微生物发酵碳源和氮源

微生物营养要求看，所有微生物都需要碳源，氮源，无机元素，水及生长物质。如果是好氧微生物还需要氧气。在实验室规模上配制含有纯化合物的培养基非常简单，但在大规模生产上是不合适的。

第一节工业发酵培养基

发酵培养基的作用：

-满足菌体的生长

-促进产物的形成

一、工业上常用的碳源（carbon source）

1. 应用最广的是谷物淀粉（玉米、马铃薯、木薯淀粉），淀粉水解后得葡萄糖。

使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类。

缺点：

a.难利用、发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α-淀粉酶。

b.成分较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。

优点：

来源广泛、价格低，可解除葡萄糖效应。

2. 葡萄糖

-所有的微生物都能利用葡萄糖，但会引起葡萄糖效应。

-工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质量指标。

3.糖蜜

制糖工业上的废糖蜜waste molasses或结晶母液

包括：甘蔗糖蜜（cane molasses）——糖高，氮少

甜菜糖蜜（beet molasses）

两者成分见P226

糖蜜使用的注意点：除糖份外，含有较多的杂质，对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。

二、工业上常用的氮源（nitrogen source）

1.无机氮(迅速利用的氮源)

种类：氨水、铵盐或硝酸盐、尿素

特点：吸收快，但会引起pH值的变化

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

无机氮源的影响：硫酸铵>硝酸铵>硝酸钠>尿素

2.有机氮：

来源：一些廉价的原料，如玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、鱼粉、酵母浸出膏等。其中玉米浆（玉米提取淀粉后的副产品）和豆饼粉既能做氮源又能做碳源。

成分复杂：除提供氮源外，还提供大量的无机盐及生长因子。

微生物早期容易利用无机氮，中期菌体的代谢酶系已形成——有机氮源。有机氮源来源不稳定，成份复杂，所以利用有机氮源时要考虑到原料波动对发酵的影响。

三、无机盐（inorganic mineral）

硫酸盐、磷酸盐、氯化物及一些微量元素。无机盐含量对菌体生长和产物的生成影响很大。

四、生长因子（growth factor）

微生物生长不可缺少的微量有机物质。如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素。

生长因子不是所有微生物都必需的。只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不

可少的营养物。如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型（biotin auxotroph）,以生物素为生长因子。

1.生物素

作用: (1)主要影响细胞膜通透性。P263

（2）影响菌体的代谢途径。

生物素浓度对菌体生长和谷氨酸积累均有影响。大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”。原因：P263，P260（OD值）

生物素过量：菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸。

生物素不足：菌体生长不好，谷氨酸产量也低。

-谷氨酸产生菌为生物素缺陷型。

-要达到菌体生长需要的“亚适量”。

生物素存在于动植物组织中，多与蛋白质呈结合状态存在。用酸水解可以分开。那么，生产上有哪些原料可以作为生物素来源呢？

2.提供生长因子的农副产品原料

（1）玉米浆：（corn steep liquor, CSL）

最具代表性。虽然主要用作氮源，但含有乳酸，少量还原糖和多糖，含有丰富的氨基酸，核酸，维生素，无机盐等。常作为提供生长因子的物质。所以，从某种意义上说，玉米浆液用于配制发酵培养基是发酵工业中的一个重大发现。

（2）麸皮水解液：可代替玉米浆，但蛋白质，氨基酸等营养成分比玉米浆少。

（3）糖蜜：两种糖蜜（cane molasses，beet molasses）均可代替玉米浆。但氨基酸等有机氮含量较低。

（4）酵母：可用酵母膏，酵母浸出液或直接用酵母粉。

第二节淀粉水解糖的制备

在工业生产中，将淀粉水解为葡萄糖（glucose）的过程称淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。其主要糖分是葡萄糖。根据水解条件不同，尚有数量不等的少量麦芽糖及其它一些二糖，低聚糖等复合糖。

一、淀粉水解制糖的意义

1.大多数微生物不能直接利用淀粉（所有的氨基酸生产菌不能直接利用）

2.有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但必须在微生物产生淀粉酶后才能进行，过程缓慢，发酵周期延长。

3.若直接利用淀粉作原料，灭菌过程的高温会导致淀粉结块，发酵液粘度剧增。

二、淀粉水解糖的制备方法及原理

（一）酸解法（acid hydrolysis method）

以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。

1.水解过程：

总反应式：(C6H10O5)n+nH2O →nC6H12O6

过程：(C6H10O5)n →(C6H10O5)x →C12H22O11 →C6H12O6 淀粉糊精麦芽糖葡萄糖

H+对作用点无选择性，A-1,4-糖苷键和A -1,6-糖苷键均被切断。

2.葡萄糖的复合反应和分解反应

在水解过程中，由于受到酸和热的作用，一部分葡萄糖会发生复合反应和分解反应。

淀粉

↓盐酸

复合反应葡萄糖分解反应

↙↗↘

复合二糖5‘－羟甲基糠醛

↓ ↑↓

复合低聚糖有机酸、有色物质

损失葡萄糖量7％<1％

不利影响：

（1）降低了葡萄糖的收率。

（2）给产物的提取和糖化液的精制带来困难。

复合反应：葡萄糖分子间经1，6糖苷键结合成龙胆二糖（有苦味），异麦芽糖和其它低聚糖(复合低聚糖)。生成的多数复合糖不能被微生物利用，使发酵结束时残糖高。

分解反应：生成的5‘－羟甲基糠醛是产生色素的根源，增加了糖化液精制脱色的困难。

如何控制分解反应和复合反应的发生？

（1）淀粉乳浓度

（2）酸浓度都不能过高原因P229-230

（3）温度

3.评价

优点：工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。

缺点：

（1）副产物多，影响糖液纯度，一般DE值(葡萄糖值)只有90％左右。

（2）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制淀粉。

DE值：dextrose equivalent value

（葡萄糖当量值）

表示淀粉糖的含糖量。

还原糖含量（％）

DE值＝---------- х 100％

干物质含量（％）

P231（中间）图最高点下降的原因？

（二）酶解法（enzyme hydrolysis method）

用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。

分两步：

（1）液化：用A-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖

（2）糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精和低聚糖转化为葡萄糖。

所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又称双酶法(double enzyme hydrolysis method)。

液化（liquification）

α－淀粉酶水解底物内部的α－1,4糖苷键，不能水解α－1,6糖苷键，一般采用耐高温淀粉酶，使液化速度加快。85－90℃。

淀粉的糊化与老化：由于淀粉颗粒的结晶性结构对酶作用的抵抗力非常强，需要先加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，糊化，破坏结晶性结构。

糊化：淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。

老化：指分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶的过程。