第三章 发酵工业原料及其处理

碳素化合物
氮素化合物
水
微量元素(无机盐类)
生长因子
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1、碳素化合物营养源对微生物生长发育的影响
（1）碳素化合物的作用
构成菌体成分的重要元素； 产生各种代谢产物和细胞内贮藏物质的主要原料； 化能异养型微生物的能量来源。
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（2）碳源种类
糖：
有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，因为有些金属离子 是中间代谢酶的抑制剂或激活剂。
柠檬酸发酵中铁、锰和锌离子都能明显影响产量，钙 离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用；
钴离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的，这些在培养 基配制时都必须予以注意。
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三、培养基组成物质的营养与作用
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3、按用途
增殖培养基：可以配制成适合某种微生物生长而不适合其他微 生物生长，从而达到从自然界分离这种微生物的目的。
鉴别培养基：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：是在培养基内加入某种化学物质以抑制不需要菌 的生长，而促进某种需要菌的生长。
• 在发酵中添加前体物质将有利于产物的合成和显著提高产量，如 苯乙酸及其衍生物被认为是青霉素的前体物质。
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（2）添加诱导物：
目前工业用微生物酶多数为诱导酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤 维素酶等。
诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。
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（3）注意阻遏物或抑制剂的影响
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（2）合成培养基
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。
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。
但一般微生物在合成培养基上生长较慢，有些微生物营养要 求复杂，在合成培养基上不能生长。
特点：
富含有机氮源，少含或不含糖分。有机氮有利于菌体的生长繁殖，能获得更多的细 胞。
对于放线菌或霉菌的产孢子培养基，则氮源和碳源均不宜太丰富，否则容 易长菌丝而较少形成孢子。
斜面培养基中宜加少量无机盐类，供给必要的生长因子和微量元素。
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2、种子培养基（包括摇瓶种子和小罐种子培养基）
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微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶．将周围 环境中大分子的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小 分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子 营养来实现的。
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所有发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的能源，
包括碳源、氮源、无机元素、生长因子及水等。对于大规模发
正烷烃：一般是指从石油裂得到的14C至18C的直链烷烃混合
物。
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某一菌种对碳水化合物的利用
反应 化合物
甘油 ＋
化合物 赤藓糖
反应 －
核糖 ＋
阿东醇
－
果糖 ＋
半乳糖
＋
肌醇 －
葡萄糖
＋
柳醇 ＋
甘露糖
＋
乳糖 ＋
山梨糖
－
蔗糖 ＋
鼠李糖
＋
菊糖 －
卫茅醇
－
淀粉 －
甘露醇
＋
糖原 －
山梨醇
选择性培养基
鉴别培养基 富集培养基等
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1、按培养基组成物质的化学成分
（1）天然培养基
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、蛋白胨等)制成的。
适合于各类异养微生物生长，而一般自养微生物都不能生 长。
影响。
（2）目标氮源浓度的确定：选取氮源种类效果好的两种 碳源进行不同浓度研究。
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3、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、分泌、排泄等作用都以水为媒介；
（3） 水直接参与代谢作用中的许多反应。所以，水在生物化学反
应中占有极为重要的地位。
－
－
β－甲基－D－木糖甙
－
＋
α－甲基－D-甘露糖甙
－
－
α－甲基－D-葡萄糖甙
－
＋
N-乙酰－葡糖胺
－
－
2－酮基－葡萄糖酸盐
＋
－
5－酮基－葡萄糖酸盐
－
对照
－
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糖蜜：是制糖厂生产糖时的结晶母液，是蔗糖厂的副产物。含有较丰 富的糖、氨素化合物、无机盐、维生素等，是微生物工业的价廉物美 的原料。
培养种子的目的：
扩大培养，增加细胞数量；
同时也必须培养出强壮、健康、活性高的细胞。为了使细胞迅速进行 分裂或菌丝快速生长。
种子培养基特点： 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。
种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。供孢子发芽生长用的种子培 养基，可添加一些易被吸收利用的碳源和氮源。
碳源的确定： （1）种类的确定：在基础培养基中将碳源换成质量百分比
相同的（1-2％）的不同碳源，比较对目标产物的影响。 （2）目标碳源浓度的确定：选取碳源种类效果好的两种碳源进
行不同浓度研究。
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2、氮素化合物
氮是构成微生物细胞蛋白质和核酸的主要元素，而蛋白质和 核酸是微生物原生质的主要组成部分。
2、按物理性质
（1）液体培养基：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。
在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶 培养
微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴定菌种的参考。
发酵培养
生理代谢
菌种筛选
种子培养
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（3）半合成培养基
多数培养基配制是采用一部分天然有机物作碳源、氮源和 生长因子的来源，再适当加入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。
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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有机氮源特点：
含有丰富的蛋白质、多肽和游离的氨基酸 还含有少量的糖类、脂肪、无机盐、维生素及生长因子。 玉米浆：是玉米淀粉生产中的副产物，其中固体物含量在50％。
