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表面活性剂作为发酵促进剂研究应用
兰州交通大学化学与生物工程学院
综合能力训练Ⅰ——文献综述
题目:
表面活性剂作为发酵促进剂研究进展
作者:
王振宇学号:
201207744指导教师:
谢放
完成日期:
2014-7-16
表面活性剂作为发酵促进剂研究进展
摘要表面活性剂作为发酵促进剂在谷氨酸发酵、糖蜜发酵谷氨酸、黄原胶发酵、玉米秸秆青贮饲料发酵及酒精发酵等方面有重要的应用,本文在总结前人研究成果的基础上重点介绍表面活性剂作为发酵促进剂加入发酵体系提高生产效率的概况、应用研究进展和未来展望及此过程存在的一些亟待解决的问题。
关键词:
表面活性剂发酵促进剂生化因子酶
1.引言
表面活性剂是一种两亲分子(amphiphilicmolecule),一般由一个长链(多为碳氢链)的亲油基团和一个亲水基团构成[13]。
是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质,通过分子中不同部分分别对于两相的亲和,使两相均将其看作本相的成分,分子排列在两相之间,使两相的表面相当于转入分子内部,从而降低表面张力。
由于两相都将其看作本相的一个组分,就相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面,就相当于通过这种方式部分的消灭了两个相的界面,就降低了表面张力和表面自由能。
由于它们是一类分子中含有亲水基和亲油基,即双亲结构的有机化合物,这两种特殊结构使表面活性剂表现出多种多样的实用功能,如乳化、增溶、润湿、吸附、渗透、分散、消泡、增稠、润滑等优良的表面特性,表面活性剂是一种用造广泛的糖细化工产品,应用灵活而多样,应用于相应的各种实际化工行业中,表面活性荆的主要应用领域,是洗涤和纺织等行业,在造纸工业中,也有广泛的应用,所有的精细化工领域。
几乎都力不开表面活性剂。
在医药行业,表面活性剂也有广泛应用,在药剂中,利用表面活性剂的增溶作用,可以使一些挥发油脂溶性纤雉素和甾体激素等,很多这些难溶性药物形成透明溶液,并可以增加溶液的浓度,在医药行业中,表面活性剂还可作为杀菌剂和消毒剂,表面活性剂通过与细菌生物膜蛋白质强烈的相互作用,可以使细菌生物膜蛋白质变性,或者失去功能。
在药剂制备过程中,表面活性剂被用作各试剂,发挥着不可或缺的重要作用。
为工业纺织、采矿业、食品业、发酵工程等领域广泛应用于工业实际生产当中,并且取得了令人满意的效果。
发酵促进剂是一种复合型制剂,由酵母浸出物、酶制剂和无机盐组成。
其中,酵母浸出物含有丰富的不饱和脂肪酸、磷脂、甾醇、氨基氮、矿物质和维生素等,营养成分比例适当,充分满足酵母生长代谢需求,使酵母自始至终都能保持旺盛的生理活性,利于提高酵母菌体的生长量和酒精代谢水平;酶制剂能够降解原料中的大分子物质,使之变成能被酵母快速利用的可发酵性物质,增加有效成份,强化发酵过程,提高酒精产率和原料利用率;无机盐提供了酵母生长所必需的磷、硫、钾、钙、镁、锌等无机盐类,调节渗透压、PH、氧化还原电位,有效提高酵母菌耐高渗透压、耐高酒份以及耐受恶劣环境的能力。
发酵促进剂可以分为两大类,其中发酵促进剂A适用于玉米、木薯、小麦、糖蜜等为原料的酒精发酵过程。
发酵促进剂B适用于淀粉糖、制药、氨基酸、有机酸、维生素、胞外多糖等生物工程产业。
发酵促进剂的一般特点:
(1)高效营养助推器,促进酵母繁殖、代谢;
(2)提升酵母发酵性能及环境耐受力;(3)缩短酒精发酵时间;(4)降低残糖、优化发酵指标;(5)促进原料分解,提高原料利用率;
2.表面活性剂作为发酵促发剂的应用目前国内外对于表面活性剂作为发酵促发剂应用方面的研究报道也比较多,主要集中在发酵生产各种氨基酸、酶、胶质、新型材料、药物、生物表面活性剂等方面。
