第3章 发酵工业培养基的设计

碳源
①基本营养源 成分 氮源 无机盐和微量元素 ③生长因子 ④发酵调节剂
②水
1、基本营养源 （1） 碳源 ①作用：一是提供微生物菌体生长繁殖所需的能源以及合成 菌体所需的碳骨架；
二是提供菌体合成目的产物的原料。
②常用的碳源：糖类、油脂、有机酸、烃类及低碳醇等。
（2）氮源
①作用：组成菌体细胞结构物质、合成含氮代谢产物。
这种方法也有一定的效果，但缺点很多。这种方
法的选点代表性很差，如按上述方法进行试验，试验
点完全分布在一个角上，而在一个很大的范围内没有 选点。因此这种试验方法不全面，所选的工艺条件 A3B2C2不一定是27个组合中最好的。
方法二: 全面试验法 取三因子所有水平之间的组合，即A1B1C1，A1B1C2， A1B2C1， ……，A3B3C3，共有33=27次试验。用图表示 就是图1 立方体的27个节点。这种试验法叫做全面试验法。
②常用的氮源
有机氮：黄豆/棉子饼粉、玉米浆、蛋白胨和尿素等
无机氮：铵盐、硝酸盐和氨水等。
（3）无机盐和微量元素
①作用：构成菌体成分；作酶的组成或激活剂；调渗透 压、pH、电位等。
②常用的无机盐和微量元素：P、Mg、S、Fe、Na、Cl 、Zn、Co、Mn等。
2、水 （1）作用：良好溶剂，热导好；运输介质；维持cell形 态；水合、脱水作用 （2）常用的水源：深井水、自来水及地表水 （3）水质的控制：pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程 度以及矿物质组成和含量等
明确试验目的与要求 试验方案设计：
选定试验指标
选因素、定水平 因素、水平确定 选择合适正交表 表头设计 列试验方案 试验结果分析
进行试验，记录试验结果 试验结果分析： 试验结果极差分析 试验结果方差分析
绘 制 因 素 指 标 趋 势 图
计 算 K 值
计 算 k 值
计 算 极 差 R
计算各列偏差平方和、 自由度 列方差分析表， 进行F 检验 分析检验结果， 写出结论
L9(34)正交表
常用的正交表已由数学工作者制定出来，供进行正
交设计时选用。
2水平正交表除 L8(27)外，还有L4(23)、 L16(215)等； 3 水平正交表有 L9(34) 、 L27(313)…… 等（详见有关参考 书）。
1
正交试验设计的基本程序
正交试验设计的基本程序包括试验方案设
计及试验结果分析两部分。
全面试验对各因子与指标间的关系剖析得比较清楚。 但试验次数太多。 如果应用正交实验法，只做9次试验就行了，而且在某 种意义上讲，这9次试验代表了27次试验。 特别是当因子数目多，每个因子的水平数目也多时， 试验量大得惊人。如选六个因子，每个因子取五个水平时， 欲做全面试验，则需56＝15625次试验，这实际上是不可能 实现的。 如果应用正交实验法，只做25次试验就行了，
这里，对因子A，在试验范围内选了三个水平；因子B 和C也都取三个水平：
A：A1＝1%，
B：B1＝0.5% ，
A2＝3% ，
B2＝ 1% ，
A3= 5%
B3= 1.5%
C：C1＝0.03％， C2＝0.05%，
C3＝0.07%
当然，在正交试验设计中，因子可以是定量的，也可以 是定性的。
定量因子各水平间的距离可以相等，也可以不相等。
可用粗淀粉，淀粉 浓度较酸法高，水 解副反应少，糖色 较浅
液化过程较慢，对 ຫໍສະໝຸດ 化设备有要求， 对质地硬的淀粉效 果较差
从水解糖液的质量及降低糖耗、提高原料利用率方
面来考虑，以双酶法最好，酸解法最差；
从制糖过程所需的时间来看，酸解法时间最短，双 酶法时间最长。
二、糖蜜原料的处理 糖蜜可分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。
方法
原理
先将淀粉酸水 解成糊精或低 聚糖，然后再 用糖化酶将其 水解为葡萄糖
优点
缺点
酸 酶 法 ③ 酸 酶 结 合 法 酶 酸 法
液化快，淀粉乳浓 不适合粗淀粉，要 度高，用酸量较少， 求淀粉颗粒小且均 糖色浅，糖液质量 匀，糖化过程较慢， 高 纯度较双酶法差
将淀粉乳先用 α- 淀 粉 酶 液 化 到一定程度， 然后用酸水解 成葡萄糖
第三章
发酵工业培养基的设计
培养基：是人工配制的供微生物或动植物细胞生长、 繁殖、代谢和合成人们所需产物的营养物质 和原料。
广义上讲，凡是支持微生物或动植物细胞生长和 繁殖的介质或材料都可作为培养基的原料。
第三章
本章内容提要：
发酵工业培养基的设计
第一节 发酵工业培养基的成分及分类 工业培养基的成分及来源；培养基的分类； 第二节 淀粉水解糖的制备及糖蜜原料的处理 淀粉水解糖的制备方法；糖蜜原料的处理；
正交试验 正交试验设计方法，简称正交设计，是试验设计的 重要组成部分。 为提高某微生物产酶效果，选择了三个有关因素进行条 件试验，碳源用量(A)，氮源用量(B)，无机盐用量(C)， 并确定了它们的试验范围。 A：1%-5% B：0.5%-1.5% C：0.03-0.07％
