益生菌的高密度發(fā)酵概念

       高密度發(fā)酵是一個(gè)相對(duì)概念，主要是指通過(guò)改進(jìn)指定培養(yǎng)裝置或培養(yǎng)技術(shù)，使菌體密度相對(duì)于高密度發(fā)酵之前有較大提升，同時(shí)縮短培養(yǎng)周期、減少培養(yǎng)體積。而從廣義上來(lái)講，凡是菌體密度比較高，以至接近其理論值的發(fā)酵均可稱(chēng)為高密度發(fā)酵。

       高密度發(fā)酵的主要影響因素

       高密度發(fā)酵是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，與常規(guī)發(fā)酵相比較，可以顯著提高菌體密度，縮短生長(zhǎng)周期，并生產(chǎn)出高質(zhì)量高產(chǎn)量的濃縮型發(fā)酵劑。高密度發(fā)酵過(guò)程中菌種的活力、培養(yǎng)代數(shù)，培養(yǎng)基的成分，增殖因子，培養(yǎng)條件等，都是影響高密度培養(yǎng)的重要因素。

       發(fā)酵溫度：不同的乳酸菌菌種其生長(zhǎng)最適溫度存在一定的差別。溫度通過(guò)影響蛋白質(zhì)等大分子的性質(zhì)及酶的活性，進(jìn)而影響乳酸菌的繁殖和代謝。不同的發(fā)酵溫度不僅影響菌株的活力及細(xì)胞的生長(zhǎng)，對(duì)于凍干菌粉的活菌數(shù)和組織狀態(tài)也有影響。

       發(fā)酵pH值：適宜的pH值是乳酸菌高密度發(fā)酵的基礎(chǔ)條件。乳酸菌有其最適生長(zhǎng)pH范圍，培養(yǎng)基中的氫離子濃度若超過(guò)了乳酸菌的pH適宜范圍，就會(huì)抑制其生長(zhǎng)，不同的乳酸菌對(duì)酸性條件的酎受性有很大的差別。例如有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)嗜熱鏈球菌ND03發(fā)酵過(guò)程中pH的值選擇后得出，培養(yǎng)基初始pH值為7.2，發(fā)酵pH值5.8時(shí)，ND03 發(fā)酵液的活菌數(shù)可達(dá)1.8x1010CFU/mL。

       發(fā)酵液的氧含量：發(fā)酵液中的氧含量也是影響乳酸菌高密度發(fā)酵的重要因素。厭氧微生物對(duì)環(huán)境中溶氧量非常敏感，高溶解氧濃度會(huì)導(dǎo)致厭氧微生物失活，如氧對(duì)雙歧桿菌有致死作用。嗜酸乳桿菌是兼性厭氧菌，培養(yǎng)基中的溶氧量可能直接影響其生長(zhǎng)，不同的氧化還原電位可能使嗜酸乳桿菌的代謝途徑發(fā)生改變，從而影響菌體的生長(zhǎng)?？箟难岷桶腚装彼猁}酸鹽是消耗培養(yǎng)基中氧及降低氧化還原電位的常用試劑。

       高密度的發(fā)酵方法

       細(xì)胞循環(huán)培養(yǎng)：細(xì)胞循環(huán)培養(yǎng)是一種利用一些高科技手段，將細(xì)胞截留在原來(lái)的培養(yǎng)環(huán)境中，而將產(chǎn)物分離出來(lái)，達(dá)到排除抑制性代謝產(chǎn)物的一種培養(yǎng)方法。細(xì)胞循環(huán)法一般包括靜置、沉降以及膜過(guò)濾。細(xì)胞循環(huán)中膜過(guò)濾方法是在培養(yǎng)罐中添加一套合適的膜過(guò)濾裝備，在培養(yǎng)過(guò)程中使用泵抽出發(fā)酵液，再截留細(xì)胞的同時(shí)加入新鮮培養(yǎng)液，控制管內(nèi)培養(yǎng)液的體積不變。膜過(guò)濾方法需要特殊的生物反應(yīng)器，所用的膜有纖維膜、陶瓷膜等。該方法也有他的缺陷，使用膜過(guò)濾方法可以達(dá)到很高的細(xì)胞濃度，但是濾膜容易被污染從而導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵罐中的培養(yǎng)液報(bào)廢，且濾膜需要特殊設(shè)計(jì)，不能連續(xù)操作使用及大規(guī)?；a(chǎn)，且膜過(guò)濾系統(tǒng)造價(jià)過(guò)高，成本高。

