培养基培养基(medium或culturemedium)是一种人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合养料。
因此任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素，且其间的比例是合适的。
任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌，否则很快引起杂菌丛生，并破坏其固有成分和性质。
一、选用和设计培养基的原则和方法在微生物学研究和生产实践中，配制合适的培养基是一项最基本的工作。
但是，许多工作不但要求我们去选用一种现成的培养基，而且还经常要求亲自去设计一种更合适的培养基，这就要求人们除了熟悉微生物的营养知识和规律外，还要有一套科学的设计培养基所应遵循的基本原则和方法。
不巧的是，在一般的书籍中，这方面的内容不易找到。
为此，这里根据自己的体会，提出了四个原则和四种方法，以作为总结这类工作的一个尝试。
(一)四个原则1．目的明确在设计新培养基前，首先要明确配制该培养基的目的，例如，要培养何菌？获何产物？用于实验室作科学研究还是用于大规模的发酵生产？作生产中的“种子”，还是用于发酵？等等。
如果某培养基将用于实验室研究，则一般不必过多地计较其成本。
但必须明确对该培养基是作一般培养用，还是作精细的生理、代谢或遗传等研究用。
如属前者，可尽量按天然培养基的要求来设计，如系后者，则主要应考虑设计一种组合培养基(即“合成培养基”，详后)。
拟培养的微生物对象也十分重要。
不同大类的微生物，对培养基中碳源与氮源间的比例、pH的高低、渗透压的大小、生长因子的有无以及特殊成分的添加等都要作相应的考虑。
如果某培养基将用于大规模的发酵生产上，则用作“种子”的培养基，一般其营养成分宜丰富些，尤其氮源的含量应较高(即C/N比低)；相反，如拟用作大量生产代谢产物的发酵培养基，则从总体来说，它的氮源含量宜比“种子”培养基稍低(即C/N比高)。
除了对不同类型的微生物应考虑其特定条件外，在设计发酵培养基时，还应特别考虑到生产的代谢产物是主流代谢产物，或是次生代谢产物。
如属主流代谢产物(一般指通过主要代谢途径产生的那些结构较简单、产量较高、价值较低的降解产物)，则生产不含氮的有机酸或醇类时，培养基中所含的碳源比例自然要比生产含氮的氨基酸类产物时高，反之，生产氨基酸类含氮量高的代谢产物时，氮源的比例就应高些。
如属生产次生代谢产物(一般是指通过复杂合成途径产生的那些结构复杂、产量低、价值高的合成产物)，例如抗生素、维生素或赤霉素等，则还要考虑是否在其中加入特殊元素(如维生素B12中的Co)或特定前体物质(如生产苄青霉素时加入的苯乙酸)。
2．营养协调通过菌体成分的分析，可知道在各种微生物的细胞中，其不同成分或元素间是有较稳定比例的(表5-15)；另外，在异养微生物中，碳源还兼作能源，而能源的需要量是很大的。
这两点就是确定培养基中各种营养要素的数量和比例的重要依据。
此外，如果设计的培养基是用于生产大量代谢产物的，那么，它所需耗费的营养物的量也要在设计培养基时予以充分考虑。
业已清楚，在大多数化能异养菌的培养基中，各营养要素间在量上的比例大体符合以下十倍序列的递减规律：要素：H2O＞C+能源＞N源＞P、S＞K、Mg＞生长因子含量：(～10-1)(～10-2)(～10-3)(～10-4)(～10-5)(～10-6)从中可以看出：①水分含量最高，这是因为微生物多数是水生性的，它们的a w值(详后)高；②碳源的含量其次，这是因为碳元素在任何细胞有机物中都是含量最高的，同时，碳源还兼有能源的作用，而能源的消耗量是很大的；③N、P、S、K、Mg的含量依次递减，这是与它们分别在细胞组分中的含量是相符的；④生长因子的量最少，这是与它的生理功能相一致的。
