pH對(duì)發(fā)酵影響與

pH對(duì)發(fā)酵影響與發(fā)酵過程的pH

值pH值是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進(jìn)行，所以是十分重要的參數(shù)。發(fā)酵過程中pH值是不斷變化的，通過觀察pH值變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否一、pH值對(duì)發(fā)酵的影響pH值影響菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成①pH值影響酶的活性：②pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)：③pH值影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解：④pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變?nèi)纾簆H對(duì)海藻糖水解酶產(chǎn)生的影響pH——菌濃

pH——酶活又如：

：培養(yǎng)基初始pH值對(duì)漆酶分泌的影響pH在4～7范圍內(nèi)產(chǎn)酶高漆酶(Laccases)在漆樹的永延液汁中可被此酶氧化變成黑色色素的物質(zhì)是漆酚、氫化漆酚等。借助氧將對(duì)苯二酚（氫醌）氧化成對(duì)苯醌的酚氧化酶的一種，亦稱為對(duì)苯二酚氧化酶。是一種結(jié)合多個(gè)銅離子的蛋白質(zhì)，藍(lán)色，分子量約12萬(wàn)，含4原子銅。屬于銅藍(lán)氧化酶，存在菇、菌及植物中。漆酶可存活于空氣中，發(fā)生反應(yīng)后唯一的產(chǎn)物就是水，因此本質(zhì)上是一種環(huán)保型酵素。由于這幾年環(huán)保意識(shí)逐漸被人所重視，因此近年來漆酶也成為眾多學(xué)者的研究對(duì)象。

pH影響菌體的生長(zhǎng)對(duì)微生物發(fā)酵來說有各自的最適生長(zhǎng)pH值和最適生產(chǎn)pH值。多數(shù)微生物生長(zhǎng)都有最適pH值范圍及其變化的上下限：上限都在8.5左右，超過此上限，微生物將無(wú)法忍受而自溶；下限以酵母為最低(2.5)。①pH值影響酶的活性當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)會(huì)阻礙菌體的新陳代謝。菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成都是酶反應(yīng)的結(jié)果，僅僅是酶的種類不同而已，因此代謝產(chǎn)物的合成也有自己最適的pH值范圍。一般認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)的H＋或OH－能影響酶蛋白的解離度和電荷情況，改變酶的結(jié)構(gòu)和功能，引起酶活性的改變。

培養(yǎng)基與胞內(nèi)pH培養(yǎng)基的H＋或OH－并不是直接作用在胞內(nèi)酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱堿)上，使之成為易于透過細(xì)胞膜的分子狀態(tài)的弱酸(或弱堿)，它們進(jìn)入細(xì)胞后，再行解離，產(chǎn)生H＋或OH－，改變胞內(nèi)原先存在的中性狀態(tài)，進(jìn)而影響酶的結(jié)構(gòu)和活性。所以培養(yǎng)基中H＋或OH－是通過間接作用來產(chǎn)生影響的。②pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)

從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行。

Collnig等人發(fā)現(xiàn)產(chǎn)黃曲霉的細(xì)胞壁的厚度就隨pH值的增加而減?。浩渚z直徑在pH6.0時(shí)為2～3μm；pH7.4時(shí)為2～18μm，并呈膨脹酵母狀；pH值下降后菌絲形態(tài)又會(huì)恢復(fù)正常。菌體形態(tài)變化反映代謝

不同pH值對(duì)菌體的形態(tài)影響很大：當(dāng)pH值高于7．5時(shí)：菌體易于老化，呈現(xiàn)球狀；當(dāng)pH值低于6．5時(shí)：菌體同樣受抑制，易于老化。而在7．2左右時(shí)：菌體是處于產(chǎn)酸期，呈現(xiàn)長(zhǎng)的橢圓形；在6．9左右時(shí)：菌體處于生長(zhǎng)期，呈“八”字形狀并占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。③pH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解：從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用。

④pH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變例：黑曲霉在pH2~3時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。又如：谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺由于PH值的高低對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成產(chǎn)生明顯的影響，所以在工業(yè)發(fā)酵中，維持最適PH值已成為生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵因素之一。（一）、發(fā)酵過程pH變化的原因

