胶）中进行保湿实验，每 3，h称量 1次培养皿的质量，按式（2）计算样品的保湿率.式中：m0为质量恒定的培养皿和样品的质量，g；ma为 a小时后培养皿和样品的质量，g；mb为放入干燥器前培养皿和样品的初始质量，g.1.4 不同质量浓度普鲁兰多糖保湿性的测定采用 NDJ-1型旋转式黏度计测定普鲁兰多糖溶液不同质量浓度（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2，mg/mL）的绝对黏度.25，℃下分别吸取 10，mL不同质量浓度普鲁兰多糖溶液置于质量恒定的敞口玻璃皿中，放入相对湿度为 43%，的密闭干燥器（饱和碳酸钠溶液）中.每3，h称 1次玻璃皿质量，每个样品作 3组平行，计算保湿率.1.5 普鲁兰多糖黏度稳定性采用NDJ-1型旋转式黏度计测定普鲁兰多糖溶液的绝对黏度，探究温度、Na+浓度和pH对普鲁兰多糖黏度的影响［5-6］.1.5.1 温度对普鲁兰多糖黏度的影响将1.0，mg/mL普鲁兰多糖溶液置于水浴锅中，5～95，℃（每5，℃为一梯度）水浴 20，min后测溶液的黏度，每个样品作 3组平行，测定温度对普鲁兰多糖黏度的影响.1.5.2 pH对普鲁兰多糖黏度的影响将 1.0，mg/mL普鲁兰多糖溶液 pH分别调节至1、3、5、7、9、11、13，静置20，min后测溶液的黏度，每个样品作3组平行，测定pH对普鲁兰多糖黏度的影响.1.5.3 Na+浓度对普鲁兰多糖黏度的影响向 40，mL 1.0，mg/mL普鲁兰多糖溶液中分别加入 0.6、1.2、1.8、2.4、3.0，mol/L NaCl溶液 20，mL，混匀，空白组加入 20，mL蒸馏水，静置 20，min后测溶液的黏度，每个样品作 3组平行，测定 Na+浓度对普鲁兰多糖黏度的影响.1.6 数据统计分析采用Origin软件整理数据，用ANOVA 进行方差分析，结果以“平均值±标准差”表示.2.1 普鲁兰多糖的吸湿、保湿性普鲁兰多糖、HA和甘油的吸湿性，如图1所示.在高相对湿度（81%，）环境下，前 12，h，3 种样品吸湿率都随放置时间的延长而显著升高，吸湿快慢顺序为甘油＞HA＞普鲁兰多糖；12～15，h，3种样品吸湿率都有小幅的增大；但是15，h之后，样品的吸湿率基本达到稳定，其中 HA和普鲁兰多糖的吸湿率相近，甘油则高于二者.普鲁兰多糖、HA和甘油的保湿性，如图 2所示.甘油、普鲁兰多糖和HA在干燥环境下的保湿率都随时间的延长而呈下降趋势.在前6，h样品保湿率的下降快慢顺序为甘油＞普鲁兰多糖＞HA；在后6，h甘油的保湿率明显下降，HA和普鲁兰多糖的保湿率趋于平稳，但HA的保湿性略高于普鲁兰多糖.影响高分子物质吸湿、保湿性能的根本原因在于其物质结构中亲水基团的数量及其亲水性的强弱.由图1、2可知，甘油作为传统保湿剂表现出较好的吸湿性、保湿性，但保湿性却明显低于普鲁兰多糖和 HA.这可能是由于甘油分子中虽然存在大量羟基导致其吸湿性能很强，但与水形成的氢键结合力较弱，水分子容易离去导致其保湿性能较差.普鲁兰多糖和 HA这两种生物多糖由于分子质量较大且都含有亲水基团使其具有吸湿、保湿特性.在吸湿、保湿性能方面普鲁兰多糖与 HA相近，但普鲁兰多糖的价格却只有HA的10%，，因此，完全可以作为HA的替代品，应用于保湿化妆品行业.2.2 普鲁兰多糖的吸湿动力学由图 1 可以看出，初始阶段时普鲁兰多糖、HA和甘油的吸水速率较快，9，h后吸水速率逐渐变慢，15，h 时基本达到平衡，为了进一步了解这 3种样品的吸湿性能，分别采用一级和二级吸附动力学方程来拟合吸湿实验.一级吸附的动力学方程式［7］式中：qe为达到吸附平衡时的吸水量，mg/g；q为时间t时的吸水量，mg/g；k1为一级速率常数，min-1；t为时间，min.一级动力学拟合得到的结果见图 3 和表1.由表1可知，qe/exp和qe/cal之间差距较大，说明普鲁兰多糖、HA和甘油对水分的吸收不符合一级吸附动力学.现转用二级吸附动力学模拟，二级吸附动力学方程式［8］式中：qe为达到吸附平衡时的吸水量，mg/g；q为时间t 时的吸水量，mg/g；k2为二级速率常数，min-1.二级动力学拟合得到的结果见图4和表2.由表2可知，用二级吸附动力学拟合后曲线的相关系数都高于 0.99，且 qe/exp 和 qe/cal更为接近，这说明用二级动力学模型拟合普鲁兰多糖、甘油和HA的吸湿过程更准确，表明是化学作用在控制它们的吸湿过程.普鲁兰多糖（相对湿度81%，）的吸附方程式为式中：t为时间，min；q为时间t时的吸水量，mg/g.2.3 不同质量浓度普鲁兰多糖的保湿性普鲁兰多糖质量浓度与黏度的关系如图 5所示.普鲁兰多糖的黏度与质量浓度呈线性正相关.这可能是由于普鲁兰多糖分子之间的交联度以及聚合度随着质量浓度的增大而增大，从而提高了多糖溶液的黏度.不同黏度普鲁兰多糖的保湿率结果见表3.由表3可知：同一黏度普鲁兰多糖随时间延长，保湿率逐渐减小.当普鲁兰多糖放置 3，h，不同黏度普鲁兰多糖保湿率几乎相同；放置 6，h后，不同黏度普鲁兰多糖保湿率差异明显.低黏度普鲁兰多糖保湿率降低速率大于高黏度普鲁兰多糖，且当溶液的黏度为42.7，mPa·s，即质量浓度为 1，mg/mL时，普鲁兰多糖保湿率不随质量浓度的增加而变化，保湿率几乎不变，说明普鲁兰多糖的最佳保湿黏度为 42.7，mPa·s，即质量浓度为1，mg/mL.这可能是由于随普鲁兰多糖质量浓度的增加，普鲁兰多糖溶液中的羟基也在不断增多，普鲁兰多糖与溶液中水分子形成氢键增多，持水能力增强，保湿性增强.2.4 普鲁兰多糖黏度稳定性2.4.1 温度对普鲁兰多糖黏度的影响温度对普鲁兰多糖溶液黏度的影响如图 6所示.普鲁兰多糖溶液的黏度几乎不受温度变化的影响，黏度变化范围小于 4，mPa·s.当温度低于室温时黏度有所波动，但是在高温环境下黏度几乎不受影响，这说明普鲁兰多糖溶液黏度具有较好的热稳定性.这可能是由于普鲁兰多糖本身呈线性结构导致其黏度比其他多糖低很多，热作用未对其结构产生影响，因此黏度的稳定性较高.2.4.2 pH对普鲁兰多糖黏度的影响pH对普鲁兰多糖溶液黏度的影响如图 7所示.由图7可知：普鲁兰多糖溶液黏度在pH 3～11范围内稳定性较高；当pH＜3或pH＞11时，溶液黏度迅速下降.这可能是由于在pH＜3或pH＞11环境下，大量的 H+和 OH-会破坏普鲁兰多糖的结构，使多糖的聚合度降低，进一步减小多糖溶液的黏度.2.4.3 Na+浓度对普鲁兰多糖黏度的影响离子浓度对普鲁兰多糖溶液黏度的影响如图 8所示.由图 8可知，Na+的浓度并不影响普鲁兰多糖溶液的黏度，说明即使在电解质溶液中普鲁兰多糖也表现出较好的黏度稳定性.因此当普鲁兰多糖用作食品添加剂时其效果不会因盐分的存在而发生变化.普鲁兰多糖的吸湿、保湿性能和 HA相近，可作为HA的替代品用于化妆品中；甘油表现出较好的吸湿性能，但保湿效果却不理想.用二级动力学模型拟合普鲁兰多糖、甘油和HA的吸湿过程曲线的相关系数均高于0.99，表明是化学作用在控制样品的吸湿过程.质量浓度为 1，mg/mL的普鲁兰多糖（黏度为42.7，mPa·s）保湿性能最佳.普鲁兰多糖溶液黏度受温度、离子浓度的影响较小，表现出很好的黏度稳定性，并且在较广pH范围（pH 3～11）内黏度较稳定.因此，这为普鲁兰多糖在食品中作为持水剂、增稠剂和稳定剂以及在化妆品中作为保湿因子提供了一定的理论依据.【相关文献】［1］ Mishra B，Vuppu S，Rath K. The role of microbial pullulan，a biopolymer in pharmaceutical approaches：A review［J］. Journal of Applied Pharmaceutical Science，2011，1（6）：45-50.［2］ Prajapati V D，Jani G K，Khanda S M. Pullulan：An exopolysaccharide and its various applications［J］. Carbohydrate Polymers，2013，95（1）：540-549.［3］崔媛，段潜，李艳辉. 透明质酸的研究进展［J］. 长春理工大学学报：自然科学版，2011，34（3）：101-106.［4］ Sudha P N，Rose M H. Chapter nine：Beneficial effects of hyaluronic acid［J］. Advances in Food and Nutrition Research，2014，72：137-176.［5］纵伟，王会晓，闵婉平，等. 红枣多糖黏度特性的研究［J］. 食品科技，2011，36（2）：69-71.［6］ Jang H Y，Zhang Ke，Chon B H，et al. Enhanced oil recovery performance and viscosity characteristics of polysaccharide xanthan gum solution［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，21：741-745.［7］汪剑炜，毕丹霞，杨柳林，等. 透明质酸与两种甲壳素类新保湿剂的吸湿/保湿动力学［J］. 商丘师范学院学报，2007，23（3）：13-17.［8］ Ho Y S，Mckay G. Pseudo-second order model for sorption processes［J］. Process Biochemistry，1999，34（5）：451-465.。

