全 文 ：研究与探讨 食品工业科技
Vol.29 , No.03 ,2008
2008年第 03期 79　
裂褶菌放大培养条件的研究
黄　皓1 ,贾士儒1 ,郝利民2, 3 , ＊ ,乔长晟1 ,何锦风2 ,郑文科1
(1.天津科技大学天津市工业微生物重点实验室 ,天津 300457;
2.总后勤部军需装备研究所 ,北京 100010;3.清华大学化学工程系 ,北京 100084)
摘　要:以裂褶菌菌丝体和胞外多糖为目标产物 ,研究了裂褶菌从摇瓶 、5L发酵罐至 50L发酵罐的放大培养条件 。根
据单位体积发酵液所消耗的通气功率相等和单位体积发酵液通风量相等的准则 ,进行了主要控制参数-搅拌转速的理
论放大计算 ,确定了裂褶菌 50L发酵罐放大培养的理论搅拌转速为 150r/min,通风量为 30L/min;通过搅拌转速对菌体
和胞外多糖产量影响的研究 ,确定了在发酵中后期采用阶梯式调整搅拌转速的发酵工艺 ,成功实现了由摇瓶至 50L发
酵罐的裂褶菌放大培养 ,裂褶菌菌丝体和胞外多糖的产量分别由原来的 13.25g/L和 3.14g/L提高至放大后的 17.09g/L
和 7.74g/L。
关键词:裂褶菌 ,裂褶多糖 ,深层培养 ,放大培养
Studyonthescale-upcultureofSchizophylumcommune
HUANGHao1 , JIAShi-ru1 , HAOLi-min2, 3, ＊ , QIAOChang-sheng1 , HEJin-feng2 , ZHENGWen-ke1
(1.TianjinUniversityofScience＆ Technology, TianjinKeyLaboratoryofIndustryMicrobiology, Tianjin300457 , China;
2.TheQuartermasterEquipmentInstituteofGLDofPLA, Beijing100010, China;
3.DepartmentofChemicalEngineering, TsinghuaUniversity, Beijing100084 , China)
Abstract:Onthebasisofmycelialgrowthandexopolysaccharideproduction, thestudywasfocusedonthescale
-upcultureofSchizophylumcommunefrom shakeflask, 5Lbioreactorto50Lbioreactor.Accordingtothe
standardofthesameagitatedpowerandthesameaerationrateperunitvolume, theprimaryparameters
calculatedonthestirringspeedwereamplified.Theimpelerspeedandaerationrateof50Lbioreactorinthis
theoryweredeterminedas150r/minand30L/min, respectively.Thenthroughtheresearchthatfocusedonthe
efectsofimpelerspeedonmycelialgrowthandexopolysaccharideproductionbySchizophylumcommune, the
technicsthatstepwiseincreasedimpelerspeedduringthemiddle-laterfermentationperiodwasdecided, andthe
submergedcultureofSchizophylum communehadbeenscaledupsuccessfulyfrom shakeflaskto 50L
bioreactor.Theyieldofmyceliumandproductionofexopolysaccharidewereincreasedfrom13.25g/Land3.14g/L
to17.09g/Land7.74g/Lrespectively.
