发酵工艺：pH对发酵的影响及控制

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发酵工艺：pH对发酵的影响及控制

发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。

1、pH对发酵的影响

1.1 影响酶的活性

酶的活性需要在一定的pH值范围内才能发挥，超出这个范围可能会抑制或破坏酶的结构，从而降低酶的活性。当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢。表现在以下几个方面：

①过酸或过碱：如果培养基的pH值过高或过低，可能会导致酶的结构发生变化，从而抑制酶的活性。过酸或过碱还可能破坏酶分子中的活性中心，从而破坏酶的催化功能。②酶解反应：在某些情况下，pH值可以影响酶促反应的速率。例如，当底物和酶的解离常数不同时，pH值的变化可能会影响酶与底物之间的结合和解离，从而影响酶的活性。
③代谢途径：不同的微生物种类具有不同的代谢途径，pH值可能对这些代谢途径中的酶产生影响。例如，在乳酸菌发酵生产乳酸的过程中，pH值会直接影响乳酸脱氢酶的活性和催化效率。

1.2. 影响细胞膜的带电状态

细胞膜的带电状态主要是由膜上离子交换蛋白（ion exchange protein）的分布和活性决定的。在一定的pH值条件下，离子交换蛋白会与特定的离子结合，从而在细胞膜表面形成带电的离子层。在微生物发酵过程中，控制适宜的pH值对于维持细胞膜的稳定性和正常生理功能具有重要意义。

当pH值发生变化时，细胞膜上的离子交换蛋白可能会发生构象变化，从而改变其与离子的结合能力。例如，当pH值升高时，细胞膜上的一些离子交换蛋白可能会更倾向于与氢离子结合，从而使得细胞膜表面带负电荷。相反，当pH值降低时，细胞膜上的一些离子交换蛋白可能会更倾向于与氢离子脱离，从而使得细胞膜表面带正电荷。

细胞膜的带电状态对于微生物的生长和代谢具有重要影响。例如，细胞膜的带电状态可以影响到细胞对营养物质的吸收和代谢产物的排泄。此外，细胞膜的带电状态还可以影响到细胞间的相互作用，例如在生物膜（biofilm）的形成过程中，细胞间的相互作用对于生物膜的稳定性和功能具有重要作用。

1.3. 影响培养基中某些组分的解离

pH对发酵培养基中的某些组分的解离有着重要的影响。在一定的pH值条件下，一些组分可能会以不同的形式存在，这直接影响到它们的溶解度和可利用性。在发酵培养基中，一些营养物质如氨基酸、核酸等具有酸性和碱性两种可解离的形式。在不同的pH值条件下，它们可能会以不同的形式存在，这直接影响到它们的溶解度和可利用性。

2、影响发酵pH的因素
2.1. 培养基成分
①碳源：过量的碳源，特别是葡萄糖的过量，会导致发酵过程中有机酸的积累，从而使pH下降。
②氮源：过多的氮源可能会使pH上升，这是因为氮源中的铵离子在代谢过程中会释放出来，导致pH上升。
③磷酸盐：培养基中磷酸盐的浓度会影响发酵pH。高浓度的磷酸盐可能会导致pH下降，而低浓度的磷酸盐则可能导致pH上升。
④缓冲液：在某些情况下，为了维持发酵过程中的pH稳定，会向培养基中加入缓冲液。常见的缓冲液有磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液等。⑤此外，消泡剂的用量、生理酸性物质和生理碱性物质的种类和浓度也会影响发酵过程中的pH。因此，在选择和调整培养基成分时，需要根据具体的微生物种类和发酵要求来综合考虑。

2.2. 微生物种类

不同种类的微生物对pH值的要求不同，每种微生物都有其最适生长pH值和最适生产pH值。在发酵过程中，微生物的代谢活动会改变培养基的pH值，因此需要根据不同的微生物种类来选择和控制最适pH值。例如，细菌的最适pH值通常在6.5～7.5之间，而霉菌和酵母菌的最适pH值则通常在4.0～6.0之间。此外，微生物的代谢过程也会受到pH值的影响，例如，当pH值过高或过低时，酶的活性可能会受到抑制或破坏，从而影响微生物的生长和产物形成。因此，在微生物发酵过程中，控制pH值是非常重要的。

