全 文 ：　第 19 卷第 1 期
2000 年 1 月
　　　　　无 锡 轻 工 大 学 学 报
Journal of Wuxi University of Light Industry
Vo l.19 , No.1　
　Jan., 2000
　文章编号:1009-038X(2000)01-0023-03
甘露糖赤藓糖醇脂的分批发酵动力学
华兆哲1 , 　陈坚1 , 　朱文昌1 , 　伦世仪1 , 　谢国银2 , 　缪 晔2
(1.无锡轻工大学生物工程学院 ,江苏无锡 214036;　2.无锡世纪生物工程有限公司 ,江苏无锡
214092)
摘　要:在台式发酵罐上研究了 Candida antarctic 以豆油为碳源生产生物表面活性剂甘露糖赤
藓糖醇脂(MEL)的分批发酵动力学 ,考察了不同的植物油作为碳源对生产 MEL 的影响 ,发现精制
豆油为最佳碳源;在分批发酵实验中发现 ,pH 值对 C.antarctica 的 MEL 生产影响不大 ,豆油质量
浓度过高对菌体生长有一定的抑制作用.
关键词:南极假丝酵母;甘露糖赤藓糖醇脂;分批发酵动力学
中图分类号:　Q546　　文献标识码:　A
Kinetics of Batch Fermentation Mannosylerythitol Lipid(MEL)
HUA Zhao-zhe1 , CHEN Jian1 , ZHU Wen-chang 1 , LUN Shi-yi1 , XIE Guo-y in2 , M IAO Ye2
(1.School of Biotechnology , Wuxi Univ ersity of Light Industry , Wuxi 214036;　2.Wuxi Century Bioengineering Co.
L td., Wux i 214092)
Abstract:The kinetics of batch fermentation with mannosylerythitol lipid(MEL)produced from soy-
bean oil by Candida antarctica was studied in a 2 L fermentato r.The experiment w as conducted to
find the effect of different t riacylglycerols acting as carbon source on MEL product ion and thus soybean
oil w as selected as the optimum subst rate.It show ed that the inf luence of pH was no t signif icant and
high concentration of soybean oil somewhat inhibited the cells g row th in batch fermentat ion.
Key words:Candida antarct ica;mannosy lery thitol lipid(MEL);kinetics of batch fermentation
　　微生物糖脂是生物表面活性剂中数量最大 ,品
种最多的一类 ,而甘露糖赤藓糖醇脂(Mannosylery-
thi tol ,简称 MEL)是糖脂中研究得较少的一种.已
有的研究表明 , MEL 是一种非离子型生物表面活性
剂[ 1 ～ 3] ,其非极性的疏水基是脂肪酰基链 ,极性的
亲水基是糖基.MEL 主要是霉菌 、酵母等在各种碳
源 ,特别是疏水性基质(植物油或烃类)中培养时产
生的 ,由于其潜在的应用价值及对环境的友善性 ,
国外已在 MEL 的微生物生产方面进行了一些研
究[ 4 , 5] ,国内目前尚未见报道.
作者从几株 MEL 生产菌中选择了一株生产能
力良好的菌株(Candida antarct ica)IFO 10182 ,考
察了其以不同植物油为碳源时的 MEL 生产能力 ,
并在小型台式发酵罐上进行了不同条件的分批发
收稿日期:1999-04-15;修订日期:1999-11-25.
基金项目:江苏省青年科技基金项目(BQ94019).
作者简介:华兆哲(1969年 6月生),男 , 江苏无锡人 ,发酵工程博士研究生 ,讲师.
酵实验 ,建立了 Candida antarct ica 的分批发酵动
力学模型.
1　材料与方法
1.1　菌种
实验菌种 Candida antarctica IFO 10182 ,购自
日本菌种保藏中心.