2.1在黄原胶中的应用,通过加入表面活性剂,提高黄原胶发酵产量.方法初步筛选6种常用的表面活性剂,优选两种优势互补的表面活性剂进行加入量、加入时间、加入比例的优化,采用单因素和正交试验得到最佳工艺参数.结果吐温20、曲拉通X-100协同使用效果最好,发酵0h加入0.06%曲拉通X-100,48h加入0.09%吐温20,黄原胶产量提高42.0%.结论表面活性剂能提高黄原胶发酵产量。
黄原胶,是由甘蓝黑腐病黄单胞菌或野油菜黄单胞菌,以糖类为主要原料,经有氧发酵产生的一种胞外多糖。
因其独特的增稠性、触变性和稳定性而广泛应用于食品、医药、化妆品、陶瓷、石油等多种行业。
黄原胶是目前世界上生产规模最大的微生物多糖,产量为每年10万吨左右,发酵水平达到50g/L。
我国对黄原胶的开发研究始于20世纪60年代,目前的生产水平与国外相比还有较大差距。
国内黄原胶主要存在菌种改良、发酵工艺和后处理工艺优化等三个方面的问题。
表面活性剂能提高很多发酵产品的产量H刮,但其在黄原胶发酵中的应用研究则很少。
为了研究表面活性剂对黄原胶发酵的影响,我们在摇瓶发酵的条件下,选用6种常用的表面活性剂,采用单因素法和正交试验设计等方法,先后优化了多个因素,为表面活性剂作为黄原胶发酵促进剂的应用提供数据支持。
2.2在谷氨酸发酵中的应用,通过对预先选择的7种表面活性剂作为谷氨酸发酵促进剂效果的初步筛选,得知两性甜菜碱449和芹菜素硬脂酸酯对产酸率提高有较为明显的效果;进而从加入时间、加入剂量两个方面考察了筛选出的两种表面活性剂对谷氨酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)T-613菌体生长和谷氨酸发酵产酸的影响,考察了两种表面活性剂同时加入的协同效果,得到了最佳发酵工艺参数。
研究结果表明,菌种对数生长期(第3h)加入质量分数为10%的两性甜菜碱449型表面活性剂2.5mL,发酵中后期(第12h)加入质量分数为0.5%的芹菜素硬脂酸酯0.8mL,在不影响菌种生长的前提下,促使谷氨酸产酸率由3.05%提高到3.76%,较原产酸率提高了23.28%,发酵周期由44h下降为36h,缩短了8h。
据中国发酵工业协会的资料显示,2006年我国味精总产量达到170多万t。
居世界首位,占世界味精总产量的一半。
味精生产企业正向大型化、集约化发展,生产水平不断提高,但是与一些西方国家比较,我国的生产效率还有待进一步提高,生产成本也急需进一步降低,因此,提高谷氨酸发酵产酸率是一个亟待解决的问题。
表面活性剂作为工业“味精”,随着科技的不断发展,产品种类与产量也与日俱增。
国内外研究表明,将表面活性剂作为发酵促进剂的研究越来越多,主要应用在以发酵法生产酶制剂拉、氨基酸L、新型材料等工业领域。
目前由于微生物物质代谢和表面活性剂性质的基础研究欠缺,对于表面活性剂作为发酵促进剂的机理还没有定论,近期国外从基因层面对该机理解释取得突破性进展但在上述研究中所使用的表面活性剂均属于传统表面活性剂,至今没有看到较为新型的表面活性剂应用于发酵领域。
2.3在糖蜜发酵中的应用,通过对预先选择的5种表面活性剂作为谷氨酸发酵促进剂效果的初步筛选,得知五甲基三聚氧乙烯三胺和3-氯-2-羟丙基三乙基氯化铵对提高产酸率有较为明显的效果;进而从加入时间、加入剂量两个方面研究了筛选出的两种表面活性剂对谷氨酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)T-613菌体生长和谷氨酸发酵产酸的影响,从而得到最佳的发酵工艺参数。
研究结果表明:
发酵中后期22h)加入质量分数为0.5%3-氯-2-羟丙基三乙基氯化铵0.8mL,菌种生长对数期(9h)加入质量分数为1%的五甲基三聚氧乙烯三胺型表面活性剂2mL,在不影响菌种生长的前提下,促使谷氨酸发酵产酸率由0.8718%提高到1.8027%,有效地提高了生产效率。