培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝，是引起pH值變化的主要原因1、基質(zhì)代謝

（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。（2）氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，

NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。二，發(fā)酵過程中pH的變化生理堿性物質(zhì)、生理酸性物質(zhì)無(wú)機(jī)氮源特點(diǎn)：微生物對(duì)它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無(wú)機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化。生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺。生理堿性物質(zhì)：若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無(wú)機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。生理堿性物質(zhì)、生理酸性物質(zhì)無(wú)機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)。

(NH4)2SO4→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH正確使用生理酸堿性物質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH值有積極作用。2.培養(yǎng)基引起pH值下降的因素碳源過量消泡油添加過量生理酸性物質(zhì)的存在引起pH值上升的因素氮源過多生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多發(fā)酵過程pH值變化的原因——如：培養(yǎng)基對(duì)林可霉素發(fā)酵的影響

林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類中間產(chǎn)物，發(fā)酵液pH下降，待有機(jī)酸被生產(chǎn)菌利用，pH上升。若不及時(shí)補(bǔ)糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到8.0以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長(zhǎng)緩慢，甚至停止。對(duì)照罐發(fā)酵66小時(shí)pH達(dá)7.93，以后維持在8.0以上至115小時(shí)，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時(shí)左右，pH值可以從稍后的6.5左右下降到5.3，調(diào)節(jié)這一段的pH值至7.0左右，以后自控pH保持7.0，可提高發(fā)酵單位。pH7.0t不調(diào)pH調(diào)pH效價(jià)pH3、產(chǎn)物形成

某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降；紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。

4、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。

發(fā)酵過程pH變化的原因——1.pH的確定——根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響三、發(fā)酵PH值的確定和控制菌體有一定的自調(diào)pH值能力在產(chǎn)生菌的代謝過程中，菌體本身具有一定的調(diào)整周圍環(huán)境pH值，構(gòu)建最適pH值的能力。曾以產(chǎn)生利福霉素SV的地中海諾卡菌進(jìn)行發(fā)酵研究，采用pH值為6.0、6.8、7.5三個(gè)出發(fā)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH值在6.8、7.5時(shí)，最終發(fā)酵pH值都達(dá)到7.5左右，菌絲生長(zhǎng)和發(fā)酵單位都達(dá)到正常水平；但pH值為6.0時(shí)，發(fā)酵中期pH值只達(dá)4.5，菌濃僅為20％，發(fā)酵單位為零。這說明菌體僅有一定的自調(diào)能力。pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響

生長(zhǎng)合成pH對(duì)菌體生長(zhǎng)影響比產(chǎn)物合成影響?。ㄍ瑴囟龋├嗝顾兀壕w生長(zhǎng)最適pH3.5~6.0,

產(chǎn)物合成最適pH7.2~7.4

四環(huán)素：菌體生長(zhǎng)最適pH6.0~6.8，產(chǎn)物合成最適pH5.8~6.0XPpH四環(huán)素在不同的發(fā)酵階段所要求的pH值不同如：谷氨酸發(fā)酵前期：控制pH=7.5左右發(fā)酵中期：控制pH=7.2左右發(fā)酵后期：控制pH=7.0左右將近放罐時(shí)：pH=6.5~6.8為好如：初級(jí)代謝產(chǎn)物丙酮、丁醇的梭狀芽孢桿菌的發(fā)酵pH在中性時(shí)，菌體生長(zhǎng)良好，但產(chǎn)物產(chǎn)量低。實(shí)際發(fā)酵合適pH值為5~6。又如：次級(jí)代謝產(chǎn)物抗生素發(fā)酵鏈霉素產(chǎn)生菌生長(zhǎng)的合適pH值為6.2~7.0，而合成鏈霉素的合適pH值為6.8~7.3。因此按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH范圍，使產(chǎn)物的產(chǎn)量達(dá)到最大。最適pH值的確定生長(zhǎng)最適pH值的確定：將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié)pH值以維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液配制培養(yǎng)基來維持之。定時(shí)觀察菌體的生長(zhǎng)情況，以菌體生長(zhǎng)達(dá)到最高值的pH值為菌體生長(zhǎng)的最適pH值。產(chǎn)物合成的最適pH值的確定：以同樣的方法，可測(cè)得產(chǎn)物合成的最適pH值。

