发酵工业培养基及原料处理

•
对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供
给充足的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。
• （2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些，这样在同 等或相近的转化率条件下有利于提高单位容积发酵罐的利用率，增 加经济效益。
• （3）发酵培养基需耗用大量原料，因此，原料来源、原材料的质 量以及价格等必须(bìxū)予以重视。
霉素G的含量，深入研究发现玉米浆含有苯乙酸，苯乙酸是青霉素 G的侧链，即苯乙酸是青霉素G发酵的前体物质。 不同青霉素的侧链不同： 青霉素V--- ---苯氧乙酸 链霉素--- ---肌醇、甲硫氨酸、精氨酸 红霉素--- ---丙酸、丙醇、丙酸盐、乙酸盐 ……
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七、促进剂和抑制剂
1、促进剂：并不是前体或营养物质，但却能提高产量的物质。 作用方式： 或影响微生物正常代谢；或促进中间产物的累积；或 提高次级代谢产物量。
第三章 发酵工业培养基 及原料(yuánliào)处理
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• 发酵工业培养基是工业发酵微生物生长和分 泌发酵产物的营养基质(jī zhì)。发酵工业培 养基的设计、原料处理和配制是发酵工程的 重要操作单元之一。
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本章(běn zhānɡ)主要内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
New Biofuel technology using sunlight and micro-organisms could change the industry
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二、碳源
功能：碳源物质是组成培养基的主要成分之一，因为碳源物质在 微生物细胞中的含量(hánliàng)很高。占细胞干物质50%。 碳源 物质为细胞提供能量 、组成菌体细胞成分的碳架、构成代谢产物。 常用的碳源物质包括糖类、脂类、有机酸、低碳醇。
• 观察（穿刺培养），某些厌氧菌的保藏(bǎocáng)工作。
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三、鉴别(jiànbié)和选择性培养基
• 鉴别培养基（differential medium）：是根据微生物能否利 用培养基中某种营养成分，借助 指示剂的显色反应，以鉴别不同 种类的微生物。
• 选择培养基（selective medium）：根据某种微生物的特 殊营养要求或其对某种物理化学 因素的抗性而设计的培养基，目 的是使混合样品中的劣势菌群变 成优势菌群，或同时(tóngshí)还 会加入一些特殊的抑制剂来抑制 竞争菌群。
重要营养基质的配制(pèizhì) 方法
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本章主要(zhǔyào)内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类
(zhǒnglèi) • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
重要营养基质的配制方法
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第一节 发酵营养(yíngyǎng)基质的选择
如：巴比妥盐能增加生产菌菌丝的抗自溶能力，达到推迟菌体自溶 目的，增加链霉素和利福霉素等抗生素的累积。
如：谷氨酸棒状杆菌生产赖氨酸的时候，加入红霉素可以提高产量 25%以上，加入表面活性剂可以增加产量30%以上。
2、抑制剂：一些对生产菌代谢途径有某种调节能力的物质。 抑制某些代谢途径的进行(jìnxíng)，同时刺激另 一个代谢途径，之
化学反应中占有极为重要的地位。 （4） 水的比热高，能有效地吸收代谢过程中所放出的热，
使细胞内温度不致骤然上升。 （5） 水是热的良导体，有利于放热，可调节细胞的温度。
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本章主 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择(xuǎnzé)及工业
培养基是指利用人工方法配制的供微生物、植物 和动物细胞生长繁殖或积累(jīlěi)代谢产物的各种营养 物质的混合物。主要用于微生物等的分离、培养、鉴 定以及菌种保藏等方面。工业发酵培养基除了包含微 生物生长繁殖所必须的碳源、氮源、能源、无机盐、 生长因子和水等营养成分，有的还含有某些前体、产 物促进剂和抑制剂等。
发酵中 重要营养基质的配制方法