Keywords:Schizophylumcommune;schizophylan;submergedculture;scale-upculture
中图分类号:TS201.3　　　　文献标识码:A　　　　文 章 编 号:1002-0306(2008)03-0079-04
收稿日期:2008-02-13　＊通讯联系人
作者简介:黄皓(1982-),男 ,硕士研究生 ,研究方向:抗缺氧食品。
　　裂褶菌(SchizophylumcommuneFr.)属于真菌门
(Eumycota),担子菌亚门(Basidiomycotina), 层菌纲
(Hymenomycetes), 伞菌目 (Agaricales), 裂褶菌科
(Schizophylaceae),属食药两用菌 。裂褶菌可以滋补
强身 、扶正固本 ,具有镇静和治疗神经衰弱 、精神不
振 、头昏耳鸣 、虚汗的作用 [ 1 ] 。裂褶菌及其深层培养
液中含有丰富的营养及功能性物质 ,李兆兰 [ 2 ]的研究
结果表明 ,裂褶菌菌丝体及其发酵液中均含有丰富
的免疫活性多糖 、蛋白质 、生物活性 L-型氨基酸等;
郝利民 [ 3]等的研究结果表明 ,裂褶菌的发酵液中富含
多种糖类 、氨基酸 、蛋白质 、有机酸 、酚性物和生物碱
等成分 ,并具有显著的抗缺氧和抗疲劳效果。裂褶
菌所分泌的同型葡聚糖-裂褶多糖为国内外研究的
热点 ,它既可作为高聚物添加剂应用到油田 ,以提高
石油产量 ,也可制成防护薄膜 ,避免食物因氧化而变
质 ,还可用作肿瘤治疗的免疫药剂 [ 4] 。裂褶菌生长相
对缓慢 、培养周期较长 ,深层培养过程中易染菌 ,放
大过程是裂褶菌工业化生产过程中的关键环节 ,因
此对裂褶菌的放大培养过程进行研究具有重要意
义。在 7L发酵罐上进行的以搅拌转速 、通风量和接
种量为实验因素的 L9(34)正交实验中发现 ,各因素
对裂褶菌胞外多糖产量影响的顺序为:搅拌转速 >
通风量 >接种量 [ 5 ] ,其中搅拌转速为影响裂褶菌菌丝
体产量的显著性因素 。本文以裂褶菌菌丝体及其胞
外多糖为目标产物 ,对其放大培养条件进行了探索
性研究 ,重点研究了在 50L发酵罐培养过程中搅拌
转速对裂褶菌菌丝体和胞外多糖产量的影响。
1　材料与方法
1.1　材料与设备
DOI :10.13386/j.issn1002-0306.2008.03.074
食品工业科技 研究与探讨
　　　ScienceandTechnologyofFoodIndustry
80　 2008年第 03期
裂褶菌(SchizophylumcommuneFr)　天津市工
业微生物重点实验室与总后勤部军需装备研究所联
合保藏;斜面种子培养基———PDA培养基(g/L)　土
豆 200.0 (制 成 20%土 豆 汁 )、葡 萄 糖 20.0、
MgSO4 · 7H2O1.5、KH2PO4 3.0、琼脂 20.0;液体种子
培养基(g/L)　葡萄糖 30.0、豆饼粉 10.0(制成 1%豆
饼粉汁)、酵母膏 1.0、MgSO4 · 7H2O0.5、KH2PO4 1.0,
pH6.0;发酵培养基　12°Brix麦汁 , pH自然。
5L及 50L自动发酵罐　上海高机实业总公司;
722光栅分光光度计　北京光学仪器厂;高速冷冻离
心机　日本日立公司;DGG型电热鼓风干燥箱　天
津天宇机电有限公司;pH-SJ-4A型数字 pH计　上
海雷磁仪器厂;分析天平 　上海精科公司天平仪
器厂。
1.2　培养方法
1.2.1　摇瓶种子培养　斜面种子 28℃培养 5～ 6d,用
接种铲切取约 1cm2斜面菌丝并切成小块 ,转入装有
150mL液体种子培养基的 500mL三角瓶中 , 26℃,
180r/min的条件下培养 72h。
1.2.2　摇瓶(500mL)培养　装液量 150mL,接种量
10% (v/v),摇床转速 150r/min,温度 26℃。
