第一部分 蕈菌多糖的制备及生物活性研究

1 搅拌方式对蕈菌胞外多糖的结构和生物活性的影响

微生物多糖主要是指由大部分细菌、少量真菌和藻类产生的多糖。由于微生物多糖具有生产周期短、副作用小、安全性高和理化性独特等优点，广泛应用于食品和非食品工业及医药领域。微生物多糖主要有三种存在形式：胞壁多糖、胞内多糖和胞外多糖，而通过深层液体发酵进行工业化生产的主要是胞外多糖。能够产生胞外多糖的微生物种类很多，但真正应用于工业化生产的仅十几种。微生物多糖已作为凝胶剂、成膜剂、保鲜剂和乳化剂等广泛应用于食品和非食品工业领域，且真菌多糖具有免疫调节、抗肿瘤、抗氧化等特性在医药领域具有巨大的潜在价值。目前主要采用液体深层发酵法生产微生物胞外多糖，能够不受外界环境条件的限制，具有较强的市场竞争力和广阔的发展前景。

但是，近年来节能降耗已成为人们关注的焦点，工业发酵过程中高额的电量消耗已经制约了工业生物发酵行业的扩大生产，同时也加大了生产的成本。目前，如何降低成本和能源消耗，提高发酵单位产能已是急需解决的问题。而为了达到这个目的，除了合理优化工艺操作过程，正确选择发酵罐的搅拌方式也是保证生物发酵过程实现高产量和节约能源的重要保证。发酵罐中搅拌的作用具体体现在搅拌器的剪切作用和循环作用两个方面，共同构成了搅拌对发酵液的控制。剪切作用主要是控制气泡的细化和分散及气固液三相的传质；循环作用则主要是控制气泡的扩散、传热、物料混合和温度的均衡。

目前，发酵罐的搅拌系统各种各样。发酵液可以通过搅拌流动，增加气液两相的传质来提高溶氧量，且可以使发酵罐中发酵液相互充分混合，并使固相物料均匀悬浮在发酵液中，极有利于菌丝体吸收营养物质及发酵产物的分散。不同的发酵罐搅拌方式不同，发酵液可产生轴向流动和径向流动，且不同的搅拌桨所产生的液体流向差别也很大。一般搅拌罐在下部通气，所以常在底层进气口附近设径流型搅拌器，底层以上设置轴流型搅拌器。此种组合不仅可以提高传质效率，减少功率的消耗，且对于剪切力敏感的微生物在发酵过程中还能减小剪切力，增加产品的稳定性和产量。

真菌液体深层发酵对搅拌速度有很高的要求。过高的搅拌速度不但耗能高，且破坏菌体，造成菌丝过细，进而引起菌丝体自溶和减产、泡沫增加等，进而从整体上影响发酵产物的产量，所以，一般采用降低搅拌速度的方法来降低剪切力；但是过低的搅拌速度又不能满足菌丝体对氧气的需求，不能提供必要的通气量。一般许多丝状真菌都以游离菌丝体或菌丝球生长，菌丝体生长代谢过程中生理形态会发生变化，而次生代谢产物的产生也要求菌体在形态上存在差分。在发酵罐扩大培养中影响菌丝体形态的因素有很多，其中搅拌剪切力的影响较为显著，尤其是在搅拌式发酵罐中。较高的搅拌速度产生的高剪切力除损坏菌丝形态外，也会抑制菌体的生理特性。如黑曲霉发酵生产柠檬酸时，在不同搅拌速度下分别检测了几种关键酶，研究发现异柠檬酸脱氢酶和顺乌头酸酶的活性随着搅拌速度的增加而增加，但柠檬酸合成酶的活性却下降，使得柠檬酸不能得到积累。使用气升式发酵罐生产黄原胶，和搅拌罐相比，能有效提高发酵水平，缩短黄原胶的发酵周期，降低能耗。衣康酸发酵生产中，气升式发酵罐和搅拌式发酵罐相比，前者的产酸量提高了14%，转化率提高16%，生产能力提高了38%。

目前，不同搅拌方式对真菌多糖结构和活性影响的研究鲜有报道，但是对于其他多聚物产物的影响已有一些研究发现。例如，针对300m³L－赖氨酸发酵罐中搅拌器不能满足传质混合要求的情况，对搅拌桨进行了改造，并采用CFD软件对搅拌桨改造前后的搅拌情况进行了数字模拟，结果表明改造后的搅拌桨强化并改善了气液传质混合，且L－赖氨酸的糖酸转化率提高了2%。

本工作采用的两种不同的发酵罐，即通用机械搅拌通风发酵罐和气升式发酵罐，研究不同的搅拌方式对真菌形态及代谢产物的产量、结构和活性的影响。机械搅拌通风发酵罐的搅拌器可以使发酵液产生轴向流动和径向流动，便于混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，获得菌体生长所需的溶氧，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。搅拌叶轮大多采用径向流的涡轮桨，目前也常采用轴向流搅拌桨代替径向流的涡轮桨；气升式发酵罐的原理是借助在环流管底部的喷嘴将空气以250～300m/s的高速喷入环流管，使气泡分散在培养基中。由于环流管内部的液体溶有大量气泡，其密度明显小于反应器主体中培养液的密度。该反应器正是借助这两者之间的密度差使培养液在环流管与反应主体间作循环式运动，把反应主体中由于菌体代谢而溶氧量低的培养液送入环流管，待培养液补充氧气后再送回反应主体，从而为菌体生长提供良好充足的氧气供应。和搅拌罐相比，气升式发酵罐不会对微生物产生剪切破坏。