文档介绍：发酵工程精品课程
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华东理工大学·生物工程学院
第五节温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同,根据它们对温度的要求大致可分为四类:嗜冷菌适应于0~260C生长,嗜温菌适应于15~430C生长,嗜热菌适应于37~650C生长,嗜高温菌适应于650C以上生长
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每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下,微生物生长迅速;超过最高温度微生物即受到抑制或死亡;在最低温度范围内微生物尚能生长,但生长速度非常缓慢,世代时间无限延长。在最低和最高温度之间,微生物的生长速率随温度升高而增加,超过最适温度后,随温度升高,生长速率下降,最后停止生长,引起死亡。
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微生物受高温的伤害比低温的伤害大,即超过最高温度,微生物很快死亡;低于最低温度,微生物代谢受到很大抑制,并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
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1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型,细胞在正常生理条件下,膜中的脂质成分应保持液晶状态,只有当细胞膜处于液晶状态,才能维持细胞的正常生理功能,使细胞处于最佳生长状态
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。
二、微生物与温度相关性的原理
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什么是液晶状态?
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点,以T1表示;
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点,以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢?根据细胞膜脂质成分分析表明,不同最适温度生长的微生物,其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸,而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
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2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结构完整性和催化功能:(1)通过自然或诱导突变,将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行对比;(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍射分析表明,嗜冷酶分子间的作用力减弱,与溶剂的作用加强,酶结构的柔韧性增加,使酶在低温下容易被底物诱导产生催化作用
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嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对低温的适应,蛋白质翻译的错误率最低。许多中温菌不能在O0C合成蛋白质,一方面是由于其核糖体对低温的不适应,翻译过程中不能形成有效的起始复合物,另一方面是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。
3、蛋白质合成
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4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白
将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会诱导合成一组冷休克蛋白,它们对低温的生理适应过程中发挥着重要作用,检测嗜冷酵母的冷休克反应,发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产生。
耐冷菌由于生活在温度波动的环境中,它们必须忍受温度的快速降低,这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。
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二、温度的影响与控制
(一)温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率,酶反应有一个最适温度。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得 E=
E——活化能
Kr——速率常数
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