第七章发酵的中间控制重点温度控制发酵热温度对发酵的影响 pH值的控制pH值对菌生长和代谢产物形成的影响影响pH变化的因素发酵过程中pH的调节及控制泡沫的控制发酵过程中泡沫的变化补料的控制发酵的中间控制的项目包括温度控制pH控制泡沫控制补料控制发酵过程中主要要控制的参数有⑴pH值发酵液的pH值是发酵过程中各种生化反应的综合结果是重要参数之一⑵温度是整个发酵过程或在不同阶段所维持的温度⑶溶解氧浓度溶解氧是需氧菌发酵的必备条件⑷基质含量指发酵液中糖氮磷等重要营养物质的浓度⑸空气流量是指单位时间内每单位体积发酵液通入空气的体积也称通风比⑹压力指发酵过程中发酵罐所维持的压力⑺搅拌转速⑻搅拌功率⑼黏度黏度大小可做为细胞生长或细胞形态的一项指标表示相对菌体丝状菌浓度⑽浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数⑾料液流量这是控制流体进料的参数⑿产物的浓度这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数也是决定生产周期长短的根据⒀氧化还原电位⒁废气中的氧含量废气中氧含量与产生菌摄氧率和KLa有关⒂废气中的CO2含量废气中的CO2含量就是产生菌呼吸放出的CO2 ⒃菌丝形态丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映⒄菌体浓度菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一⒅细胞生物活性的其他参数如NAD-NADH体系ATP-ADP-AMP体系DNARNA及生物合成的关键酶发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热发酵热的产生引起发酵液温度变化发加热对温度的影响在发酵过程中某些因素导致热量的产生另外一些因素又导致热量散失如果在过程中产生的热量大于散失的热量则有净热量堆积这时发酵液的温度将上升相反产热小于耗热则温度将下降产热的情况生物热有氧呼吸的最高效率贮能转换成ATP高能键约为42％厌氧发酵如同型乳酸发酵约为27％表明菌体分解的基质中的能量大部分是以热能的形式散失到环境中用Q生物表示生物热产生的特征具有强烈的时间性搅拌热通风搅拌过程中发酵液之间发酵液与搅拌器及罐壁之间均有摩擦由此产生的热量称为摩擦热用Q搅拌表示 Q搅拌 P 功率× 3061热功当量散热的情况蒸发热空气经发酵液时发酵液中有部分水汽化变成水蒸气随空气一起排出罐外这部分水汽化时带走的热量用Q蒸发表示假设进出口气体温度相同则由通气带走的热量为Q蒸发qmH出-H进 qm 空气流量kghH气体热焓kJkg 辐射热通过罐体表面向环境中发射红外线而散失的热量热量的大小决定于罐内外温度差大小罐的表面积等发酵过程中发酵液温度变化取决于上面几个因素 Q发酵 Q 生物 Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射二发酵热的测量及计算发酵热的测定可采用以下几种方法①利用热交换原理测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度根据 Q发酵 qvCt2 – t1V 式中qv为冷却水流量Lh c为水的比热t1t2为进出冷却水的温度V发酵液体积m3 ②利用温度变化率u℃h先使罐温恒定再关闭自控装置测量S根据 Q 发酵 M1C1 M2C2u 式中M1M2分别为发酵液和发酵罐的质量kg C1C2分别为发酵液和发酵罐的材料的比热容u为温度上升速率℃h ③热力学方法根据盖斯定律在恒压和恒容条件下一个反应不论是一步完成或几步完成其反应热是相同的这实际上是热力学第一定律的必然推论因为焓H是状态函数过程的焓变与途径无关只决定于过程的始态和终态发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算三温度对微生物生长的影响 1任何微生物的生长温度均在一定范围内可用最高温度最适温度和最低生长温度进行描述 2温度对微生物的影响主要从以下几个方面酶活性膜的通透性以及影响细胞内各种反应的速率工业发酵上常采用阶段温度控制来进行发酵不同微生物生长的温度范围宽窄不同同一微生物在其生长和产物积累阶段的温度要求也不同温度对微生物生长的影响在其他条件如pH环境溶液的离子强度变化时变化也较大是他们协同综合作用的结果四温度对发酵的影响既然温度对微生物的生长活动影响很大当然在发酵生产上就成为一个过程控制的参数酶学方面在一定温度范围内温度升高反应速率加大有利于菌体生长和产物积累但菌体的衰退也加快菌体对氧的消耗相应加快而温度升高时氧的溶解度下降所以应综合考虑温度能影响菌体分泌的产物种类及酶系用米曲霉制曲时如温度在低限时得到蛋白酶此时α-淀粉酶的合成受到抑制又如用凝结芽孢杆菌合成α-淀粉酶时发酵温度控制在55℃时合成的α-淀粉酶较耐高温在90℃60min条件下其活性丧失仅10％左右而发酵温度控制在35℃时合成的α-淀粉酶在相同条件下丧失90％菌体特性方面同种菌体在生长和产物积累阶段所要求的温度往往有差别多数情况下是最适生长温度比产物积累的最适温度要略高些温度冠毒素发酵发酵的影响六最适温度的控制由于微生物在生长和发酵过程中对温度有以上要求在生产上为获得较高的生产率针对所用菌种的特性在发酵周期的各阶段需要进行温度控制提供该阶段微生物活动的最适温度如用产黄青霉进行青霉素的发酵过程中根据不同生理代谢过程的温度特点而采用四段控制其发酵温度30℃起始发酵5h→25℃40h→20℃125h→25℃165h→放罐该法其青霉素产量比自始至终进行30℃恒温发酵培养的对照组提高了147％发掘罐中温度的控制措施温度的检测温度计温度的控制①温度过高用冷水②温度过低用热水第二节 pH值的控制一pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响 1pH值的意义pH表示溶液氢离子浓度的负对数纯水的[H]浓度是10-7molL因此pH为7pH＞7呈碱性pH＜7呈酸性pH值差1时其[H]浓度就相差10倍 2微生物生长的pH范围微生物生长的pH范围很广大多数在pH5～9之间与温度对微生物的影响相似微生物活动的pH范围也存在最高最适最低三基点微生物活动的pH范围也存在最高最适最低三基点常见微生物的最适pH值根据不同微生物生长的最适pH不同可将微生物分为嗜酸性嗜碱性嗜中性微生物即使在产物积累阶段由于pH值不同也可能会得到不同的发酵产物如黑曲霉在酸性pH2～3时进行柠檬酸发酵而在接近中性时则进行草酸发酵二影响PH值变化的因素在发酵过程中PH值的变化取决于下列因素冠毒素发酵过程中pH变化一发酵过程中pH值得检测一发酵过程中pH值的检测方法及设备常见的pH值计和在线检测电极 pH值计和在线检测电极使用方法pH值计和在线检测电极的校正使用前 pH值计和在线检测电极的校正方法常采用两点法采用的标准pH值缓冲液com校正25℃发酵过程中最适pH值的确定⑴单因素实验法如图所示⑵多因素实验法如正交实验法L9⑶3二次旋转正交实验法均匀设计等三最适pH与微生物生长和产物形成的相互关系在发酵过程中实验所得的最适pH在各种微生物生长和产物形成中3个参数的相互关系①菌体的必生长速率μ和Qp产物比生产速率的最适pH值都在一个相似较宽的适宜范围内这种发酵过程易控制②第二种是μ或Qp 的最适pH值范围很窄而μ的范围较宽③第三种是μ和Qp对pH值都很敏感它们的最适pH值又是相同的第二第三模式的发酵pH值应严格控制④第四种更复杂μ和Qp有各自的最适pH值应分别严格控制各自的最适pH值才能优化发酵过程三发酵过程中pH值的调节及控制在发酵过程中发酵液的pH随着微生物活动而不断变化为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值需要对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控实际生产中从以下几个方面进行一调整培养基组分适当调整CN比使盐类与碳源配比平衡一般情况CN高时真菌培养基pH降低CN低时一般细菌经过发酵后pH上升根据发酵液pH值的变化进行相应控制如过酸时可加入NaOHNa2CO3等碱性物质进行中和或流加尿素蛋白质提高通风量等过碱时加H2SO4HCl或流加糖类乳酸降低通风量等措施在生产上主要的过程控制方法有①添加CaCO3当用NH4盐作为氮源时可在培养基中加入CaCO3用于中和NH4被吸收后剩余的酸②氨水流加法氨水作为一种碱可以中和发酵中产生的酸且NH4可作为氮源供给菌体营养③尿素流加法味精厂多采用此法以尿素作为菌体氮源时尿素首先被菌体尿酶分解成氨氨进入发酵液使pH上升当NH4被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时发酵液pH下降这时随着尿素的补加氨进入发酵液又使发酵液pH上升及补充氮源如此循环致至发酵液中碳源耗尽完成发酵一泡沫的产生性质及变化性质泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统其分散相是空气和代谢气连续相是发酵液泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通泡沫的分类⑴存在于发酵液的也液面上泡沫气相比例大⑵存在于发酵液中分散得很细很均匀较稳定①外界引入在通气过程中伴随机械搅拌空气被分成细小的气泡从溶氧的角度讲气泡越细越好使空气中的氧和发酵液中的CO2能充分的进行交换这些气泡升到发酵液面形成泡沫②微生物产生发酵活动时产生一些气体如CO2这些代谢气体凝结形成气泡冒出到发酵液面成为发酵泡沫菌体代谢越旺盛这部分泡沫的产生量越多二发酵过程泡沫的变化一形成泡沫的多少的原因⑴与通风搅拌的剧烈程度有关搅拌影响更大⑵与培养基的原材料的性质有关蛋白质是主要因素⑶其他因素胶体物质多多糖水解灭菌等二好气性发酵过程中泡沫的形成的规律产生过多持久的泡沫会给发酵带来很多不利①减少发酵的有效容积若不加控制过多的泡沫通过排气管溢出造成发酵液流失②过多的泡沫可能从罐顶的轴封渗出罐外这就增加了染菌的机会③使部分菌体粘附在罐盖或罐壁上而失去作用④泡沫严重时影响通气搅拌的正常进行妨碍代谢气的排出对菌体呼吸造成影响甚至使菌体代谢异常影响生产率泡沫控制的目的在于打碎泡沫液膜使气相和液相分离化学方法降低泡沫液膜的表面张力使泡沫破灭物理方法使泡沫液膜的某些部分局部受力打破液膜原来的受力平衡而破裂微生物工业消泡常用的方法一化学消泡 1化学消泡是一种使用化学消泡剂的消泡法 