全 文 ：搅拌转速和 !"对!#聚赖氨酸发酵的影响
姜俊云，贾士儒，董惠钧，牛瑞阳!
（天津科技大学 生化工程研究室，天津 $%%&&&）
摘 要：采用 ’ (自控式发酵罐研究了!#聚赖氨酸分批发酵过程中搅拌转速和 !"对发酵指标以及菌体细胞形态的
影响。提高搅拌速率对菌体生长和!#聚赖氨酸的合成有显著的促进作用；但当搅拌转速达到 )%% * + ,-.以上时，由
于剪切力过大导致细胞死亡，!#聚赖氨酸产量下降。当 !"维持 ’以上，有利于菌体生长；!")/%左右可促进!#聚赖
氨酸的合成。搅拌转速 $’% * + ,-.和控制 !")/%时可获得最大的!#聚赖氨酸产量 &/0’ 1 + (，菌体量 0/$$ 1 + (；此时产
物!#聚赖氨酸对葡萄糖的得率和对细胞干重的比生成速率分别为 %/%2& 1 + 1和 %/%%2 1 + 1·3。通过对比不同发酵条
件下菌丝体的形态变化，发现当菌丝球比较均匀、形态无较大差别、具有致密程度相当的核心时，有利于!#聚赖氨
酸形成。
关键词：!#聚赖氨酸；白色链霉菌；!"控制；搅拌转速；菌体形态
中图分类号： 450&% 文献标识码：6 文章编号：728&#$289（&%%)）%&#%%2%#%)
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!#聚赖氨酸（!#!HK?#(#K?P-.J，!#W(）是由白色链霉
菌（!"#$%"&’()$* +,-.,.*）发酵，经分离、提取和精制而
成的一种具有抑菌活性的多肽，链长为 &’ X $%个赖
氨酸［7 X &］。!#聚赖氨酸是具有优良性能和商业价值
的生物防腐剂之一［$］，除应用于食品防腐［)］，还用作
基因载体、药物包被物和环保材料［’，2］。日本的!#
W(发酵技术处于世界领先水平，我国在这一领域的
研究还刚刚起步。因此，为推动我国食品防腐剂的
! 收稿日期：&%%)#%$#7&
基金项目：教育部资助项目（编号：=:AY%$）
作者简介：姜俊云（7080 Z），女，山东省烟台人，硕士，研究方向：生物反应工程
联系人：贾士儒，L#,F-K：P3*C-F[!>MK-I/ N!N/ NC / I.
\F? &%%)
·2%·
生 物 加 工 过 程
S3-.JPJ :H>*.FK HQ G-H!*HIJPP L.1-.JJ*-.1
第 &卷第 &期
&%%)年 ’月
万方数据
发展，我们在!!"#生产菌株选育的基础上，针对发
酵体系中搅拌转速和 $%对!!"#发酵生物合成的影
响进行了研究，并分析了相关条件下菌丝形态的变
化。
! 材料和方法
&’& 菌种
白色链霉菌 ()&（ !"#$%"&’()$! *+,-+-!()&），本校
生化工程研究室保藏。
&’* 种子和发酵培养基
葡萄糖 +’,-，酵母浸膏 &’,-，$% .’/，&*&0灭
菌 *, 123。
&’4 培养方法
种子培养：取一环斜面孢子接种于装有 +, 1#
种子培养基的 +,, 1#三角瓶中，4,0，**, 5 6 123条
件下培养 7/ 8。
发酵：将 *+, 1#种子培养液接入到装有 *’*+ #
发酵培养基的自控式发酵罐（(9*,,,!+#，上海高机
实业公司）中，4,0，通风量 ,’/ ::1，培养 ;* 8。
&’7 分析方法
生物量测定：干重法。
残糖（以葡萄糖为对象）测定：<=>!7,? 生物传