1.2　生物表面活性剂的生产与定量方法
1.2.1　生物表面活性剂的生产　先将 C.antarcti-
ca 在种子培养基中以 30 ℃、220 r/min培养 48 h ,
种子培养基组成:葡萄糖 60 g/L , NaNO3 2.0 g/ L ,
KH2PO4 0.5 g/L , MgSO4·7H2O 0.5 g/L ,酵母浸膏
1.0 g/ L ,pH 6.0.然后接入 2 L 的发酵罐中进行分
批发酵培养 ,装液量为 1.8 L ,接种量为 8%,发酵温
度 30 ℃,搅拌转速 700 r/min ,通风量为 1.0 L/(L·
min),发酵培养基组成为:豆油 72 g/L , NaNO32.0
g/L ,KH2PO4 0.2 g/L ,MgSO4·7H2O 0.2 g/ L ,酵母
浸膏 1.0 g/L , pH 6.0.
1.2.2　生物表面活性剂的定量方法　生物表面活
性剂 MEL的定量分析采用蒽酮法[ 5] .
将发酵液以乙酸乙酯萃取 ,取溶剂层用 N2 流
去除干扰蒽酮显色的溶剂 ,加入蒽酮显色剂 ,在沸
水浴中加热 10 min ,冷却后在 620 nm 下测定 OD
值.
2　结果与讨论
2.1　C.antarctica 以不同植物油为碳源生产生物
表面活性剂 MEL 的比较
作者以植物油作为 C.antarctica 生产 MEL 的
主要碳源 ,对以下几种植物油进行了比较:菜油 、精
制豆油 、粗豆油 、棉子油 , 以葡萄糖为对照(C.
antarctica 在葡萄糖中几乎不产胞外 MEL).实验
结果见图 1.
从图 1可以认为 ,当 C.antarct ica 在特定的疏
水性基质植物油中可以较好地生产表面活性物质
MEL ,在亲水性基质葡萄糖中则几乎不生产.而以
不同的植物油为碳源 , C.antarct ica 生产 MEL 的
能力也各不相同 ,其生产能力依次为∶精制豆油 >
棉子油 >粗豆油>菜油.根据这一结果 ,作者选取
精制豆油作为发酵生产 MEL的底物.
2.2　C.antarctica的分批发酵动力学
2.2.1　豆油质量浓度对分批发酵的影响　采用不
同质量浓度的豆油在2 L 的台式发酵罐上进行了分
批发酵实验 ,结果如表 1所示.
图 1　不同的植物油为碳源对MEL生产的影响
　　Fig.1　Effect of carbon sources(vegetable oils)on MEL
production
表 1　豆油质量浓度对发酵的影响
Tab.1　Effect of soybean oil concentration on fermentation
豆油质量浓度/(g/ L) 残油质量浓度/(g/ L)发酵时间/ h
54 8.9 144
72 9.6 168
90 10.1 168
108 9.5 192
菌体干重/(g/ L) MEL 质量浓度/(g/ L)转化率/ %
22.3 11.2 20.7
22.5 16.2 22.6
22.6 20.1 22.3
21.8 22.5 20.8
　　从表 1可以看出 , C.antarct ica 在豆油质量浓
度 72 ～ 90 g/L 范围内时 ,菌体生长较好 ,其转化率
均在 22.3%以上 ,通过上述底物质量浓度范围的菌
体生长动力学实验可以发现 ,随着豆油质量浓度的
提高 , C.antarctica 达到最大菌浓的时间相应延迟 ,
当豆油质量浓度为 108 g/L 时 ,其最大菌体浓度也
有所下降 ,说明较高的豆油质量浓度对菌体的生长
有一定的抑制作用.而从 MEL 转化率来看 ,虽然当
豆油质量浓度为 108 g/L 时转化率会有所下降(见
图 2).但仍能达到 20.8%,这表明较高的底物浓度
下 C.antarctica 仍具有较强的利用与转化能力.
2.2.2　初始 pH 值对分批发酵的影响　pH 值对许
多酶的催化反应以及细胞之间的特性传递过程有
很大影响 , pH 值的变化能改变体系中酶促反应的
微环境和营养物的代谢流 ,使得诱导物与生长因子
在活性与非活性之间变化.作者分别在培养基初始
pH值为 4.0 ,5.8和7.0时进行分批发酵实验 ,结果
见表 2.
