发酵培养基

23


②有机氮源还能提供次级代谢产物的氮素来源， 影响微生物次级代谢产物的产量和组分。更为重 要的是还含有目的产物合成所需的诱导物、前体 等物质。 ③某些氨基酸不仅能作为氮源，而且是微生物药 物的前体物质，因此在培养基中直接加入这些氨 基酸可以提高代谢产物的产量。

因此，有机氮源是影响发酵水平的重要因素之 一。
14


(2) 油和脂肪




在培养基中糖类物质缺乏或微生物生长的某一阶段， 许多微生物可以利用脂类作为碳源和能源生长。许多 霉菌和放线菌都具有比较活跃的脂肪酶，在脂肪酶的 作用下，油或脂肪被水解为甘油和脂肪酸，在有氧时， 进一步氧化成CO2和H2O，并释放出大量的能量。 可用的油脂类有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、 棉籽油、玉米油、亚麻子油、橄榄油等。 当微生物利用脂肪作为碳源时，所消耗的氧量增加， 因此要供给比糖代谢更多的氧，不然大量的脂肪酸和 代谢中的有机酸会积累，从而引起pH的下降，并影响 微生物酶系统的作用。 在发酵过程中加入的油脂还兼有消泡的作用。

根据被微生物利用速度的不同，氮源也分为速效氮 源和迟效氮源。

无机氮源或以蛋白质降解产物形式存存的有机氮， 如玉米浆，可以直接被菌体吸收利用，这些氮源被 称为速效氮源。 黄豆饼粉和花生饼粉、酵母膏等，有机氮源中所含 的氮存在于蛋白质中，必须在微生物分泌的蛋白酶 作用下，水解成氨基酸和多肽以后，才能被菌体直 接利用，它们则被称为迟效氮源。
21
氮源的种类

无机氮源
工业上常用的有机氮源都是 一些廉价的原料或副产品。 有机氮源
氨基氮： NH4OH 合成产物：尿素 (NH4)2SO4 天然原料： 植物蛋白：黄豆饼粉、花生饼粉、 NH4NO3 棉籽饼粉、菜籽饼粉、 NH4 Cl 麦麸、 玉米浆、玉米麸质粉 硝态氮： NaNO3 动物蛋白：蛋白胨、鱼粉、 KNO3 蚕蛹粉、牛肉膏 微生物蛋白：酵母粉/浸膏、 废菌丝粉 其它：酒糟等


但葡萄糖过多会加速菌体的呼吸，在通气不足、 溶解氧不能满足需要的情况下，其代谢中间产物 如丙酮酸、乳酸、乙酸等不完全氧化而积累在菌 体或培养基中，会导致培养基的pH值下降，影响 某些酶的活性，从而抑制微生物的生长和产物的 合成。 葡萄糖还会引起葡萄糖效应，阻遏微生物利用其 他的糖。 由于葡萄糖等快速利用的糖对产物合成有调节作 用，应控制其浓度，一般是将其和缓慢利用的多 糖组成混合碳源，即有利于菌体生长又有利于产 物形成。
1. 2. 3. 4.
对微生物的生长、代谢、产物合成影响较大的物质 有哪些？如何影响？
5
第一节 培养基的成分及功能

培养基的成分包括：




碳源、 氮源、 硫源、 磷源、 无机盐和微量元素、 生长因子、 促进剂和抑制剂、 前体 消沫剂 水
6
菌，不像自养菌那样能够利用光、还 原态无机物或碳酸盐作为能源物质， 一. 碳源 只能利用有机碳水化合物作为能源。 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为 对于异养微生物，碳源又兼做能源， 微生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 称为双功能营养物。 主要功能 提供微生物生长繁殖所需的能源； 提供微生物合成菌体的碳成分； 提供合成目的产物的碳成分。 工业生产常用的碳源： 糖类、油脂、有机酸、醇和碳氢化合物等。 如碳源贫乏时，蛋白质水解物或氨基酸等也被作为 碳源使用。
13

多糖

糊精、淀粉及其水解液等多糖是仅次于葡萄糖的常 用碳源，尤其是淀粉克服葡萄糖代谢过快的弊病， 价格也比较低廉。 玉米淀粉及其水解液多用于抗生素、核苷酸、氨基 酸、酶制剂等发酵；小麦淀粉、燕麦淀粉和甘薯淀 粉等常在有机酸、醇等发酵中使用。 另淀粉有直链淀粉和支链淀粉之分，在培养基中用 量较大时，发酵液比较稠，一般>2.0%时要加入一 定的α-淀粉酶先行水解。它们必须水解成单糖后才 能被吸收利用。因此所用微生物必须能够分泌水解 淀粉、糊精的胞外酶。
28
2、无机氮源
铵盐((NH4)2SO4 、 (NH4)2Cl、 NH4NO3 )、 硝酸盐(NaNO3、KNO3 ) 氨水等。 特点有：① 成分简单，质量稳定； ② 易被菌体吸收利用；