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第二节 工业发酵中营养(yíngyǎng)基质的种类
一、 天然、合成、半合成培养基 1、天然培养基（undefined medium）：是采用化学成分还不清楚或化学成
分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质 (例 如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨、玉米浆、各种淀粉水解液、糖蜜等) 制成的。 优点：取材方便、营养丰富、价格低廉、适用范围广； 缺点：原料质量不稳定，不利于发酵控制。 2、合成培养基（defined medium）：是用化学成分和数量完全了解的物质 配制而成的，成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素(yīn sù)。 适用于在实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、 遗传分析等定量研究工作。 缺点：营养单一，价格高，适用范围较窄。 3、半合成培养基（semi-defined medium）：既有天然有机物作碳源、氮源 和生长因子的来源，又含有一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能充 分满足微生物对营养的需要。
一改变代谢途径，如：酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类，可 以促 进酒精发酵转入甘油发酵。 淘汰杂菌的抑制剂，如：真菌发酵中加入抗生素； 带抗生素抗性的 工程菌发酵中加入该抗生素， 淘汰非重组细胞或突变细胞。
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八、水
（1） 水是良好的溶剂，菌体所需要的营养物质都是溶解于 水中被吸收的。
（2） 渗透(shèntòu)、分泌、排泄等作用都是以水为媒介的； （3） 水直接参与代谢作用中的许多反应。所以，水在生物
酯类：如植物油，动物油等脂类，具备较活跃的脂肪酶的微生物可利 用脂类为碳源，但是耗氧量会增加，因此要提供更多的氧。
有机酸：有机酸或他们的盐类或醇类能做为碳源。pH会有变化。
烃类：碳酸气、石油、正构石蜡、天然气、甲醇、乙醇等石油化工产
淀
品，也是许多微生物碳源。如：嗜甲烷棒状杆菌利用甲醇为碳源 产生单细胞蛋白；乳糖发酵短杆菌，以乙醇为碳源生产谷氨酸。
大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。因此，在微生物 工业生产上和试验研究中被广泛使用。
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二、固体(gùtǐ)、液体、半固体(gùtǐ)培养基
• 液体培养基（liquid medium）：常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本 理论研究工作。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。根据微生物对氧 的要求情况，分别作根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风搅拌培 养。在菌种筛选工作和菌种扩大培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培 养。
蓝白筛选平板
多种肠道菌群用EMB培养基来鉴别
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四、发酵(fā jiào)生产的培养基—种子、孢子、发酵(fā jiào) 培养基
• 孢子培养基：供菌种繁殖孢子，常采用固体培养基，目的是在使发酵菌种 不发生变异的前体下尽可能多的产生孢子。基本要求是在营养基本保证、 理化条件适宜的前提下，营养不要太丰富（特别是有机氮源），否则不易 产孢子。生产商常用的：麸皮培养基、小米培养基、大米培养基、玉米培 养基等。
抗生素发酵。 • 尿素（脲） ：抗生素和氨基酸发酵，尤其(yóuqí)是谷氨酸的
生产。能分泌脲酶的微生物才能利用。氮含量高达50%，但 是营养成分单一。 • 蛋白胨（动物组织和植物水解制备）：实验室用有机氮源
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鱼粉 酒糟
四、无机盐及微量元素
功能：构成菌体的成分；酶的组成部分或其激活剂、抑制 剂；调节渗透压、菌体内部pH以及氧化还原电位等等。 大量元素（0.1～1mM），包括P、S、K、Mg 、Ca、Na、 Fe，常常以盐的形式加入培养基。如：磷酸盐，钾盐，镁 盐，钙盐等。
• 生理酸性氮源和生理碱性氮源常被用来做发酵过程中培养基 pH调节的一种有效手段。
• 2. 有机氮源 • 主要成分复杂的工农业下脚料，包括豆粉、玉米粉、豆饼、
鱼粉、蚕蛹粉、酿酒工业的酒糟等。 米粉、豆饼、鱼粉、蚕 蛹粉、酿酒工业的酒糟等。