1.2.3　5L发酵罐培养 　装液量 3.5L,接种量 10%
(v/v),搅拌转速 200r/min,通风量 200L/h,培养温度
26℃, pH自然 。
1.2.4　50L发酵罐培养　装液量 35L, 接种量 10%
(v/v),搅拌转速 150 ～ 500r/min,通风量 30L/min,培
养温度 26℃, pH自然 。
1.3　检测方法
1.3.1　生物量测定　取发酵液 50mL, 8000r/min离
心 10min,弃上清液 ,菌体用蒸馏水洗涤 2次 , 80℃烘
6h后 ,置于干燥器中冷却至室温 ,分析天平称量 。
1.3.2　还原糖测定 　采用 3, 5-二硝基水杨酸比
色法 [ 6 ] 。
1.3.3　粗多糖测定　发酵液 8000r/min离心 10min,
取上清液加 4倍 95%乙醇 , 4℃沉淀 24h,得白色纤维
状多糖 ,将多糖再用 95%乙醇洗涤 2次 , 80℃烘 3h
后 ,置于干燥器中冷却至室温 ,分析天平称量。
1.3.4　pH测定　pH计测量。
2　结果与讨论
2.1　裂褶菌摇瓶培养
由图 1可看出 ,在裂褶菌的摇瓶培养过程中 , 0～
36h为缓慢生长期 , 36～ 108h为快速生长期 , 108h以
后进入稳定期和衰退期 。菌体量在 108h达最大值 ,
为 13.25g/L,多糖的分泌与菌体的生长成正相关性 ,
在缓慢生长期时多糖不分泌或分泌量很少 ,随着菌
体生长进入快速生长期 ,多糖不断积累并分泌到胞
外 ,在菌体达最大值后多糖继续分泌 ,在 120h达到
最大值 ,为 3.14g/L。在菌体生长进入稳定期 ,多糖
产量达到最大值时 ,培养基中还原糖的含量随着菌
体的生长和代谢产物产量的下降而降至初始值的
44%左右。 pH在整个发酵过程中缓慢下降 ,发酵后
期稳定在 4.8左右 ,这主要是由于裂褶菌在发酵过程
中产生有机酸 [ 7 ] 。
图 1　裂褶菌摇瓶培养发酵过程曲线
2.2　裂褶菌 5L发酵罐培养
通过对发酵工艺参数的前期优化研究 ,获得裂
褶菌在 5L发酵罐上培养的优化发酵工艺参数为:搅拌
转速 200r/min,通风量 200L/h,接种量 10%(v/v)。
由图 2可看出 ,裂褶菌在 5L发酵罐的培养过程
中 , 0～24h为缓慢生长期 , 24～ 84h为快速生长期 , 84h
后进入稳定期和衰退期 。 5L发酵罐培养进入稳定期
的时间比摇瓶培养缩短 24h;84h时菌体量可达到最
大值 14.39g/L,比摇瓶培养的最大值高出 8.6%;多糖
在菌体生长进入稳定期后继续分泌 , 96h时达最大值
3.94g/L,比摇瓶培养的最大值高出 25.5%。在多糖
产量达最大值时 ,培养基中还原糖的含量随着菌体
生长和多糖生成逐渐降低 ,发酵结束时还原糖含量
降至初始值的 35%左右。从菌体与多糖产量及培养
基中还原糖消耗量分析 , 5L发酵罐培养时 ,菌体对营
养物质的利用比摇瓶更加充分 。在裂褶菌 5L发酵
罐的培养过程中 ,其发酵液的混合效果与传质效果
均优于摇瓶 。在菌体进入快速生长时期时 ,溶氧开
始迅速下降 ,培养至 64h后溶氧基本降至 0;其后 ,随
着菌体生长和多糖生成 ,发酵液粘度逐渐提高 ,而溶
氧值在 0附近波动 。由于溶氧电极所测的液相氧分
压只能反映液相中局部区域而非整个系统的供氧情
况 ,因此 ,即使测得溶氧数值为 0时 ,菌体仍有可能
在一定程度上利用氧进行生长。
图 2　裂褶菌 5L发酵罐培养时的发酵过程曲线
2.3　裂褶菌 50L发酵罐培养
2.3.1　由 5L发酵罐放大到 50L发酵罐培养时的参
数计算　因为裂褶菌发酵是发酵醪为非牛顿流体的
真菌发酵 ,所以选择以单位体积发酵液所消耗的通
气功率相同的原则进行放大 [ 8 ～ 10 ] ,即 Pg/V=常数 ,由
Michel及 Miler的经验公式确定:
Pg∝(P20nd3 /Q0.56)0.45 式(1)
