pH值对微生物发酵的影响及其控制
一、pH值对发酵的影响
发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活的重要因素。pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①影响酶的活性，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；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
培养基中营养物质的代谢，是引起pH值变化的主要原因，发酵液pH值的变化乃是菌体代谢的综合效果。由于pH值不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适生长pH值和最适生产pH值。各种不同的微生物，对pH值的要求不同。多数微生物生长都有最适pH值范围及其变化的上下限：上限都在8.5左右，超过此上限，微生物将无法忍受而自溶；下限以酵母为最低(2.5)。但菌体内的pH值一般认为是中性附近。pH值对产物的合成有明显的影响，因为菌体生长和产物合成都是酶反应的结果，仅仅是酶的种类不同而已，因此代谢产物的合成也有自己最适的pH值范围，如合成青霉素的最适pH值范围为6.5～6.8。这两种pH值的范围对发酵控制来说都是很重要的参数。另外，pH值还会影响某些霉菌的形态。
一般认为，细胞内的H＋或OH－能影响酶蛋白的解离度和电荷情况，改变酶的结构和功能，引起酶活性的改变。但培养基的H＋或OH－并不是直接作用在胞内酶蛋白上，而是首先作用在胞外的弱酸(或弱碱)上，使之成为易于透过细胞膜的分子状态的弱酸(或弱碱)，它们进入细胞后，再行解离，产生H＋或OH－，改变胞内原先存在的中性状态，进而影响酶的结构和活性。所以培养基中H＋或OH－是通过间接作用来产生影响的。pH值还影响菌体对基质的利用速率和细胞的结构，影响菌体的生长和产物的合成。Collnig等人发现产黄曲霉的细胞壁的厚度就随pH值的增加而减小：其菌丝直径在pH6.0时为2～3μm；pH7.4时为2～18μm，并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会恢复正常。pH值还影响菌体细胞膜的电荷状况，引起膜透性发生改变，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成等。
如同温度对发酵影响一样，pH值对产物稳定性也有影响。如在β-内酰胺抗生素沙纳霉素(thienamycin)的发酵中，考察pH值对产物生物合成的影响时，发现pH6.7～7.5之间，抗生素的产量相近，高于或低于这个范围，合成就受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳定性未受到严重影响，半衰期也无大的变化；但pH>7.5时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳定性有关。
由于pH值的高低对菌体生长和产物的合成产生明显的影响，所以在工业发酵中，维持最适pH值已成为生产成败的关键因素之一。
二、发酵过程pH值的变化
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最适pH值的能力。曾以产生利福霉素SV的地中海诺卡菌进行发酵研究，采用pH值为6.0、6.8、7.5三个出发值，结果发现pH值在6.8、7.5时，最终发酵pH值都达到7.5左右，菌丝生长和发酵单位都达到正常水平；但pH值为6.0时，发酵中期pH值只达4.5，菌浓仅为20％，发酵单位为零。这说明菌体仅有一定的自调能力。
培养基中的营养物质的代谢，也是引起pH值变化的重要原因，发酵所用的碳源种类不同，pH值变化也不一样。如灰黄霉素发酵的pH值变化，就与所用碳源种类有密切关系，如以乳糖为碳源，乳糖被缓慢利用，丙酮酸堆积很少，pH值维持在6～7之间；如以葡萄糖为碳源，丙酮酸迅速积累，使pH值下降到3.6，发酵单位很低。
发酵液的pH值变化是菌体代谢反应的综合结果。从代谢曲线的pH值变化就可以推测发酵罐中的各种生化反应的进展和pH值变化异常的可能原因。在发酵过程中，要选择好发酵培养基的成分及其配比，并控制好发酵工艺条件，才能保证pH值不会产生明显的波动，维持在最佳的范围内，得到良好的结果。实践证明，维持稳定的pH值，对产物的形成有利。
三、发酵pH值的确定和控制
⒈发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在5～8之间，如谷氨酸发酵的最适pH值为7.5～8.0。但发酵的pH值又随菌种和产品不同而不同。由于发酵是多酶复合反应系统，各酶的最适pH值也不相同，因此，同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。例如，黑曲霉pH2～3时合成柠檬酸，在pH值接近中性时积累草酸。谷氨酸生产菌在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷氨酰胺。谷氨酸发酵在不同阶段对pH值的要求不同，发酵前期控制pH7.5左右，发酵中期pH7.2左右，发酵后期pH7.0，在将近放罐时，为了后工序提取谷氨酸，pH6.5～6.8为好。如初级代谢产物丙酮丁醇的梭状芽孢杆菌发酵，pH值在中性时，菌种生长良好，但产物产量很低，实际发酵最适pH值为5～6。次级代谢产物抗生素的发酵更是如此，链霉素产生菌生长的最适pH值为6.2～7.0，而合成链霉素的最适pH值为6.8～7.3。因此，应该按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH值范围，使产物的产量达到最大。
最适pH值是根据实验结果来确定的。将发酵培养基调节成不同的出发pH值进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值以维持出发pH值，或者利用缓冲液配制培养基来维持之。定时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的最适pH值。以同样的方法，可测得产物合成的最适pH值。但同一产物的最适pH值，还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。如合成青霉素的最适pH值，先后报告有7.2～7.5、7.0左右和6.5～6.6等不同数值，产生这样的差异，可能是所用的菌株、培养基组成和发酵工艺不同引起的。在确定发酵最适pH值时，要不定期考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，最适pH值也可能发生变动。
⒉pH值的控制
在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关系有四种情况(见图7-3)：①第一种情况是μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)，这种发酵过程易于控制；②第二种情况是Qp(或μ)的最适pH值范围很窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；③第三种情况是μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)，第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；④第四种情况更复杂，μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适pH值，才能优化发酵过程。
在了解发酵过程中最适pH值的要求之后，就要采用各种方法来控制。首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。因为培养基中含有代谢产酸[如葡萄糖产生酮酸、(NH4)2SO4]和产碱(如NaNO3、尿素)的物质以及缓冲剂(如CaCO3)等成分，它们在发酵过程中要影响pH值的变化，特别是CaCO3能与酮酸等反应，而起到缓冲作用，所以它的用量比较重要。在分批发酵中，常采用这种方法来控制pH值的变化。
利用上述方法调节pH值的能力是有限的，如果达不到要求，可以用在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制，特别是补料的方法，效果比较明显。过去是直接加入酸(如H2SO4)或碱(NaOH)来控制，但现在常用的是以生理酸性物质[(NH4)2SO4]和碱性物质(如氨水、尿素)来控制。它们不仅可以调节pH值，还可以补充氮源。当发酵的pH值和氨氮含量都低时，补加氨水，就可达到调节pH值和补充氨氮的目的；反之，pH值较高，氨氮含量又低时，就补加(NH4)2SO4。在加多了消泡剂(如豆油)的个别情况下，还可采用提高空气流量来加速脂肪酸的代谢，以调节pH值。通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水(浓度20％左右)，采用少量间歇添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。
目前，已比较成功地采用补料的方法来调节pH值，如氨基酸发酵采用流加尿素[(NH2)2CO]的方法，特别是次级代谢产物抗生素发酵，更常用此法。这种方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性(如菌浓等)等几个目的。最成功的例子就是青霉素的补料工艺，利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化范围(现已实现自动化)，其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25％。
编辑：songjiajie2010