还含有有机酸、还原糖、磷、微量元素、生长素。 由于玉米浆的来源不同，加工条件也不同，因此玉米浆的成分有
较大波动。
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（2）固体培养基
分类：斜面试管、平板等
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。
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作用： 固体培养基在菌种的分离、保藏、菌落特征的观察、活 菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。 在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养霉菌等的 固体种子和发酵培养基是由麸皮等农作物加无机元素等 制成。
有机酸：柠檬酸、反丁烯二酸、琥珀酸、苹果酸、丙酮酸、酒石酸等。
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醇类：甘露醇、甘油、低浓度的乙醇。
脂肪酸：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等低级脂肪酸都可用作碳 源。油酸和亚油酸等高级脂肪酸可被不少放线菌和真菌作为 碳源和能源利用，低浓度的高级脂肪酸可刺激细菌生长，但 浓度较高时往往有毒害作用。
（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。
非 水 相
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4、微量元素(无机盐类)
无机盐类是微生物生命活动所不可缺少的物质。主要功用是： ①构成菌体成分；
酵生产，除考虑上述微生物的需要外，还必须重视培养基原料的价
格和来源。
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二、培养基的用途
筛选菌种 保藏菌种
检验杂菌 培养种子 发酵生产
ห้องสมุดไป่ตู้
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（一）培养基的分类
1、按培养基组成物质的化学成分
合成培养基
天然培养基。
2、按物理性质
固体 液体
3、按用途
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（二）发酵生产中的培养基类型
工业发酵中培养基往往是依据生产流程和作用分为：
斜面培养基 种子培养基
发酵培养基
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1、斜面培养基
作用：供微生物细胞生长繁殖，包括细菌、酵母等的斜面培养基以及霉菌、 放线菌生孢子培养基或麸曲培养基等。 这类培养基主要作用是供给细胞生长繁殖所需的各类营养物质。
种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近。
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3、发酵培养基
发酵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。
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发酵培养基的设计和注意事项
（1）提供必要的营养成分：培养基成分必须满足细胞生长，代谢 活动和合成产物所需的基本要求。
所需。
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4、注意代谢调节物的影响：
有些物质存在于培养基中往往能明显地促进或抑制发酵 产物的形成。
前体物质 诱导剂 阻遏物
抑制剂
金属离子
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（1）添加有关前体物质：
• 前体物质：是指当添加到发酵培养基中的某些化学物质基本 上不改变其分子结构而直接进入产物中的小分子物质，从而 在一定条件下控制产物的合成方向和提高产量。
淀粉：一般要经菌体产生的胞外酶水解成单糖后再被吸收利 用。可克服葡萄代谢过快的弊病。来源丰富，价格比较低廉。 常用的为玉米淀粉、小麦淀粉和甘薯淀。
油和脂肪：在微生物分泌的脂肪酶作用下水解为甘油和脂肪酸， 在溶解氧的参与下，氧化成水和CO2。因此用脂肪作碳源时需比糖代
谢供给更多的氧。
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第三章 发酵工业原料及 其处理
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第一节 培养基的选择和确定
一、培养基的营养成分
二、培养基的用途
三、发酵培养基的选择 四、培养基成分的营养与作用 五、培养基确定方法 六、正交试验在培养基确定中的应用
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一、培养基的营养成分
培养基：人工配制的供微生物生长、繁殖、代谢和合成人们所需 产物的营养物质和原料，同时，培养基也为微生物提供除营养外 的其它生长所必须的环境条件。
（2）配制合适的浓度：可以从发酵动力学有关生长、产物合 成和基质利用物料平衡的关系中大致推算所需原料或大致计 算出所需主要原料的需要量。
（3）主成分与其他成分的配比。 （4）控制合适的pH：微生物的生长繁殖或产物的合成往往需要—
定的pH环境，在最适pH值下有利于加快各种酶的反应。因此在
整个发酵过程中应使培养基的pH适合于微生物生长或产物合成
氮素一般不提供能量，但硝化细菌却能利用氨作为氮源和 能源。
就某一类微生物而言，由于其合成能力的差异，对氮营养 的需要也有很大区别。
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（1）氮的来源：
有机氮源：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、 蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟等。
它们在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸，被菌体进一步分解 代谢。
培养基中存在反馈阻遏物或分解阻遏物均能影响酶的合成， 降低发酵产量。
有些酶的抑制剂却能提高某些代谢产物的产量。
在培养基配制时必须注意加入有益的抑制剂，而避免混入有害的抑 制物。
例：酒精酵母可添加亚硫酸钠固定乙醛，阻止其还原成酒 精，使代谢往甘油合成的方向发展。
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5、金属离子的影响：
单糖中的葡萄糖：最易利用的糖，并且作为加速微生物生长的一
种有效的糖。过多的葡萄糖会过分加速菌体的呼吸，以致培养基 中的溶解氧不能满足需要。造成有机酸不能及时氧化，造成培养
基pH下降。
寡糖中的蔗糖、麦芽糖、棉子糖
多糖中的淀粉、纤维素、半纤维素、甲壳质和果胶质等。
其中淀粉是大多数微生物都能利用的碳源。
＋
化合物 熊果甙 七叶灵 麦芽糖 蜜二糖 海藻糖 松三糖 棉子糖 木糖醇 D-木糖 L-木糖
反应
化合物
＋ 苦杏仁甙
＋ 纤维二糖
＋ 拢牛儿糖
－ D－岩糖
＋ L－岩糖
＋－ D－松二糖
－ D－来苏糖
－ D－塔格糖
＋ 葡萄糖酸盐
－ D－阿拉伯糖
反应
化合物
反应
＋
＋
L-阿拉伯糖
＋
＋
D－阿拉伯糖醇
＋
－
L－阿拉伯糖醇
无机氮源：铵盐、硝酸盐、氨水等。 微生物对其吸收利用比有机物快，所以也称速效氮。 利用无机氮时应注意引起的pH变化。 实验室中常用蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等作为有机氮源；
工业生产上常用硫酸铵、尿素、氨水、豆饼粉、花生 饼粉、麸皮等原料作氮源。
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（2）氮源的确定
（1）种类的确定：在基础培养基中将氮源换成含氮素百 分比相同的（0.1-0.5％）的不同氮源，比较对目标产物的