搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响:
搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,黄原胶是由黄单胞菌分泌的一种胞外酸性杂多糖，几十年来国内外许多学者对黄原胶的生物合成机 理、黄胶产生菌的生理生化特性及其发酵工艺等方面进行了较系统的研宄。西方综述了利用机械式生物反应器 发酵生产黄原胶时，搅拌转速与溶氧对黄原胶发酵过程中的各种参数的控制以及黄原胶质量的影响。
黄原胶是由黄单胞菌分泌的一种胞外酸性杂 多糖，其分子结构中含有:D_葡萄糖、D_甘露糖、D_ 葡萄糖醛酸、乙酸、丙酮酸11_2]，其中各组分的比例 因发酵条件不同而有异。由于黄原胶其独特的分 子结构和组成，使得黄原胶有许多特性诸如：易溶 于水，其水溶液有较高的粘度，搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,而且黄原胶有着良 好的増粘性、假塑性、抗腐蚀性、耐盐性和乳化性 等，因此己被广泛的应用于食品加工、医药工业、石 油钻探、造纸、陶瓷和化妆品等工业生产领域[2_8]。 在黄原胶的生物发酵生产过程中，由于黄原胶具有 的高粘度的特性，导致了发酵液中后期粘度大，通 常当发酵液中的黄原胶的含量为2g/l时，其粘度即可达到4000cp以上。黄原胶发酵液的这种高 粘度的特性给发酵过程中氧的传递、气液混合以及 热量的传递等带来了很大的困难，因此，这一问题 也成了提高黄原胶发酵水平的主要影响因素通 常发酵液中黄原胶的最大浓度为15 — 30g/l，由葡 萄糖到黄原胶的糖胶转化率为0. 27 -0. 439g黄原 胶/ g葡萄糖，发酵速率为0. 12 —0. 43g/ hrll10]。近 几年来，国内外许多研究者围绕黄原胶的发酵工艺 的改进而进行了大量的研究工作。其中主要包括： 搅拌转速及发酵液的气液混合、氧的传递、葡萄糖 以及其它物质的浓度对黄原胶发酵的影响等内容。 本文主要讨论了黄原胶发酵过程中搅拌转速与溶 氧对黄原胶发酵过程中的黄原胶的生物合成、黄原 胶的粘度与流变特性等方面的影响。
i溶氧对黄原胶发酵的影响
溶氧在黄原胶发酵中有着非常重要的作用，通 常发酵液中的溶氧浓度影响到黄原胶产生菌的生 长速率、黄原胶的生成率以及黄原胶的质量。花 王景薇111]在6L的生物反应器上对这一问题进行了 系统研究，其研究结果表明：发酵液中的溶氧浓度 对菌体生长速率影响不大，但是对菌体浓度达到最 大之后的菌体的稳定期的长短却有着明显的影响。 当溶氧浓度只有饱和浓度的6. 25%即DO = 6% 时，搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,此稳定期只有9小时；而当溶氧浓度为其饱和 值的25%及DO= 25%时，此稳定期可达28小时 以上。通常当发酵液溶氧浓度过低时，稳定期短， 说明菌体的呼吸受到限制，菌体活力受到影响。从 这种意义上讲，稳定期的长短对于提高黄原胶的糖 胶转化率有着重要意义。Moraincl11U人为，当发酵 液的溶氧浓度低于其饱和值的20%即DO <20% 时，菌体的生长会受到影响，但是发酵液的溶氧浓 度只要维持在临界呼吸溶氧浓度以上时(此临界溶 氧浓度为DO= 25%)，溶氧浓度的进一步増加对 于黄原胶的生物合成没有明显的意义。Fernado Floeres，Luis G. Tores112]在2L的机械揽摔式生物 反应器内研究了溶氧对黄原胶产生菌生长的影响， 在相对溶氧浓度为10%~ 100%范围内，菌体的比 生长速率为0. 22h- 溶氧浓度DO值对菌体的生 长没有影响，菌体生长的停止通常是在28小时左 右，此时培养基中氮源己被耗尽而导致菌体生长的 停止。上述研究结果的差异可能是由于使用的菌 种不同或者是培养基成分不同所造成的。
发酵液中的溶氧浓度还会影响到黄原胶的产 率及其平均分子量和分子量分布。