2消泡剂选用依据①表面活性剂具有较低的表面张力内聚力弱消泡效果明显②对气-液界面的散布系数必须足够大才能迅速消泡③无毒害性且不影响发酵菌体④不干扰各种测量仪表的使用⑤在水中的溶解度较小以保持持久的消泡性能⑥来源方便使用成本低①天然油脂②高碳醇脂肪酸和酯类③聚醚类④硅酮类 2应用在消泡剂的使用时主要是让其有足够的分散性能除用机械方式协助其扩散外还用载体以助其分散具体使用有以下几种形式①消泡剂载体聚氧丙烯甘油用豆油作载体115的效果明显②复合消泡剂05-3硅酮20-30植物油等与水组成消泡剂可增强消泡作用③消泡剂乳化剂聚氧丙烯甘油用土温-80为乳化剂1-2倍⑴机械消泡是一种物理作用靠机械强烈振动压力变化促使气泡破裂或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收⑵化学和机械消泡的优缺点化学消泡最显著的优点效果好作用迅速可靠用量少可自动控制缺点是影响氧气的溶解使其减少15～13 这对微生物供氧极为不利机械消泡能克服这一缺点但其应用效果不如化学消泡迅速可靠不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素①动力小②结构简单③易清洁④运行可靠⑤维护费用低 2机械消泡方式⑴罐内消泡①耙式消泡桨的机械消泡②旋转圆盘板式的机械消泡③流体吹入管内吸引消泡④超声波消泡等①流体吹入式消泡②气体吹入管内吸引消泡③冲击反射板消泡④超声波消泡⑤碟片式消泡器的机械消泡⑵罐外消泡①旋转叶片罐外消泡②喷雾消泡③离心力消泡等①旋转叶片罐外消泡②喷雾消泡③离心力消泡④旋风分离器消泡⑤转向板消泡第四节补料的控制一补料的意义内容原则意义补充菌体营养延长发酵期推迟自溶期提高发酵产量内容补充C源N源无机盐诱导酶的底物原则根据菌体生长代谢规律生产需要二补料操作时间为达到生产目的在需要时加入方式以不引起发酵液成分剧烈波动为前提补量加入与消耗平衡一补料的作用 1可以控制抑制性底物的浓度高浓度底物对微生物生长不利的影响为①使渗透压过高细胞脱水死亡②使微生物细胞热致死如乙醇浓度10使酵母细胞热致死③某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制④高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等例如苯乙酸丙醇分别是青霉素和红霉素的前体物质浓度过大就会使抗生素产量减少 2可以解除或减弱分解代谢物的阻遏 3可以使发酵过程最佳化二补料的内容补料的内容大致可分为以下四个方面⑴补充能源和碳源⑵补充菌体所需要的氮源⑶加入某些微量元素或无机盐⑷对于某些产诱导酶的微生物常补加该酶的作用底物提高酶产量三补料的原则补料的原则就在于控制微生物的中间代谢使之向着有利于产物积累的方向发展四补糖的控制五补充氮源及无机盐在工业发酵中中间常添加某些具有调节生长代谢作用的物料如磷酸盐尿素硝酸盐Na2SO4 酵母粉或玉米浆等如土霉素发酵中前期补加2-3次酵母粉结果产量比对照的高出约1500umL青霉素发酵不正常时菌体成葫芦状菌丝展不开糖不被利用这时添加尿素水溶液有一定的作用补加料是注意的问题①料液配比要合适②注意无菌控制③应考虑经济核算节约粮食第五节菌体浓度与基质对发酵的影响一菌体浓度对发酵的影响一菌体浓度cell concentration 菌体浓度指单位体积中菌体的含量不仅代表菌体数量的多少还反映菌体细胞生理特性不完全分化阶段常用在动力学研究如计算比生长速率和比生产速率等二影响菌体浓度的因素菌体浓度的大小对发酵产物得率会产生重要的影响四发酵过程中菌体浓度的控制发酵过程中菌体浓度的控制发酵过程应设法控制菌体浓度在合适的范围内二基质对发酵的影响及控制一基质基质即培养微生物的营养物质是生产菌代谢的物质基础二碳源对发酵的影响 1碳源的分类 2特点⑴速效碳源菌体利用较快但对产物的合成可能产生阻遏作用⑵缓效碳源多为聚合物菌体利用缓慢有利于延长代谢产物的合成选择最适碳源对提高代谢产物的产量非常重要 2氮源的种类和浓度对发酵的影响和控制⑴氮源的分类⑵氮源对发酵的影响例1在谷氨酸发酵中①当NH4不足形成酮戊二酸②当NH4过量时形成谷氨酰胺③只有控制适量的NH4浓度才合成谷氨酸不同氮源的作用⑴速效氮源菌体容易利用促进菌体生长但对某些代谢产物抗生素的合成产生调节而影响产量⑵缓效氮源菌体利用较缓慢能延长抗生素的分泌提高产物的产量但一次性投入容易促进菌体生长和养分过早耗尽导致菌体过早衰老而自溶从而缩短产物分泌期例如链霉菌的竹桃霉素发酵中采用铵盐作氮源能促进菌丝生长但抗生素的产量下降发酵培养基中常用混合氮源例如氨基酸发酵用铵盐和麸皮水解液玉米浆作氮源链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉作氮源生产上常采用的不料控制氮源浓度的方法⑴补加有机氮源如酵母粉玉米浆尿素等土霉素发酵中补加酵母粉青霉素发酵补加尿素⑵补加无机氮源如氨水或硫酸铵等抗生素发酵工业中常补加氨水 3磷酸盐对发酵的影响及控制磷是微生物生长所必需的成分也是合成代谢产物所必需的生长所需磷酸盐浓度为032-300mmolL 次级代谢产物合成良好所需磷酸盐浓度为平均为10mmolL提高到10mmolL则抑制磷酸盐浓度的控制⑴一般在基础培养基中采用适当的浓度如抗生素发酵采用生长亚适量⑵在代谢缓慢情况下可补加磷酸盐如在四环素发酵中间歇添加微量KH2PO4有利提高产量第六节二氧化碳和呼吸商二氧化碳的来源及作用⑴来源微生物的代谢产物和空气中含有的⑵作用是细胞代谢的重要指标也是生物合成的必要物质一CO2对菌体生长和产物合成的影响 1CO2对菌体的生长的直接作用⑴影响碳水化合物的代谢⑵影响微生物的呼吸速率例如 CO2对生产过程具有抑制作用当CO2分压为003105Pa时青霉素合成速度降低40当浓度为16 10-2molL时会严重抑制酵母菌的生长一般以1L L·min 的通气量 CO2的浓度达抑制水平的10 2 CO2对细胞的作用机制 CO2及其产生的HCO3-都会影响细胞膜的结构使细胞处于麻醉状态细胞生长受到抑制形态发生改变二排气中CO2浓度与发酵的关系 1检测菌体的生长分析尾气中CO2的含量用计算机计算的CO2积累量与菌体的干重进行比较得出对数期菌体生长速率与CO2释放率成正比关系 2 CO2的释放率carbon dioxide release ratioCRR CRR QCO2X q进Vψ惰进·ψCO2出 1-ψO2出ψCO2进-ψCO2进 f 式中QCO2为比CO2释放率X为菌体干重q进为进气流量ψ为气体的体积分数V发酵液体积f为系数 3补糖与排气CO2浓度的关系发酵液中补加葡萄糖即增加碳源排气CO2浓度增加pH值下降三呼吸商与发酵的关系 1发酵过程中菌体的耗氧速率oxygen uptake rate简称OUROUR QO2X F进 V ψO2进- 四 CO2浓度的控制 1 CO2浓度的变化规律 CO2浓度的变化没有一定的规律 2影响CO2浓度的变化的因素影响因素较多如菌体的呼吸强度发酵液的特性通气搅拌程度和外界压力大小等因素 3 CO2浓度的控制① CO2对合成起抑制作用应降低其浓度② CO2若有促进作用则应提高其浓度 4 CO2控制的方法通气和搅拌速率的大小可调节CO2的溶解度第七节微生物发酵终点的判断微生物发酵终点的判断对提高产物的生产能力和经济效益很重要生产能力是指单位时间内单位罐体积的产物积累一经济因素发酵时间需要考虑经济因素即以最低的综合成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间二产品质量因素发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响三特殊因素在个别发酵情况下还要考虑特殊因素如老品种的发酵已掌握了他们的放罐时间在正常情况下可根据作业计划按时放罐合理的放罐时间是由试验确定的⑴当原料成本是整个产品成本的主要部分时所追求的是提高产物得率⑵当生产成本是整个产品成本的主要部分时所追求的是提高生产率和发酵系数⑶当下游技术成本占产品成本的主要部分而产品价格较贵时追求的是高的产物浓度 1会残留过多的养分如糖脂肪可溶解性蛋白对分离纯化不利 2放罐过晚菌体自溶会延长过滤时间还会使产品的数量下降扰乱分离纯化作业计划判断放罐的主要指标①产物浓度②氨基氮③菌体形态④pH值⑤培养液的外观⑥黏度等染菌的防治二发酵染菌对提炼和产品质量的影响 1发酵染菌对过滤的影响染菌的发酵液一般发粘菌体大多数自溶所以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼导致过滤困难即使采取加热冷却添加助滤剂等措施使部分蛋白质凝聚但效果并不理想污染杂菌的种类对过滤的影响程度有差异如污染霉菌时影响较小而污染细菌时很难过滤由于过滤困难过滤时间拉长影响发酵液储罐和过滤设备的周转使用破坏了生产平衡染菌发酵液还会因过滤困难而大幅度降低过滤收率直接影响提炼总收率 2发酵染菌对提炼的影响染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的水溶性蛋白和其它杂质采用有机溶剂萃取的提炼工艺则极易发生乳化很难使水相和溶剂相分离影响进一步提纯采用直接用离子交换树脂的提取工艺如链霉素庆大霉素染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面或被离子交换树脂吸附大大降低离子交换树脂的交换容量而且有的杂菌很难用水冲洗干净洗脱时与产物一起进入洗脱液影响进一步提纯二染菌的原因一发酵染菌率计算基准总染菌率指一年发酵染菌的批次数与总投料批次数之比的百分率染菌批次数应包括染菌后培养基经重新灭菌又再次染菌的批次数在内这是习惯的计算方法也是我国的统一计算方法总染菌率二染菌原因成染菌的因素很多但总结几十年的经验对绝大部分罐批染菌的原因是比较清楚的但在实际生产中发酵染菌率仍比较高可以说产生这种现象大多数是由于工作中明知故犯不负责任和侥幸心理所造成的例如灭菌的蒸汽压不足不能灭菌设备有渗漏不能进罐等等都是众所周知的但因为有侥幸心理还是照样灭菌进罐结果以污染杂菌而告终现将我们收集到的国内外几家抗生素工厂发酵染菌原因列于下日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵染菌原因分析项目百分率种子带菌或怀疑种子带菌 964 接种时罐压跌零019 培养基灭菌不透 079 总空气系统有菌1996 泡沫冒顶 048 夹套穿孔1236 盘管穿孔 589 接种管穿孔039 阀门渗漏145 搅拌轴密封渗漏209 罐盖漏。