试验目的是搞清因子A、B、C对产酶效果有什么影响， 哪些是主要的，哪些是次要的，从而确定最适培养基组成， 即碳源、氮源及无机盐用量各为多少才能使产酶最多。
等水平正交表 La（bc）
因素个数，列数 正交设计
La（bc）
试验总次数，行数 因素水平数
正交表
表10-2是一张正交表，记号为L8(27)。
其中“L”代表正交表；L右下角的数字“8”表示有8行 ， 用这张正交表安排试验包含8个处理(水平组合) ；
括号内的底数“2” 表示因素的水平数， 括号内2的指数“7”表示有7列 ， 用这张正交表最多可以安排7个2水平因素。
3、生长因子
有机氮源是生长因子重要来源
4、发酵调节剂 （1）前体：指某些化合物在发酵过程中直接被微生物 在生物合成时结合到产物分子中去，其自身的结构并没 有多大变化，但是产物的产量却因加入该化合物有较大 的提高。
青霉素：分子量356
苯乙酸:分子量136
（2）产物合成促进剂和抑制剂：指那些既非营养物质又 不是前体，但加入后却能提高产物产量的添加物。 如在酶制剂生产中，有些促进剂本身是酶的诱导物；
第三节 发酵培养基的设计与优化
一、发酵培养基的设计原则 （１）根据微生物的特性 （２）根据不同用途 （３）注意营养成分的配比
（４）注意代谢物的阻遏与诱导作用的影响
（5） 满足微生物的培养条件 （6） 经济节约
二、培养基设计与优化的方法 （1）根据以前的经验以及在培养基成分确定时必须考虑 的一些问题，初步确定可能的培养基组分； （2）通过单因子优化实验确定最为适宜的各个培养基组 分及其最适浓度； （3）最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种成 分及其最适浓度。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。
对本试验分析，影响产酶的因素很多，如碳源种类及用 量、氮源种类及用量、无机盐种类及用量、培养基pH 值、 培养温度、接种量、摇瓶转速、发酵时间等等。经全面考虑， 最后确定碳源用量、氮源用量、无机盐和微量元素为本试验 的试验因素，分别记作A、B、C和D，进行四因素正交试验， 各因素均取三个水平，因素水平表见表1所示。
二、培养基的分类
①合成培养基
按组成分
②天然培养基
③半合成培养基 ①固体培养基
按物理状态分
②液体培养基 ③半固体培养基
①孢子培养基
按用途分 ②种子培养基 ③发酵培养基
第二节 淀粉水解糖的制备及糖蜜原料的处理
一、 淀粉水解糖的制备 淀粉在酸或酶的作用下水解成葡萄糖的过程称为糖化， 制得的水解糖液叫淀粉水解糖。 根据原料淀粉的性质及采用的水解催化剂的不同，水 解淀粉转化为葡萄糖有三种方法。
表1 因素水平表
试验因素 水平 NaCl FeSO4 蔗糖 蛋白胨 （g/100mL） （g/100mL） （g/100mL） （g/100mL） A B C D
1
2 3
1
3 5
0.5
1 1.5
0.03
0.05 0.07
0.001
0.002 0.004
（3） 选择合适的正交表
正交表的选择是正交试验设计的首要问题。确定了因 素及其水平后，根据因素、水平及需要考察的交互作用的 多少来选择合适的正交表。正交表的选择原则是在能够安 排下试验因素的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减 少试验次数。 一般情况下，试验因素的水平数应等于正交表中的水 平数；因素个数应不大于正交表的列数。
优水平 优组合
因素主次顺序
结 论
例：为提高微生物产酶效率，研究发酵产酶培养基的 组成，拟通过正交试验来寻找液体发酵产酶的最佳培养 基组成。 1.1 试验方案设计 （1） 明确试验目的，确定试验指标 对本试验而言，试验目的是为了提高产酶效率。所以可
以以单位发酵液的酶活力为试验指标，来评价培养基条件的
第三节 发酵培养基的设计与优化 培养基设计与优化的方法
第三章
发酵工业培养基的设计
本章学习要求：

了解发酵工业培养基的类型。 熟悉发酵工业培养基的成分及来源。 掌握淀粉水解糖的制备方法及优缺点；掌握发酵工业培 养基设计和优化的一般步骤和方法。
第一节
一、
发酵工业培养基的成分及分类
培养基的成分
正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全 面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的 情况。
如对于上述 3 因素 3水平试验，可利用正交表 L9(34) 安
排实验，试验方案仅包含 9个水平组合，就能反映试验方
案包含27个水平组合的全面试验的情况，找出最佳的生产 条件。
我们看到，在9个平面中每个平面上都恰好有三个点 而每个平面的每行每列都有一个点，而且只有一个点，总 共九个点。 这样的试验方案，试验点的分布很均匀，试验次数也 不多。