第三章 发酵培养基

第三章发酵培养基

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。

作用：促进产物的形成、满足菌体的生长

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。

培养基的类型及功能

一、按组成物质的纯度

合成培养基: 所用的原料其化学成分明确、稳定

◆适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化等科研工作；

◆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，其成分不那么“纯”

◆发酵培养基普遍使用天然培养基；

◆原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适合于工业化生产；

◆由于其成分复杂，不易重复，如果对原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性。

二、按状态

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:琼脂用量为0.5%～0.8% ，主要用于微生物的鉴定。

液体培养基:发酵工业大规模使用的培养基。

三、按用途（从发酵生产应用考虑）

孢子（斜面）培养基:菌体迅速生长，产较多优质孢子，不易引起菌种变异。要求：营养不太丰富、无机盐浓度适量、合适pH和湿度。常用：麸皮培养基、小米、大米、玉米碎屑、琼脂斜面培养基。

种子培养基：孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体。要求：营养丰富完全、最后一级接近发酵培养基。

发酵培养基：供菌体生长、繁殖和合成产物。

发酵培养基的成分及来源

碳源

1、作用

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；提供合成目的产物所必须的碳成分。

2、来源

糖类、油脂、有机酸、正烷烃

分解代谢物阻遏指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。（葡萄糖效应）

淀粉作为碳源微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类，经水解成单糖后再被吸收利用。常用的淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉和甘薯淀粉。

氮源

氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。

无机氮源：铵盐、硝酸盐和氨水微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利用的氮源(速效氮源）。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化。

无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸铵；若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。

所以选择合适的无机氮源有两层意义：

满足菌体生长稳定和调节发酵过程中的pH

有机氮源：来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价原料，花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。

氮源使用的一些相关问题：有机氮源和无机氮源应当混合使用，有些产物会受氮源的诱导和阻遏，有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力。

无机盐和微量元素

P、Mg、S、Fe、K、Na、Pb、Cl、Zn、Co、Mn等无机盐和微量元素，作为酶的激活剂、生理活性物质的组成或生理活性作用的调节剂。低浓度时对细胞生长和产物的合成有促进作用，高浓度时表现显著抑制作用。

生长因子、前体和产物促进剂

从广义上讲，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。有机氮源是这些生长因子的重要来源。

前体

前体指某些化合物加入到发酵培养基中后，能直接使微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，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和组份。用法：前体使用时普遍采用流加的方法，前体一般都有毒性，价格较高！

水

发酵培养基的设计和优化

培养基成分和浓度的确定最终都是通过实验获得。一般首先通过单因素实验确定培养基的各成分；再通过多因素实验确定各成分对培养基的影响大小及其适宜的浓度。

多因素实验：正交实验设计，均匀设计、响应面分析等。

培养基设计的步骤：

①根据前人的经验和培养基成分，初步确定可能的培养基成分；

②通过单因素实验最终确定出最为适宜的培养基成分；

③当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。

例：类胡萝卜素高产菌Y11的培养基的优化

初步确定可能的培养基成分(以碳源为例)

通过单因素实验确定适宜的培养基成分及浓度(以碳源为例) 正交实验优化培养基配方

第一步：确定因素水平表

第二步：选用合适的正交表，确定正交表头，并安排实验第三步：根据正交表给出的方案，进行实验

第四步：对实验结果进行分析、验证