发酵过程中ph变化的原因发酵是很多生物生产过程中不可缺少的一步，包括啤酒、酸奶、面包、酱油等。

发酵过程中，有一项非常重要的指标就是pH值，pH值的变化直接影响到发酵效率和发酵产品的质量。

那么，为什么发酵过程中pH值会发生变化呢？这里将详细介绍一下发酵过程中pH值变化的原因。

1. 菌种代谢产物在发酵过程中，微生物的代谢活动会释放出大量代谢产物，例如乳酸、醋酸、酒精等。

这些产物会被溶解在培养基中，进而导致培养基的pH值发生变化。

例如在乳酸发酵过程中，乳酸的生成会使得培养基pH值下降，达到酸化的效果。

这也是为什么酸奶会酸味十足的原因。

2. 氨基酸解离微生物在代谢过程中，会分解氨基酸并产生NH3和OH-，这些离子会导致培养基中氢离子的浓度减少，pH值回升。

例如在啤酒酿造过程中，啤酒酵母会分解氨基酸并产生NH3和OH-离子，导致啤酒的pH值上升。

3. 培养基成分的缓冲能力培养基中含有一些具有一定缓冲能力的物质，能够在发酵过程中减缓pH值的变化。

这些物质通常是酸碱度比较中性的缓冲物资，例如磷酸氢二钾、三聚磷酸、氢氧化钠等，它们可以在微生物产生的酸或碱使培养基pH值变化时，通过吸收或释放离子来抵消pH值的变化。

4. 代谢过程中H+和OH-离子的生成发酵过程中，微生物的代谢活动会产生一些H+和OH- 离子，这些离子会直接影响到培养基中的pH值。

例如在乳酸菌的乳酸发酵过程中，乳酸的生成产生了H+离子，酸化了培养基。

总之，发酵过程中pH值的变化是由多方面因素共同作用的结果，包括菌种代谢产物、氨基酸解离、培养基成分的缓冲能力以及代谢过程中H+和OH-离子的生成等。

必须要注意的是，pH值的变化对于发酵效率和发酵产品的质量都有着很大的影响，因此在发酵过程中必须要进行pH值的监控和调节，以维持最佳的发酵环境。

有机肥发酵ph趋势有机肥发酵是一种常见的肥料生产方法，通过微生物的作用，将有机物质分解转化为植物所需的养分。

发酵的过程中，pH值起着重要的作用，它会影响到有机肥的质量和养分释放速度。

本文将详细介绍有机肥发酵过程中的pH趋势及其影响因素。

一、有机肥发酵的pH趋势在有机肥的发酵过程中，pH值一般会经历以下几个阶段的变化：酸性阶段、中性阶段和碱性阶段。

1. 酸性阶段：刚开始发酵时，有机物中的糖类会被微生物迅速分解产生有机酸，如乳酸、醋酸等。

这些有机酸的产生导致发酵堆体呈酸性环境，pH 值通常在4-6之间。

酸性环境有利于抑制有害微生物的生长，同时也可以促进有机物的分解。

2. 中性阶段：随着有机物的分解，有机酸逐渐减少，而产生的氨基酸和氨等物质会使堆体中的pH值逐渐上升。

当pH值接近中性（约为6.5-7）时，堆体进入中性阶段。

在中性环境中，有机物的分解速度相对较慢，但养分的损失也较少。

3. 碱性阶段：当有机物的分解接近尾声时，堆体中产生的氨等碱性物质会进一步提高pH值，使其超过7。

此时，堆体呈碱性环境，有机物的分解速度会进一步减缓。

过高的pH值也会导致一些养分的损失，因此需要适时进行调节。

二、pH趋势的影响因素有机肥发酵过程中的pH值受到多个因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 原料的性质：不同种类的有机原料在发酵过程中产生的酸碱度不同，从而影响到整个堆体的pH趋势。

