ε-聚赖氨酸（ε-poly-L-lysine，简称ε-PL）是日本的两位博士酒井平一和岛昭二[1]1977年在大量筛选有价值的生物碱物质时首次发现的一种新型聚合物。ε-聚赖氨酸具有抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和病毒的活性，是一种性能优良的生物防腐剂。除此之外，还被用作化妆品、基因载体、药物包被物、电子材料和环保材料。但目前只有日本实现了ε-聚赖氨酸的工业化生产[2]，ε-聚赖氨酸的市场价格居高不下，限制它的广泛应用。近年来, 为了提高ε-聚赖氨酸的生产效率, 人们在选育生产菌株, ε-聚赖氨酸发酵条件等方面进行了一系列研究工作, 其中, 如何增加发酵体系的溶氧水平也是一个重要的研究方面。在气液两相发酵体系中, 发酵液中的氧气溶解是一个复杂的过程, 影响的因素很多。传统上, 是通过提高搅拌转速和加大通气量来提高溶氧水平, 但由于高搅拌转速形成的高剪切力, 会使菌受损而影响生产能力, 而单纯加大通气量, 效果欠佳。为此,有必要探讨新的强化供氧途径。近年来的研究表明, 氧载体是一种与水不互溶, 对微生物无毒, 具有较高溶氧能力的有机物[ 3] 。液态烷烃, 正十二烷, 全氟化碳等均可作为氧载体。由于发酵体系中加入氧载体, 可提高该系统的供氧能力, 提高好氧发酵产率。因此越来越受到人们的重视, 据报道, 添加氧载体可提高青霉素、泰乐菌素、衣康酸、葡萄糖酸、L-天冬酰胺酶、碱性淀粉酶发酵体系的供氧能力, 提高菌体的产素能力[ 4～6] 。但对添加氧载体来提高菌体产ε-聚赖氨酸能力的研究还未见报道。本实验研究了添加氧载体在小白链霉菌发酵生产ε-聚赖氨酸过程中的影响。

1.1溶氧的意义

通风发酵过程中,氧传递速率主要取决于以下几个因素[7]:搅拌速率、通风速率、发酵液组成及其流变特性,发酵过程的操作温度、压力等。氧传递通常是反应能否顺利进行的一个关键因素,发酵过程中溶解氧的变化直接反映或影响菌体的生长、基质的消耗,并进而影响发酵效价。但是氧是一种难溶气体,一般情况下空气中的氧气在纯水中的溶解度仅为0.25mol/m3左右。而在培养基中由于大量有机物和无机盐离子的存在,氧在培养基中的溶解度就更低了,在相同条件下,在发酵液中的溶解度仅为.02mol/m3左右。由于发酵过程中微生物不断消耗发酵液中的氧,而本来培养基中氧的溶解度就很低,就必须采用强化供氧措施。目前生产及研究的可发酵产ε-聚赖氨酸的菌主要是白色链霉菌[8]。但是小白链霉菌发酵所使用的培养基粘度大、固型物含量高, 生长过程中容易纠结成团, 菌丝易破损,不耐高剪切强度和强烈搅拌通风,所以在实际生产过程中溶氧水平很快降至微生物的临界溶氧浓度之下,势必影响微生物的正常生长与发酵。大多数的好氧发酵均存在这样的问题,如过能够解决这个问题,便可以提高细胞浓度,增大细胞生产速率或延长最高产物生成速率的持续时间,从而提高产品浓度。因而如何促进氧传递和提高溶解氧的浓度也就成为一个极其重要的问题。

1.2双液相发酵的研究

双液相发酵体系的研究始于60年代,并在70年代初开始提出”双液相发酵”这一名词,其是指在发酵液中加入一种新的,与水不相溶的油相以提高底物(包括溶解氧)的供给能力或解除产物的抑制作用。这类发酵系统因其目的不同可以分为三大类:第一类是已经商品化的以液态烷烃为基质的传统的石油发酵,其研究的目的是为了获得菌体、菌体代谢产物和生物转化产物;第二类是80年代以后发展起来的氧载体发酵体系,即在好氧发酵体系中加入一种与水不相溶、对微生物无毒、具有较高溶氧能力的有机相(氧载体),以强化发酵体系中的氧传递过程,所加的氧载体主要有烷烃、含氟的氢化物及硅油等;最近几年才发展起来的第三类,是在上述两类液相发酵体系中引入一种固体载体(或乳化剂),利用这种载体对水和油具有较强的双重吸附能力,增加双液相间的接触面积,从而提高传质速率和发酵产率。

氧载体发酵由于它与发酵液形成的体系具有氧传递速度快、能耗低、气泡生成少、剪切力小等优越性能,能在不增加能源消耗的基础上提高氧传递效率而越来越受到人们的重视。这样的发酵系统不仅适合于高密度好氧发酵,同样也适合于如溶氧功耗高、或因大量产生使设备生产能力降低、或因剪切力作用大而难以进行大规模培养的脆弱细胞培养,同时也可应用于固定化生物催化剂的好氧反应中,多年来它一直是生化工程中很活跃的领域之一。

1.3氧载体对通风发酵的影响

利用氧载体 提高发酵过程中的氧传递效率是一种目前应用较广泛的方法。有文献报道[9] , 加入诸如煤油、正己烷、正十二烷等氧载体后, 可提高同一反应系统的KLa (传氧系数) 值30% ~ 300% , 或达到同一混和效果降低搅拌功率30% 以上的优点.刘红等[10]发现5％正十二烷的添加量可使发酵液最终L-天冬酰胺酶酶活提高21％左右；梁新乐等[11]使用豆油作为氧载体可以促进法夫酵母虾青素的合成；Narta等[12]使用6％液体石蜡使得L-天冬酰胺酶活性提高了34％，生物量提高了48％。国内外一些研究表明，不同的发酵产品，其氧载体种类也不尽相同。优良的氧载体能与发酵液形成的双液相发酵体系，可以大大改善氧气传递，提高发酵液中氧气的溶解度，从而提高好氧发酵的产率[13-15]。目前国内外尚未见有氧载体用于发酵生产聚赖氨酸的报道, 而发酵法生产聚赖氨酸对发酵液溶氧水平的要求很高, 故研究氧载体对于发酵生产聚赖氨酸的影响有着重要的意义。

1.4 本课题研究意义与内容

1.4.1 研究意义

ε-聚赖氨酸是一种性能优良的生物防腐剂，具有抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和病毒的活性。ε-聚赖氨酸具有水溶性、聚阳离子、无毒可食用、可生物降解等许多独特的理化和生物学特性，这些特性使其具有抗菌抗病毒、安全、耐高温等优点。因此，在注重安全、环保的今天，ε-PL及其衍生物在食品、医药、农业、电子等诸多领域将具有十分广阔的应用前景。然而在小白链霉菌发酵产生ε-聚赖氨酸的过程中，发酵液中的极低溶解氧水平严重限制了其生产效率。而氧载体的加入能够在较大程度上提高本发酵体系中的溶氧水平，从而达到提高ε-聚赖氨酸生产效率的目的。

1.4.2 研究内容