第4章 培养基

三、发酵培养基的优化（p175-180）


1、初步确定可能的培养基成分 首先要做好调查研究工作，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。即要 参照微生物细胞内元素的比例确定培养基的成分 和比例。 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 炼方法和产品性质要求等也要有所了解，以便在 选择培养基时心中有数。根据前人的经验和培养 基成分确定时一些必须考虑的因素，初步确定可 能的培养基成分。

几个问题
1、微生物生长代谢所需要的营养物质 2、培养基的类型、发酵培养基的类型 3、发酵培养基的设计 4、发酵培养基的优化 5、发酵培养基的配制

第一节 发酵培养基的组成及其来源


一、培养基
是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的， 按一定比例配制的多种营养物质的混合物。
无机盐和微量元素：




是指除碳、氮元素外其他各种重要元素及其供体。 作用： 构成菌体成分。 酶的组成或激活剂、抑制剂。 调节渗透压、菌体内部pH值、氧化还原电位。 特点： 无机盐尤其是微量元素在低浓度时对微生物的生长、 产物合成一般有促进作用；高浓度时抑制作用，甚 至是毒性作用。
磷元素

1.营养基质的种类——营养物质应满足微 生物的需要
不同营养类型的微生物对营养的需求差异很大。 所以，应根据所培养菌种对各营养要素的不同要 求进行配制。如自养微生物的培养基成分是无机 的，而异养型微生物的培养基成分必须含有机物。 针对四大类微生物，一般可以采用现成配方的 培养基（实验室阶段）。如细菌采用肉汤蛋白胨 培养基、放线菌采用高氏1号合成培养基、酵母采 用麦芽汁培养基及霉菌采用查氏合成培养基等。
二、选择和配制发酵培养基的 基本原则





提供基本成分和合适的比例； 有利于减少原料单耗； 有利于提高产物浓度； 有利于提高产物的合成速度； 减少副产物生成； 方便产物的分离和纯化； 原料价格低廉、质量稳定、取材容易； 有利于提高氧的利用率，降低能耗； 有利于减少“三废物质”。

第二节

发酵生产中培养基的类型
按原料的纯度进行分类（p113） 按培养基的物理状态分类（p113） 按发酵工业中的作用分类
一、根据培养基的用途分类
（一）选择培养基 选择培养基： 根据某一类或某种微生物的特殊营养要求而 设计的培养基，用于提高所需微生物的分离 效率。

选择性培养基设计的两种主要方法:
3.理化条件适宜



（1） pH值要适宜：各大类微生物一般都有其生长 繁殖的最适pH。 细菌的最适pH一般在7.0-8.0，放线菌在pH7.5-8.5 间，酵母菌在pH3.8-6.0间，霉菌在pH4.0-5.8之间。 对于具体的微生物菌种来说，它们都有各自特定的 最适pH范围，但有时会大大突破上述界限。 要考虑到培养基的pH调节能力：在微生物生长繁殖 过程中会产生引起培养基pH改变的代谢产物，尤其 是不少微生物有很强的产酸能力，如不适当地加以 调节，就会抑制甚至杀死其自身。 在设计它们的培养基时，就要考虑到培养基的pH调 节能力。一般应该加入磷酸缓冲液或CaCO3，使培养 液的pH 稳定。

氮源：
作用： 氮元素是微生物细胞蛋白和核酸的主要成分， 对微生物的生长发育有着特别重要的作用。 来源： 无机氮：速效氮 有机氮 气态氮





生理酸性物质： 经微生物代谢后形成酸性物质的无机氮源称为生理 酸性物质。 如硫酸铵 生理碱性物质： 经微生物代谢后形成碱性物质的无机氮源称为生理 碱性物质。 如硝酸钠 作用： 在发酵过程中可以引起pH值的变化，可以对微生物 的培养基进行酸碱性调节。
前体：

是指一些添加到培养基中的物质，它们并不 促进微生物的生长，但能直接通过微生物的 生物合成过程结合到产物分子上去，自身结 构基本不变，而产物产量却因此有较大提高 的一类化合物。（p111）

前体的来源： 微生物细胞本身的代谢产物。 外源人为添加。 前体的应用： 氨基酸、核苷酸、抗生素等发酵。 如青霉素发酵中添加的玉米浆（主要含有苯乙酸） 就是最早应用的前体。 注意事项： 添加的前体要适量。

