食用菌液体深层发醉的研究热点.pdf

绘球 /.cam s ， 挂 种 减 Tr o l . 2 7 , No . 0 7 , 2 0 0 6 食用菌液体深属发醉的研免热点 李云，曾东方 ( 武汉工程大学化工与制药学院，湖北武汉4 3 0 0 7 3 ) 摘要: 利用液体深层发酵技术生产食用菌的菌丝体和生理活性 物质一直是食用菌研究的热点之一。随着科学技术的不 断发展，人们对食用菌在液体环境条件下菌丝体生长和 产物产出的认识进一步深入，食用菌液体深层发酵的研 究出现了许多新的热点。 本文就液体发酵条件、 液体深层 发酵动力学、菌丝形态学等方面汁食用菌液体深层发酵 研究热点进行了阐述，并对其以后的研究发展趋势作出 了展 望。 关健词: 食用菌， 发酵， 液体深层 A b s t r a c t : U s in g s u b m e r g e d t e c h n iq u e t o p r o d u c e p h y s io lo g ic a l a c t iv e s u b s t a n c e s h a s b e e n c o n s id e r e d o n e o f t h e f o c u s e s i n e d i b l e mu s h r o o m r e s e a r c h . Wit h t h e d e v e lo p m e n t o f s c ie n c e a n d t e c h n o lo g y , m o r e k n o w le d g e a b o u t t h e g r o w t h o f e d ib le mu s h r o o m m y c e liu m a n d s e c o n d a ry m e t a b o lit e s p r o d u c t io n d u r in g s u b m e r g e d c u lt u r e h a s b e e n o b t a in e d . T h e r e s e a r c h o f e d i b le mu s h r o o m f e r me n t a t io n c o n d it io n s , t h e f e r m e n t a t io n k in e t ic s a n d m y c e liu m m o r p h o lo g y a r e r e v ie w e d in t h is a r t ic le . T h e f u t u r e t r e n d in t h e e d ib le m u s h r o o m liq u id f e r me n t a t io n r e s e a r c h i s a l s o me n t io n e d . K e y w o r d s : e d ib le m u s h r o o m c u l t u r e f e r me n t a t io n ; s u b m e r g e d 中图分类号: T S 2 0 5 .5文献标识码: A 文 章 编 号 :1 0 0 2 - 0 3 0 6 ( 2 0 0 6 ) 0 7 - 0 1 9 9 - 0 4 随着 对 食 用 菌 的 营养 与保 健 作 用 的进 一 步 认 收稿日期: 2 0 0 5 - 1 1 - 1 4 “ 通讯联系人 作者简介:李云( 1 9 7 7 - ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向: 应用微生物学。 识 ，食用菌生产 和开发 已成 为 国内外广泛开展 的研 究课题之一 。食用菌所含有 的多糖等生理活性物质 对提高人体免疫功能 、 防治多种慢性病 、 增进健康有 显著 的效果 ， 正 日益受到人们 的重视和利用 。以往人 们获取这些生理活性物质 的途径 主要是从 子实体提 取 而得 ， 但 随着需 求量增 大 ， 野生 资源极 为有 限 ， 获 得子实体 的人工栽培周期长 ， 费工费时。利用液体深 层培养菌丝体 获取生理 活性物质 ，不仅具有培养周 期短 、 能大规模 生产 、 易 于标 准化 等特点 ， 特别 是对 于某些不能人工培育出子实体 的珍稀 菌种 ，可 以通 过液体发酵得到菌丝体和生理活性物质 。 