基本知识一、微生物的营养（一）、微生物需要的营养物质1、微生物最常利用的碳源是糖类，尤其是葡萄糖；最常利用的氮源是铵盐、硝酸盐。

2、不同种类的微生物，对碳源的需求差别很大。

3、对于异养微生物来说，含C、H、O、N的大分子化合物既是碳源，又是氮源和能源。

可能又是生长因子。

4、微生物之所以需要生长因子，往往是由于缺乏合成这些物质所需的酶或合成能力有限。

5、对许多微生物来说既可以利用无机氮化合物作氮源，也可以利用有机氮化合物作氮源；固氮微生物可以利用N2作为氮源；6、对于自养微生物来说，NaHCO3既是又是。

（碳源无机盐），NH4HCO3既是又是还可以是。

（碳源氮源能源）；对于异养微生物来说，含C、H、O、N的大分子化合物既是，又是和。

还可能又是。

（碳源氮源能源生长因子）（二）、培养基1、培养基配制的原则(1)目的要明确（根据微生物的种类、培养的目的等）：如培养自养微生物，培养基可由简单的无机物组成；如培养自身固氮微生物如圆褐固氮菌，培养基中则不必加氮源；生产用培养基内可加入化学成分不明确的天然物质，而分类实验用培养基则应加入已知化学成分的物质。

(2)营养要协调：注意各种营养物质的浓度和比例。

如：营养物质浓度过高，微生物细胞内的水分通过细胞膜不断向外渗透，细胞发生质壁分离，影响微生物的正常生命活动，抑制微生物的生长；在各种营养物质的比例中，碳源与氮源的比最为重要：如谷氨酸生产中，C∶N＝4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；C∶N＝3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。

(3)pH要适宜：细菌PH＝6.5~7.5，放线菌PH＝7.5~8.5，真菌PH＝5.0~6.0。

可在培养基中加酸或碱调节或加PH缓冲液如K2HPO4/KH2PO4。

说明：液体培养基营养物质分布均匀与菌体充分接触，有利于微生物更快吸收营养，有利于菌体繁殖，积累产物，因而适于大规模的工业生产。

天然培养基配制方便，营养丰富且价廉，适于工业生产。

二、微生物的代谢（一）、微生物代谢特点及原因：代谢异常旺盛。

微生物的表面积与体积之比很大，使之能迅速与外界进行物质交换。

人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等。

其中应用营养缺陷三、微生物的生长（1）、种群数目的增长与细菌群体生长的异同点。

相同点：细菌的生长也符合种群增长的“J”型和“S”型曲线，其中对数期相当于“J”型曲线，调整期、对数期和稳定期相当于“S”型曲线。

不同点：在自然条件下，一般不会出现细菌在人为的培养条件下的衰亡期，原因是处在自然条件下的种群，它总是处于一定的食物链和食物网中，种群数量受它的天敌、食物等多种因素的影响。

（2）、调整期的微生物虽然不能分裂，但是代谢仍是活跃进行的，从这个时期开始产生初级代谢产物，并贯穿微生物的一生，这是为对数期的分裂做准备。

次级代谢产物在稳定期开始产生并达到最多。

由于对数期的微生物代谢旺盛，繁殖速度快，所以应用此期的细菌做菌种。

稳定期的活菌数最多，培养条件（空间、资源）有限，种内斗争最激烈。

由于环境恶化，细菌抵御不良环境的芽孢出现。

细胞形态最多的时期是衰亡期，由于环境极度恶化，细菌与环境间的生存斗争最为激烈（主要是与无机环境的斗争）。

（二）、研究微生物生长曲线的意义人们培养微生物的目的是想获得菌体本身或代谢产物1、得到菌种——延长对数期：培养开始时多放一些培养基，以延长细菌处在有丰富营养环境中的时间。

2、得到代谢产物——延长稳定期：用连续培养法，即以一定的速度添加新的培养基，同时以同样的速度放出老的培养基，以保证微生物生长对营养的需求，同时又排出了部分有害代谢产物，从而使微生物能保持较长时间的高速生长。

思考：连续培养应用_______培养基。

对于好氧性微生物在连续培养过程中除了要添加培养基外，还应该___________________________。

（液体通入无菌的空气）（三）、微生物群体生长的测定1、测定细胞数目2、测定湿重或干重发酵是通过微生物的培养大量生产各种代谢产物的过程。

发酵工程是一种生物技术，采用现代工程技术手段，利用微生物的某种特定功能，为人类生产有用的产品或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。

所以发酵工程是应用于发酵的一种生物技术。

五、谷氨酸发酵（一）、常用菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌（都是异自需氧型微生物）思考：以谷氨酸棒状杆菌为例说明选种应该注意什么？（应选对数期的菌种；选择细胞膜通透性大的谷氨酸棒状杆菌，因为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸会因在细胞内积累而终止。

）（二）、培养基：1、液体培养基（天然培养基）2、原料（五类营养要素物质）：豆饼水解液、玉米浆、磷酸二氢钾、氧化钾、硫酸镁、生物素（生长因子）等。

思考：为什么选用液体天然培养基？（①、液体培养基能够使培养基中的营养物质在发酵过程中得到充分利用，还能为菌体提供更大的空间，同时也有利于生产过程中培养条件的控制和产物的提取；②采用天然培养基作为营养物质，既能满足菌体对营养的需求，又能降低成本，还可以减少对环境的污染）。

（三）、发酵过程1、培养方式：连续培养2、控制条件：温度、PH、溶氧、搅拌速度等思考：搅拌的目的是什么？（对于需氧性微生物，在培养过程中，必须不断通入无菌空气，搅拌不但可使空气成为小泡迅速溶解以增加培养基的溶氧，还能使菌种下培养基充分接触，提高原料的利用率。

