第二节
一、碳源 1、作用
发酵培养基的成分及来源
提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分。 2、来源 糖类、油脂、有机酸、低碳醇和其它碳氢化合物等 3、工业上常用的糖类 ① 葡萄糖 � 葡萄糖是最容易利用的碳源，几乎所有的微生物都能利用。 � 过多的葡萄糖会抑制微生物的生长和产物的合成。(葡萄糖效应) � 工业上常用淀粉水解糖(液)，糖液必须达到一定的质量指标。如下表：
第三节
发酵培养基的设计和优化
为何要进行培养基的设计和优化？因为我们的目的产品是菌体或代谢产物。 在发酵过程 中，发酵培养基是否适合于菌体的生长或积累代谢产物，对最终产品的得率具有非常大的 影响。完善的培养基设计是实验室、实验中试和生产规模的放大中的一个重要步骤。 培养基设计的基本原则：培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产物所需的元素， 并能提供生物合成和细胞维持活力所需要的能量；同时要考虑微生物对某些生长因子的特 殊需求，以满足菌体的正常生长繁殖。 一 培养基成分选择的原则 1、 菌种的同化能力和速度 � 小分子能够通过细胞膜进入细胞体内进行代谢； � 微生物能够分泌胞外水解酶类，在体外将大分子水解为微生物能够直接利用的小分 子物质。 � 不同种类的微生物对复杂的大分子物质的同化能力是不同的。 � 在碳源和氮源的选取时特别要注意，许多碳源和氮源都是复杂的有机大分子，比如 淀粉、黄豆饼粉等。 例如大多数氨基酸产生菌，缺乏蛋白质水解酶，不能直接分解蛋白质，必须将有机氮源 水解后才能被利用。 2、 代谢的阻遏和诱导 � 葡萄糖，可以促进菌体生长，但可能发生葡萄糖效应，抑制产物的合成。 � 微生物有的产物受到氮源的诱导与阻遏，通常蛋白酶的生产受培养基中蛋白质或多 肽的诱导，而受铵盐、硝酸盐、氨基酸的阻遏。 � 应根据微生物的特性和培养的目的，注意快速利用的碳源氮源和慢速利用的碳源氮 源的相互配合。 3、 合适的碳、氮比例 � 合适的 C、N 比：C、N 源比例直接影响微生物的生长和产物的积累。 � 一般来讲，因为碳源作为碳架参与菌体和产物的合成又作为生命过程中的能源，所 以比例要求比氮源高。 例如谷氨酸发酵，C：N=4：1 时，菌体大量生长，谷氨酸积累少；
二、培养基成分含量的确定 培养基成分的含量最终都是通过实验获得。常用的实验设计方法有：单因子实验，多因 子实验，包括均匀设计、正交实验设计和响应面分析。 （一）单因子实验 1．基本原理： 假设因素间不存在交互作用的前提下， 通过一次改变一个因素的水平而其他因素保持恒 定水平，然后逐个因素进行考察的优化方法。 2．优点： 简单、容易，结果明了，培养基组分的个体效应从图表上很明显地看出来，而不需要统 计分析。 但是，尽管单因子实验简单好做，因为。 3．缺点： 单因子实验忽略了各因素间存在的交互作用，如：因为菌种不同，有时氮源也可以用作 碳源，或者 pH 改变会影响菌种对碳氮源的利用，所以可能会丢失最适宜的条件；此外单 因子实验也不能考察因素的主次关系；由于是一个个因素和一个个水平进行试验，需要大 量的实验和较长的实验周期。 4．应用： 由于它的容易和方便，单因子方法一直以来都是培养基组分优化的最流行的选择之一。
钾 影响细胞膜的通透性 钠 具有维持细胞渗透压的作用 钙 调节细胞的透性的作用，调节培养液中磷酸盐的含量。 2、来源：主要来自于 C、N 源，以盐的形式补充。 ①磷、硫、镁、钙、钾、钠、氯等常以盐的形式加入；
②钴、铜、铁、锰、锌、钼等因需要量很少，除了合成培养基，一般培养基中不另外单 独加入。 3、用量：根据具体的产品，以实验决定。 4、使用注意点 ①对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素， 在发酵过程中须加以考 虑和处理。 ②使用时注意盐的形式（pH 的变化） 四、生长因子、前体和产物促进剂 1、生长因子 定义：凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等 均称生长因子。 例如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型， 以生物素为生长因子， 生长 因子对发酵的调控起到重要的作用 。 来源：有机氮源是生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的 B 族维生素和微量 元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子 2、前体 定义： 前体指某些化合物加入到发酵培养基中， 能直接使微生物在生物合成过程中合成 到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有 较大的提高。 作用：前体有助于提高产量。 用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化率的问题 用法：前体使用时普遍采用流加的方法。因为前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生 长不利；前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，流加也有利于提高前提的 转化率； 3、产物促进剂 定义： 指那些非细胞生长所必须的营养物， 又非前体， 但加入后却能提高产量的添加剂。 促进剂提高产量的机制： ①有些促进剂本身是酶的诱导物；见下表。
三、无机盐和微量元素 微生物在生长繁殖和产物合成中都需要无机盐和微量元素，如磷，硫，铁，镁，钙，锌， 钴，钾，钠，锰，氯等；许多金属离子对微生物生理活性的作用与其浓度有关，低浓度往 往具有刺激作用，高浓度具有抑制作用； 1、作用 无机盐类是微生物生命活动所不可缺少的物质，作用包括：
①构成菌体成分； ②作为酶活性基团的组成部分或辅酶(基)； ③调节渗透压成核酸、蛋白质等细胞物质的组成成分，是许多辅酶和高能磷酸键的成分，氧化 磷酸化的必需元素。 铁 是菌体的细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化物酶的组成元素，是菌体生命活动的必 需元素之一。 镁，锌，钴 是某些酶的辅酶或激活剂。