感分析仪测定。
!!"#的测定：参照 @AB8CD2方法［;］。
" 结果和讨论
*’& 搅拌速率对白色链霉菌发酵生产!!"#的影响
微生物菌株的发酵能力不仅取决于菌体本身的
性能，而且适宜的生长环境也是菌体高效表达产物
的必要因素。发酵工业中，深层通氧搅拌发酵占据
着重要的地位，其中搅拌作用直接影响发酵基质的
传递和溶氧水平，最终与发酵生产能力和产品质量
息息相关，是发酵过程优化控制的重要参数。
随着搅拌转速提高（图 & 和表 &，图 &’=中 ./
值因电极损坏未测），发酵后期溶氧水平从 ,（*,, 5 6
123）升至 ;+-（7,, 5 6 123），这表明提高搅拌速度会
促进发酵体系的传质质量，提高溶氧水平，也有利于
提高!!"# 发酵生产能力。!!聚赖氨酸产量由 ,’4&
E 6 #（*,, 5 6 123）增加到 &’7/ E 6 #（4+, 5 6 123）。搅拌
转速 4+, 5 6 123 时，!!"# 产物得率和比生成速率最
高，分别为 ,’,.F E 6 E和 ,’,,/ E 6 E·8。另外通过比
较发酵参数发现，当搅拌转速在 4,, 5 6 123时，培养
7, 8后，发酵液的 $%维持在 4’+左右，而 7,, 5 6 123
时 $%维持在 7’.左右。从这一现象可以推测，当溶
解氧的影响不显著时，$%可能是产酸的主要影响因
素，可能是在 7 G $% G +的区间范围内，有利于产物
的积累。
—!—$%；—"—=2H1CII；—#—JKI2LMCN ENMOHIK；—$—!!"#；—%—(2IHN:KL HPQEK3
>：*,, 5 6 123，=：4,, 5 6 123，?：4+, 5 6 123，(：7,, 5 6 123
图 & 搅拌转速对!!"#发酵的影响（4,0，通风量 ,’/ ::1）
*,,7年 +月 姜俊云等：搅拌转速和 $%对!!聚赖氨酸发酵的影响 ·.&·
万方数据
!"#$% &’( )**(+,- .* -,"//(/ -0((1 .2 ,’(!34.5637356-"2( !(/8(2,9,".2（:;<，9(/9,".2 ;$= >>8）
表 % 不同搅拌速率下!347发酵的动力学参数
&9?5( % &’( *(/8(2,9,".2 @"2(,"+ 09/98(,(/- A21(/ 1"**(/(2, -,"//"2# -0((1
转速（/ B 8"2） "! B（# B 7） "" B（# B 7） "# B（# B 7） $! % # B（# B #） $" % # B（# B #） ! B（# B #·’） " B（# B #·’） # B（’
3%）
C;; %$CD ;$:% %C$D ;$%;; ;$;CD ;$%:E ;$;;: ;$;%:=
:;; :$:= %$CE CF$G ;$%C: ;$;GF ;$%%: ;$;;D ;$;%:=
:D; C$G= %$G= C%$D ;$%%D ;$;HE ;$%C; ;$;;= ;$;%:=
G;; C$%H %$:: C;$E ;$%;: ;$;HG ;$%:G ;$;;= ;$;%:=
表中符号说明："!—细胞生成量（# B 7）；""—产物生成量（# B 7）；"#—底物消耗量（# B 7）；$! % #—菌体得率（# B #）；$" % #—产物得率