1 食用菌液体发酵条件的研究 液体发 酵条件 的研究一直 以来都 是食用菌液体 发酵研究 的主要 内容 。对 于一个 特定 的菌种根据其 菌丝在液体环境下 生长 和产 物代谢 的特点 ，运用合 理 的统计方法设 计实验过程 ，确定 和优化培养 基成 分和影 响因子条件达到最大量 的 目的产物 。 食用菌 中含有大量 的具有药用 和保健作用 的多 糖 、 多肤 、 生物碱 、 帖类等生理活性 物质 ， 通过液体深 层发酵技术 大规模 的生产这些非 常有用 的生理活性 物质 ， 成为 了食用菌液体发酵研究 的焦点 。随着对食 用 菌 生理 活 性 物质 结 构 和机 理 研 究 的不 断 深 人 ， 人 们对食用菌 中的活性物质关注程度不断增加 。近年 来对液体发 酵条件 的研究也多集 中在 以具体 的生理 1 5 t h e S h k u l a . m i c ro w a v e 月 . B r e a d a n d B r e a d - l i k e D o u g h f o r m u l a t i o n s f o r C e r e a l F o o d s Wo r l d , 1 9 9 3 , 3 8 : 9 5 - 9 6 . 1 6 1 c o a t ing S a h i n S , S u m n u G , Z i n c i r k i r a n D . E f f e c t s o f s u s c e p t o r , a n d c o n v e n t i o n a l b ro w n i n g c r u s t f o d u r i n g m i c ro w a v e a p p l i c a t i o n s b a k i n g J . o n c o l o r a n d J o u r n a l o f M i c ro w a v e P o w e r 并且经常容易发 生菌丝结块粘 壁 等问题 。 目前研究较多 的丝状真菌液体发酵反应 器是气 升式生物反应 器 。气升式 生物反应器 与搅拌 罐相 比有很 多优势 ， 如 能量 消耗 低 ， 结构 简单 ， 由于 省去了驱动杆使发酵罐的复杂性及被污染 的风险大 为 降低 ， 而 且有利 于代谢产物 的生 产 。很 多 的研究 报 道 了食 用菌在其他非搅拌罐类型 的反应器气升 式 、鼓 泡式反应 器上进行液体深层发酵研究结果并 确立了发酵条件， 获得了很好的效果1,2 食用 菌 液体 发酵 的过程受 很 多 因素 的影 响 ， 要 从众多 的影 响因素 中找到最优化 的有利于 目的产物 发酵 的影 响 因子 ，就必须借 助于数 理统计 的方法设 计实验 ， 找到关键 的影 响因子 和水平 ， 确定最佳 的条 件组合 。一般采用 的方法是单次单 因子实验 和多 因 子 的正交实验对液体培养条件进行 优化 。不少 的研 究者 3 - 5 应 用 响应 曲面法 ( R S M) 优 化 了食 用 菌深 层 液 体发酵过程中培养基成分和温度 、 p H、 溶氧等环境影 响条件 。响应 曲面分析法是一种 寻找多 因素系统 中 最佳条件 的数学统计方法 ，采用该 法可 以建立连续 变量 的曲面模 型 ，对影 响生物过程 的因子水平及其 交互作用进行优化和评价 。再结合相关 的统计 软件 对试验数据进行处理和 回归分析 ，能更为直观 的分 析各个 因子 的影 响程度 ， 确定最优化的组合 。 2 液体深层发酵动力学的研究 文献 中报道 ，食 用菌液体深层发酵 的大部分研 究工作 主要集 中在实用性工艺 的开发方面 ，而对 于 发酵动力学方面涉及较少 。发酵动力学是发酵过程 优化 和控制 的重要基础 。发酵动力学研究 的是发酵 过程 状态 变量 随发 酵时 间变 化及 控制 变量 之 间 的规 律 。深人 了解发酵过程 中菌丝体生长 、 产物形成及基 质消耗 的动态规律 ， 对发酵过程工艺条件研究 、 反应 过程操 作优 化 和控制具有 重要 意义 和实用价值 ， 可 以为小罐试验数据放大 、从分批发酵过渡到补料分 批发酵提供理论依据。