第四章 微生物的营养 - 长春理工大学精品课

第四章微生物的营养）（Microbial Nutrition Microbial Nutrition）营养物质是微生物生存的物质基础营养物质是微生物生存的物质基础，，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。

营养物质(nutrient):能够满足机体生长能够满足机体生长、、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质.营养(nutrition):微生物获得和利用营养物质的过程微生物获得和利用营养物质的过程。

(Nutrient requirements of microorganisms)目前在微生物工业发酵中所利用的碳源物质主要是单糖、淀粉淀粉、、麸皮麸皮、、米糠等米糠等。

对于为数众多的化能异养微生物来说对于为数众多的化能异养微生物来说，，碳源是兼有能源功能营养物能源功能营养物。

微生物利用的碳源物质主要有糖类微生物利用的碳源物质主要有糖类、、有机酸有机酸、、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等及碳酸盐等。

凡是能被用来构成菌体物质中或代谢产物中氮素来源氨基酸自养型生物氨基酸自养型生物：：能利用尿素能利用尿素、、铵盐铵盐、、硝酸盐甚至氮气的生物氨基酸异养型生物氨基酸异养型生物：：不能利用尿素不能利用尿素、、铵盐铵盐、、硝酸盐甚至氮气的生物常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨常用的蛋白质类氮源包括蛋白胨、、鱼粉鱼粉、、蚕蛹蚕蛹、、黄豆饼粉、玉米浆玉米浆、、牛肉浸膏牛肉浸膏、、酵母浸膏等按氮源的不同生物可分为按氮源的不同生物可分为：：4.生长因子(growth factor)growth factor ：那些微生物生长所必需而且需要量很小很小，，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物微生物生长因子需要量需要量（（ml -1III 型肺炎链球菌型肺炎链球菌（（Streptococcus pneumoniae ）胆碱6ug 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌（（Staphylococcus aureus ）硫胺素0.5ng 白喉棒杆菌白喉棒杆菌（（Cornebacterium diphtherriae ）B-丙氨酸 1.5ug 破伤风梭状芽孢杆菌破伤风梭状芽孢杆菌（（Clostridium tetani ）尿嘧啶0-4ug 肠膜状串珠菌肠膜状串珠菌（（Leuconostoc mesenteroides ）吡哆醛0.025ug生长因子:分三类分三类：：维生素维生素、、氨基酸氨基酸、、嘌呤与嘧啶5.无机盐无机盐（（inorganic salt ）作用｛作为酶活性中心的组成部分作为酶活性中心的组成部分；；维持细胞大分子和细胞结构的稳定性；调节并维持细胞的渗透压平衡控制细胞的氧化还原电位控制细胞的氧化还原电位；；作为某些微生物生长的能源物质作为某些微生物生长的能源物质。

微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素这些元素的需要量极其微小的元素，，通常需要量在10-6--10-8mol/L ：锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等硼等。

根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成大量元素大量元素：：Na 、K 、Mg 、Ca 、S 、P 等。

6.水生理功能主要有①起到溶剂与运输介质的作用起到溶剂与运输介质的作用；；②参与细胞内一系列化学反应参与细胞内一系列化学反应；；③维持蛋白质维持蛋白质、、核酸等生物大分子稳定的天然构象核酸等生物大分子稳定的天然构象；；⑤通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构④热的良好导体热的良好导体；；⑥维持细胞正常形态维持细胞正常形态。

水的活度值(water activity ，a w )水的活度值(water activity)是指在一定的温度和压力条件下的温度和压力条件下，，溶液的蒸气压力与同样条件下纯水蒸气压力之比与同样条件下纯水蒸气压力之比。

a w = P w / P 0w纯水a w =1：为主要唯一或主要碳源为主要唯一或主要碳源；；；为主要或唯一的碳源；生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；；生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；；；4.2 培养基 (culture medium)培养基是人工配制的， 培养基是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代 谢产物的营养基质。

谢产物的营养基质。

培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础 任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素： 任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、 碳源、氮源、 氮源、无机盐、 无机盐、能源、 能源、生长因子、 生长因子、水 任何培养基一旦配成， 任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理； 必须立即进行灭菌处理； 常规高压蒸汽灭菌： 常规高压蒸汽灭菌： 1.05kg/cm2,121.3℃15-30分钟； 分钟；0.56kg/cm2,112.6℃15-30分钟一、配制培养基的原则 （The rule of preparation for CM）选择适宜的营养物质（ 选择适宜的营养物质（ suitable nutrient） 营养物质浓度及配比合适suitable concentration and ratio 控制pH条件（ 条件（pH） 控制氧化还原电位（ 控制氧化还原电位（redox potential） 原料来源的选择（ 原料来源的选择（The source of raw material） 灭菌处理（ 灭菌处理（sterilization）1.选择适宜的营养物质（suitable nutrient） 根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养 基。