Tores112]在2L的机械搅拌式生物反应 器内的研究结果表明：当控制发酵过程中的溶氧在 相对溶氧浓度DO= 40%以上时，黄原胶的平均分 子量可达到：10x 106g/mol，而且其产物中高分子 量聚合物的比例随着溶氧浓度DO值的増加而増 加。虽然影响黄原胶生物合成的主要因素还没有 完全清楚，但是发酵液中高的溶氧浓度有利于黄原 胶分子的聚合是非常明显的。相同的实验证明，溶 氧浓度同样有利于黄原胶的生成，在相同的培养条 件下，溶氧浓度越高其黄原胶的生物合成开始的越 早，而黄原胶合成的停止通常是由于培养基中碳源
的耗尽造成的，也就是说菌体黄原胶合成的周期越 长，从这种意义上讲，高浓度黄原胶发酵液的得到 必须有较高的溶氧浓度为前提112]。
2搅拌速率对黄原胶发酵的影响
2 1搅拌速率对黄原胶产率的影响
自从60年代黄原胶被发现并工业化生产以 来，搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,黄原胶的发酵过程中一致面临着较低的氧的传 递速率和不良的气液混合问题。人们普遍认为生 物反应器内涡轮的搅拌速率与黄原胶的产率有着 一■定的关系。为此，A. Amanullah 和 B. Tuttiett[13] 等人研究了相同条件下的不同搅拌速率对黄原胶 发酵的影响。使用总容积为6L并带有三个涡轮 的玻璃生物反应器，发酵条件为:温度28 °C，pH值 为7. 0,通气比为:0. 5VVM，发酵液中的溶氧浓度 使用极谱型溶氧电极在线检测。分别在固定转速 500转/分和1000转/分的条件下，对黄原胶发酵 过程中菌体浓度（生物量）、葡萄糖浓度、黄原胶浓 度等内容进行了对比研究。研究结果表明：在两种 不同转速的发酵条件下其菌体浓度（生物量）的变 化趋势基本相同，发酵过程中葡萄糖浓度的变化规 律也基本相同，在发酵前40时小时，发酵液中黄原 胶浓度也基本相同，但是，转速为500转/分的发酵 在发酵后期其黄原胶的生成速率呈下降趋势，最后 的实验结果也是在转速为500转/分的发酵条件下 的黄原胶的生成量比转速为100转/分条件下发酵 的黄原胶的生成量少。尽管上述两种不同搅拌速 率的发酵其生物量和底物消耗相同，但黄原胶的生 成率却不相同，这主要是因为发酵中后期，随着发 酵液中黄原胶浓度的増加，菌体细胞外形成了一薄 层，这一薄层増加了外界环境一发酵液与细胞之间 氧以及其他营养性物质的传递阻力，如果増加涡轮 的转速，则可以减少这一薄层形成的阻力从而强化 氧和其他营养性物质的传递，有利于菌体的生长和 代谢，搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,最后的结果可以明显地提高发酵液中黄原胶 的含量。
2 2搅拌速率对黄原胶发酵过程中气液混合的影响
不同的搅拌速率对于气液混合也会带来比较 显著的影响。当发酵液中的还原胶的含量较高时， 发酵液的粘度很高，此时搅拌转速越大则气穴体积 (Cavern Volume)越大。为了更好的说明这一问题 可以引用一个概念来表示一气穴体积/发酵液中体积(CV/TV),如图1所示，CV/TV越少则说明基本 上处于停止不动的发酵液的体积越大，这一部分发 酵液其内部氧的传递和其他营养物质的交换很少， 甚至可以说根本就不存在质量的传递，这必然导致 细胞活力的下降甚至细胞死亡，那么这一部分发酵 液中黄原胶的浓度很低而且其分子量分布也很宽。 A. Amanullah 和 B. Tuttiett113]在 6L 的玻璃生物反 应器内系统的研究了这一问题，研究表明：当发酵 液的黄原胶浓度在18g/l时，在搅拌速率分别为 500转/分和1000转/分的条件下，其CV/ TV值基 本上相同，近似于100%。但是当发酵液的黄原胶 浓度的増加20g/l时，前者，其CV/TV值下降到 77%，而当发酵液的黄原胶浓度増加到26g/l时， 其CV/T V值进一步下降，只有35% ;对于搅拌转速 为1000转/分的发酵过程，当发酵液的黄原胶为 24g/l时，其CV/TV值下降到88%，而当黄原胶的 浓度达到32g/1时，其CV/TV值随之进一步下降到 80%。上述研究结果说明，搅拌转速对黄原胶的发 酵有着重要的影响，而且这种影响随着发酵液中黄 原胶浓度的増加将变得更为严重。
图1不同搅拌转速对发酵的影响
2 3搅拌速率对黄原胶发酵过程中热量传递的影响