因为 P0∝n3d5 , Q∝d2vg,代入式(1)可得:
Pg∝ [ (n3d5)2· nd3 /(d2vg)0.56 ] 0.45
∝n3.15d5.346 /vg0.252 式(2)
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　　又因为 V∝d3
　　故式(2)可写为:
Pg
V∝
n3.15d2.346
v0.252g (3)
　　当 Pg2 /V2 =Pg1 /V1时 ,可得:
n2 =n1 vg2vg1
0.08 d1
d2
0.746 式(4)
　　式中:ni为搅拌转数(r/min);vg为以发酵罐横
截面为基准的直线通气速度(m/s);V为发酵液体积
(m3);di为搅拌桨直径(m);Pg为通气时搅拌器轴功
率(kW);P0为不通气时搅拌器轴功率(kW);Q为通
气流率(L/min)。 5L发酵罐培养时的搅拌转速 n1 =
200r/min, 5L发酵罐搅拌浆直径 d1 =0.065m, 50L发
酵罐搅拌浆直径 d2 =0.115m。
因为 Q∝d2vg
所以有Q1Q2 =
d21vg1
d22vg2
而vg2vg1 =
d21
d22
Q2
Q1 =
0.0652
0.1152 ×10≈3.2
故 n2 =n1 vg2vg1
0.08 d1
d2
0.746
　　=200×3.20.08 × 0.065
0.115
0.746≈150r/min
通风量以单位体积液体的通风量相等进行放
大 ,计算得到 50L发酵罐的搅拌转速约为 150r/min,
通风量约为 30L/min。
2.3.2　采用理论计算放大的参数进行裂褶菌 50L发
酵罐培养　由图 3可以看出 , 0～ 24h为缓慢生长期 ,
24～120h为快速生长期 , 120h以后进入稳定期和衰
退期。 50L发酵罐培养时进入稳定期的时间与 5L发
酵罐相比虽无缩短 ,但其菌体量在 136h时 ,达到最
大值 16.48g/L,比摇瓶培养的最大值高 24.4%,比 5L
发酵罐培养的最大值高 14.5%;多糖的产量在 136h
时达最大值 6.65g/L,是摇瓶培养的 2.12倍 ,是 5L发
酵罐培养的 1.69倍 。培养基中的还原糖在菌体和多
糖产量达到最大值后 ,下降至初始值的 25%。从菌
体和多糖产量分析 ,采用理论计算的放大参数进行
50L发酵罐放大培养的实际培养效果良好 ,说明根据
单位体积发酵液所消耗的通气功率相等的原则及单
位体积发酵液通风量相等的原则进行裂褶菌的放大
培养可行。
图 3　裂褶菌在 50L发酵罐中转速 150r/min,
通风量 30L/min时的发酵过程曲线
在放大培养过程中 ,由于液柱高度增加及搅拌
作用 ,通入的空气在罐内的停留时间延长 ,氧的利用
率相对提高;然而 ,在菌体快速生长和多糖不断积累
的过程中 ,溶氧仍然趋于 0。因此 ,在裂褶菌发酵后
期 ,发酵液中存在局部厌氧区域 ,会有副产物乙醇生
成 ,这在 UdoRau博士的研究中已被证实 [11] ;此时 ,
碳源不仅用于合成菌体与多糖外 ,还有一定数量的
碳源用于合成乙醇。所以 ,在裂褶菌发酵过程中 ,如
果适当提高发酵液的混合程度 ,减小厌氧区域 ,可以
减少乙醇的生成 ,促使更多的碳源向菌体和多糖
转化 。
2.3.3　高搅拌转速对裂褶菌 50L发酵罐培养影响的
研究　采用理论计算转速 150r/min进行裂褶菌 50L
发酵罐培养时 ,在发酵过程中后期 ,发酵液中存在局
部厌氧区域 ,使部分碳源转化为乙醇 ,进而影响菌体
和多糖的生成 。为了了解搅拌转速对发酵液混合效
果及菌体与多糖产量的影响 ,本文在 50L发酵罐上 ,
采用 350r/min的高转速进行裂褶菌的培养研究 ,结
果如图 4所示 。
图 4　转速 350r/min,通风量 30L/min时裂褶菌
在 50L发酵罐中的发酵过程曲线
由图 4可看出 ,提高搅拌转速后 ,菌体生长进入
