全 文 ：化学与生物工程 2010 , Vol.27 No.8　Chemist ry &Bioengineering 77　
收稿日期:2010-04-26
作者简介:陈聪(1986-),女 , 浙江宁波人 , 硕士研究生 ,研究方向:功能食品与天然产物开发;通讯作者:周素梅 , 副研究员。 E-mail:
chelsea0486@yahoo.cn , zhousumei@yahoo.com.cn。
固态发酵生产裂褶菌多糖的动力学研究
陈　聪 ,周素梅
(中国农业科学院农产品加工研究所 ,北京 100193)
　　摘　要:对固态发酵生产裂褶菌多糖的动力学过程进行了研究 ,基于 Logistic方程和 Luedeking-Pirct 方程建立了裂
褶菌固态发酵生成裂褶菌多糖的菌体生长 、多糖合成和底物消耗的动力学模型 ,并对模型参数进行了非线性回归。结果
表明 ,裂褶菌多糖的产量与菌体生长速率和底物消耗量均有关系 ,最大比生长速率为 0.7385 d -1 。模型预测值和实验值
有良好的拟合性 ,菌体生长 、多糖合成 、底物消耗 3 条曲线的相关指数(R 值)分别为 0.99256、0.99163 和 0.98835。表明
此动力学模型可以较好地定量描述裂褶菌多糖的固态发酵生产过程 , 对工业化生产具有实际指导意义。
关键词:固态发酵;裂褶菌多糖;动力学模型
中图分类号:TQ 920.1　Q 93　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1672-5425(2010)08-0077-03
　　裂褶菌多糖是从裂褶菌子实体 、菌丝体或发酵液
中提取出来的一种中性胞外多糖 ,是裂褶菌的主要功
能成分 ,具有抑制肿瘤 、抗辐射 、提高机体免疫力等多
种生理活性[ 1] 。裂褶菌作为一种药食用真菌 ,现已实
现规模化固态发酵培养 ,研究裂褶菌多糖的固态发酵
动力学 ,对于探讨其发酵机理 、优化培养参数 、提高工
业化生产效率具有重要意义。作者在此对裂褶菌多糖
的固态发酵动力学进行研究 ,以期得到各参数之间的
关系模型 ,为固态发酵生产裂褶菌多糖实现工业化提
供依据。
1　实验
1.1　菌种
裂褶菌(S chizophy llum commune Fr.)50875 菌
株 ,自行筛选保存。
1.2　培养基
斜面种子培养基:马铃薯培养基(PDA)[ 2] 。
摇瓶种子培养基(g ·L-1):葡萄糖 30 ,黄豆粉 5 ,酵
母浸膏粉 2 ,KH2PO4 1 ,MgSO4 ·7H2O 0.5 ,VB1 0.001。
固态发酵培养基:80%麦麸+20%玉米芯(初始含
水量为 50%)。
1.3　培养方法
首先将菌种接种到斜面培养基 ,于 27℃培养 6 d;
再接种到液体种子培养基 ,于 27℃、180 r ·min-1下培
养 60 h;最后接种到固体培养基 ,于 27℃培养 8 d。
1.4　分析与检测
为了保证实验数据的可靠性 ,固体培养基统一制
备 、统一接种 、混合均匀后分装到培养瓶中在同一培养
箱中进行培养 ,取样时同时取 3个培养瓶分别测定裂
褶菌多糖含量 、底物消耗量及菌体含量 ,取平均值 。
1.4.1　裂褶菌多糖含量的测定
收集固态发酵物 , 60℃烘干 6 h ,粉碎;80℃水提 ,
4200 r ·min-1离心20 min ,取上清液 ,加 3 BV乙醇沉
淀过夜;离心 、收集醇沉物 ,定量分散;取分散液适当稀
释 ,采用苯酚-硫酸法[ 3]测定总多糖含量 。
1.4.2　底物消耗量的测定[ 4]
取不同发酵时间的培养瓶 ,将其中的固态发酵物于
60℃烘干至恒重 ,准确称重 ,按下式计算底物消耗量。
底物消耗量=底物初始干重-发酵物干重底物初始干重 ×100%
1.4.3　菌体量的测定
菌体量的测定采用核酸法[ 5] 。
1.5　计算工具软件
采用 Origin 8.0软件。
2　结果与讨论
2.1　裂褶菌多糖固态发酵过程中的代谢变化
对裂褶菌进行固态发酵培养 ,每隔 1 d取样测定
菌体生物量 、多糖产量和底物消耗量 ,结果见图 1。
陈　聪等:固态发酵生产裂褶菌多糖的动力学研究/2010 年第 8 期78　
图 1　裂褶菌固态发酵过程代谢变化
Fig.1　Time course of solid-state fermentation process
of Schizophy llum commune Fr.