例如，果皮、秸秆等碱性物质较多的原料容易使pH值升高。

2. 水分含量：适宜的水分含量对有机肥的发酵过程至关重要。

过高或过低的水分含量都会影响堆体内部的氧气和有机物质的分布，进而影响到pH 值的变化。

3. 通风条件：良好的通风条件能够有效地调控堆体内的氧气和二氧化碳的含量，有助于维持适宜的pH值。

不良的通风条件会导致堆体发生缺氧现象，进而影响到发酵过程中的pH趋势。

4. 微生物的作用：微生物在有机肥的发酵过程中起着关键的作用。

它们分解有机物质产生酸碱性物质，从而影响到堆体的pH值。

不同发酵因素对发酵液中酶活性的影响研究随着生物技术的不断发展和应用，发酵技术的重要性和影响也日益增加。

在发酵过程中，酶活性的变化与发酵因素密切相关。

因此，对不同发酵因素对酶活性的影响进行研究，对于优化发酵过程、提高发酵产品质量具有重要意义。

1. pH值对酶活性的影响pH值是影响发酵作用的关键因素之一，也会直接影响到酶的活性和稳定性。

不同的酶对于pH值的适应性是不同的，一般酸性酶对酸性环境适应性较强，碱性酶对碱性环境适应性较强。

以酒精发酵为例，通过研究发现，酿酒酵母对于醋酸性环境pH值的适应性较好，pH值在3.5左右时，酵母的细胞活性和酒精生产能力较高。

而糖化酶等水解酶对于中性或略微酸性的环境适应性较好。

2. 温度对酶活性的影响发酵是一个温度敏感的过程，温度的变化对于酶的活性和反应速度有较大的影响。

在过高或过低的温度下，酶的生物活性往往会受到极大的影响。

在酒精发酵过程中，对于酿酒酵母的最佳生长温度，一般在20℃-30℃之间，对于发酵速率的控制也有着重要的影响。

糖化酶等水解酶对温度也有较高的敏感性，适宜的温度范围会直接影响到它们的催化效率。

3. 氧气对酶活性的影响氧气通常对于呼吸过程和氧化解毒有着重要的作用，但在特定的发酵过程中，氧气也会对酶的活性和产物生成产生重要影响。

在发酵过程中，适量的氧气能够提高生物转化的效率，加速发酵过程。

但是，过多的氧气会对于一些酶的活性产生不利影响，例如在红曲酱油发酵过程中，过多的氧气会降低红糟的色泽和口感。

4. 培养介质对酶活性的影响培养介质是影响发酵质量和效率的核心因素之一，直接影响到酶的活性和生物代谢过程。

不同的培养介质可以影响到代谢产物的种类和质量，进而影响到酶的活性和反应速率。

以酵母细胞的培养为例，一般优质培养基会选用高蛋白质、高糖分的培养条件，如麦芽提取物、酵母粉等，这些培养基能够促进酵母的生长和代谢产物的合成。

总之，不同的发酵因素对于酶活性的影响是复杂而巨大的，需要通过综合考虑，进而优化发酵工艺和提高产品质量。

第45卷第4期燕山大学学报Vol.45No.42021年7月Journal of Yanshan UniversityJuly 2021㊀㊀文章编号:1007-791X (2021)04-0283-22普鲁兰多糖的改性及应用研究进展张振琳1,2,∗,孙梦圆1,2,张忠栋1,2,高㊀静1,2(1燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;2.燕山大学材料科学与工程学院,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2020-09-18㊀㊀㊀责任编辑:王建青㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(51703193);河北省引进留学人员资助项目(C20200369);河北省教育厅高等学校科技计划项目(QN2018107)㊀㊀作者简介:∗张振琳(1979-),女,天津人,博士,副教授,主要研究方向为智能响应高分子材料,Email:leafzzl@㊂摘㊀要:随着社会的不断发展,不可再生资源匮乏问题和环境污染问题日益加深,人们的节约意识和环保意识也逐渐加强,对于丰富的㊁可生物降解的和环境友好型的天然材料的研究也日益加大㊂普鲁兰多糖是一种绿色的天然高分子聚合物,具有水溶性㊁无毒无害㊁无色无味㊁非免疫原性㊁非致癌性和非诱变性等优良特性,在众多领域中都有极高的应用价值㊂本文介绍了普鲁兰多糖通过物理改性或化学改性,得到多种具有功能性的普鲁兰多糖衍生物,并阐述了近五年普鲁兰多糖及其衍生物在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品㊁生物医用等方面的应用㊂关键词:普鲁兰多糖;改性;普鲁兰多糖衍生物;应用中图分类号:TQ317.9㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2021.04.0010㊀引言普鲁兰多糖为天然可降解大分子聚合物[1-2],无危害性[3],容易制作成膜[4],且具有良好的生物亲和性[5],已在许多领域中得到了广泛的应用[6]㊂普鲁兰多糖是在1938年由Bauer 发现,1958年由Bernier 成功从出芽短梗霉的发酵介质中提取出来[7],1959年,Bender 发现该多糖遇碘并不发生变色反应,并将该多糖命名为pullulan [8]㊂之后,学者们对于普鲁兰多糖的结构㊁性能与应用进行了进一步的研究与探索㊂1976年,日本就已实现了普鲁兰多糖的商业化生产[9],而我国发展缓慢,需要加快研究步伐,缩短差距,扩大其应用领域㊂1㊀普鲁兰多糖的结构与性质1.1㊀普鲁兰多糖的结构普鲁兰多糖是一种由出芽短梗霉发酵所产生的微生物多糖[10],又称出芽短梗孢糖㊁短梗霉多糖㊁支链淀粉,目前普遍认为其结构如图1所示㊂普鲁兰多糖的化学式为(C 6H 10O 5)n ,分子量在2万~200万范围之间,聚合度为100~5000,商品常用的分子量在20万左右,大约由480个麦芽三糖组成㊂该多糖主要是由α-1,4糖苷键连接的麦芽三糖重复单元,经α-1,6糖苷键聚合而成的线型多糖[11],每个葡萄糖单元中含有9个羟基,使其存在大量的分子间氢键㊂但该多糖结构也可能是支化的,且其主链含有最多7%的麦芽糖四糖亚基[12],支链含有少量的麦芽糖基或葡萄糖基[13]㊂其结构中α-1,4和α-1,6糖苷键的共存常被认为是直链淀粉和右旋糖酐结构之间的一种中间体[14]㊂图1㊀普鲁兰多糖的结构Fig.1㊀Structure of pullulan polysaccharides1.2㊀普鲁兰多糖的性质普鲁兰多糖是白色的㊁中性㊁无味㊁无嗅㊁不吸. All Rights Reserved.284㊀燕山大学学报2021湿㊁无毒无害的粉末,在250ħ时开始分解,280ħ时分解为焦炭,因此具有一定的耐热性[15-17]㊂因为普鲁兰多糖特殊的多糖结构,而使其具有许多优良的特性㊂普鲁兰多糖每个葡萄糖单元中含有9个羟基,极易溶于水,与其他水溶性多糖相比,其水溶液稳定,黏度较低,且其水溶液黏度不受温度㊁pH值和大多数金属离子的影响,因此常被用作食品添加剂[18]㊂普鲁兰多糖易溶于DMSO㊁DMF㊁DMA和稀碱溶液,不溶于无水乙醇等其他有机溶剂[19]㊂普鲁兰多糖具有较高的成膜性[20]㊁可纺性[21]㊁黏附性[22]㊁非免疫原性[23]㊁非致癌性[24]㊁非诱变性[25]㊁生物相容性[26]和可降解性[27],有一定的机械强度,薄膜透明性好,且具有良好的低透氧性和耐油性[28],因此其产物在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品和生物医用等方面具有非常广阔的应用㊂2㊀普鲁兰多糖的改性方法普鲁兰多糖因其大量的优良特性而备受关注,但在实际应用中,仍具有一定的限制㊂普鲁兰多糖不具有电负性,亲水性强,基本无抗菌特性[29],形成的薄膜脆性大[30],所以在实际应用时,要加以修饰改性,从而拓展其在食品加工和包装㊁环境保护㊁电子㊁化妆品㊁生物医用等方面的应用㊂2.1㊀物理改性物理改性普鲁兰多糖是通过物理共混达成的,通过掺入其他具有一定特性的组分,来提高普鲁兰多糖的性能,或给予产物新的特性,以扩大普鲁兰多糖的应用㊂Kowalczy等[31]在普鲁兰多糖溶液中加入明胶和具有抗菌特性的山梨酸钾,溶液浇铸成膜后,对薄膜中山梨酸钾的释放速率和薄膜的抗菌特性进行了研究㊂结果表明,作为碱金属盐的山梨酸钾会提高溶液的pH值,而当普鲁兰多糖溶液中引入明胶时,共混的薄膜形成液的pH值降低,这样更有利于山梨酸钾发挥抗菌作用㊂此外,明胶的加入,会使山梨酸钾的释放速率减缓,当山梨酸钾的浓度为2%时,共混的薄膜溶液对交配曲霉㊁灰葡萄孢㊁酿酒酵母和柠檬克勒克酵母表现出强烈的抑制作用,从而提高了普鲁兰多糖薄膜的抗菌特性,扩大了普鲁兰多糖在食品包装和涂层材料中的应用前景㊂Chu等[32]研究了防腐剂肉桂精油(CEO)和表面活性剂吐温80的添加对普鲁兰多糖基可食膜的结构㊁物理性能㊁抗氧化性能和抗菌性能的影响㊂结果表明,在普鲁兰多糖基复合膜中掺入CEO会降低其拉伸强度㊁透明度㊁水含量和水蒸气渗透性,但会显著提高其抗氧化性能和抗菌性能㊂CEO占12%的薄膜表现出最强的抗氧化和抗菌能力㊂吐温80的添加,使薄膜中形成了亚微观胶束,改善了复合薄膜的稳定性并减少了CEO的损失,但降低了复合膜的透明度和防水性能㊂Silva等[33]进行了普鲁兰多糖与作为化学增强剂的表面活性剂(油酸㊁聚山梨酯80和丙二醇)混合的研究,制备了负载药物丙胺卡因和利多卡因盐酸盐的冻干黏膜黏附口腔分散片㊂结果表明,普鲁兰多糖与表面活性剂之间存在明显的协同作用,普鲁兰多糖与渗透促进剂一起显著提升了黏膜黏附的作用,显著改善了局部麻醉药在猪上皮表面的渗透㊂这种新颖的药物输送平台可能会应用在牙科领域,从而能够在常规和微创牙科手术中更换注射麻醉的方法,扩大了普鲁兰多糖在生物医药方面的应用㊂Liu等[34]研究了纳米TiO2对支链淀粉膜的微观结构㊁物理性能㊁机械性能和光学性能的影响㊂结果表明,纳米TiO2的添加改善了膜的水蒸气阻隔性能㊁机械性能和对紫外线的膜阻隔性能,扩大了普鲁兰多糖在食品包装中的应用㊂总体来说,当普鲁兰多糖与其他物质共混时,可能会与加入物之间产生分子间相互作用,比如:氢键和其他协同作用等,进而影响产物结构,改变普鲁兰多糖的性能㊂同时也会结合共混物的特性,提高产品的综合性能㊂现已有大量的对普鲁兰多糖进行物理改性的研究,提高了普鲁兰多糖的疏水性[35]㊁抗菌性[36]㊁抗氧化性[36]㊁缓释药性㊁机械性能和膜的韧性等,增强了普鲁兰多糖的实际应用,使普鲁兰多糖可以广泛地应用在生活中,从而节约了地球的有限资源,保护了地球的生态环境㊂2.2㊀化学改性化学改性普鲁兰多糖,是通过化学反应改变普鲁兰多糖的官能团或引入新的官能团及特殊结. All Rights Reserved.