稳定期的时间由 120h缩短至 96h;而菌体量在 104h
达到最大值 13.08g/L,降至提高转速前的 80%,多糖
量也在 104h达到最大值 5.76g/L,降至提高转速前的
87%。从菌体和多糖的产量来看 ,在发酵的全过程
中 ,采用简单提高转速的发酵工艺虽然可以改善发
酵液的混合效果 ,促进菌体快速生长 , 但在发酵前
期 ,由于剪切力过大可能影响菌体初期的正常生长 ,
发酵液中丝状体所占比例增大 ,以丝状体方式生长
会使发酵液前期粘度较大 [ 12] ,影响了营养物质的传
递和氧的溶解 ,从而使菌体和多糖的产量下降。还
原糖在菌体和多糖达到最大值后 ,下降至初始值的
30%左右 。溶氧的变化与提高转速前无明显差异 ,
这说明采用较高转速进行发酵 ,也无法避免发酵液
中局部厌氧区域的存在 。
2.3.4　采用发酵中后期逐渐提高转速的方法进行裂
褶菌 50L发酵罐培养　由于简单采用高转速进行裂
褶菌培养不但无法消除发酵液中局部厌氧区域的存
在 ,反而会影响前期菌体的正常生长 ,不利于提高多
糖产量。为此 ,本文在发酵前期采用理论搅拌转速 ,
在发酵的中后期采用阶梯式提高搅拌转速的发酵工
艺进行发酵 ,进而实现改善发酵液混合效果 ,减小厌
氧区域 ,提高传氧与传质效率 。搅拌转速调整的具
体设计方案为:在发酵初期 ,采用 150r/min的搅拌转
速进行培养;培养过程中 , 在溶氧下降至 10%附近
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时 ,将搅拌转速提高至 200r/min,其后每隔 8h搅拌
转速提高 50r/min,提高至 500r/min时保持该搅拌转
速至发酵结束 ,调整发酵工艺后的培养结果如图 5
所示。
图 5　裂褶菌在 50L发酵罐中恒定通风量并
在中后期逐渐增加转速的发酵过程曲线
由图 5可看出 ,在发酵中后期提高搅拌转速 ,菌
体生长没有受到剪切力逐渐增大的影响 ,菌体量在
104h时达到最大值 17.09g/L,略大于以 150r/min转
速培养时 16.48g/L的水平;多糖在 112h时达到最大
值 7.74g/L,比以 150r/min培养时 6.65g/L的水平高
出 16.4%。此结果与搅拌转速为 350r/min的培养结
果相比可以认为 ,在菌体培养至一定时间(48h),适
当提高搅拌转速不仅不会影响菌体生长 ,而且有助
于提高发酵液的混合效果 ,增加菌体和多糖的产量 。
培养结束时 ,培养基中的还原糖在多糖分泌达到最
大值后降至初始值的 28%左右 ,菌体和多糖产量明
显增加 ,而还原糖的消耗量与搅拌转速为 150r/min
培养时相近 ,说明采用阶梯式调整搅拌转速的发酵
工艺方案有助于提高发酵液的混合效果和传质效
率 ,进而提高多糖产量 。
3　结论
本文对裂褶菌的放大培养条件进行了研究 ,根
据单位体积发酵液所消耗的通气功率相等和单位体
积发酵液通风量相等的准则 ,进行裂褶菌 50L发酵
罐放大培养过程中理论搅拌转速的计算 ,确定了 50L
发酵罐放大培养的理论控制参数:搅拌转速
150r/min,通风量 30L/min。通过提高搅拌转速对菌
丝体和胞外多糖产量的影响研究 ,确定了在裂褶菌
50L发酵罐放大培养过程中采用阶梯式提高搅拌转
　　
速的发酵工艺:在发酵初期 ,采用 150r/min的搅拌转
速 ,在发酵中期 ,待溶氧降至 10%左右时 ,每隔 8h搅
拌转速提高 50r/min,直至 500r/min, 保持 500r/min
的搅拌转速至发酵终点。在裂褶菌由摇瓶至 50L发
酵罐的放大培养过程中 ,菌丝体和胞外多糖产量分
别由原来的 13.25g/L和 3.14g/L提高至放大后的
17.09g/L和 7.74g/L。
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