（# B #）；!—底物的比消耗速率（# B #·’）；"—产物的比生成速率（# B #·’）；#—比生长速率（’
3%）
试验中观察菌体形态发现，当搅拌速率为 C;;
/ B 8"2时，菌丝球整个体积较大（包括核心和边缘部
分），其中菌丝球核心部分体积小，而菌丝球边缘部
分所占比例较大，而且从染色的颜色看，C;; / B 8"2
时菌丝球核心颜色较浅，说明菌丝比较疏松；:;; / B
8"2和 :D; / B 8"2 时，菌丝球形态没有大的差别，菌
丝球核心的致密程度相当；但搅拌速率为 G;; / B 8"2
时，可能是剪切力较大，菌丝形态不规则，菌丝球的
边缘所占的比例小。
通过比较菌丝球形态，从发酵液体系和菌丝球
体系分析可得，在低速搅拌（C;; / B 8"2）情况下，搅拌
桨对菌丝剪切力最小，因此形成上述的菌丝球形态，
这种形态利于氧气和营养成分的传递；但这种疏松
的菌丝增加了发酵液的粘度，在恒定的通风量条件
下，发酵液中的溶解氧会降低，无法满足细胞生长的
需要。在高速搅拌（G;; / B 8"2）情况下，实验数据表
明发酵液中的溶解氧充足，但细胞的繁殖速度慢，说
明搅拌桨的剪切力对菌丝的影响非常大，致使菌丝
球呈不规则形状，影响细胞代谢。
C$C 0I对白色链霉菌发酵生产!347的影响
!347产率很大程度上依赖于培养的 0I，因此在
发酵过程中控制发酵体系在不同的 0I下，结果如
图 C、图 :和表 C。!347形成的最优 0I为 G$;，当 0I
高于 G$;时，葡萄糖的消耗增快，培养过程中其消耗
—!—0I；—"—J".89--；—#—K(-"1A95 #5A+.-(；—$—!347；—%—L"-.5>(1 .M6#(2
（N）：0I:$;，（J）：0IG$;，（O）：0ID$;，（L）：0IH$;
图 C 0I对!347发酵的影响（:;<，通风量 ;$= >>8，搅拌转速 :D; / B 8"2）
!"#$C &’( )**(+,- .* 0I .2 ,’(!34.5637356-"2( !(/8(2,9,".2（:;，9(/9,".2 ;$= >>8，-,"//(/ -0((1 :D; / B 8"2）
·HC· 生物加工过程 第 C卷第 C期
万方数据
速率与细胞生长呈线性关系，细胞迅速生长，这一结
果与 !"#$%"&# ’%$%" 等的结果一致［(］。)$#*% +, %-
（./(0）［/］已经通过将［.12］343赖氨酸实验验证了 43
赖氨酸是!3!4的生物合成的前体物。且白色链霉
菌的细胞膜上具有!3!4降解酶，该酶在 56789之上
才具有活性［.9］。因此，可以推断，当 56较低时，!3
!4降解酶不具有活性，!3!4积累；56升高，!3!4降
解酶发生作用，将!3!4 降解为 434:;，因而产量降
低。
由表 < 可知，56为 189 时，!3!4产物得率和比
生成速率最高，分别为 989=< > ? > 和 9899= > ? >·$。
因此控制发酵的最佳 56为 189。
表 < 不同 56条件下!3!4发酵的动力学参数
@%A-+ < @$+ B+"*+C,%,#DC E#C+,#F 5%"%*+,+"; GC&+" &#BB+"+C, 56
56 "
! ?
（> ? 4）
"" ?
（> ? 4）
"# ?
（> ? 4）
$! % # ?
（> ? >）
$" % # ?
（> ? >）
! ?
（> ? >·$）
" ?