培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为： 培养化能自养型的氧化硫杆菌的培养基组成为： S 10g MgSO4.7H2O 0.5g （NH4)2SO4 0.4g 0.01g H2PO4 4g CaCl2 0.25g H2O 1000mlFeSO4培养化能异养的大肠杆菌一种培养基是由下列化学成分组成 ： 葡萄糖 5g NH4H2PO4 1g NaCl 5g MgSO4.7H2O H2O 1000ml 0.2g K2HPO4 1g常见的培养四大类微生物的培养基细菌（ 细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g 1000ml NaCl 5g H2O放线菌（ 放线菌（高氏1 高氏1号） 淀粉 20g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 20 g K2HPO4 0.5g 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml 酵母菌( 酵母菌(麦芽汁培养基) 麦芽汁培养基) 干麦芽粉加四倍水， 干麦芽粉加四倍水 ， 在 50℃ 50℃-60℃ 60℃保温糖化3 保温糖化 3-4小时， 小时， 用碘液 试验检查至糖化完全为止， 试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10 调整糖液浓度为10巴林 10巴林， 巴林 ，煮沸后 ，纱布过滤， 纱布过滤，调pH为 pH为6.0。

6.0。

霉菌（ 霉菌（查氏合成培养基） 查氏合成培养基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30 30g g 0.5g MgSO4.7H2O H2O 1000ml2. 营养物质浓度及配比合适suitable concentration and ratio培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好， 培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物 质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需， 质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能 对微生物生长起抑制作用。

对微生物生长起抑制作用。

培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物 的生长繁殖和代谢产物的形成和积累， 的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（ 其中碳氮比（C/N）的 影响较大。

影响较大。

碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值， 碳氮比指培养基中碳元素与氮元素的物质的量比值，有时也 指培养基中还原糖与粗蛋白之比。

指培养基中还原糖与粗蛋白之比。

例如， 例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中， 在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培 养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖， 菌体量繁殖，谷氨酸积累少； 谷氨酸积累少； 当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制， 菌体繁殖受到抑制，谷氨 酸产量则大量增加。

酸产量则大量增加。

3. 控制 pH条件（pH） 培养基的pH必须控制在一定的范围内， 必须控制在一定的范围内，以满足不同类型 微生物的生长繁殖或产生代谢产物。

微生物的生长繁殖或产生代谢产物。

通常培养条件： 通常培养条件： 细菌与放线菌： 细菌与放线菌：pH7~7.5 酵母菌和霉菌： 酵母菌和霉菌：pH4.5~6范围内生长 为了维持培养基pH的相对恒定， 的相对恒定，通常在培养基中加入 pH缓冲剂， 缓冲剂，或在进行工业发酵时补加酸、 或在进行工业发酵时补加酸、碱。

4.控制氧化还原电位 控制氧化还原电位（ 氧化还原电位（redox potential）氧化还原电位又称氧化还原电势（ 氧化还原电位又称氧化还原电势（redox potential），是度量 ），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， 的一种指标，其单位是V（伏）或mV（毫伏）。

毫伏）。

不同类型微生物生长对氧化还原电位的要求不同好氧性微生物： 好氧性微生物：+0.1伏以上时可正常生长 +0.1伏以上时可正常生长, 伏以上时可正常生长,以+0.3～ +0.3～+0.4伏为宜 +0.4伏为宜； 伏为宜； 厌氧性微生物： 厌氧性微生物：低于+0.1 低于+0.1伏条件下生长 +0.1伏条件下生长； 伏条件下生长； 兼性厌氧微生物： 兼性厌氧微生物：+0.1伏以上时进行好氧呼吸 +0.1伏以上时进行好氧呼吸, 伏以上时进行好氧呼吸, +0.1伏以下时进行发酵 +0.1伏以下时进行发酵。

伏以下时进行发酵。

5.原料来源的选择（The source of raw material ）以粗代精以野代家以废代好以国代进以简代繁以氮代朊以烃代粮以纤代糖4.3 营养物质进入细胞的方式(Uptake of nutrients by the cell)营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素营养物质能否进入细胞取决于三个方面的因素：：①营养物质本身的性质（相对分子质量相对分子质量、、溶解性溶解性、、电负性负性、、极性等极性等））②微生物所处的环境（温度温度、、PH PH等等）③微生物细胞的透过屏障（原生质膜原生质膜、、细胞壁细胞壁、、荚膜、黏液层等黏液层等））Simple Diffusion, Step 1Simple Diffusion, Step 2基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞。