如何讓菌體“吃飽”又不“浪費”葡萄糖？
在好氧發酵過程中，如何平衡菌體生長與葡萄糖代謝的關系，是每一個發酵工程師面臨的核心挑戰。這就像一位精心調配食材的大廚，既要讓微生物“吃飽”，又要避免“浪費”，最終目標是讓這些微小的“細胞工廠”高效地生產出我們所需的目標產物。
理解這一平衡過程，關鍵在于把握碳源、氧氣和能量這三個核心要素的互作關系。它們共同構成了一個動態系統，決定了菌體是將資源用于自身生長，還是用于合成目標產物。下圖清晰地梳理了這個復雜的調控網絡：
好氧發酵平衡核心“碳源供應策略（控制輸入）”“溶氧精準控制（維持呼吸）”“代謝流導向（分配資源）”“補料-分批培養避免底物抑制”“根據生長階段動態調整補料速率”
“攪拌轉速與通氣量維持臨界溶氧以上”“階段式供氧策略匹配不同時期需求”“環境參數調控（如pH、溫度）”“遺傳改造與菌種選育優化內在代謝網絡”“維持適宜糖濃度
協調生長與代謝”“保障能量供應與還原力平衡”“高效定向合成目標產物”“成功實現高產量/高轉化率發酵”
如圖所示，成功的平衡需要從輸入控制、過程維持和流向分配三個層面協同發力。下面，我們將深入這三大調控維度，拆解其中的具體策略與科學原理。
核心矛盾：生長與生產的博弈
在好氧發酵中，菌體快速生長所需的最佳條件與目標產物高效合成所需的最佳條件，往往存在差異。菌體生長需要大量的能量和碳骨架來合成新的細胞成分，而目標產物的合成同樣需要消耗碳流和還原力。
成功的發酵控制，就是在這兩者之間進行精細的動態平衡，引導細胞的代謝流向期望的方向。
三大調控維度，精準掌控發酵過程
1. 碳源供應策略：控制“食物”來源
葡萄糖作為菌體生長的碳源和能量來源，其供應方式直接決定了代謝走向。
? 補料-分批技術：在好氧發酵中，一次性投入過高濃度的葡萄糖會導致Crabtree效應（即使在有氧條件下，微生物也會將過量葡萄糖轉化為乙酸、乳酸等副產物）或底物抑制。這不僅造成碳源浪費，副產物更會抑制菌體生長和目標產物合成。
采用補料-分批培養是核心策略，通過持續或脈沖式流加葡萄糖，將發酵液中的糖濃度維持在一個較低的最佳水平，既能滿足菌體持續生長的需要，又可有效避免代謝溢流。? 生長階段依賴：在對數生長期，菌體代謝旺盛，耗糖速率快，需要較高的補料速率。進入穩定期（產物合成期）后，為了將代謝流導向目標產物，則需要調整補料策略。
2. 溶氧的精準控制：保障“呼吸”順暢
氧氣是好氧發酵中葡萄糖徹底氧化產生能量的最終電子受體，溶氧水平的控制至關重要。
? 臨界溶氧濃度：每種微生物都有一個臨界溶氧濃度。例如，蘇云金桿菌的臨界溶氧值在20%左右，若低于此值，即使葡萄糖充足，菌體的生長也會因能量不足而受到抑制。
在實際發酵中，尤其是在菌體對數生長期，攝氧率會急劇上升，必須通過增加攪拌轉速和通氣量來維持溶氧高于臨界值。? 階段式供氧策略：發酵不同時期對氧的需求不同。 ? 生長階段：可能需要維持較高的溶氧以促進菌體快速增殖。 ? 產物合成階段：則需將溶氧調整至一個特定水平，以激活或強化目標代謝途徑。例如，在抗生素發酵中，生產階段采用分級控制策略。
3. 代謝流的導向與調控：駕馭細胞“工廠”
平衡的最終目標是高效合成目標產物，這就需要從內部和外部對代謝流進行導向。
? 環境參數的影響：除了溶氧，溫度和pH值也深刻影響酶活性和代謝途徑。采用兩階段控制法是常見策略：先在適于生長的溫度/pH下促進菌體增殖，到達高密度后，切換至適于產物合成的條件。 ? 遺傳改造與菌種選育：這是從根源上重塑代謝網絡的治本之策。 ? 通過基因工程手段，可以敲除或減弱副產物合成途徑的關鍵基因，從而將更多的碳流向目標產物。 ? 可以過量表達目標途徑的關鍵酶基因，解除代謝瓶頸，提高通量。 ? 中國科學院微生物研究所研究員陶勇團隊設計出一種全新的具有不完整三羧酸循環的大腸桿菌底盤細胞，使有氧發酵的碳損失降到最低，提高了產物轉化率。
從“經驗控制”到“智能駕馭”：先進控制策略
現代發酵工程正朝著動態、智能的方向發展，以實現更精細的平衡。
? 基于代謝通量分析的動態優化：通過在線監測攝氧率（OUR）、二氧化碳釋放率（CER） 等參數，可以實時計算出細胞內的代謝通量分布。基于此，可以反向優化溶氧設定點和補料策略，實現從“供給控制”到“代謝駕馭”的轉變。 ? 智能控制系統：應用模糊控制、模型預測控制（MPC） 等算法，可以處理發酵過程的非線性和大時滯特性，實現對溶氧、補料等多參數的綜合與前瞻性控制。
結語
在好氧發酵中平衡菌體生長與葡萄糖代謝，是一門在分子、細胞、反應器多個層面上進行的、動態的資源優化配置藝術。它要求我們深刻理解微生物的生理特性和代謝規律，并靈活運用碳源控制、溶氧調控、環境參數優化以及先進的過程監控技術等手段。
隨著合成生物學工具與過程監測技術的融合，基于代謝通量分析的精準調控將為發酵過程優化開辟新的天地，最終實現發酵過程經濟效益的最大化。