（> ? >·$）
# ?
（$3.）
089 <8/7 98(/ .=81 98.H/ 98971 98..0 9899= 989<91
189 H8=7 <8/7 1H81 98.=. 989=< 989/. 9899= 989.1H
789 (8<1 .8=. 0H87 98<./ 98910 989=H 98990 989.1H
=89 /89H 9 1(87 98.(H 9 989== 9 989.<0
表中符号说明见表 .。
图 0 控制不同 56条件下菌丝形态
I#>80 @$+ *D"5$D-D>: DB #&’()&*+,-(. /01202.’; *:F+-#G* 5+--+,
由图 0可看出，当 56控制在 089时，菌丝体短
小分散，没有形成菌丝球；当 56控制在 189 和 789
时，菌丝形成了比较均匀的菌丝球，没有明显的菌丝
球核心部分；当 56控制在 =89时，菌体呈致密的菌
丝球状。通过对不同 56条件下菌丝形态的观察，
可以看出 56对菌丝的生长有较明显的影响，而且，
进一步影响到!3聚赖氨酸的生物合成。
! 结论
.） 搅拌速率和 56对菌体生长和!3聚赖氨酸
的生物合成有显著的影响作用，当搅拌转速为 079
" ? *#C和控制 56189时可获得最大的!3聚赖氨酸产
量 <8/7 > ? 4，菌体量 /800 > ? 4；此时产物得率和产物
比生成速率分别为 989=< > ? >和 9899= > ? >·$。
<） 研究发现，在不同的搅拌速率和 56条件
下，白色链霉菌具有不同的菌丝体形态，当形成菌丝
球，且比较疏松时，有利于!3聚赖氨酸的生物合成。
参考文献：
［.］ )$DJ# ;$#*%8 !D-:-:;#C+ 5"D&GF+& A: #&’()&*+,-(. 8 K>"#F L#D- 2$+*
［M］，./HH，1.（/）：.(9H3.(9/ N
［<］ )$#J# )$#*%，6+##F$# )%E%#8 !D-:343-:;#C+ 5"D&GF+& A: #&’()&*+,-(. 8
!%", # 8 2$+*#F%- ),G&#+;［M］N K>"#F L#D- 2$+*，./(.，17（..）：<7903
<79( N
［0］ 石 功 8 国外防腐剂市场新动向［O］8 中国食品报，<99<8(8H，
L［1］ 向智敏 8 天然食品保鲜剂 P聚赖氨酸［M］8 广州食品工业科技，
.//08. N
［7］ 2E+CQ#+8 2D*5%"%,#R+ >+C+ ,"%C;B+" +BB#F#+CF: DB -DS *D-+FG-%" S+#>$,
5D-:-:;#C+ TOK3 FDC&+C;#C> 5+5,#&+;［M］8 MDG"C%- DB 5+5,#&+ "+;+%"F$，
.///，71（1）：0..30.( N
［=］ OG;;#CDR#,F$3K，U+";$DC3V，OG;;#CDR#,F$3WN 4#XG#&3FD"+ $:&"DFD--D#&
F%5;G-+;［M］N IDD& 6:&"D3FD--D#&;，.//=，.9（.）：<.3<= N
［H］ Y,Q$%E#，ZI8 2D-D"#*+,"#F *+,$D& BD" +;,#*%,#C> 5D-:-:;#C+ %C& 5D-:3
%">#C#C+［M］8 KC%- L#DF$+*，./H<，79，7=/37H1 N
［(］ !"#$%"&# E%$%"，@D;$#$%"GE #S%,%8 [C$%CF+*+C, DB（3!4 5"D&GF,#DC A:
#&’()&*+,-(. /01202. ),"%#C 1.9 G;#C> 56 2DC,"D-［M］8 MDG"C%- DB L#D3
;F#+CF+ %C& L#D+C>#C++"#C>，<99.，/.（<）：./93./1 N
［/］ )$#*% )，\;$#*% )，)%E%# 68 L#D;:C,$+;#; DB（35D-:343-:;#C+ A:
S%;$+& *:F+-#%G* DB #&’()&*+,-(. /01202. OD301=［M］8 O#55DC OD3
>+#E%>%EG ’%#;$#，./(0，7H：<<.3<<= N
［.9］W#,;G%E# ’#,D，Z#E% @%E#*D,D，@D:DE%QG ]D;$#&%，+, %-8 !G"#B#F%,#DC
%C& F$%"%F,+"#Q%,#DC DB %C!35D-:343-:;#C+3&+>"%&#C> +CQ:*+ B"D* %C!3
5D-:343-:;#C+35"D&GF#C> ;,"%#C DB #&’()&*+,-(. /01202.［M］8 K"F$ W#3
F"DA#D-，<99<，.H(：0<73009 N
<991年 7月 姜俊云等：搅拌转速和 56对!3聚赖氨酸发酵的影响 ·=0·
万方数据