第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展285㊀构,改善其性能,如加强普鲁兰多糖的电负性㊁抗菌性㊁疏水性㊁化学活性㊁光响应性㊁温敏性㊁pH 响应性等,扩大其应用范围㊂常用的化学改性普鲁兰多糖的方法有酯化㊁胺化㊁季铵化㊁醚化㊁硫酸化㊁硫醇化㊁氧化㊁叠氮化㊁共聚交联等㊂2.2.1㊀酯化Lee and Na [37]通过酯化反应将油酸和二氢卟吩e6接枝到普鲁兰多糖上,即普鲁兰多糖中的羟基与油酸和二氢卟吩e6中的羧基发生反应,使普鲁兰多糖结合油酸的亲脂性与二氢卟吩e6的光敏性,用于光动力靶向治疗转移性癌症㊂此研究利用结肠癌㊁乳腺癌和肺癌细胞系证实了产物普鲁兰多糖-油酸-二氢卟吩e6与癌细胞的相互作用和检测效力,在激光照射下,癌细胞处积累的普鲁兰多糖-油酸-二氢卟吩e6可产生单线态氧,导致细胞凋亡和坏死㊂因此,证明了油酸结合聚合光敏剂是一种潜在的靶向光动力治疗转移性癌症的方法㊂Niu 等[38]用普鲁兰多糖和不同的羧酸酐(乙酸酐㊁丙酸酐和丁酸酐)反应,合成了具有不同取代度的普鲁兰多糖乙酸酯㊁普鲁兰多糖丙酸酯和普鲁兰多糖丁酸酯,具体反应过程如图2,通过溶液浇铸法获得了普鲁兰多糖酯膜,研究了水蒸气透过率㊁氧气透过率㊁表面疏水性㊁颜色和机械性能㊂结果显示,纯普鲁兰多糖膜的水蒸气透过率值高于普鲁兰多糖酯制备的膜㊂用普鲁兰多糖酯薄膜包装的草莓减重率显著降低,保持了草莓的硬度,延长了草莓的货架寿命㊂图2㊀普鲁兰多糖与羧酸酐的酯化反应Fig.2㊀Esterification of pullulan with carboxylic anhydride㊀㊀Jia 等[39]通过酯化反应将4-氯丁酰氯接枝到普鲁兰多糖上,得到氯化普鲁兰多糖,然后硬脂酸哌啶酯与氯化普鲁兰多糖发生氮氧化物自由基偶联反应,得到两亲性聚合物,能够与疏水性药物(DOX)自组装成纳米级递送载体,合成路线如图3㊂图3㊀普鲁兰多糖与4-氯丁酰氯的酯化反应Fig.3㊀Esterification of pullulan polysaccharideswith 4-chloroprene chloride㊀㊀研究表明,所提出的基于普鲁兰多糖的递送纳米颗粒具有出色的生物相容性,并且具有超声刺激药物释放的特性㊂Miura 等[40]开发了一种直径小于10nm 含胆固醇的普鲁兰多糖(CHP)自组装纳米凝胶,并进一步进行了羧基取代,即普鲁兰多糖与琥珀酸酐反应,制备成了阴离子型的纳米凝胶疫苗㊂结果表明,CHPCOOH 纳米凝胶疫苗能够有效激活免疫系统并产生抗体,尤其是细胞免疫,CHPCOOH 纳米凝胶疫苗能够在体内靶向呈递抗原细胞,并显示出非常强的细胞毒性T 淋巴细胞活化作用,因此认为,CHPCOOH 纳米凝胶有潜力成为一种新型的治疗性癌症疫苗,其活性可以扩大免疫治疗的范围㊂2.2.2㊀胺化Zhang 等[41]报道了以精胺修饰的普鲁兰多糖作为聚阳离子模型,结构如图4㊂精胺修饰的普鲁兰多糖与血清蛋白的高比值,导致了较大的多复合体的形成,从而促进了细胞摄取,增强了溶酶体逸出,提高了RNAi(核糖核酸干扰,是指在进化过程中高度保守的㊁由双链核糖核酸诱发的㊁同源信使核糖核酸高效特异性降解的现象)效率㊂另外,由于精胺修饰的普鲁兰多糖与血清蛋白的比值升高,游离的精胺修饰的普鲁兰多糖的补充也使RNA(核糖核酸)转染得到增强㊂这些结果表明,在含血清的培养基中,通过调整多聚体中氮磷比,可以更有效地调节多聚体的RNAi 效率㊂. All Rights Reserved.286㊀燕山大学学报2021图4㊀精胺修饰的普鲁兰多糖的结构Fig.4㊀Structure of pullulan modified by spermine ㊀㊀Song等[42]研究了以CDI为活化试剂,普鲁兰多糖与乙二胺反应,从而得到胺化普鲁兰多糖,如图5,并且进一步制备了金纳米棒和胺化普鲁兰多糖的纳米复合材料㊂实验证明,此纳米复合材料可靶向治疗癌症,且其具有特异的光热响应性,在一定时间内,可通过施加不同的光强或热量,调节金纳米棒的释放量,进而进行不同强度的治疗㊂图5㊀胺化普鲁兰多糖的制备Fig.5㊀Preparation of aminated pullulan2.2.3㊀季铵化Moraes等[43]通过添加反应性的缩水甘油三甲基氯化铵(GTMAC),将季铵盐基团与普鲁兰主链相连,进而合成阳离子普鲁兰多糖衍生物,如图6,使其能够在静电相互作用的驱动下与miRNAs(一种21~25nt长的小分子核糖核酸,可作用于特定基因,阻遏翻译)形成复合物,烷基化的普鲁兰多糖能够与miRNA相互作用并形成稳定的多聚体㊂Moraes等是通过琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度法确认了miRNA的存在㊂用高达200μg/mL的纳米复合物孵育人脐静脉内皮细胞1天后,进行了体外测试,结果显示无任何细胞毒性㊂用荧光标记的miRNA的荧光显微镜图像可证明,季铵化普鲁兰多糖能够促进miRNA在细胞内的传递㊂结果证明,使用普鲁兰多糖的阳离子衍生物和miRNA形成多聚体,为在水性介质中生产多糖纳米颗粒提供了一种简便而通用的方法,并且可能会用于基因传递㊂图6㊀阳离子普鲁兰多糖衍生物的制备过程Fig.6㊀Preparation of cationic pullulan derivatives 2.2.4㊀醚化Meo等[44]研究了一种新的纳米水凝胶,该纳米水凝胶是基于疏水的荧光分子核黄素四丁酸酯修饰的多糖,具有应用于药物输送的潜力㊂分别选择透明质酸和普鲁兰多糖作为阴离子和中性多糖的代表,并将核黄素四丁酸酯的溴己基衍生物化学连接到这些聚合物链上(如图7),由于这种衍生作用,聚合物链能够在水性环境中自组装,从而形成透明质酸和普鲁兰多糖分别具有约312nm 和210nm的平均直径的纳米水凝胶㊂这些新的纳米水凝胶显示出低的多分散指数和负电势㊂此外,纳米水凝胶可轻松装载模型药物,在水和生理条件下显示出长期稳定性,并具有出色的细胞相容性㊂图7㊀普鲁兰多糖与核黄素四丁酸酯的溴己基衍生物的醚化反应Fig.7㊀Etherification of pullulan and the bromohexylderivative of riboflavin tetrabutyl ester. All Rights Reserved.第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展287㊀2.2.5㊀硫酸化Dionísio 等[45]对中性多糖普鲁兰多糖进行了化学修饰,获得了带电荷的衍生物:与SO 3反应,DMF 为络合物,生成了硫酸盐衍生物(SP),如图8㊂硫酸盐衍生物会相互凝聚,形成具有结合模型蛋白(BSA)能力的纳米颗粒,并显示出足够的尺寸用于药物输送,因此具有药物输送时作为纳米载体的潜力㊂图8㊀普鲁兰硫酸盐衍生物(SP)的制备Fig.8㊀Preparation of sulphate derivatives of pullulan (SP)㊀㊀Mihai 等[46]报道了与有机碱配合使用的普鲁兰多糖硫酸盐衍生物的研究,并探讨了使用的配合物和反应温度对普鲁兰多糖硫酸化产生影响㊂结果显示,SO 3㊃DMF 配合物在较低温度下更具反应性㊂在较高温度下,取代度不会显著增加,但会发生链断裂;SO 3㊃Py(吡啶)配合物更稳定,因此在较低温度下反应性较低;随着温度的升高,取代度升高,但在大约80ħ时,大分子链会发生脱水,并形成凝胶状聚合物㊂两种方法获得的相同取代度的产品,具有不同的黏度行为,用SO 3㊃DMF 配合物获得的产品黏度低于使用SO 3㊃Py 配合物获得的产品黏度,这是因为,在均质(DMF-普鲁兰多糖的溶剂)和非均质介质中(因为Py 仅使普鲁兰多糖骨架膨胀),聚合物链上的取代基分布不均,进而得到不同的黏度行为㊂2.2.6㊀硫醇化Leonaviciute 等[47]合成了可用于黏膜黏附的硫醇化普鲁兰多糖,使用了两种合成途径:溴化亲核取代(如图9)和高碘酸盐裂解的还原胺化(如图10),而后将接枝率最高的硫醇化普鲁兰多糖(普鲁兰多糖-半胱胺)与6-巯基烟酰胺反应(6,6-DTNA),如图11,并通过NMR 分析证实其在普鲁兰多糖结构中的存在㊂比较这两种方法,还原胺化具有较高偶联速率㊂对于硫醇化的聚合物,在旋转圆柱体上的黏附时间最多可延长46倍,对于预活化的聚合物,可延长至75倍㊂对于经过修饰的普鲁兰多糖样品流变学测量显示,在60min 内添加黏液后,动态黏度增加了98倍和160倍,而未修饰的支链淀粉完全没有显示出黏度增加㊂此外,实验显示,两种衍生物对人结肠癌细胞活力的影响均较小㊂从而得出结论:预活化的硫醇化普鲁兰多糖是一种有应用前景的黏膜黏附聚合物,可开发用于黏膜药物递送系统㊂图9㊀普鲁兰多糖-硫脲共轭物的合成Fig.9㊀Synthesis of