由图 1可以看出 ,裂褶菌固态发酵过程中 ,菌体生
长曲线呈“S”型 ,多糖产量同菌体的生长同步。表明
该发酵过程属于生长偶联型[ 6] 。
2.2　固态发酵动力学模型的建立
借鉴药用真菌液体深层发酵的动力学模型 ,基于以
下假设:(1)固态发酵反应器内温度和湿度等参数衡定 ,
生物量 、基质成分以及裂褶菌多糖的含量等亦均匀一
致 ,即固态发酵反应器是一个理想的全混反应器;(2)菌
体生长为均衡型非结构式生长 ,细胞成分仅需用一个参
数即菌体浓度表示即可;(3)培养基中只有一种底物是
细胞生长限制性底物 ,其它营养成分及氧气供应不影响
微生物的生长;(4)将微生物生长视为简单反应[ 7 ,8] 。
2.2.1　菌体生长动力学模型
菌体生长曲线呈“S”型 ,可以用 Logistic 模型[ 6 , 9]
来描述 ,即:
dX
dt
=μmax X(1- XX max)　　　　　　　(1)
式中:X 为细胞浓度 , g ·(100 g)-1 ;X max为最大
细胞浓度 , g ·(100 g)-1 ;μmax为最大比生长速率 ,d-1 。
2.2.2　多糖合成动力学模型
已知裂褶菌多糖合成属于生长偶联型 ,根据微生
物产物合成动力学 Luedeking-Pirct模型[ 8 , 9] ,得
dP
dt
=αdX
dt
　　　　 (2)
式中:P 为产物浓度 , g ·(100 g)-1 ;α为与菌体生
长量关联的产物合成常数 , g ·(100 g)-1 ·d-1 。
2.2.3　底物消耗动力学模型
常用的底物消耗动力学模型是基于底物消耗物料
恒算建立的方程式[ 8] :
dS
dt
= 1
Y X/S
dX
dt
+ 1
Y P/S
dP
dt
+K e X (3)
式中:YX/ S =ΔX/ ΔS ,细胞对基质的得率系数 , g ·(100
g)-1 ;Y P/S =ΔP/ΔS 为产物对基质的得率系数 , g ·(100
g)-1 ;S为底物量 , %;K e 为细胞维持系数 ,单位质量干细胞
在单位时间内维持代谢消耗的基质量 , g·(100 g)-1·d-1 。
在固态发酵生成裂褶菌多糖的过程中 ,维持菌体
代谢所消耗的底物量很有限 ,因此认为底物消耗主要
用于菌体生长和多糖的合成 ,所以(3)式可以简化为:
dS
dt
= 1
Y X/S
dX
dt
+ 1
Y P/S
dP
dt
　　　　　 (4)
2.3　动力学模型的求解拟合
2.3.1　菌体生长动力学模型求解
在式(1)中 , t=0时 , X =X 0 ,积分得到:
X t =X0 exp(μmax t)/{1-(X0/ X max)[ 1-exp(μmax t)]} (5)
由实验数据直接读出 X0 =2.07 g ·(100 g)-1 、X max
=6.82 g ·(100 g)-1 ,以 ln[ X t/(Xmax -X t)]对时间 t作
图 ,其斜率即为 μmax ,得到 μmax =0.7385 d-1 。得到裂褶
菌多糖固态发酵过程中菌体生长的动力学模型为:
X t =2.07exp(0.7385t)/{1-0.3035[ 1-exp(0.7385t)] }(6)
用O rigin 8.0软件对裂褶菌菌丝体生长的实验数
据进行非线性拟合 ,结果见图 2 ,其中 R =0.99256 ,表
明所选模型准确地反映了菌体生长的实际情况。
图 2　裂褶菌菌体生长拟合曲线
Fig.2　Experimental data and model simulation
for mycelia growth
2.3.2　多糖合成动力学模型求解
将式(1)代入式(2)中 ,积分得:
P t=P0+α(X t -X 0)　　　　　　　(7)
以 P t 对(X t -X 0)作图 ,可得斜率 α=1.9493 ,而
P0 =0 g ·(100 g)-1 ,已知 X 0 =2.07 g ·(100 g)-1 ,
那么多糖合成的动力学模型为:
P t =1.9493(X t -2.07)　 (8)
对裂褶菌多糖产量的实验数据进行非线性拟合 ,
结果见图 3 ,其中 R =0.99163 ,表明所选模型很好地
反映了多糖合成的实际情况。
2.3.3　底物消耗动力学模型求解
将式(1)代入式(4)中 ,积分得:
S t =S0 -b2(X t -X 0)　　　　　 (9)
陈　聪等:固态发酵生产裂褶菌多糖的动力学研究/ 2010 年第 8 期 79　
图 3　裂褶菌多糖合成拟合曲线
Fig.3　Experimental data and model simulation for
schizophyllan yield
式中:b2 =1/Y X/S 。
以 S t 对(X t -X 0)作图 , 得:S0 = 0.3766 , b2 =
-0.6458 ,已知 X 0 =2.07 g ·(100 g)-1 ,得底物消耗
的动力学模型为:
S t =0.3766+0.6458(X t-2.07) (10)
对底物消耗的实验数据进行非线性拟合 ,结果见
图 4 ,其中 R=0.98835 ,表明所选模型较好地反映了
底物消耗的实际情况 。
图 4　底物消耗拟合曲线
Fig.4　Experimental data and model simulation
for substrate consumption
3　结论
通过对裂褶菌多糖发酵过程的研究 ,发现裂褶菌
菌体生长和多糖的合成属于生长偶联型 ,即随着菌体
生长 ,底物被迅速利用 ,并在菌体生长过程中合成多
糖。基于 Log ist ic方程和 Luedeking-Pirct 方程 ,结合
数学推导并应用Origin 8.0软件对实验数据进行处理
计算 ,得到了菌体生长 、多糖合成和底物消耗的动力学
模型及其参数 ,结果表明该模型与实验数据能较好地
拟合 。
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Study on Kinetics of Schizophyllan Production by Solid-State Fermentation
CHEN Cong , ZHOU Su-mei
(Insti tute of Argo-food Science and Technolog y ,Chinese Academy of
Agricul tural Sciences ,Bei j ing 100193 ,China)
Abstract:The solid-state fermentation kinetics of schizophy llan was studied in this paper.Based on Logistic
equation and Luedeking-Pirct equat ion , the models fo r mycelia g row th , schizophy llan production and subst rate
consumption w ere obtained and then validated w ith the experimental data.The results show ed that schizophy l-
lan production w as related to both the g row th rate and subst rate consumption.The maximum speci fic grow th
rate w as estimated about 0.7385 d-1 .The model and experimental data w as fi t ted w ell , and the relative index R
of the curves of mycelia grow th , schizophy llan production and subst rate consumption we re 0.99256 , 0.99163
and 0.98835 , respectively.The results indicated that the model could w ell ref lect the solid-state fermenta tion
pro cedure of schizophyllan.
Keywords:solid-state fermentat ion;schizophy llan;kinet ics model