从工程学角度 出发 ， 更深刻地 理解微生物复杂 的反应本质 ，使用模 型来 发现适宜 的操作条件 ， 为反应器的优化和控制服务 。 液体深层发酵过程是 多种物质参与 的复杂代谢 反应 的综合结果 ，完全从机理 出发直接建立过程模 型较难实现 ，所 以发酵动力学方程一般都结合 实验 的数据通过数学模拟得 到的 。数学模拟 的难 点在 于 发酵过程 复杂性 、非线性 以及对象本身具有菌株变 异 、培养基组成 和其他环境 因素微妙差异等许 多不 确定 因素 。自 Mo n o d于 1 9 4 9年提 出菌体生长速率模 型后 ，有许 多学者根据丝状 真菌液体发酵 的特点对 其进行修正“ 1 ， 产物对菌体生长抑制可由L o g i s t i c 方 程 、 L u e d u k i n g& P i r e t 方程描述1 0 。食用菌液体发酵 动 力 学 的研 究 是 通 过 对 具 体 发 酵 过 程 的特 点 的分 析 ， 选定适合 的描述过程 的方程 ， 试验测定菌丝体生 物量 、限制性基质浓度 和产物浓度 随时间的动态变 化关 系 ， 应 用实验 的数据进行拟合求 出相关参数 ， 对 比实验值和模型计算值进行检验和验证 。 李平作等。 1 研究 了灵芝 ( G a n o d e r ma l u c i d u m) 胞外多糖 分批发酵 非结构动力学模 型 ，灵芝胞外 多糖发酵属 于产 物生 成与菌体生长部分偶联型 ，选用 Mo n o d模 型作为灵 芝菌球生长速率模 型并将 菌体细胞 的 自溶作用考虑 在内。 李信等1 2 采用 L o g i s t i c和L u e d e k i n g & P i r e t 方程 对蛹虫草菌 ( C o r 为c e p s m i l i t a r i s ) 胞外多糖发酵得到 了较好 的理论 描述 ，并取得 了相关 的动力学模 型参 数 ， 阐明了蛹虫草菌胞外多糖发酵 的动力学特征 。龚 建华等1 3 研究 了紫芝 ( G a n o d e r n z a s i n e n s e ) 碳源限制 生长 的连续 培养 ， 菌体量 、 限制 生长底 物 、 菌体生成 率 的三者关 系与细菌有 明显 的差 异 ，并在 0 . 0 1 0 0 . 2 2 0 h - 稀释率范围内菌丝生长符合 C o n t o i s 方程 。 2 0 0 2 0 0 6 .* .M 0 7 0 嵘球 食 dTO ， 钟 减 Tl o l . 2 7 , No . 0 7 , 2 0 0 6 3 发酵过程中菌丝形态学的研究 食用菌是 以形成 菌丝为其基本 营养体 的大型高 等真菌 。在液体深层培养 的条件下 ， 菌丝体随外界条 件 的不 同 ， 形成不 同的形态特征 ， 有分散 的丝状菌丝 和大量菌丝紧密交织在一起 的菌丝球 。菌丝体所呈 现 的特 殊 形 态 特 征 受 接 种 ( 种 龄 、 接 种 量 、 种 子 的形 式) 、 化学的( 培养基的组成) 和物理的( 温度 、 p H、 机 械力 ) 培养条件 的影 响 ， 菌丝体形态 的变化又影 响菌 丝继续生长 以及 代谢产 物 的生成 。菌丝体形态 的变 化 会 影 响其 在 液 体 培养 环 境 下 营养 的消 耗 和 摄 氧 率 。同时 ， 菌丝体 的不 同形态也会对发酵液 的流变学 特性有很大的影 响 14 1 ， 进而影 响反应器 的性能 。例如 形 成丝状分 散菌丝形 态会 导致 很 高 的发 酵液粘度 ， 发酵液 的粘度增高会 降低体 系的传质性质 ，特别会 降低气液传质率 ， 影响菌体对氧的吸收。而形成菌丝 球 形态 的发酵液则有较低 的粘度 。研究菌丝在液体 环境 下 生 长 的形 态 的变化 ，从 生 理形 态 学 的角度 了 解 菌 丝 生 长 的规律 、理解 外 界 因素对 菌 丝生 长 的影 响 、 讨论培养液 的流变特性都有着重要 的实际意义 。 食用 菌液体发酵菌丝体形态学方 面的研究 主要 是 以探讨 环境 和操 作 条件 对 菌丝 体形 态 变化 以及 代 谢产物生产 的影 响 1 5 - 1 8 1 ， 在 菌丝体 的生长分化和形态 变化对产物产 出的机理方 面 ，多是借鉴其他 丝状真 菌青霉( P e n i c i l l i u m) 和曲霉( A s p e 替l l u s ) 的研究结果 加以描述， 尚缺乏具体的试验进行验证。