(精选)发酵工程第三章培养基
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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。
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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 可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。
尽量减少副产物的形成，便于产物的分离 纯化，并尽可能减少产生“三废”物质；
原料价格低廉，质量稳定，取材容易； 所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅
拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能 耗。
3.2 培养基的成工分业及生功产能所用微生物绝大多数是异养
菌wenku.baidu.com不像自养菌那样能够利用光、还
一. 碳源
原态无机物或碳酸盐作为能源物质， 只能利用有机碳水化合物作为能源。
用物于的构生成长微繁生殖物和细代胞谢对称和活于为代动异双谢提养功产供微能物能生营中源物养碳。，物素碳。的源来又源兼，做并能为源微，生 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。
7
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。
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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。
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(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：
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。
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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。
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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。
3 发酵工业培养基设计
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。
发酵培养基的作用：
➢ 满足菌体的生长 ➢ 促进产物的形成
工业微生物发酵培养基的共性
单位培养基能够产生最大量的目的产物； 能够使目的产物的合成速率最大； 能够使副产物合成的量最少； 所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、
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糖蜜使用的注意点：
除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许 多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。
例：谷氨酸发酵
有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制）
预处理：澄清→脱钙→脱除生物素
例：柠檬酸发酵 有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成） 预处理：→黄血盐
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。
(1) 糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。
纯糖
天然原料
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
速效碳源
其 、
碳源物质的易利用顺序：
它：纤维素水解液、乳清 迟效碳源
(单)葡萄糖→ (双)蔗糖、麦芽糖、乳糖→ (多)糊精→淀粉
易于长期获得； 所采用的培养基尽量不影响工业发酵中通
气搅拌性能以及发酵产物的后期处理。
3.1 发酵工业培养基的基本要求
必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基 本成分；
有利于减少培养基的单耗，即提高单位营 养物质的转化率；
有利于提高产物的浓度，以提高单位容积 发酵罐的生产能力；
有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周 期；
再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。
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(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。
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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 可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。
尽量减少副产物的形成，便于产物的分离 纯化，并尽可能减少产生“三废”物质；
原料价格低廉，质量稳定，取材容易； 所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅
拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能 耗。
3.2 培养基的成工分业及生功产能所用微生物绝大多数是异养
菌wenku.baidu.com不像自养菌那样能够利用光、还
一. 碳源
原态无机物或碳酸盐作为能源物质， 只能利用有机碳水化合物作为能源。
用物于的构生成长微繁生殖物和细代胞谢对称和活于为代动异双谢提养功产供微能物能生营中源物养碳。，物素碳。的源来又源兼，做并能为源微，生 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。
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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。
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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。
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(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：
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。
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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。
10
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。
3 发酵工业培养基设计
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。
发酵培养基的作用：
➢ 满足菌体的生长 ➢ 促进产物的形成
工业微生物发酵培养基的共性
单位培养基能够产生最大量的目的产物； 能够使目的产物的合成速率最大； 能够使副产物合成的量最少； 所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、
12
糖蜜使用的注意点：
除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许 多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。
例：谷氨酸发酵
有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制）
预处理：澄清→脱钙→脱除生物素
例：柠檬酸发酵 有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成） 预处理：→黄血盐
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。
(1) 糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。
纯糖
天然原料
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
速效碳源
其 、
碳源物质的易利用顺序：
它：纤维素水解液、乳清 迟效碳源
(单)葡萄糖→ (双)蔗糖、麦芽糖、乳糖→ (多)糊精→淀粉
易于长期获得； 所采用的培养基尽量不影响工业发酵中通
气搅拌性能以及发酵产物的后期处理。
3.1 发酵工业培养基的基本要求
必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基 本成分；
有利于减少培养基的单耗，即提高单位营 养物质的转化率；
有利于提高产物的浓度，以提高单位容积 发酵罐的生产能力；
有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周 期；
再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。
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(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。