在上述序列中，碳源与氮源间的相对比例即碳氮比(C/N比)，它有着十分重要的意义。
严格地讲，C/N比是指在微生物培养基中所含的碳源中碳原子的摩尔数与氮源中氮原子的摩尔数之比，而不能简单地理解为某碳源的重量与某氮源的重量之比。
这是因为，不同种类的碳源或氮源，其中的含碳量或含氮量差别很大，从以下五种常用氮源的含氮量占总重量的比例即可明白其中的道理：NH3(含氮量82％)＞CO(NH2)2(46％)＞NH4NO3(35％)＞(NH4)2CO3(29.2％)＞(NH4)2SO4(21％)这说明在同样重量时，在以上各氮源中含氮量以氨为最高，尿素次之，硝酸铵和碳酸铵更次之，而硫酸铵则最低。
据记载，一般培养基的C/N比为100/0.5～2；谷氨酸发酵培养基为100/11～21，放线菌蛋白酶培养基为100/10～20。
3．物理化学条件适宜(1)pH 各大类微生物一般都有它们合适的生长pH范围。
细菌的最适pH在7.0～8.0间，放线菌在7.5～8.5间，酵母菌在3.8～6.0间，而霉菌则在4.0～5.8间。
对于具体的微生物种来说，它们都有特定的最适pH范围，有时可大大突破上述一般界限(见第七章第三节)。
由于在微生物生长繁殖过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物，尤其是不少的微生物有很强的产酸能力，如不适当地加以调节，就会抑制甚至杀死其自身，因而在设计它们的培养基时，就要考虑到培养基的pH调节能力。
这种通过培养基内在成分发挥的调节作用，就是pH的内源调节。
内源调节主要有以下两种方法：第一种是采用磷酸缓冲液的方式。
调节K2HPO4和KH2PO4两者浓度比就可获得从pH6.0至7.6间的一系列稳定的pH，当两者为等摩尔浓度比时，溶液的pH可稳定在pH6.8。
其反应原理如下：K2HPO4＋HCl→KH2PO4＋KClKH2PO4＋KOH→K2HPO4＋H2O第二种是采用加入CaCO3作“备用碱”的方式。
CaCO3在水溶液中溶解度极低，加入至液体或固体培养基中时，不会使培养液的pH升高。
但当微生物生长过程中不断产酸时，它就逐渐被溶解，并发生以下反应：因为CaCO3是不溶性且是沉淀性的，故在配成的培养基中分布很不均匀，如因实验需要，也可用NaHCO3来调节：与内源调节相对应的是外源调节，这是一种按实际需要不断流加酸液或碱液到培养液中去的调节方法。
具体内容将在第七章第三节中进行讨论。
(2)渗透压和a w渗透压(osmoticpressure)是可用压力来量度的一个物化指标，它表示两种浓度不同的溶液间被一个半透性薄膜隔开时，稀溶液中的水分子会透过此膜到浓溶液中去，直到浓溶液产生的机械压力足以使两边的水分子进出达到平衡为止，这时由浓溶液中的溶质所产生的机械压力，即为渗透压。
渗透压的大小是由溶液中所含有的分子或离子的质点数所决定的，等重的物质，其分子或离子越小，则质点数越多，因而产生的渗透压就越大。
等渗溶液适宜微生物的生长，高渗溶液会使细胞发生质壁分离，而低渗溶液则会使细胞吸水膨胀，对细胞壁脆弱或丧失的各种缺壁细胞(如原生质体、球状体，支原体)来说，在低渗溶液中还会破裂。
微生物在其长期的进化过程中，发展出一套高度适应渗透压的特性，尤其会通过体内大分子贮藏物的合成或分解的方式来适应。
据测定，革兰氏阳性细菌的内渗透压约可达到20个大气压，而革兰氏阴性细菌也可达到5～10个大气压。