）（四）、味精的生成与提取用适量的碳酸钠中和，经过滤、浓缩、离心分离等步骤，即可获得所需产品说明：影响发酵过程的因素——温度、PH、溶氧、营养物质的浓度等六、发酵工程的内容（一般流程）（一）、菌种选育思考:从自然界分离的菌种为什么一般不直接作为生产用菌种？菌种选育的常用方法根据培养基配制的原则，选择原料制备培养基，应该注意的是：1、根据不同的菌种，选择不同的材料，配制的培养基应满足微生物对碳源、氮源、水、无机盐和生长因子等方面的要求，并能够为微生物的生长提供适宜的PH。

2、培养基的营养要协调，注意各种营养物质的浓度和比例，特别是碳氮比，以利于微生物代谢产物的合成。

3、应尽量降低生产成本，以得到更大的经济效益。

以天然成分的培养基为好。

如谷氨酸发酵：培养基中必需有生长因子——生物素，如缺少谷氨酸合成会受阻；C∶N＝3∶1；PH应为弱碱性，否则会生成谷氨酰胺；溶氧量必须充足。

（三）、灭菌思考：为什么要灭菌？哪些对象需要灭菌？（如混入其它微生物，将与菌种形成竞争关系，对菌种的繁殖和代谢造成不良影响。

如在谷氨酸发酵过程中，混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌就会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。

所以要防止杂菌的污染，在发酵前应用高温高高压的方式对培养基和发酵设备进行严格彻底的灭菌处理，杀死所有杂菌的胞体、芽胞和孢子）（四）、扩大培养思考：结合细菌的群体生长规律分析：菌种接种前为什么要进行扩大培养？（增加接种时的菌量，以缩短调整期，进而缩短生产周期。

扩大培养与发酵的目的不同，前者是为了在短期内获得大量的菌种，而发酵是为了获得代谢产物，所以采用的培养条件也不同。

如谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，碳氮比应为4∶1，而在发酵获得谷氨酸时碳氮比应为3∶1；再如酒精发酵中，扩大培养应在有氧条件下进行，让其迅速进行出芽生殖，而在发酵时应在无氧条件下进行。

）（五）、接种：在保证无杂菌污染的条件下进行接种（六）、发酵过程（中心阶段）——使培养保持稳定期，以获得更多的发酵产物1、随时取样监测培养液中细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程。

2、及时添加必需的营养基组分，以满足菌种的营养需要。

3、严格控制温度、PH、溶氧、通气量和转速等发酵条件，确保微生物代谢向着有利的方向快速进行思考：（1）、为什么要随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以人工控制？因为随着发酵过程的进行，营养物质被大量消耗，代谢产物的积累，同时会产生大量的热量和某些酸性或碱性物质，使培养液中的温度、PH、溶氧、各种营养物质的浓度特别是碳氮比等发生改变，会影响微生物的生长繁殖、代谢途径（代谢方向或产物的种类）、酶的活性、膜的通透性等，所以要随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以人工控制。

（2）、如何控制发酵过程中的各种条件呢？对发酵条件的控制可能通过发酵罐上的各种装置来进行。

如温度控制可通过发酵罐上的温度自动测试和控制装置进行检测和调整（微生物代谢、机械搅拌都会使温度升高，发酵罐壁散热，水分蒸发都会使温度下降）；溶氧可通过通气量和搅拌速度来调节；PH可通过加料装置，添加酸或碱或缓冲液来调节；营养物质可通过采取连续培养的方法调节。

（七）、分离提纯1、产品为菌体：采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中提取出来。

2、产品为代谢产物：可用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。

七、发酵工程的应用（一）、在医药工业上的应用1、批量生产药品2、生产基因工程、细胞工程药品（二）、在食品工业上的应用1、生产传统发酵产品2、生产食品添加剂3、生产单细胞蛋白，解决粮食短缺问题（单细胞蛋白是指通过发酵获得的大量微生物菌体本身：单细胞蛋白又叫微生物蛋白、菌体蛋白。

单细胞蛋白具有以下优点：第一，生产效率高，第二，生产原料来源广，而且经济。

第三，可以工业化生产。

但是任何一种新型食品原料的问世，都会产生可接受性，安全性等问题。

单细胞蛋白也不例外。

例如单细胞蛋白的核酸含量在４％——１８％，食用过多的核酸可能会引起痛风等疾病。

此外，单细胞作为一种食物，人们习惯上一时难以接受。

但经过微生物学家的努力，这些问题会得到圆满解）相互联系人们按照自己的意愿改造物种采用基因工程或细胞工程，而基因工程或细胞工程的成果大多必须通过发酵工程和酶工程来实现产业化。

基因工程、细胞工程、发酵工程中所需要的酶，往往要通过酶工程来获得，酶工程中酶的生产一般要通过发酵的方法。

二例题分析1．下列与微生物的代谢活动异常旺盛无关的原因是：A．表面积与体积比大B．表面积大C．对物质的转化利用快 D.数量多微生物的代谢特点:2．右图表示某种细菌细胞中的一个反应程序。

在这个程序中，一种氨基酸在酶的作用下产生另外的氨基酸。

1～6代表不同的氨基酸(对生命都是必需的)，V～Z代表不同的酶。

原始种的细菌只要培养基中有氨基酸l就能生长，而细菌的变异种只有在培养基中有氨基酸l、2、5时才能生长。

该种细菌的变异种中不存在的酶是A．V、Z B．W、Y C．Y、Z D．V、W问题1：氨基酸属于微生物的代谢产物，是指对对微生物\ 的物质,在不同种类的微生物细胞中, 初级代谢产物--------（有无菌种特异性）2.次级代谢产物是指\或的物质.因此次级代谢产物对微生物没有意义，对吗？它们可能积累在也可能排到有等。