R .Wa g n e r 1 5 1 等研 究 了灵芝 ( G a n o d e r m a l u c i d u m) 发酵过程 中培养 基 成 分对 菌丝 形态 变 化 的影 响和胞外 多糖 产 出 的关 系 ，阐述 了菌丝体形态变化和碳源浓度 降低 以及胞 外多糖产 物 的同步性并运用补料 的策 略提 高 了胞外 多糖 的产 出。 龚建华等 1 6 1 在液体分批培养体 系中研究 了姬松茸( A g a r i c u s b l a z e i ) 悬浮菌丝物的形态多样性 及其 生长特征 ，分析 了菌丝物形态 生长形成 和分化 过程 ， 并 提 出了“ 菌丝 自由度 ” 概 念用来 描述 菌 丝物 内菌 丝处在不 同疏松度微环境 中的空间特征 。雷德 柱等o 71 研究了灰树花( G r if o l a f r o n d o s a ) 分批发酵过程 中各个不 同生长时期菌丝球 的形态结构 和胞外 多糖 生产能力 ，菌丝球 的形态结构与菌丝 的活力 和弹性 有关 ， 结合其他丝状 真菌 的研究成果讨论 了培养基 、 p H、 产物积累、 流变学性质和溶氧压各个不同时期对 菌丝体形态学的影 响。 4 其他方面的研究 通过液体深层发酵技术 大规模发酵获得 菌丝体 和生理 活性 物 质外 ，研 究 在 其 他 的方 面也 有很 多 涉 及 。食用菌对益于人类健康 的多种金属 和矿物质也 有较强 的富集作用 ，利用液体 发酵技术生产 富含微 量元素 ， 如富锌 ( Z n ) 、 富锗 ( G O 、 富硒 ( S e ) 的菌丝体 。 在 液体 培养 基 中加入 一些 微量 元 素 等 物 质 ，通 过 调 节其加人 时间和加人量 ， 使加入物在菌丝体 中富集 。 将亚硒 酸钠加人 到液体培养基 中 ，可使液体培养 的 姬松茸菌丝体对硒具有 富集作用 ， 加硒培养后 ， 菌丝 体含 硒量显著增加 1 9 1 . 在液体 培养基 中加人无机锌 ， 金针菇有显著 的吸附作用并可形成有机锌2 0 1 。液体 发酵菌丝体 的营养成分 ， 无论是蛋 白质 、 氨基酸还是 维生 素均类似 于子 实体 。因此，用液体 发酵菌 丝体 可 以制备食用菌饮料 、 调 味品 、 食 品添加剂及饲料添 加剂等。 5 食用菌液体深层发酵研究的展望 食 用菌液体深层发酵 的研究 已跨越 了半个 多世 纪 ，人们对 它 的认识 已从仅仅获得菌丝体为产 物到 对其 中含有 的生理活性 物质 的研究 。从 目前 的研究 J清况来看 ，设计制造更适 于食 用菌生长和产物产 出 的生物反应器 和研 究在发酵罐条件下各个影 响条件 并进行优化 ， 是 以后研究发展 的方 向。开发 出适合食 用菌 的反应器 ，就必须对食 用菌液体深层发酵过程 动力学及生长生理学有很深人 的认识 。然而食用 菌 种类繁多， 从现有 的研究报道 中很难得 出食用菌深层 发酵的普遍特性， 而且许多工作得 出的是描述性或定 性 的结论， 对 于在发酵过程 中各种 因素对食用菌生长 和代谢产物产生影 响 的生理生化机制进行深人研究 的报道不多 。随着计算机及检测技术 的进步， 图象分 析 系 统 及 微 电极 等 在 发 酵 研 究 中 的 应 用 也 日趋 广 泛 ，使我们能更加清楚地 了解菌体在发酵罐 内的生 长方式 、 影响因素及其生理生化过程 。只有对这些问 题进行 深人 的研究 ， 才 能更好 地优 化发 酵条件 乃 至对 菌种进行改 良， 使其代谢产物 的产 出得 以提高 。 加 强对生化反应器 中食用菌生理 生化特点 的研 究 ， 发展新 的生产工艺 ， 根据发酵菌种 的特点应用 中 间补料和进一步过渡到连续发酵 的方式 ，提高产物 的得率和生产率 ， 开发新 的高附加值产 品 ， 才能提高 质量 、 降低成本 ， 使更 多的食用菌液体发酵产 品走 向 商 品市 场 。 参考文献: 1 M i k i o K a w a g o e , Y u k i N a g a o k a , M i h o A r a k i , e t a l . S u b m e r g e d C u l t u r e o f A g a r i c u s b l a z e i M y c e l i u m i n a B u b b l e C o l u m n F e r m e n t o r J . J o u r n a l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g o f J a p a n , 2 0 0 4 , 3 7 ( 8 ) : 1 0 5 6 - 1 0 6 1 . 