大多数专家认为,由于表面活性剂独特的结构特征,使其具有增加细菌细胞膜通透性的作用从而使代谢产物容易分泌到细胞外,消除了代谢产物的负反馈作用,实现产物在发酵液中的蓄积,最终达到提高产率的目的。
基于以上认识,为了使谷氨酸产率进一步提高,作者选择了7种新型表面活性剂与传统表面活性剂作为谷氨酸发酵促进剂,在摇瓶作为发酵设备的条件下,比较了这7种表面活性剂对细菌生长及细胞外谷氨酸累积的影响,为表面活性剂作为发酵促进剂的原理研究,提供了有效的数据支持。
2.4在果胶酶分解中的应用,果胶酶(pectinase)是指分解果胶质的一类含多种酶的复合酶,是一类具有广泛用途的生物酶.其中碱性果胶酸裂解酶(alkalinepectatelyases)是在碱性范围内具有较高活性的果胶酶,主要用于从桔中提取香料油和类胡萝卜素等医用原料;在果汁的制备中可提高水果出汁率、改善果汁的过滤效率、加速和增强果汁的澄清作用;还可用于提取咖啡和香料,以及提高葡萄酒的收率等.与此同时,由于传统的棉纺织染整加工需要耗用大量的水和化学物质,不仅消耗资源,而且产生严重污染,不能适应社会的可持续发展.解决这一问题的根本出路就在于发展生态型染整工艺,即绿色染整工艺,其中应用生物技术是重要途径之一.进入21世纪,随着生物技术与纺织技术的进一步结合,人们对与棉纺织加工相关的生物技术越加重视.其中,特别是碱性果胶酶在棉纺织预处理上的优良特性。
使之越来越受到人们的关注为此,作者研究了碱性果胶酶产生菌株wsh02-02在添加促进剂情况下对发酵酶活的影响。
2.5在青贮饲料中的应用,在青贮制作时,添加青贮发酵促进剂可以明显改善玉米青贮料的品质,以添加青贮发酵促进剂的青贮料饲喂草食动物,可以提高饲料的消化率,提高动物的生产性能。
鉴于此,本试验以添加青贮发酵促进剂青贮发酵益生菌(Max200)和矿物盐载体结合益生菌合剂以及植物细胞壁降解活性制剂(MIX11)的玉米青贮饲料作为粗饲料,饲喂‘平凉红牛',分析其育肥效果和经济效益,以期为青贮发酵促进剂在生产实践中的应用提供理论依据。
青贮发酵促进剂水溶性青贮发酵促进剂青贮发酵益生菌(Max200)、干粉青贮发酵促进剂矿物盐载体结合益生菌合剂、植物细胞壁降解活性制剂(MIX11)由中美草地可持续发展研究中心研制主要成分为青贮发酵益生菌,包括植物乳酸杆菌发酵产物、乳酸片球菌发酵产物、肠球菌发酵产物、丙酸菌发酵产物、纯化淀粉酶、纯化纤维素酶、低聚糖、淀粉等;主要成分为矿物盐结合益生菌合剂以及植物细胞壁降解活性制剂包括碳酸钙、硅藻土、乳酸、矿物油、氧化铁、碳酸钴嗜酸乳杆菌、长双歧杆菌、嗜热双歧杆菌、胡芦巴风味提取物。
3.研究缺陷
由于发酵菌种物质代谢过程的复杂性与表面活性剂基础研究的不足,给国内外从事表面活性剂作为发酵促进剂应用的研究工作带来一系列共性问题。
3.1表面活性剂种类繁多,选择具有盲目性
从表面活性剂的分类方式上,即可以看出来表面活性剂的种类很多:
根据亲水基进行分类,分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等;有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等;还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。
目前公认的分类方式是按照解离的性质进行区分,分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂4大类。
在表面活性剂对发酵促进作用机理不明确的情况下,不能有针对性地选择实验、生产所需要的表面活性剂。
3.2基础研究欠缺,添加剂量范围不易确定