• • 玉米浆：一般含10%左右的乳酸，pH值在4左右，一般用于
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六、前体物质(wùzhì)
前体物质指添加到培养基中的物质，并不促进微生物生长，而是直接 经微生物的生物合成过程结合到产物分子上去，其自身结构基本不 变，而产物产量却因此提高。
可看作是一种底物(dǐ wù)。 过量则对菌体有毒！方式：流加。 例子：最早在青霉素发酵中发现前体物质。发现添加玉米浆可提高青
• 固体培养基（solid medium）：是在
•
液体培养基中加入凝固剂配成的，最
• 常用的凝固剂是琼脂。
• 分类：斜面试管、平板等。
• 功能：在菌种的分离、保藏(bǎocáng)、
• 菌落特征的观察、活菌计数
• 和鉴定菌种方面是不可缺少。
• 半固体培养基（semi-solid medium）：
• 0.5%琼脂。主要用于实验室的微生物运动
粉
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三、氮源
•
功能：氮源物质构成菌体细胞结构物质（氨基酸、蛋白质、
核酸）；为微生物提供能源；合成含氮的代谢产物。
•
常用的氮源分为两类：无机氮源和有机氮源。
• 1. 无机氮源
• 主要包括氨水、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等。其被利用速度 及吸收速度均快于有机氮源，也被称为速效氮源。一般情况 下作为辅佐氮源。
微量元素（0.01 ～ 1mM），包括Cu、Zn、Mn、Mo和Co等， Co是发酵微生物 B12 的激活剂。
K,Na,Ca等离子虽然不是(bù shi)细胞的组成成分，但是与维 持细胞的一定渗透压和细胞精品透资料 性相关，并且是许多酶得得
五、生长因子
功能：生长因子为微生物必不可少的物质，一般为小分子有 机物，需求量很小。 包括：维生素、碱基等。维生素中需求量最大的为B族维生素， 多为生化代谢中的辅酶。 一般不需要单独添加。天然原料（玉米浆、糖蜜、豆饼水）及 实验室培养基（酵母膏）等都已经含有。 应用实例：生物素——合成(héchéng)生物质膜的重要辅酶， 不足会造成细胞膜不完整，细胞内容物的渗漏。添加亚适量 （5mg/L），可即使菌体生长少受抑制也可以使过多的谷氨 酸因外泄而源源不断地合成(héchéng)。
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一、能源(néngyuán)
功能：微生物生长、繁殖、合成、分解、 运动、热的产生等，即微生物的一切行 为都需要消耗能源。 光能------光能自养菌的能源。如：小球藻、 螺旋藻利用光能生产单细胞蛋白；嗜盐 藻利用光能生产甘油、β-胡罗卜素和单 细胞蛋白等。 氢、硫、氨、亚硝酸盐、亚铁盐------化能 自养微生物的能源。如：细菌炼铜所使 用的氧化亚铁硫杆菌，将亚铁盐作为能 源。 碳水化合物等有机物，石油天然气和石油 化工产品(chǎnpǐn)------异养微生物能 源，同时也是碳源物质。
快适应发酵培养基，缩短周期。
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• 发酵培养基：供菌种生长繁殖和合成发酵产物的培养基。
•
是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，
而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。
• （1）根据产物合成的特点来设计培养基。
•
对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分满足细胞生长
繁殖的培养基就能获得最大的产物。
• 种子培养基：供孢子发芽生长出大量的菌丝体，或不产生孢子放入菌种繁 殖出大量的细胞，并具有较高的活力和纯度的培养基。
• 特点： • 1. 必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要充足的氮源和生长因子； • 2.供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些(yīxiē)易被吸收利用的
碳源和氮源； • 3.种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近，使种子尽
葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、糊精、淀粉等糖类物质，是细菌、放 线菌、霉菌、酵母利用的碳源。其中，葡萄糖是碳源中最容易利
糖 蜜
用的单糖，几乎所有微生物都能利用葡萄糖。（葡糖效应和中期
溶氧不足）
其他糖类：蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖也是常用的碳源。多糖如淀粉 和纤维素。淀粉还可以克服葡萄糖代谢过快的弊病，并且价格低 廉，来源丰富。蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖常用于抗生素、氨基 酸、酶类的发酵。