钙、镁、钾、钠、铁



钙： 作用：是很多酶的辅助因子或激活剂、渗透压调节剂。 种类：氯化钙，尽量不与磷酸盐同时添加。 镁： 作用：辅酶、激活剂。 种类：硫酸镁。 钾： 作用：是很多酶的辅助因子。 种类：磷酸氢二钾、磷酸二氢钾。 钠：调节细胞的渗透压。 铁：是细胞色素的组成成分。



作用： 细胞膜的组成、可以活化糖类分子、是核苷酸之间 的桥梁、是ATP的组成部分。 种类： 磷酸钾、磷酸氢二钠等。 对次级代谢的调节： 磷酸盐调节现象（高浓度磷酸盐抑制次级代谢的现 象）。
硫元素
种类： 硫酸镁、硫酸钠等。 作用： 用于某些产物中含硫的特殊的发酵生产中。 如青霉素、头孢霉素等发酵中，需要额外添 加硫酸钠等硫源。


一是根据某些微生物对碳源、氮源的需求而设计。 以纤维素为唯一碳源的培养基可用于分离纤维素分 解菌； 用石蜡油来富集分解石油的微生物； 用较浓的糖液来富集酵母菌等。 如分离固氮微生物的无氮培养基、加入滤纸条或纤 维素粉为碳源分离纤维分解菌的培养基。



二是根据某些微生物的物理和化学抗性设计的。 在培养基中加入某种化合物，可有效地分离出对这 种化合物有抗性的微生物。 如分离放线菌时，在培养基中加入数滴10%的苯酚， 可以抑制霉菌和细菌的生长； 在分离酵母菌和霉菌的培养基中，添加青霉素、四 环素和链霉素等抗生素可以抑制细菌和放线菌的生 长； 结晶紫可以抑制革兰氏阳性菌，培养基中加入结晶 紫后，能选择性地培养革兰氏阴性菌； 7.5%NaCl可以抑制大多数细菌，但不抑制葡萄球菌， 从而选择培养葡萄球菌。
（三）发酵培养基
定义：是供菌体生长繁殖和合成发酵产物为最大目 的的培养基。 要求：一般的发酵产物以碳为主要元素，所以，发 酵培养基中的碳源含量往往高于种子培养基。若产 物的含氮量高，应增加氮源。 在大规模生产时，原料应该价廉易得，还应有利于 下游的分离提取工作。在生产中要通过试验获得。 形式：固体培养基和液体培养基。
2.营养物的浓度及配比应恰当
营养物的浓度太低，则不能满足微生 物生长的需要，浓度太高，又会抑制微生 物的生长。 如糖和盐都是良好的营养物质，但是， 浓度升高，则有抑菌作用。



碳氮比(C/N)一般指培养基中元素C与N的比值。 为方便测定和计算，人们常以培养基中还原糖含量 与粗蛋白含量的比值来表示。 在考察培养基组成时，人们常以碳氮比作为一个重 要的指标。一般培养基的C/N比为100：0.5-2。 如在谷氨酸生产菌发酵中，C/N比为4/1时，菌体大 量繁殖，谷氨酸积累量较少；当C/N为3/1时，菌体 繁殖受到抑制，谷氨酸大量积累。


（二）鉴别培养基 鉴别培养基：根据微生物的代谢特点，在培养基中 加入某种与待测菌的某种无色的代谢产物发生显色 反应的指示剂，通过显色反应可以肉眼分辨出待测 菌。 例如检查乳制品和饮用水中是否有肠道细菌污染所 用的伊红-美蓝培养基。当大肠杆菌等肠道细菌生长 时，发酵培养基中的乳糖，使加入的伊红-美蓝变色， 在菌落上沉积为紫黑色，并呈现金属光泽。



种子培养基：是供孢子发芽生长出大量菌丝体，或 不产孢子的微生物菌体生长的培养基。 目的：使有限数数量的斜面菌种在种子罐中生长繁 殖到一定数量，为下一步发酵提供数量较多，强壮 而整齐的种子细胞。以缩短菌体在发酵罐中生长繁 殖的时间，提高发酵设备的利用率。 要求：氮源、维生素丰富，原料要精。其培养基的 配比尽可能接近发酵培养基。 形式：可采用液体培养基，或固体浅盘或三角瓶等 逐级扩大均可以。
第三节 培养基设计和优化 （p175-180）
一般培养基的选择首先是培养基基本成分的 确定，其次是决定各成分之间如何最佳的复 配。 应该指出的是选择培养基的成分，设计培养 基配方虽然有一些理论依据，但最终的确定 是通过实验的方法获得的。