2.3. 培养条件

温度、湿度和氧气浓度对pH的影响相对较小，但它们也可能会对发酵过程中的pH产生一定的影响。

①温度：温度主要通过影响酶的活性和微生物生长速率来影响pH。在大多数情况下，提高温度会促进微生物的生长和代谢，导致pH下降。然而，过高的温度也可能导致酶的失活或微生物死亡，从而使pH上升。
②湿度：湿度对某些微生物的发酵过程具有重要影响。例如，对于需要水分活性较低的底物的发酵过程，增加湿度可以提高底物的溶解度和微生物对底物的吸收，从而影响pH。
③氧气浓度：氧气浓度对好氧微生物的发酵过程具有重要影响。在有氧条件下，微生物会进行有氧呼吸，产生更多的代谢产物，从而影响pH。此外，氧气浓度的变化也可能导致代谢途径的改变，从而影响pH。

2.4. 菌体生长阶段

菌体在不同生长阶段对发酵pH的影响是复杂的，需要在实际操作中进行监测和控制。不同的菌体和不同的培养条件都会影响pH的变化，因此需要根据具体情况进行相应的调整。

①菌体生长初期：在菌体刚刚接入培养基的初期，菌体生长迅速，细胞大量吸收营养物质，产生大量的酸性或中性代谢产物，如乳酸、醋酸等，导致pH下降。
②菌体对数生长期：随着菌体生长进入对数生长期，菌体代谢活动旺盛，产生大量的酸性代谢产物，如乙酸、丁酸等，同时也会产生一些碱性代谢产物，如氨、尿素等。因此，这个阶段的pH值可能会有所波动。
③菌体生长后期：在菌体生长后期，菌体代谢活动减弱，产生代谢产物减少，pH值可能会有所回升。
④产物的形成阶段：在某些发酵过程中，产物形成可能会发生在菌体生长后期。这个阶段的pH值可能会受到产物形成的影响，例如，在丙酮丁醇发酵中，随着丙酮丁醇的积累，pH值会下降。

3、最适pH的选择和调控

微生物发酵最适pH的选择和调控是发酵过程的关键步骤之一。最适pH是指在该pH值条件下，微生物的生长、代谢和产物形成速率最佳。然而，在发酵过程中，由于微生物的代谢活动和培养条件的变化，pH值可能会不断变化。因此，为了维持最适pH值，需要进行pH调控。以下是微生物发酵最适pH的选择和调控的方法：

①选择最适pH：根据微生物的生长特性和发酵要求，选择最适pH值。可以通过实验测定不同pH值下的微生物生长和产物形成速率，选择最佳的pH值。
②pH调控：在发酵过程中，通过添加酸或碱来调节pH值。常用的调节方法是直接补加酸或碱物质，如H2SO4、NaOH等。但是，当pH值偏离不大时，使用强酸碱物质容易破坏缓冲体系，而且会引起培养液成分发生水解，因此这种方法已较少使用。
③通风量调节：通过调整通风量来控制pH值。此方法主要是在加多了消泡剂的个别情况下使用，提高空气流量可加速脂肪酸的氧化，以减少因脂肪酸积累引起的pH降低。
④补加生理酸性或碱性盐基质：通过代谢调节pH值。补加生理性酸碱物质，既调节了发酵液的pH值，又可以补充营养物质，还能减少阻遏作用。补加的方式根据实际生产情况而定，可以是直接加入、流加、多次流加等方式。
⑤采用补料方式调节pH值：例如，当pH值上升至超过最适值，意味着菌处于饥饿状态，可加糖调节，糖的过量又会使pH下降。

微生物发酵最适pH的选择和调控是发酵过程的重要步骤之一。通过选择最适pH值和采取适当的pH调控方法，可以优化微生物的生长、代谢和产物形成速率，提高发酵效率。

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xukang407

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