许多表面活性剂由于其结构特征而具有一定的杀菌功能,例如洁尔灭就是一种杀菌效果较好的阳离子表面活性剂。
但杀菌功能只有当表面活性剂的浓度达到一定临界值时才会体现比较明显。
一般来说阳离子表面表面活性剂对生物的毒性较大,非离子表面活性剂毒性小,对生物的生长影响较弱,阴离子表面活性剂的毒性和杀菌力介于两者之间。
而表面活性剂作为发酵促发剂,则是要在保证菌种正常生长的前提条件下,使发酵产品的产率提高。
这就要求所加入的表面活性剂的量要小于各种表面活性剂的杀菌浓度临界值,但是目前对于这个临界值的研究存在不足。
研究人员都是根据预试验或者个人的经验来设定初步遴选表面活性剂的浓度范围,一般在0.5~10g/L。
这样宽泛的浓度范围,较容易忽略一些表面活性剂的促进功效,无法得到严谨的结论[14]。
3.3菌种发酵物质代谢研究不足,对阐述表面活性剂促进机理造成障碍菌种发酵物质代谢过程是一系列的生化反应的集合,由于细菌个体较小,生物催化反应极其迅速,反应跟踪十分困难,实验设备条件的限制等不利研究的因素,很大程度制约了微生物物质代谢基础研究的发展,完全破解一个菌种的物质代谢过程需要相当长的一段时间,如谷氨酸发酵代谢过程的研究就经历的几十年的时间[15]。
目前,随着生物技术的高速发展,实验技术和设备的不断更新,研究周期会不断缩短。
表面活性剂可以作为发酵促进剂的机理解释,就是以完全了解菌种发酵的物质代谢为前提的,借助生物上游技术,如基因工程、细胞工程的研究手段来进行更加深入的研究,才能而从本质上解决这一理论问题,进而对目前的发酵工业存在的成本高、产量低的现实问题提出切实可行的解决方案。
3.4加入表面活性剂对发酵产品分离纯化的影响将表面活性剂加入发酵体系中,无论是作为消泡剂或促发剂至发酵过程终结,表面活性剂仍然会溶解在发酵母液当中,使发酵母液成分更加复杂,可能影响代谢产物从其中分离纯化的工艺条件[16]。
但是这种影响可能是有利的也可能是不利的,直接取决于表面活性剂的性质。
众所周知,有一部分表面活性剂可以作为絮凝剂使用,如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、十二烷基璜酸钠等。
若将这类型的表面活性剂作为发酵促发剂加入体系中,则可能有利于代谢产物的分离率。
若所加入表面活性剂具有增溶作用,则效果就相反。
目前表面活性剂作为絮凝剂加入发酵体系的研究报道较少,作为促发剂加入体系中,仅仅研究了代谢产物在发酵母液中的浓度的增减情况,并未涉及其它方面的研究[17]。
为了能使更多处于实验研究阶段的优良发酵工艺实现工业化,在提高产率的同时,同样要关注代谢产率的提取率,因此表面活性剂的絮凝效果表征也是一个亟待深入研究的领域。
4.展望
现代发酵工业以其低能耗、高产出、少污染、低投资、高效益等特点已成
21世纪最具发展前景的行业。
我国发酵工业近几年呈现出持续快速增长的势头,以酿酒为代表的传统发酵工业扎根于城市和农村;以抗生素、氨基酸、有机酸、单细胞蛋白和酶制剂等为代表的新型发酵产业已在我国形成完整的工业体系,规模和产量在世界上都占相当比重。
随着生物技术的不断发展,菌种和表面活性剂的基础性研究不断深入,表面活性剂在发酵中的应用已显示出巨大的潜力和优越性。
特别是在分离和纯化生物质方面具有处理量大、可连续操作和活性损失低等特点,使其在生物下游工程中的应用研究成为热点。
根据表面活性剂在发酵生产中的不同作用与要求,可选择适宜的表面活性剂,并不断开发绿色、高性能的新型表面活性剂。
随着研究深入与科学技术的发展,表面活性剂的特殊结构和功能在发酵工业领域必将发挥更大的作用。
总之,表面活性剂作为发酵促进剂的研究中任有许许多多的问题以及部分作用机理尚为了解清楚,作为新世纪的人才,我们应致力于科学发展,造福人类。
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