一、发酵培养基的设计原理
考虑的因素： 1、某菌种对培养基的基本要求。 2、满足微生物生长以及产物合成的需要。 菌体的同化能力。 培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响。 碳氮比对菌体代谢调节的重要性。 pH对不同菌体代谢的影响。

2、通过单因子试验确定出较适宜的培养基 组成和浓度
最好先选择一种较好的化学合成培养基做基础， 开始时先做一些摇瓶试验，然后进一步做小型发 酵罐培养，摸索菌种对各种主要有机碳源和氮源 的利用情况和产生代谢产物的能力。 注意培养过程中pH的变化，观察适于菌种生长繁 殖和适于代谢产物形成的两种不同pH，不断调整 配比来适应上述各种情况和要求，注意每次只限 一个变动条件。


德巴利酵母属(Debaryomyces)中的许多种和酱油 中酵母能耐高浓度(18-20%)的食盐，而其它酵母只 能耐受3-11%浓度的食盐，所以，在培养基中加入 15-20% 浓度的食盐，即构成耐食盐酵母的选择培 养基。 马丁氏培养基就是专门用于分离土壤中真菌的选择 性培养基。其配方是：葡萄糖1%，蛋白胨0.5%， KH2PO4 0.1%，MgSO4· 7H2O 0.05%,琼脂2%，孟 加拉红(或称虎红)1/3万，链霉素30mg/ml，金霉素 2mg/ml。此处的孟加拉红、链霉素和金霉素等的 作用是抑制细菌生长，从而富集土壤中的真菌。
（2）水分活度 （3）渗透压 （4）氧化还原电位

4.根据培养的目的
培养基的成分直接影响着培养的目标。在设 计培养基时必须考虑是要培养菌体，还是要积累 产物，是实验室培养还是大规模发酵等问题。 用于培养菌体的种子培养基营养成分应丰富， 尤其是氮源含量宜高。即碳氮比值低。 相反，用于积累大量生产代谢产物的发酵培 养基，它的氮源一般应比种子培养基稍低。 若发酵产物是含氮化合物时，有时还应该提 高培养基的氮源含量。
二、根据生产工艺的要求和作用分类 （p114）:
孢子培养基（斜面培养基） 种子培养基 发酵培养基

（一）孢子培养基
孢子培养基（斜面培养基）:是供菌种繁殖孢 子的一种常用固体培养基 。 目的：生产孢子。 要求：营养不要太丰富。 种类：大米、小米。 形式：曲盘。

（二）种子培养基
在设计培养基时，还应特别考虑到代谢产 物是初级代谢产物，还是次级代谢产物。若是 次级代谢产物还要考虑是否加入特殊元素(如 维生素B12中的Co)或特定的前体物质(如生产卞 青霉素时，应加入苯乙酸)。 在设计培养基尤其是大规模发酵生产用的 培养基时，还应重视培养基中各种成分的来源 和价格，应该优先选择来源广泛、价格低廉的 培养基，提倡“以粗代精”，“以废代好”。

பைடு நூலகம்
二、各类培养基的共同点
能源、碳源、氮源、无机元素、生长因子、水、氧气等。

发酵培养基还含有一些前体、产物促进剂和抑制剂等。
三 、 培 养 基 的 组 成 及 来 源
发酵培养基的组成：
碳源 氮源 无机盐和微量元素 水分 促进剂（如聚乙烯醇－改善通气性） 抑制剂 前体（如青霉素－苯乙胺）
碳源：
定义： 是指作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架 来源的物质。 来源： 无机物 有机物（主要的）
第四章 发酵工业培养基及原料处理
第一节 发酵培养基的组成及其来源
第二节 发酵生产中培养基的类型 第三节 培养基设计和优化 第四节 工业发酵中营养基质的配制方法 （p104-127）
本章要点：
熟悉发酵培养基类型、特点及其组成。 了解发酵工业对培养基的要求。 掌握发酵培养基设计的基本程序和原则，以 及培养基优化的方法。 掌握淀粉质原料制糖工艺及其培养基的配制 方法。
产物促进剂（p112）
定义： 指在发酵过程中添加的，既不是营养物质又 不是前体物质，但却能够使提高产量的物质。

产物促进剂的增产机制有多种。如添加甘露 聚糖可以促进α-甘露糖苷酶的分泌，从而提 高其产量。
产物抑制剂：
定义: 主要指对生产菌代谢途径有某种调节能力的 物质。 这些物质使微生物代谢途径中原有的路径发 生改变抑制了一些酶，抑制了一些杂菌的生 长（如添加的抗生素）。