pullulan-thioureaconjugate图10㊀普鲁兰多糖-半胱胺偶联物的合成Fig.10㊀Synthesis of pullulan-cysteamine conjugates. All Rights Reserved.288㊀燕山大学学报2021图11㊀普鲁兰多糖-半胱胺偶联物与6-巯基烟酰胺偶联的示意图Fig.11㊀Schematic diagram of pullulan-cysteamineconjugated with 6-mercapto nicotinamide2.2.7㊀氧化Zhang 等[48]通过高碘酸盐氧化法制备了不同醛含量的二醛普鲁兰多糖,并用二醛普鲁兰多糖作为交联剂制备了明胶水凝胶,如图12㊂作者发现可以通过改变水相的pH 值来改变醛含量㊂在pH =4.0条件下得到最高的氧化率和二醛基含量㊂并且二醛普鲁兰多糖的添加显著改善了明胶水凝胶的机械性能,扩展了水凝胶在生物医学领域的潜在应用㊂图12㊀高碘酸盐氧化普鲁兰多糖Fig.12㊀Periodate oxidized pullulan㊀㊀Bercea 等[49]用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基㊁NaBr 和次氯酸钠溶液氧化了普鲁兰多糖(如图13),并进一步制备了聚乙烯醇(PVA)和氧化普鲁兰多糖(OxP)的自愈合复合水凝胶㊂由于存在-COOH 基团,氧化普鲁兰多糖大分子与PVA 具有强的相互作用,使此复合水凝胶具有良好的自愈合能力㊂通过冷冻/解冻过程可使PVA 形成三维网络,此体系优点是凝胶形成过程中避免了任何交联剂的使用,并且3次冷冻/解冻循环即可使PVA 形成三维网络㊂此外,PVA /OxP 水凝胶不会释放细胞毒性化合物,具有生物医学应用的潜力㊂图13㊀氧化普鲁兰多糖的制备过程Fig.13㊀Preparation process of oxidized pullulan2.2.8㊀点击反应Diget 等[50]先使普鲁兰多糖与缩水甘油炔丙基醚反应,通过开环醚化作用,使炔基官能团接枝到普鲁兰多糖主链上,然后得到的普鲁兰多糖衍生物与叠氮化环糊精通过点击反应,最终得到环糊精修饰的普鲁兰多糖,并通过相同的反应制备金刚烷改性的葡聚糖,如图14所示㊂进行表征发现环糊精修饰的普鲁兰多糖和金刚烷修饰的葡聚糖之间的主体-客体具有相互作用,而产生了纳米颗粒,球形颗粒粒径在100nm 以下㊂同时,环糊精修饰的普鲁兰多糖的新型纳米颗粒(尺寸为70~100nm)有望成为靶向药物的载体㊂. All Rights Reserved.第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展289㊀图14㊀环糊精-g-普鲁兰多糖的合成Fig.14㊀Synthesis of cyclodextrin-g-pullulan㊀㊀Zhou等[51]用叠氮化钠和普鲁兰多糖反应,生成了叠氮化普鲁兰多糖,然后叠氮化普鲁兰多糖通过点击反应,进一步与含炔基团第3代聚(L-赖氨酸)树枝状分子反应,最后胍基化得到阳离子胍修饰的具有树枝状结构的普鲁兰多糖(OGG3P),如图15㊂所获得的OGG3P可有效地将脱氧核糖核酸压缩成具有适当大小的正表面电荷球形纳米复合物,从而使其能够进入细胞并确保成功地传递基因㊂OGG3P在人的宫颈腺癌细胞和人的胚胎肾293T细胞中表现出高的基因转染特性,通过载体对细胞的内活化,引起了单线态氧的产生,展现了明显的细胞毒性㊂研究结果表明,这种用胍修饰的树枝状普鲁兰多糖可以作为可靠的基因传递纳米平台,来实现基因传递治疗㊂2.2.9㊀共聚交联Saeaeh等[52]以三偏磷酸钠为交联剂,制备了普鲁兰多糖水凝胶,如图16,同时加入了多壁碳纳米管(MWCNT),制备了普鲁兰多糖复合水凝胶,并研究了其在施加电场下的机电性能和挠度响应㊂结果表明,添加MWCNT对于改善电活性响应非常有效㊂Askarian等[53]合成了胺型树枝状聚合物(PAMAM)-普鲁兰多糖偶联物,如图17,并研究了其将基因传递到肝细胞中的靶向活性㊂结果表明,产物结合了普鲁兰多糖的生物相容性㊁生物降解性和肝细胞靶向性,与PAMAM的基因凝聚能力㊁缓冲能力和内溶酶体逃逸特性,得到了无毒的㊁靶向的基因传递载体㊂此偶联物也有可能用于药物传递㊂Willersinn等[54]以半胱氨酸为交联剂,制备了普鲁兰多糖-b-聚(N-乙烯基吡咯烷酮)组成的双亲水嵌段共聚物,并进行了自组装㊂文中证明,氧化的自组装颗粒可通过双官能团交联剂半胱氨酸进行交联,形成具有醛基的动态共价亚胺键㊂此外,可以通过酸处理或还原剂的使用来使交联键断裂,具有用于生物医学领域的潜力㊂图15㊀具有树枝状结构的普鲁兰多糖(OGG3P)的制备过程Fig.15㊀Preparation of pullulan(OGG3P)with dendritic structure. All Rights Reserved.290㊀燕山大学学报2021图16㊀普鲁兰多糖水凝胶的制备过程Fig.16㊀Preparation of pullulan hydrogel图17㊀(PAMAM)-普鲁兰多糖偶联物的合成Fig.17㊀Synthesis of (PAMAM)-pullulan conjugate㊀㊀Han 等[55]用CDI 为活化剂,含水的二甲基亚砜为溶剂,合成了普鲁兰多糖和明胶(GEL)的化学交联凝胶,如图18㊂结果表明,与常规无水DMSO 相比,这种情况下反应进行得更快,得到的凝胶具有更强的机械强度㊂此工作扩大了多糖和含胺/羟基/羧基的蛋白质合成新凝胶的可能,具有应用于生物医学应用的潜力㊂图18㊀普鲁兰多糖和明胶的化学交联凝胶的制备Fig.18㊀Preparation of chemical cross-linking gelsof pullulan and gelatin㊀㊀Hezarkhani 等[56]以过硫酸铵为引发剂,将N-乙烯基咪唑(NVI)接枝共聚到普鲁兰多糖上,获得了新的阳离子普鲁兰多糖衍生物,如图19,产物与三聚磷酸钠㊁柠檬酸钠溶液混合后,生成了络合物,产物具有阳离子特性㊂结果表明,得到的接枝共聚物是水溶性的,具有潜在的生物医学用途㊂图19㊀N-乙烯基咪唑(NVI)接枝共聚到普鲁兰多糖上的合成过程Fig.19㊀Synthesis of N-vinyl imidazole (NVI)graftedonto pullulan㊀㊀Carvalho 等[57]合成了新型两亲性普鲁兰多糖-g-聚(ε-己内酯)(Pull-g-PCL)的接枝共聚物㊂第一步,用2-溴丙酰溴对普鲁兰多糖进行化学修饰,得到溴化普鲁兰多糖(PullBr);然后,将该前体用叠氮化钠改性,得到叠氮化普鲁兰多糖(PullN 3);. All Rights Reserved.第4期张振琳等㊀普鲁兰多糖的改性及应用研究进展291㊀最后叠氮化普鲁兰多糖通过铜[Cu(I)]催化的点击化学反应,得到Pull-g-PCL 产物,如图20㊂研究表明,Pull-g-PCL 具有两亲性㊁可生物降解性和自组装性等,有应用于药物传递系统的潜力㊂图20㊀Pull-g-PCL 的制备过程Fig.20㊀Preparation of Pull-g-PCL2.2.10㊀其他Sheng 等[58]通过Maillard 反应合成了卵清蛋白-普鲁兰多糖共轭物,研究了Maillard 反应是否能增强卵清蛋白的发泡性能㊂与天然卵清蛋白和加热卵清蛋白相比,卵清蛋白-普鲁兰多糖共轭物泡沫显示出更小㊁更均匀的特点,且其泡沫大小随时间增大速率最慢,如图21㊂证明Maillard 反应可增强卵清蛋白的发泡性能㊂图21㊀天然卵清蛋白㊁加热卵清蛋白和卵清蛋白-普鲁兰多糖共轭物的发泡性能Fig.21㊀Foaming properties of natural ovalbumin,heatedovalbumin and ovalbumin-pululan conjugate㊀㊀Raj 等[59]通过将丙烯酰胺接枝到普鲁兰多糖上的方法,开发出具有pH 响应㊁速率可控的聚合物㊂该研究利用自由基诱导微波辅助辐照技术,以硝酸铈铵作为自由基诱导剂而合成,得到的接枝聚合物是生物相容并可生物降解㊂毒性研究表明其在口服药物递送系统中可安全使用㊂制成片剂表征后发现,此接枝聚合物对pH 敏感,有稳定的控释行为㊂因此,可以制作为pH 响应型速率可控的生物材料㊂综上所述,普鲁兰多糖在食品㊁医药和环境等方面,有着非常广泛的应用㊂但普鲁兰多糖本身具有机械性能差㊁成本高㊁抗菌性能差㊁疏水性差等缺点,因此,通过物理改性或化学改性提高其机械强度㊁降低成本㊁引入疏水性㊁抗菌性㊁温敏性㊁光响应性㊁pH 响应性及其他各种特定响应性能等,可极大地扩大这种天然绿色多糖的多种应用㊂但关于普鲁兰多糖的结构与改性后的结构,仍未探究清晰㊂普鲁兰多糖及其衍生物可制备成薄膜㊁纳米颗粒㊁微粒㊁水凝胶和电纺丝纤维等,进一步扩大了其在众多领域的应用㊂目前,绿色化学备受关注,普鲁兰多糖及其他天然聚合物仍有许多新的应用前景未被发现,值得研究人员进一步研究探索其不同的改性方法,从而扩大天然聚合物的应用㊂3㊀普鲁兰多糖及其衍生物的应用研究及进展3.1㊀食品加工和包装普鲁兰多糖是一种绿色可食用的天然多糖,具有许多可在食品中应用的优良特性,已被批准在食品添加剂中使用㊂近年来,对于普鲁兰多糖在食品中的应用也有着日新月异的变化㊂3.1.1㊀食品添加剂Seethu 等[60]采用静电纺丝技术,以50ʒ50的比例使用乳清分离蛋白和普鲁兰多糖,作为壁材料,对白藜芦醇进行纳米囊封,实现了白藜芦醇更高的包封效率㊂结果表明,电纺丝后白藜芦醇的结构和抗氧化性能没有发生变化,且具有更高的稳定性㊂负载白藜芦醇的纳米纤维可增强牛奶的抗氧化性能,且不会影响其固有的理化和感官特性㊂. All Rights Reserved.。