20
速效和迟效氮源的作用


速效氮源通常有利于菌体的生长，但在微生物药物的 发酵生产中也会出现类似于葡萄糖效应的现象——“铵 阻遏”效应，即由于速效氮源(特别是铵)被微生物快 速吸收利用而使其中间代谢物阻遏了次级代谢产物的 合成，使次级代谢产物的产量大幅度下降。 迟效氮源一般有利于代谢产物的形成 因此，在抗生素发酵过程中，往往将速效氮源和迟效 氮源、有机氮源和无机氮源按一定比例配成混合氮源， 以控制菌体生长与目的代谢产物的形成，达到提高抗 生素产量的目的。 早期：加入易同化的氮源—无机氮源或速效氮源； 中期：菌体的代谢酶系已形成，则可利用迟效氮源。
22
1、有机氮源


有机氮源在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成 氨基酸被菌体吸收利用，或进一步分解，最终用 于合成菌体的细胞物质和含氮的目的产物。其主 要作用有： ①除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外， 还含有糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长 因子，因而微生物在含有机氮的培养基中表现出 生长旺盛、菌丝浓度增加迅速的特点。
16
(4) 烃和醇类




近年来随着石油工业的发展，烷烃(一般是从石油裂解 中得到的14～18碳的直链烷烃混合物，以及甲烷、乙 烷、丁烷等)用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和 酶制剂的工业发酵中。 甘油、甲醇、乙醇、山梨醇等也用于发酵碳源或生产 某些单细胞蛋白。其他碳源物质如碳酸气、石油、正 构石蜡、天然气等石油化工产品，也是许多微生物的 碳源。 例如，嗜甲烷棒状杆菌可以利用甲醇为碳源生产单细 胞蛋白，对甲醇的转化率可达47％以上。 乳糖发酵短杆菌以乙醇为碳源生产谷氨酸，对乙醇的 转化率为31％，产率达78 g／L。
17


裂烃棒杆菌的青霉素抗性突变株用十六烷作为碳源生 产谷氨酸，在发酵中加入一定浓度的青霉素，谷氨酸 产量达84 g／L。用正十四烷生产a-酮戊二酸的产率甚 至高于其他碳源。 某些以乙醇作为碳源的菌体得率比用葡萄糖作为碳源 还高。
乙醇 葡萄糖 醋酸 正烷烃(C18) 甲醇 甲烷 含碳量/% 52.2 40 0.50 40 0.43 85 1.40 37.5 0.67 75 0.88 菌体得率/ 0.83 (g细胞/g碳源)
第三章 工业发酵培养基
1
学习目标

了解工业发酵培养基配方设计的一般思路 理解影响发酵培养质量的因素 掌握工业发酵培养基的主要成分及作用 掌握工业发酵培养基的主要类型及特征
2

培养基的定义
培养基(medium)是人工配制的、供微生物生长繁殖和生物 合成各种代谢产物所需的多种营养物质的混合物。
12


双糖

工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和 麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品，也 源自文库以使用含有此二糖的糖蜜和乳清，麦芽糖多 用其糖浆。
糖蜜是制糖生产时的结晶后母液，是制糖工业 的副产物，主要含蔗糖(总糖含量可达50％～75 ％)、氮素、无机盐和维生素等营养物质，是微 生物发酵培养基价廉物美的碳源。常用在酵母 和丙酮、丁醇的生产中，在酒精生产中，糖蜜 代替甘薯粉，可以省去糖化工序，简化了生产 工艺。
27
鱼粉用一种或多种鱼类为原料， 去油、脱水、粉碎加工后的高蛋 白质饲料


鱼粉是一种优质的蛋白质原料，约含60％左右 的粗蛋白，还含有游离氨基酸、脂肪、氯化钠 和微量元素等成分。 尿素因其成分单一，所以不具有其他有机氮源 的特点。但在青霉素和谷氨酸等生产中仍常被 采用。在谷氨酸生产中，尿素可以使a-酮戊二 酸还原并氨基化，提高谷氨酸的产量。
18
二. 氮源


氮源是指构成微生物细胞物质和代谢产物的氮素 的来源。 其主要功能是： 构成微生物细胞结构物质，如氨基酸、蛋白质、 核酸等； 合成含氮代谢产物； 作为酶的组成分或维持酶的活性； 调节渗透压、PH值、氧化还原电位等； 当培养基中碳源不足时，可作为补充碳源。
19
氮源分类
10
葡萄糖效应

