生物反应器技术包括哪些方面?

楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2016-07-30 11:34 回复:0 关注量:97
生物反应器是近年来生物技术领域中的一个应用亮点。其核心是通过生物技术改造并集成了某一个或几个生物反应的细胞、酶体系,从而能够模拟生物体内的反应,合成人类需要的相关产物。在葡萄酒生产领域,生物反应器大体包括以下三种类型。


(1)游离细胞生物反应器


采用高生物量 (菌密度)的游离细胞生物反应器能够使MLF快速启动并使发酵进程易于控制。该方法最早用于苹果酸含量低的葡萄酒的生物降酸。当接种高浓度的游离乳酸菌细胞 (107~108cfu/mL)时,低pH值对 MLF的抑制效应就会大大降低,此反应器通过采用细胞循环式发酵方式以达到高细胞生物量,并消除了乳酸产物对反应器细胞活性的抑制,从而使细菌细胞连续生长,使MLF在可控状态下连续、稳定、高效地进行下去。



(2)固定化细胞


固定化细胞技术的一个重要理论依据是任何能够限制发酵微生物自由移动的技术都有利于提高发酵速率。该技术始于20世纪60年代,是利用特殊的固定化载体把微生物菌体或酶固定起来,使之成为连续的生物反应器。


微生物的固定化主要有包埋法、吸附法、交联法和微胶囊化等几种方法。到目前为止,用于葡萄酒 MLF的固定化技术只有包埋法和吸附法两种。


包埋法固定化细胞技术克服了乳酸菌不能自然絮凝形成聚集体的难题,是细胞固定化最常用的方法。包埋法可以分为微胶囊法和凝胶包埋法。前者是利用半透性聚合物薄膜将细胞包裹起来,形成微型胶囊;后者是在无菌条件下,将生物细胞和胶溶液混合在一起,然后再经过相应的造粒处理,形成直径为1~4mm的胶粒。


将胶粒直接投入葡萄酒中,即能进行 MLF。包埋法固定化乳酸菌是固定化细胞在葡萄酒MLF中应用最为常见的方法。


吸附法的原理是利用微生物固有的吸附能力,可用于制备固定化细胞。很多类型的微生物细胞具有吸附在固体表面的自然倾向。供吸附细胞用的载体都是多孔性物质,如硅藻土、活性炭、木屑等。将无菌的吸附载体置于菌悬液中,细菌细胞就会被吸附到多孔载体空隙的内表面上,再将吸附有菌体的载体放到生长培养基中增殖培养,就能得到高菌密度的固定化细胞。


(3)固定化酶技术


无论是游离细胞生物反应器还是固定化细胞,其核心都是相关生物酶在发挥作用,因此,将生物反应的相关酶提取并固定化,应该能够发挥相同的功效,而且生物酶的反应更加直接、稳定、专一,在反应中酶自身也不存在消耗,成本也更低廉。相比之下,固定化酶技术更具有产业化应用的前景和潜力。


根据对微生物体内苹果酸-乳酸转变有关酶的研究表明,该生物反应过程先后依靠以下酶的参与完成:①苹果酸酶 (EM),催化苹果酸转化成丙酮酸;②苹果酸脱氢酶 (MDH),催化苹果酸转化成草酰乙酸;③乳酸脱氢酶 (LDH),催化丙酮酸向乳酸转变;④烟酰胺核苷酸转氢酶 (TH);⑤苹果酸-乳酸酶 (MLE),把苹果酸直接转化成乳酸。


目前,通过固定化酶进行苹果酸的生物酶法转化有以下两条途径。


①EM-LDH-TH联合固定化法 该途径中,EM分解苹果酸生成丙酮酸,后者在LDH的作用下还原成乳酸,TH在反应中起着传递氢的作用,用于辅酶再生。采用琼脂糖和壳多糖-戊二醛固定EM-LDH-TH多相酶系统 (图1),能有效地在苹果酸稀溶液中将其转变成乳酸。但pH对该多相酶系统影响较大,目前尚不能完全用于分解葡萄酒中的苹果酸。


固定化多相酶体系
图1 固定化多相酶体系


② 直接进行MLF的固定化 研究表明,采用从乳酸菌细胞中分离的苹果酸-乳酸酶 (MLE)制成膜生物反应器,能够部分地进行MLF。


与固定化细胞技术相比,固定化酶技术虽然具有更多的优势,但是由于需要进行酶的分离、纯化,并且需要一定的辅酶再生,因此该技术在生产上的应用受到很多限制,目前还没有完全达到推广应用的阶段,但是这并不影响它作为今后葡萄酒生产,特别是 MLF阶段的一项重要技术和发展趋势而受到瞩目与推崇。