2 汪维云 朱金华. 香菇菌丝体在气升式生物反应器中的培 养条件研究 J . 中国 食用菌， 1 9 9 9 , 1 8 ( 2 ) : 1 1 - 1 3 . 3 Y u n - X i a n g W a n g , Z h a o - X i n L u . S t a t i s t i c a l o p t i m i z a t i o n o f m e d i a f o r e x tr a c e l l u l a r p o l y s a c c h a r id e b y P h o l i o t a s q u a r r o s a ( P e r s e x F r ) Q u e l A S 5 .2 4 5 u n d e r s u b m e r g e d c u l t i v a t i o n J . B i o c h e m i c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l , 2 0 0 4 ,2 0 : 3 9 4 7 . ( 下转第 2 0 5页) 2 0 0 6 IF- % 0 7 M ? 0 1 皖. f-i 食 rTo ， 钟 减 Tl o l . 2 7 , No . 0 7 , 2 0 0 6 用 和深 加 工 具 有 重 大 的现 实 意 义 。 参考文献 : 1 朱永义. 谷类食物纤维及其在食品上的应用 J . 郑州粮食 学院学 报， 1 9 9 5 ( 3 ) : 1 5 - 2 0 . 2 聂凌鸿， 宁正祥. 大豆膳食纤维研究开发与应用J 粮食与 油脂， 2 0 0 1 ( 1 2 ) : 3 8 - 4 0 . 3 陈正宏. 高纤维豆渣面包的研究 J . 食品工业科技，, 2 0 0 0 ( 5 ) : 3 1 3 3. 4 曹辉， 等. 大宗谷物加工副产品中功能成分的提取与利用 发展动态 J . 食品工业科技，, 2 0 0 3 ( 6 ) : 9 4 - 9 6 . 5 杨斌， 等. 甘蔗渣膳食纤维微粉 J . 粮食与饲料工业， 1 9 9 4 ( 1 2 ) : 3 7 - 3 8 . 6 陈洪章. 利用植物纤维原料发酵生产蛋白饲料的工艺J . 饲料研究， 1 9 9 3 ( 1 1 ) . 7 赵国志， 等. 低聚木糖的制取及应用J . 粮油食品， 1 9 9 8 ( 5 ) : 1 8 - 2 0 . 8 程相春， 等. 从植物纤维原料中水解糠91j 北 学工程师， 2 0 0 2 ( 4 ) : 5 85 9 . 9 张李丽， 等. 玉米杆制草酸中水解技术的研究J . 河北轻化 工学院学报， 1 9 9 3 ( 3 ) :4 24 7 1 0 陈建勋. 稻草制取多经基化合物的探讨J . 信阳师范学 院学 报( 自 然科学 版) , 1 9 9 0 ( 4 ) :3 4 83 5 1 . 1 1 刘爱平， 等. 利用酵母生物转化植物纤维为乙醇的研究进 展 J . 生物技术通讯，2 0 0 4 (2 ) : 1 9 8 - 2 0 1 . ( 上接 第 2 0 1页) 4 X i a n - B i n g M a o a , T i t i p o rn E k s r i w o n g , S o m c h a i C h a u v a t c h a r i n b , e t a l . O p t i m i z a t i o n o f c a r b o n s o u r c e a n d c a r b o n / n i t r o g e n r a t i o f o r c o r d y c e p i n p r o d u c t i o n b y s u b m e r g e d c u l t i v a t i o n o f m e d i c i n a l m u s h ro o m C o r d y c e p s m i l i t a r i s J . P r o c e s s B i o c h e m i s t r y , 2 0 0 5 , 4 0 : 1 6 6 7 - 1 6 7 2 . 