泡沫对微生物发酵的影响及其控制
一、泡沫的形成及其对发酵的影响 在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有蛋白类表面活性剂（具有较高的表面张力）存在，在通气条件下，培养液中就形成了泡沫。泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系，气液之间被一层液膜隔开，彼此不相连通。形成的泡沫有两种类型：一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluidfoam)，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。 发酵过程产生少量的泡沫是正常的。泡沫的多少一方面与发酵罐搅拌、通风有关；另一方面，与培养基性质有关。蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。糊精含量多也引起泡沫的形成。发酵过程中，泡沫的形成有一定的规律性。发酵时起泡的方式被认为有五种：①整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；②发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；③发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；④发酵开始起泡能力低，以后上升；⑤以上类型的综合方式。这些方式的出现是与基质的种类、通气搅拌强度和灭菌条件等因素有关，其中基质中的有机氮源(如黄豆饼粉等)是起泡的主要因素。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。 起泡会带来许多不利因素，如发酵罐的装料系数减少、液相体积氧传递系数减小等。泡沫过多时，影响更为严重，造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会等，严重时通气搅拌也无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶。所以，控制泡沫乃是保证正常发酵的基本条件。
二、泡沫的消除 泡沫的控制，可以采用三种途径：①调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度；②采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫；③还可以采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素，如用杂交方法选育出不产生流态泡沫的土霉素生产菌株。对于已形成的泡沫，工业上可以采用机械消泡和化学消泡剂消泡或两者同时使用消泡。 ⒈机械消泡 这是一种物理消泡的方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。有罐内消泡和罐外消泡两种方法。前者是靠罐内消泡浆转动打碎泡沫；后者是将泡沫引到罐外，通过喷嘴的加速作用或利用离心力来消除泡沫。该法的优点是：节省辅料，减少染菌机会。但消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。 ⒉消泡剂消泡 这是利用外界加入消泡剂，使泡沫破裂的方法。消泡剂都是表面活性剂，具有较低的表面张力，或者是降低泡沫液膜的机械强度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油(GPE)的表面张力仅为3.3×10-2N／m，而青霉素发酵液的表面张力为(6.0～6.8)×10-2N／m。 作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：①应该在气-液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用。这就要求消泡剂有一定的亲水性；②应该在低浓度时具有消泡活性；③应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；④应该对微生物、人类和动物无毒性；⑤应该对产物的提取不产生任何影响；⑥不会在使用、运输中引起任何危害；⑦来源方便，成本低；⑧应该对氧传递不产生影响；⑨能耐高温灭菌。 常用的消泡剂主要有天然油脂类，高碳醇、脂肪酸和酯类，聚醚类及硅酮类等4大类。其中以天然油酯类和聚醚类在生物发酵中最为常用。天然油脂类中有豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。此类油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段，它们的消泡能力和对产物合成的影响各不相同。例如：土霉素发酵，豆油、玉米油较好，而亚麻油则会产生不良的作用。此类油的质量还会影响消泡效果，碘价(表示油分子结构中含有不饱和键的多少)或酸价高的油脂，消泡能力差并产生不良的影响。所以，要控制此类油的质量，并要进行发酵试验检验。此类油的新鲜程度也有影响，油越新鲜，所含的天然抗氧化剂越多，形成过氧化物的机会少，酸价也低，消泡能力强，副作用也小。植物油与铁离子接触能与氧形成过氧化物，对四环素、卡那霉素的合成不利，故要注意此类油的贮存保管。 聚醚类消泡剂的品种很多。它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。氧化丙烯与甘油聚合而成的，叫聚氧丙烯甘油(简称GP型)；氧化丙烯、环氧乙烷与甘油聚合而成的叫做聚氧乙烯氧丙烯甘油(简称GPE型)，又称泡敌。
GP的亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以，用于稀薄发酵液中要比用于黏稠发酵液中的效果好。其抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。如用于链霉素的基础培养基中，抑泡效果明显，可全部代替食用油，也未发现不良影响，消泡效力一般相当于豆油的60～80倍。 GPE的亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用又快，而溶解度相应也大，所以消泡活性维持时间短，因此，用于黏稠发酵液的效果比用于稀薄的好。GPE用于四环类抗生素发酵中，消泡效果很好，用量为0.03％～0.％，消泡能力一般相当于豆油的10～20倍。 其他的消泡剂，如：聚乙二醇等高碳醇消泡剂多适用于霉菌发酵，硅酮类较适用于微碱性的细菌发酵。所以，应结合具体产品发酵，试验上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消泡作用。 消泡剂多数是溶解度小、分散性不十分好的高(大)分子化合物，所以在使用时，要考虑如何降低它的黏度和提高它的分散性，来增强它们的消泡效果。使用的增效方法有：①加载体增效，即用惰性载体(如矿物油、植物油等)使消泡剂溶解分散，达到增效的目的；②消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效，如GP和GPE以l:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高2倍；③乳化消泡剂增效，用乳化剂(或分散剂)将消泡剂制成乳剂，以提高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。如用吐温80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高1～2倍。 在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基等密切关系外，还和消泡剂使用时加入方法、使用浓度、温度等有很大的关系。消泡剂的选择和实际使用还有许多问题，应结合生产实际加以注意和解决。
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