比渗透压更有生理意义的一个物化指标是a w即水活度(wateractivity)。
它表示在天然环境中，微生物可实际利用的自由水或游离水的含量。
要定量地表示水活度，则其含义为：在同温同压下，某溶液的蒸汽压(P)与纯水蒸汽压(P0)之比。
因此，a w也等于该溶液的百分相对湿度(ERH，equilibriumrelativehumidity)值。
即：各种微生物生长繁殖范围的a w值在0.998～0.6之间。
若干有代表性微生物的最低a w 值是：知道了各类微生物生长的a w值，不仅有利于设计它们的培养基，而且对防止食物的霉腐也有重要的意义。
现将若干食物的a w值列举如下：(3)氧化还原势氧化还原势(redoxpotential)又称氧化还原电位，是度量某氧化还原系统中的还原剂释放电子或氧化剂接受电子趋势的一种指标，其单位是V(伏)或mV(毫伏)。
氧化还原势的表示方法有E h或rH2两种。
E h指以氢电极为标准时某氧化还原系统的电极电位值。
标准氢电极是一个半电池，它由pH为零的HCl溶液、涂满铂黑的铂箔电极和用压力为1个大气压的氢所组成的。
在这种条件下，此标准氢电极的电极电位等于零。
在溶液中的某氧化还原偶，当其氧化型和还原型的浓度相等时，所产生的氧化还原势可用E0表示。
任何氧化还原系统所产生的氧化还原势明显地受pH的影响。
在生物体系中，常用E′来表示pH为7时某氧化还原偶的氧化还原势。
氢电极E′的上限是+0.82V，它出现在高氧且没有氧消耗的环境中，下限为-0.42V，出现在富含氢的环境中。
任何一对由氧化态物质与还原态物质组成的氧化还原偶，在pH等于7的情况下会产生一定的氧化还原势，其数值可借它与一个标准氢电极间所呈现出来的电位差值来测出。
由于氢电极在使用时极感不便，因此，实际上常用甘汞电极作参比电极来进行测定。
某一氧化还原系统在30℃下所产生的氧化还原势数值为：上式中的n为反应中所传递的电子数，〔ox〕为测定系统中某氧化态物质的浓度，〔red〕为该还原态物质的浓度。
rH2表示氢分子浓度的负对数，这一概念与pH是氢离子浓度的负对数的概念有类似之处。
其数值为：rH2的范围自0(氢浓度等于1个大气压)至42.6(氧浓度为1个大气压)。
这就意味着，某溶液的rH2值越低，它的还原力越强，反之，如rH2值越高，则其氧化性越强。
从式中还可以看出E h、rH2与pH值三者间的关系。
当E h值不变时，pH值越高，rH2亦越高，pH值越低，则rH2值亦越低。
在许多氧化还原系统中，每降低一个pH值，就相当于提高E h值0.06V。
就像微生物与pH的关系那样，各种微生物对其培养基的氧化还原势也有不同的要求。
一般地说，适宜于好氧微生物生长的E h值为+0.3～+0.4V，它们在E h值为0.1V 以上的环境中均能生长；兼性厌氧微生物在＋0.1V以上时进行好氧呼吸，在+0.1V 以下时则进行发酵；厌氧微生物只能在+0.1V以下才能生长。
微生物的培养基常常是一个具有多对氧化还原偶的复杂电化学系统，这时所能测出的E h值仅代表了它们的综合结果。
在各对氧化还原偶中，对微生物生长繁殖影响最大的是分子氧与分子氢的浓度，它们对严格厌氧菌的影响尤为重大。
要培养它们，除了在配制培养基、灭菌、接种和培养等一切操作过程中必须采用严格厌氧技术(见第七章第三节)以去除氧气外，还要在培养基中加入一定量的还原剂，例如可用巯基乙酸(0.01～0.20％)、抗坏血酸(0.1％)、硫化钠(0.025％)、半胱氨酸(＜0.05％)、葡萄糖(0.1～1.0％)、铁屑、谷胱甘肽、氯化高铁血红素、二硫苏糖醇或庖肉(瘦牛肉小块)等来降低它的氧化还原势值。