       混菌發(fā)酵：混菌發(fā)酵是指將一株或幾株有利于或促進(jìn)乳酸菌菌體生長(zhǎng)繁殖的菌株接種到同一培養(yǎng)基中培養(yǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)發(fā)酵過(guò)程中，關(guān)于乳酸菌和酵母菌共同發(fā)酵的例子很多。乳酸菌和酵母菌之所以可以共同生長(zhǎng)繁殖，主要是因?yàn)橐环矫嫒樗峋鄙俸芏酄I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成途徑，而酵母菌正好可以為乳酸菌供應(yīng)這些生長(zhǎng)繁殖所需物質(zhì)，例如維生素、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，另一方面乳酸菌的代謝產(chǎn)物也可以被酵母菌利用。

       緩沖鹽法：與化學(xué)中和法類(lèi)似，也是為了維持乳酸菌生長(zhǎng)繁殖所需的較合適的 pH 值范圍，也是調(diào)節(jié)發(fā)酵液 pH 值的重要手段之一。緩沖鹽可以使發(fā)酵液中的 pH 值在一定區(qū)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，減緩乳酸對(duì)乳酸菌的抑制作用。較為常見(jiàn)的緩沖鹽有碳酸鈣、磷酸鹽、乙酸鹽、檸檬酸鹽等，國(guó)際上也有學(xué)者采用磷酸鹽作為緩沖鹽體系。和化學(xué)中和法一樣，對(duì)于解除乳酸對(duì)乳酸菌的抑制作用是有限的。

       透析培養(yǎng)：透析培養(yǎng)法指在發(fā)酵液中加入合適孔徑的半透明，以此節(jié)流微生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)等大分子或小分子物質(zhì)，如乳酸等代謝產(chǎn)物可以通過(guò)透析膜滲透出去，從而降低發(fā)酵液中乳酸的含量，進(jìn)一步解除乳酸對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)繁殖的抑制了。但透析培養(yǎng)的方法也存在弊端，就是投資大，易感染噬菌體、處理量大等不好的確定。

       化學(xué)中和法：在乳酸菌的高密度發(fā)酵過(guò)程中，經(jīng)常使用中和劑來(lái)維持發(fā)酵液的 pH 值，使其在一個(gè)利于乳酸菌菌體生長(zhǎng)繁殖的范圍內(nèi)，較常用的中和劑有氫氧化鉀、氫氧化鈉、氨水和碳酸鈉等堿性物質(zhì)。雖然加入中和劑后會(huì)維持pH值穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，緩解乳酸對(duì)乳酸菌的抑制作用，之所以會(huì)緩解是因?yàn)槿樗嶙兂闪巳樗猁}。但乳酸鹽中的乳酸根離子仍然會(huì)抑制乳酸菌菌體法生長(zhǎng)繁殖，因此化學(xué)中和法對(duì)于解除乳酸對(duì)乳酸菌的抑制作用是有限的。

       固定化：固定化發(fā)酵微生物的方法，其原理是使用物理或化學(xué)方法將獲得微生物固定在一些合適的載體上，進(jìn)而濃縮微生物菌體的一種技術(shù)手段。對(duì)于乳酸菌高密度發(fā)酵而言，主要使用的固定化方法是采用包埋法和吸附法。包埋法是將活的微生物菌體包裹在微小的孔隙中，這種方法可以防止細(xì)胞掉落，同時(shí)讓培養(yǎng)液滲透到孔隙中供微生物菌體使用。吸附法是將載體經(jīng)過(guò)一系列預(yù)處理后，通過(guò)物理吸附、離子結(jié)合等手段，使微生物活細(xì)胞結(jié)合在不溶于水的載體上。固定化方 法雖然在一定區(qū)域內(nèi)可以取得較高的密度，但更多時(shí)候是應(yīng)用在廢水、廢氣處理方面。

       高密度發(fā)酵的應(yīng)用

       在生物制品中的應(yīng)用：試驗(yàn)研究表明，高密度發(fā)酵技術(shù)在利用工程菌生產(chǎn)各種干擾素、生長(zhǎng)因子、生物酶、肽類(lèi)、多糖等活性成分過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。

       在食品工業(yè)中的應(yīng)用：高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)可用于活細(xì)胞(即為所需產(chǎn)物)的培養(yǎng)，如通過(guò)改善培養(yǎng)環(huán)境和調(diào)控方式得到乳酸菌的高密度發(fā)酵，應(yīng)用于乳制品行業(yè)。另外，高細(xì)胞密度發(fā)酵還可用于酵母菌生產(chǎn)酒精和利用螺旋藻細(xì)胞生產(chǎn)螺旋藻等。

       關(guān)鍵詞：高密度發(fā)酵、發(fā)酵工藝、益生菌

       作者簡(jiǎn)介

       Martin Yu，食品科技工作者、營(yíng)養(yǎng)師，長(zhǎng)期負(fù)責(zé)特殊食品研發(fā)工作，主要方向?yàn)椋篎SMP、益生菌、特膳食品。