工业发酵中氮源选择和高效利用

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工业发酵过程的调控往往是一个复杂的多因素问题，直接影响到发酵效价及目的产物的生产，是工业发酵中最核心的问题之一。华东理工大学储炬教授选取培养基中容易引起波动的有机氮源为讨论点，向我们阐释了氮源在工业发酵中的调控作用。
    微生物培养基主要是由水、碳源、氮源、无机盐及其它成分组成。氮源主要用于构建菌体细胞物质（氨基酸、蛋白质和核酸等）和含氮代谢物，可分为有机氮源和无机氮源。有机氮源除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外，还含有少量糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子。大部分有机氮源是农副产品的副产物，由于原料来源和加工条件的不同，成分上存在一定的波动。
    氮源在工业发酵调控中的作用主要体现在以下几个方面：
    1、促进生长，调节初级代谢及次级代谢的通量。氮源通过提供中间代谢物（前体），如核苷酸、氨基酸、糖、乙酰CoA等，生成核酸、蛋白质、多糖、脂质等物质，直接用于微生物的生长；或者由前体物质作用于次级代谢物的合成途径。
    2、控制合适水平，启动次级代谢产物形成。储教授提出了几种假想机制：比生长速率下降、限制性养分的耗竭、几种调节因子的联合作用（cAMP，碳源，氮源，或磷源的同化速率）、严谨响应、微生物信号因子。
    3、控制生长速率，影响菌型形成，从而影响发酵液流变特性；
    4、影响供氧水平，增加功率消耗。
    因此，根据不同菌种对不同氮源的利用度、利用速率不同，针对具体的发酵产品或行业，应选择不同的氮源或氮源组合。
    储教授介绍了几种基于氮源调控的发酵产品案例：
    1、红霉素发酵过程氮调控与生理强化：氮源浓度对红霉素的合成产生影响，实验中采用黄豆饼粉、玉米浆进行浓度梯度实验，结果表明，迟效氮源黄豆饼粉的增加，并不利于产素能力提高；而玉米浆的浓度增加，放罐时红霉素效价显著提高，分析发现，在红霉素合成期（60-160h），玉米浆浓度的增加，红霉素合成单元丙酰辅酶A前体来源的主要氨基酸（苏氨酸、丙氨酸、缬氨酸）的含量明显低于对照组，合成效率提高。在此基础上，结合重要复合营养因子硫酸锌、柠檬酸、苏氨酸，以OUR为调控因子研究生产放大过程的生理特性。建立了以氮调控为主要手段，基于氮调控的红霉素优化策略。
    2、头孢菌素C发酵中的氮源调控：通过中心组合实验统计回归分析，分别以种子菌浓和发酵单位为响应值，得到最佳氮源为玉米浆，显著于原实验配方中的金枪鱼膏，优化后的配方能有效缩短种子培养时间。发酵阶段，合理利用氮源组合，改善了发酵液流变特性，提高节孢子的数量，提高了CPC的合成。
    3、红霉素发酵中氮源替代案例：以发酵效价和A组分为评价标准，与对照组（使用玉米浆作为氮源）相比，1%的酵母粉替代效果最好，效价和A组分均提高13.5%。但继续提高酵母粉的替代比例，效价和组分A会随之下降。
……
    在讨论多个氮源调控的发酵案例过程中，储教授引导我们再次加深了氮源利用的规律性认识：
    1、和碳源利用相同，微生物先利用速效氮源再利用迟效性氮源；
    2、氮源的代谢规律是，随着菌体生长，氮源被利用，氨基氮下降，到中期下降缓慢，有一段时间维持在一定水平，到发酵后期，由于菌体衰老自溶，放出氨基氮，该指标上升；
    3、考察氮源的影响一般从两个方面去分析：氮源的种类和氨基氮水平；
    4、氮源补加的目的：补充氮源、控制氨基氮水平及控制发酵过程pH。
    在考察氮源利用的设备及应用方面，建立工业氮源考察的研究平台是关键。氮源的利用是一个综合的过程，需要通过合适的多尺度装置培养，在线观察氮源的利用速度和利用率。以实现不同氮源的合理搭配使用，及发酵全过程氮源的合理利用速率。
    而选择合适的氮源，可以控制代谢强度，同时控制合适菌型，改善流变特性，从而实现低功耗下的对微生物生长、产物合成的最优控制。因此，使用成分清楚、质量稳定的氮源将有利于实现高效工业发酵控制和优化。