磷酸化普鲁兰多糖与普鲁兰多糖的关系磷酸化普鲁兰多糖与普鲁兰多糖的关系普鲁兰多糖是一种多糖类化合物，由多个糖分子通过糖基之间的糖苷键连接而成。

它在生物体内广泛存在于细胞外基质中，如软骨、皮肤和血管壁等组织中。

普鲁兰多糖具有多种生物活性，如抗炎、抗氧化和免疫调节等，因此受到了广泛的研究关注。

然而，普鲁兰多糖的生物活性往往受到其结构的限制。

普鲁兰多糖的结构特点是多糖链上存在着大量的羟基（–OH），这些羟基有可能被磷酸化修饰，形成磷酸化普鲁兰多糖。

磷酸化是一种常见的生物修饰过程，通过在分子中引入磷酸基团，可以改变分子的电荷、溶解性和反应活性等性质。

磷酸化普鲁兰多糖与普鲁兰多糖之间存在着密切的关系。

首先，磷酸化可以改变普鲁兰多糖的生物活性。

磷酸化可以增强普鲁兰多糖的抗氧化和抗炎能力，提高其免疫调节活性。

此外，磷酸化还可以调节普鲁兰多糖与其他生物分子的相互作用，如细胞信号转导通路、细胞外基质蛋白的结合等。

其次，磷酸化普鲁兰多糖的形成受到多种因素的调控。

在生物体内，磷酸化普鲁兰多糖的形成受到多种激酶酶的调控。

激酶酶可以通过磷酸化方式增加普鲁兰多糖上的磷酸基团数量，从而增强其生物活性。

此外，一些生物分子的磷酸化状态也可以影响普鲁兰多糖的磷酸化程度，进而调控其功能。

最后，磷酸化普鲁兰多糖还可以通过特定的酶来降解。

磷酸化状态的普鲁兰多糖可能通过一系列酶的作用，如磷酸酶、磷酸酶等，被降解为非磷酸化状态的普鲁兰多糖。

这种降解过程可能与多种生物活性的调节有关，同时也为细胞内外的代谢过程提供了能量。

总之，磷酸化普鲁兰多糖与普鲁兰多糖之间存在着密切的关系。

磷酸化可以改变普鲁兰多糖的生物活性，同时也受到多种因素的调控。

对于理解普鲁兰多糖的生物功能和开发相关的药物具有重要意义。

希望通过进一步的研究，可以揭示磷酸化普鲁兰多糖与普鲁兰多糖之间的调控机制，为相关疾病的治疗提供新的思路和手段。

发酵过程ph不断上升的原因发酵这个过程，听起来就像是个科学实验，但实际上它在我们生活中无处不在。

就拿发酵面包来说吧，那个香味真的是让人垂涎欲滴，想到就想咬一口。

可是，很多人不知道的是，发酵过程中，pH值可是会不断上升的。

听起来是不是有点儿复杂？但别担心，咱们一起来捋一捋这个问题，搞清楚它是怎么回事。

先说说发酵。

想象一下，酵母小家伙在面团里开派对，它们拼命吃糖，发出二氧化碳和酒精，面团就慢慢膨胀，结果就成了松软的面包。

听上去可不简单吧！在这个过程中，酵母把糖转化成酒精和二氧化碳，而这些化学反应可不止这么简单。

随着时间的推移，面团里的环境会发生变化，pH值也随之起伏。

最开始，面团里可能是酸性的，随着发酵的进行，pH会逐渐上升，变得更碱性。

你可能会想，为什么会这样呢？酵母在忙着工作的同时，它们也会产生一些酸性物质，比如乳酸和醋酸。

就像人吃了辣椒后，嘴里发热，发酵的时候也是一样，最开始的环境比较酸。

但是，随着时间推移，酵母分泌的酶开始分解面团中的成分，释放出一些氨基酸和其他物质。

这些可不是什么“好吃”的东西，但它们会让面团变得更碱性，pH 值自然就上升了。

发酵过程中，温度也是个重要角色。

温度升高，酵母活跃得像小火箭，一会儿就能把糖吃得一干二净。

温度升高时，发酵速度加快，pH值上升得更快。

真是让人有点跟不上节奏，像是在追赶一场精彩的马拉松。

发酵的温度一旦升高，酵母就像打了鸡血一样，不停地工作，整个过程瞬间就变得热火朝天。

咱们再聊聊酸碱平衡。

就好比在一场篮球赛中，酸性物质就像是对方队员，而酵母和其他微生物就像咱们的队友，开始时对方势头猛，但随着时间推移，队伍的配合越来越默契，逐渐把对方压制了。

慢慢地，发酵环境就从酸性转向碱性，pH值开始一路上升。

此外，还有一个不得不提的“坏小子”——细菌。

在发酵过程中，有些细菌会参与进来，它们也会产生酸，形成酸性环境。

然而，随着时间推移，细菌的影响逐渐减弱，酵母占据了主导地位，继续工作，pH值便开始反弹。

各工艺条件对发酵的影响发酵条件控制的目的就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达，积累更多的代谢产物。

影响L-苏氨酸产量的因素有很多，如培养基、温度、pH、溶氧等。

1、培养基对发酵的影响：发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、无机盐类、生长因子等。

（1）碳、氮、磷的平衡：C/N直接影响菌体的生长和代谢，如果C/N偏小（氮源丰富），会导致菌体生长过剩，易造成菌体提前衰老自溶；C/N过大，菌体繁殖数量少，发酵密度低，细菌代谢不平衡，不利于产物的积累。

磷是核酸与磷脂的成分，组成高能磷酸化合物及许多酶的活性基，磷不足影响菌体生长。

在代谢方面，适量磷有利于糖代谢的进行；磷酸根在能量代谢中起调节作用。

另外，在一定范围内，磷酸盐对培养基pH值的变化起缓冲作用。

（2）基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用（迟滞期产生各种酶），高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。

（3）碳源的种类和浓度对发酵的影响：碳源的种类对发酵的影响主要取决于其性质，即快速利用的碳源（速效碳源）和缓慢利用的碳源（迟效碳源）。

速效碳源（如葡萄糖）能较快地参与微生物的代谢，合成菌体、产生能量、合成代谢产物等；迟效碳源（如蔗糖）不能被微生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶先将其分解成小分子物质，因此菌体利用缓慢。

速效碳源（葡萄糖）的特点：优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量。

缺点：有的分解代谢产物对产物的合成会产生阻遏作用。

碳源的浓度对菌体的生长和产物的合成有着明显的影响。

以葡糖糖为例，它对糖代谢中的一个关键酶——葡糖糖氧化酶（GOD）的形成具有双重效应，即低浓度下有诱导作用，而高浓度下有分解代谢产物阻遏效应。

为避免初始培养基中渗透压过高，一般采用中间补糖的方法控制碳源浓度。

发酵过程中补糖过量，碳代谢流在糖酵解途径中过量，必须分解部分氧化副产物（如乙酸、乳酸、其它氨基酸等）来维持碳代谢流平衡，易造成碳源浪费，糖酸转化率低。