纳豆菌发酵动力学研究初探单丽君郑晓冬管惠东俞丹亚!浙江大学生物系统工程与食品科学学院杭州!"##$%"摘要研究纳豆菌菌体生产的发酵动力学#以&#’发酵罐进行分批发酵$并基于’()*+,*-方程和’./0/1*2)34*5/,方程$得到了描述分批发酵过程的菌体生长和底物消耗动力学模型及模型参数$同时对实验数据和模型进行了验证比较$模型计算值与实验数据拟合较好#结论%模型基本反映了纳豆菌分批发酵过程的动力学特征$可用于预测发酵过程#关键词纳豆菌微生态制剂发酵动力学文章编号"##%3&676!$##8"#$3##!%3#7纳豆芽孢杆菌!!"#$%%&’("))*"是日本的一种传统大豆发酵食品&&&纳豆的生产菌种$它类似于枯草芽孢杆菌!!"#$%%&’’&+)$%$’"$具有广谱抗菌作用9":#纳豆芽孢杆菌能增强以厌氧菌为优势菌群的肠道正常菌群的生长$促进动物对营养物质的吸收$增强机体的免疫功能9$:$且易存活$又可形成芽孢$能抵制胃酸’发挥活菌制剂的作用$因此是一种较好的微生态制剂菌种#发酵动力学是研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响9!:#在以往对纳豆菌生长条件及培养基成分优化的基础上$在&#’发酵罐中对纳豆菌发酵生产菌体的动力学特性进行了初步研究$得到了菌体生长’基质消耗的动力学模型$为进一步工业化生产提供了理论依据#!材料和方法!"!菌种纳豆菌由本实验室保存#!"#培养基斜面培养基!’;固体培养基"%胰蛋白胨")$酵母提取物#?@")$琼脂"?@$#$D4G7#D$4G7#@(Q?L*2/+/R2+,*,.,/(QS((0F-*/2-/>20T/-L2(@()U中国食品学报第8卷第$期$##8年H月中国食品学报!""#年第!期!结果与讨论!"#$%&发酵罐分批发酵实验结果为了弄清试验菌株的细胞生长及代谢规律以便有效地控制发酵过程!进行了$"%发酵罐的分批发酵试验!其发酵条件为"搅拌转速!""&’(!通气量)%*(+,!培养温度)"-!装液系数".$#每隔!/)0取样!测定其’1$总糖$菌体浓度%23&!结果如图4所示#由发酵进程曲线可知!在发酵初期!发酵液’1值上升较快’4!0后!’1值开始下降’!50时’1趋于稳定#出现这种现象与菌体的代谢有关!因为在发酵前期%"/4!0&!菌体利用氮源合成蛋白质$核酸而导致氮源分解形成氨等一些碱性物质!因而’1波动较大#根据菌浓变化情况可知!纳豆菌在经过60的延滞期后!进入4#0的对数生长期!7"0后进入稳定期#由总糖曲线可知!发酵初期耗糖缓慢!当发酵4"0以后耗糖速度加快!与菌体生长曲线相对应#!’!发酵动力学模型的建立!.!.4细胞生长动力学模型8#9:;&0?@A;B&=提出在某一特定环境条件下!应有一最大的细胞质量浓度!它相当于生物学中的负载能力!该值与基质浓度有关#利用上述概念提出了%CD+>?+E方程!在该方程中将比速率与尚未利用的负载能力相关联!即在生长期细胞的增长速率可以用下式表达"F!F"G!!%4&式%4&中"!(((细胞浓度%干重&!D*%’"(((时间!0’!(((比生长速率!4*0#当"#""时!!#!"!将方程4积分得方程!!即"F!F"!G!(BH%4@!!(BH&!%!&式%!&中"!(BH(((细胞生长最大比速!4*0’!(BH(((细胞浓度最大值%干质量&!D*%#当"#""!!#!"!此时方程!积分并变换为方程)!即"!G!";!$"4@!"!$%4@;!$"&%)&!.!.!纳豆菌生长动力学分析利用3AI软件对方程用麦夸特法进行单因变量模型参数估计!将各参数值代入生长动力学模型方程!即得纳豆菌生长动力学方程7!即"!G"."57;".4)"4@"."6$%4@;".4)"&%7&序号时间*0发酵实验值模型计算值4"".445"."57!)"."54".4)#)6".446".45)75".)"!".!$"#4!".7!4".)6J64#".#7$".7J6$4$".#5)".#$7J!"".$)!".$4)5!)".$6"".J