第四章_发酵工业培养基及原料处理

本章主要内容
• • • • 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 重要营养基质的配制方法
第一节 发酵营养基质的选择
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。 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予以重视。
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第三节 培养基的选择和优化
一、培养基的选择
（1）首先必须做好调查研究工作，了解菌种的来源、生活习惯、生理 生化特性和一般的营养要求（见表 四大类微生物的典型培养基）。 工业生产主要应用细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。 它们对营养的要求既有共性，也有各自的特性，应根据不同类型微 生物的生理特性考虑培养基的组成。
糖 蜜
⃰ 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。
一、能源
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------异养微生物能源， 同时也是碳源物质。
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、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 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。
（2）其次，对生产菌种的培养条件，生物合成的代谢途径，代谢产物 的化学性质、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有 所了解，以便在选择培养基时做到心中有数。
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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、 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
观察（穿刺培养），某些厌氧菌的保藏工作。
三、鉴别和选择性培养基
• 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，或同时还会加入 一些特殊的抑制剂来抑制竞争菌 群。
酒糟
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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。 • 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等离子虽然不是细胞的组成成分，但是与维持细 胞的一定渗透压和细胞透性相关，并且是许多酶得得激活 剂。
淀 粉
ห้องสมุดไป่ตู้
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。 • 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 于抗生素发酵。 尿素（脲） ：抗生素和氨基酸发酵，尤其是谷氨酸的生 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 鱼粉
New Biofuel technology using sunlight and micro-organisms could change the industry
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。
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
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。 – 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。 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。
二、固体、液体、半固体培养基
• 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。 固体培养基（solid medium）：是在 液体培养基中加入凝固剂配成的，最
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。
蓝白筛选平板
多种肠道菌群用EMB培养基来鉴别
四、发酵生产的培养基—种子、孢子、发酵培养基
• 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。 • 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 快适应发酵培养基，缩短周期。
第四章 发酵工业培养基 及原料处理
• 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。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。
本章主要内容
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