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图 2　不同豆油质量浓度下的 C.antarctica 生长动力学
　　Fig.2　The kinetics of C.antarctica grow th with various
concentrations of soybean oil
表 2　初始 pH对分批发酵的影响
Tab.2　Effect of initial pH on batch culture
初始
pH 值
残余底物质量
浓度/(g/ L)
发酵时
间/ h
菌体干重/
(g/ L)
转化
率/ %
4.0 10.2 168 20.8 21.1
5.8 8.6 168 21.6 22.5
7.0 10.8 168 20.5 20.7
　　从表中可以看出 , 不同初始 pH 值对 C.
antarctica 的菌体生长和 MEL 的转化率影响不明
显 ,初始 pH 值为 5.8的转化率最高(22.5%).发酵
液的最终 pH 值都在 6.0 左右 ,表明 C.antarctica
对 pH值具有很强的适应能力.
2.2.3　C.antarct ica 分批发酵的菌体生长动力学
　菌体的最大比生长速率μm 和半饱和常数 K s 是
研究微生物动力学的两个重要参数 ,反映了微生物
生长的一些基本特性.这两个参数的确定有多种方
法 ,通常用连续培养方式来求解.由于连续培养需
要严格的控制和检测手段 ,且培养过程中的消耗比
较多 ,因此除连续培养外 ,也可以通过分批培养或
流加培养来获得这两个参数.分批培养方法主要通
过先拟合分批发酵数据 ,建立起能反映菌体生长动
力学特性的数学模型 ,然后通过模型的求解来获得
各动力学参数.鉴于实验条件和时间的限制 ,作者
在研究 C.antarct ica的动力学特征时 ,从上述第二
种方法出发 ,采用 Monod 方程的改进型———An-
drews模型确定了 C.antarct ica 分批发酵菌体生长
动力学模型 ,并通过实验得出了μm和 K s.由于随着
豆油质量浓度的提高 ,菌体的生长受到一定程度的
抑制 ,而在发酵过程中若存在基质对菌体生长有抑
制作用时 ,菌体生长的动力学特征通常用 Andrews
模型来描述[ 6]∶
μ=μm( SS +KS)·( 11+S /K I)
μ:比生长速率(h-1);μm:最大比生长速率(h-1);
S :底物质量浓度(g/ L);K s:半饱和常数(g/L);K I:
底物抑制常数(g/ L).
用上式对分批发酵的实验数据(图 2)进行拟
合 ,并用最小二乘法求解数学模型参数 ,计算结果
见表 3.
表 3　C.antarctica 生长动力学模型参数
Tab.3　The parameters of growth kinetics model
of C.antaretica
参数 μm/ h K S /(g·L) K I /(g/ L)
数值 0.11 0.73 105.4
因此 , C.antarct ica分批发酵菌体生长的动力学模
型可以表达为∶
μ=0.11( S
S+0.73)·( 1
1+ S
105.4
)
为考察模型的可靠性 ,将实验值和模型计算值
进行了比较(图 3),发现模型与实验数据的拟合情
况较好 ,这表明上述动力学模型能比较客观地描述
C.antarctica 在分批发酵时的生长情况 , 当 C.
antarctica 以豆油为碳源进行菌体生长与 MEL 合
成时 ,豆油质量浓度过低则不足以维持菌体生长 ,
而豆油质量浓度过高则对菌体生长有一定的抑制 ,
综合考虑上述因素 ,在分批发酵中适宜的豆油质量
浓度为 9 g/dL 左右.
图 3　动力学模型计算值与实验值的拟合情况
　　Fig.3　Comparison between calculated values and experi-
mental data of kinetics model
致谢∶本研究得到华东理工大学生化反应器国家重点实验
室的资助 ,作者谨在此表示衷心感谢 !
(下转第 30页)
25第 1期　　　　　　　　华兆哲等:甘露糖赤藓糖醇酯(MEL)的分批发酵动力学　　　　　　　　　
参考文献
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(责任编辑:秦和平)
(上接第 25页)
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(责任编辑:朱明)
30　　　　　　　　　　　　　　　无　锡　轻　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　第 19卷