“葡萄糖效应”是研究大肠杆菌利用各种不同混合碳源 的时发现的碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培养 于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体出现两次生长 旺盛期。
11
葡萄糖效应

这是大肠杆菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖，在 葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开始利用乳糖 再生长繁殖。后来的酶学试验证实，当葡萄糖存 在时，细菌不利用其他糖。在上述培养基中即使 加入乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的 酶系也不能合成。 葡萄糖效应是由葡萄糖的某种分解代谢物引起的， 这种代谢物阻遏了细菌能够利用其他糖的酶的生 成。 后来在许多微生物学的试验中发现，碳分解产物 的阻抑作用普遍存在于微生物的生化代谢中。

培养基的选择原则
产生菌的生理生化特性、发酵设备和工艺条件、培养目的
3

主要内容
第一节 培养基的成分及功能 第二节 培养基类型和配方设计 第三节 影响培养基质量的因素

4
第一节 培养基的成分及功能

问题：
培养基的成分包括哪些类别？每类的功能是什么？ 每类成分中常用的物质是什么？ 对培养基的性状影响较大的物质有哪些？如何影响？
8
单糖

葡萄糖是工业发酵中最常用的单糖，它是由淀 粉加工制备的，有固体粉状和葡萄糖糖浆两种 产品形式。 葡萄糖是碳源中最容易利用的单糖，所以常作 为培养基的主要成分，并且也作为促进细胞快 速生长的一种有效的糖类物质。 它被广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、多糖、 甾体转化等发酵产品的生产中。


9

24
有机氮源

有机氮源都来自天然产物，受产地不同、加工方 法不同，其质量不稳定，常引发发酵水平波动， 因此，选择有机氮源时，要注意品种、产地、加 工方法、贮藏条件对发酵的影响，注意它们与菌 体生长和代谢产物合成的相关性。
工业上常用的有机氮源及含氮量(质量分数/%) 氮源 含氮量 氮源 含氮量
大麦
甜菜糖蜜 甘蔗糖蜜
15
(3) 有机酸及其盐类




一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其 盐类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐 也能作为微生物的碳源。 有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁 殖和代谢产物的合成。 在利用有机酸时，发酵液的pH会随着有机酸氧化而上 升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产 生，使pH进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和 控制增加困难。 醋酸盐做为碳源被氧化时，反应如下： CH3COONa + 2O2 2CO2 + H2O + NaOH
7
工业生产所用微生物绝大多数是异养 第一节 培养基的成分及功能
第一节 培养基的成分及功能
(1) 糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。
纯糖 天然原料
碳源物质的易利用顺序： (单)葡萄糖→ (双)蔗糖、麦芽糖、乳糖→ (多)糊精→淀粉
单糖：葡萄糖、 木糖 糖 蜜 类：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜 双糖：蔗糖、麦芽糖、 糖 类：麦芽汁 乳糖 淀粉质类：山芋粉、马铃薯粉、 多糖：淀粉、糊精 玉米粉、燕麦粉、 及其水解液 木薯粉 其 它：纤维素水解液、乳清、 速效碳源 迟效碳源
1.5～2.0
1.5～2.0 1.5～2.0
花生粉
燕麦粉 大豆粉
8.0
1.5～2.0 8.0
玉米浆
4.5
乳清粉
4.5
25
常用的有机氮源

黄豆饼粉是发酵工业中最常用的有机氮源。但是， 黄豆的产地和加工方法不同，营养物质种类、水 分和含油量也随之不同，对菌体的生长和代谢有 很大影响。

玉米浆是玉米淀粉生产中的副产品，为黄褐色 的浓稠不透明的絮状悬浮物，是一种很容易被 微生物利用的氮源。含有丰富的氨基酸(丙氨酸、 赖氨酸、谷氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸)，还含有 还原糖、有机酸、磷、微量元素和生长因子。
26


蛋白胨是由动物组织或植物蛋白质经酶或酸水解 而获得的由胨、肽、氨基酸组成的水溶性混合物， 经真空干燥或喷雾十燥后制得的产品。 酵母粉一般是啤酒酵母或面包酵母的菌体粉碎物； 酵母膏是以酵母为原料，经酶解、脱色脱臭、分 离和低温浓缩(喷雾干燥)而制成的。酵母粉和酵母 膏都含有蛋白质、多肽、氨基酸、核甘酸、维生 素和微量元素等营养成分，但质量有很大的差异。