5 F a n - C h i a n g Y a n g , H u i - C h i n H u a n g , M i n g - J e Y a n g . T h e i n fl u e n c e o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s o n t h e m y c e l i a l g r o w t h o f A n t r o d i a c i n n a m o m e a i n s u b m e r g e d c u l t u r e s J . E n z y m e a n d M i c r o b i a l T e c h n o l o g y , 2 0 0 3 , 3 3 : 3 9 5 - 4 0 2 . 6 N i e l s e n J . M o d e l i n g t h e g r o w t h o f f i l a m e n t o u s f u n g i J . A d v B i o c h e m E n g B i o t e c h n o 1 , 1 9 9 2 , 4 6 : 1 8 7 - 2 2 3 . 7 K r a b b e n P , N i e l s e n J . M o d e l i n g t h e m y c e l i u m m o r p h o l o g y o f P e n i c i l l i u m s p e c i e s i n s u b m e r g e d c u l t u r e s J . A d v B i o c h e m E n g B i o t e c h n o l , 1 9 9 8 , 6 0 : 1 2 5 - 1 5 2 . 汇 8 B e l l g a r d t K H . P ro c e s s m o d e l s f o r p r o d u c t i o n o f h - l a c t a m a n t i b i o t i c s J . A d v B i o c h e m E n g B i o t e c h n o l , 1 9 9 8 , 6 0 : 1 5 3 - - 1 9 4 . 9 P a u l G C , T h o m a s C R . A s t ruc t u r e d m o d e l f o r h y p h a l d i f f e r e n t i a t i o n a n d p e n i c i l l i n p r o d u c t i o n u s i n g P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u m J . B i o t e c h n o l B i o e n g , 1 9 9 6 a , 5 1 :5 5 85 7 2 . 1 0 We i s s R M , O l l i s D F . E x t r a c e ll u l a r m i c r o b i a l p o l y s a c c h a r i d e s . 1 . S u b s t r a t e , b i o m a s s , a n d p r o d u c t k i n e t i c e q u a t i o n s f o r b a t c h x a n t h a n g u m f e r m e n t a t i o n J . B i o t e c h n o l B i o e n g , 1 9 8 0 , 2 2 : 8 5 9 - - 8 7 3 . 【 川李平作， 章克昌. 灵芝胞外多 糖分批发酵非结构动力学模 型J 生 物技术 ， 1 9 9 9 ,9 ( 3 ) :2 4 - 2 6 ,3 4 . 1 2 李信， 蔡昭铃. 蛹虫草菌胞外多糖发酵及其发酵动力学 J . 生物工程学报， 1 9 9 9