搅拌速率对黄原胶发酵的影响是多方面的，其 中对发酵过程中发酵液温度控制的影响也是一个 方面[14]。实验结果表明，发酵前期（52小时内）， 反应器内部的温差通常在1°C以内，而随着发酵的 进行，发酵液中黄原胶的浓度也在増加，这时的传 热效率明显在下降，其结果是导致发酵液的温差加 大，在转速为1000转/分的发酵条件下，温差可达 到3 °C，而在转速为500转/分的发酵条件下，其温 差可达到15°C，这种现象在发酵后期更为明显。 Shu，Chin_Hangl14]等的研究表明：黄原胶发酵过程 温度不同，对于黄原胶产生菌细胞的生长、底物的 消耗和黄原胶的形成都有着直接的影响，通常在 30 °C时，黄原胶产生菌的比生长速率达到最大值， 而温度在35°C时其比生长速率可下降到零，高转 和低转速给发酵液带来的温差这么大，其对黄原胶 发酵的影响则是明显的。较高的搅拌速率可以强 化热量的传递而减少发酵液的这种温差，从这种意 义上讲，提高搅拌速率对于黄原胶的发酵是有着积 极的作用。
2 4搅拌速率对黄原胶质量的影响
搅拌速率对黄原胶的质量也存在一定的影 响[14]，通搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,常黄原胶的浓度在22g/1以下时，转速为 500转/分与转速为1000转/分的发酵得到的黄原 胶的稠度系数K与流体行为指数n基本相同；但 当发酵液黄原胶的浓度高于22g/1时，两者的流体 行为指数n基本相同，而稠度系数K却不相同，在 转速为1000转/分的条件下发酵得到的黄原胶其 稠度系数K值明显高于转速为500转/分的条件 下发酵得到的黄原胶，也就是说其质量要好于低转 速条件下得到的黄原胶的质量；进一步的分析表 明，搅拌转速对黄原胶质量的影响其本质上还是由 于搅拌速率影响了发酵过程中发酵液的溶氧水 平112]和气液混合所造成的。
总之，反应器内搅拌速率对黄原胶发酵后期黄 原胶产率的影响是明显的，其根本的原因是由于在 发酵中后期随着发酵液中黄原胶浓度的増加而带 来了发酵液粘度的増加，这时的搅拌速率影响了发 酵液的气液混合和氧的传递，进而影响了黄原胶的 糖胶转化率和黄原胶的质量。通常反应器的搅拌 轴功率W与搅拌转速有下列关系115]:
W ^ N3由上述可见搅拌转速的増加会带来搅拌功率 消耗的急剧増加，从工业化生产的角度考虑，搅拌 转速的増加是受到一定的限制的。因此，研究生物 反应器的内部结构，诸如挡板及其分布、空气分布 器、搅拌浆的形式、档数及间距等对溶氧的影响，开 发适合类似于黄原胶这种高粘度物系的新型生物 反应器是提高黄原胶发酵的关键。（下转15页）
患肝癌的危险性増加，则认为是由于肝中异常高的 铁水平对肝组织慢性损伤所致。此外，也有流行病 学研究报告说明高水平铁储存与冠心病危险有关， 例如芬兰学者报告，对血清铁蛋白水平很高（大于 200Ug/L)者进行3年随访，发现其急性心肌梗死 患病率高2. 2倍，但美国、芬兰学者随后的研究报 告发现冠心病与高铁状况之间并无关系等。总之 最近国外加强了对铁营养过剩的关注。但我国目 前主要的问题是克服缺铁性贫血。
通常，铁中毒多是在服用大剂量铁剂以后发生 的明显短暂现象。搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响,铁的致死剂量约为200- 250mg八g，一般的治疗剂量为2- 5mg/kg/d。铁 摄入过多主要是口服铁剂和输血，每日摄入铁25 -75mg对正常人健康无损害，铁的无毒副反应水 平为65mg/d。我国食品营养强化剂所用铁强化剂 品种的使用范围和使用量都是在经过严格的毒理 学评价，特别是根据不同铁强化剂品种的人体每日 最大允许摄入量ADI值(ADI值通常是根据动物 的最大无作用量除以100得出)或有关资料进行一 定的讨论后规定的。可以说，凡是严格按照我国食 品营养强化剂使用卫生标准和食品添加剂使用卫 生标准对食品进行营养强化，其安全性是完全可以 得到保证的。需要指出的是所用铁强化剂应符合 食品添加剂的国家标准或一定的质量规格标准。 对于铁强化食品的生产应有良好的加工生产规范。
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