第三章
培 养 基
第一节
培养基的类型及功能
微生物在人工培养和自然条件下的生理学特性有很大不同，其中培养基的组成对微生 物的各种代谢活动的影响最为显著。 培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原 料。同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。 发酵培养基的作用： 1、满足菌体的生长；2、促进产物的形成。 一、培养基的分类 1、按纯度分类 合成培养基：原料的化学成分明确、稳定。
② 糖蜜
� 糖蜜是制糖生产时的结晶母液，是制糖工业的副产物。 � 糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达 50%～75%。
糖蜜使用时应注意：糖蜜还含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许多都会对发酵 产生不利的影响，需要进行预处理。 例如谷氨酸发酵，糖蜜中对发酵有害的物质包括胶体成分(易使发酵起泡、结晶)、含有 较多钙盐、生物素(影响发酵的控制)。因此需要对糖蜜进行预处理：澄清→脱钙→脱除生 物素。柠檬酸发酵，糖蜜中对发酵有害的物质是铁离子含量高(发酵时易导致异柠檬酸的生 成)，需要对糖蜜进行预处理：→黄血盐。 ③ 淀粉、糊精 常用原料种类： 薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。 粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦。 农产品加工副产物：米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。 使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类。 缺点：难利用；发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的 a-淀粉酶；成分比较复杂，有 直链淀粉和支链淀粉等； 4、油和脂肪 � 油和脂肪也能被许多含有脂肪酶的微生物作为碳源和能源。 � 常用的油有菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油等。 � 在发酵过程中加入的油脂还兼有消泡的作用。 5、有机酸 一些微生物对许多有机酸(如乳酸、柠檬酸、乙酸等)有很强的氧化能力，因此有机酸和 它们的盐也能作为微生物的碳源。有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖
a. 有机氮源成分复杂，可以从多个方面对发酵过程进行影响； b. 有机氮源的来源具有不稳定性。在有机氮源选取和使用过程中，必须考虑原料的波 动对发酵的影响； 总结——氮源使用的一些相关问题
1. 有机氮源和无机氮源应当混合使用。发酵早期：使用容易利用的氮源 —无机氮源；发 酵中期：菌体的代谢酶系已形成，则利用有机氮源； 2. 有些产物会受氮源的诱导和阻遏； 3. 选取有机氮源时也要考虑微生物的同化能力；
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适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律 培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业生产
天然培养基: 采用天然原料
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原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适于工业化生产 原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性
2、 按状态分类 固体培养基: 适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香 菇、白木耳等的生产。 半固体培养基: 在配好的液体培养基中加入少量的琼脂， 一般用量为 0.5%～0.8% ,主要 用于微生物的鉴定、穿刺培养。 液体培养基: 80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性 的营养成分，是发酵工业大 规模使用的培养基。 3、按用途（从发酵生产应用考虑） 孢子培养基： 供菌种繁殖孢子的一种常用固体培养基， 对这种培养基的要求是能使菌体 迅速生长，产生较多优质的孢子，并且不易引起菌种发生变异。 种子培养基：供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮，成为活力强
②有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌 与生产。
③有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。 五、水 水是培养基的主要组成成分，也是构成菌体细胞的主要成分，又是一切营养物质的传 递介质。对于发酵工厂来说，稳定的水源是至关重要的，因为在不同水源中存在的各种因 素对微生物代谢影响很大。 � 对于酿造行业，水的重要性不言而喻。 � 对于常规发酵，要求可靠、持久地提供大量成分一致清洁的水。 水源质量的主要参数包括 pH 值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含 量。
的“种子”。 发酵培养基：供菌体生长、繁殖和合成产物之用。它既要使种子接种后能迅速生长， 达 到一定的菌丝浓度，又要使长好的菌体能迅速合成所需产物。 二、发酵培养基的要求 1、培养基能够满足产物最经济的合成。 2、发酵后所形成的副产物尽可能的少。 3、培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大 规模储藏，能保证生产上的供应。 4、 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处 理等。