最適pH值確定的條件但同一產(chǎn)物的最適pH值，還與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)。如：合成青霉素的最適pH值，先后報(bào)告有7.2～7.5、7.0左右和6.5～6.6等不同數(shù)值，產(chǎn)生這樣的差異，可能是所用的菌株、培養(yǎng)基組成和發(fā)酵工藝不同引起的。在確定發(fā)酵最適pH值時(shí)，要不定期考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提高或降低，最適pH值也可能發(fā)生變動(dòng)。

2、pH的控制A.μ和Qp的最適pH值的幾種情形在各種類型的發(fā)酵過程中，實(shí)驗(yàn)所得的最適pH值菌體的比生長(zhǎng)速率μ和產(chǎn)物比生成速率Qp等3個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系有四種情況：

(a)μ和Qp的最適pH值都在一個(gè)相似的較寬的適宜范圍內(nèi)，這種發(fā)酵過程易于控制；(b)Qp的最適pH值范圍很窄，而μ的范圍較寬；或反之。

(c)μ和Qp對(duì)pH值都很敏感，它們的最適pH值又是相同的。第三種情況的發(fā)酵pH值應(yīng)嚴(yán)格控制；(d)第四種情況更復(fù)雜，μ和Qp有各自的最適pH值，應(yīng)分別嚴(yán)格控制各自的最適pH值，才能優(yōu)化發(fā)酵過程。B.控制方法首先需要考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔?，使發(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內(nèi)。（1）調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.8。

（2）在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)。如代謝產(chǎn)酸物質(zhì)：葡萄糖（產(chǎn)酮酸）、（NH4)2SO4產(chǎn)堿物質(zhì)：NaNO3、尿素緩沖劑：CaCO3、磷酸緩沖液等在發(fā)酵過程中根據(jù)糖、氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)pH如①調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率；消泡劑(如豆油)的個(gè)別情況下，還可采用提高空氣流量來加速脂肪酸的代謝，來調(diào)節(jié)pH

②當(dāng)NH2-N低，pH低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時(shí)補(bǔ)(NH4)2SO4

③

當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH

（3）、通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

分別在4種緩沖介質(zhì)中，于pH6．50一9．50測(cè)定天冬酰胺酶酶活力．1甘氨酸介質(zhì)pH8.00時(shí)酶活力最高；2硼酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快3磷酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快4Tris（三羥甲基氨基甲烷）在pH8．50，酶反應(yīng)最快酶活1＞2＞4＞3C、不同調(diào)節(jié)pH方法產(chǎn)生的影響不同緩沖介質(zhì)對(duì)天冬酰胺酶的影響不同pH控制方式對(duì)目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖所示?！?”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯(lián)合控制pH值。異亮氨酸發(fā)酵例：pH對(duì)L-異亮氨酸發(fā)酵的影響（天津科技大學(xué)）菌株最適生長(zhǎng)pH控制在6.8～7.0D、發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值pH6．9時(shí)：菌體生長(zhǎng)旺盛，pH7．15時(shí)：對(duì)菌體的產(chǎn)酸有利。因此，采用階段pH控制模式進(jìn)行發(fā)酵：發(fā)酵中前期：控制pH6.9，到48h后：pH值為7.15，到80h后：pH值為7.25。產(chǎn)率22．27g·/L，產(chǎn)酸率提高12．23％。例：克拉維酸發(fā)酵中pH變換控制問題的提出：在pH低時(shí):菌體生長(zhǎng)受抑制，在高pH時(shí):克拉維酸會(huì)分解用2.5升罐進(jìn)行的不控制pH的發(fā)酵發(fā)現(xiàn):前期:由于微生物產(chǎn)生的酸性副產(chǎn)物和有機(jī)酸使pH7

降至6.5。達(dá)到最高細(xì)胞濃度后:pH開始從6.5升至8.3。CA產(chǎn)量達(dá)最高水平時(shí):pH不再升高。在發(fā)酵終止時(shí):pH再次升至8.5。隨著pH升高，CA迅速分解。克拉維酸對(duì)各種β-內(nèi)酰胺酶有強(qiáng)抑制