3第三章 发酵培养基

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培养基的类型及功能
二、按状态
液体培养基:80%～90%是水，其中配有可溶性或不溶性的 营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。 固体培养基 :适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应 用于有子实体的真菌如香菇、白木耳等的生产。随着机械 化程度的提高，有些发酵工业也应用固体培养基进行生产。 半固体培养基:在配好的液体培养基中加入少量的琼脂 即得到半固体培养基，一般琼脂用量为0.5%～0.8% , 主要用于微生物的鉴定。
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发酵培养基的设计和优化
正交设计确定优化的配方（P112-114）
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发酵培养基的设计和优化
极差 K值 趋势分析
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发酵培养基的设计和优化 四、摇瓶水平到反应器水平的优化
培养基研究的两个层次
摇
瓶——培养基设计的第一步
反应器——最终的优化配方
发酵培养基的设计和优化
三、培养基设计的步骤
① 根据前人的经验和培养基成分必须考虑的一些问题， 初步确定可能的培养基成分； ② 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分； ③ 当培养基成分确定后，剩下的问题就是确定各成分最 适的浓度，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，如正交实验设计、响 应面分析等。
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发酵培养基的成分及来源
例：地衣芽孢杆菌生产α-淀粉酶
碳源对生长和产酶的影响 碳源 葡萄糖 蔗糖 糊精 淀粉 细胞量 4.2 4.02 3.06 3.09 α-淀粉酶 0 0 38.2 40.2
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发酵培养基的成分及来源
二、氮源 氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸 等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：无机氮源 和有机氮源。 1.无机氮源 种类：铵盐、硝酸盐和氨水
① 培养基能够满足产物最经济的合成。 ② 发酵后所形成的副产物尽可能的少。 ③ 培养基的原料应因地制宜，价格低廉，性能稳定，资 源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产 上的供应。 ④ 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不影响 通气、提取、纯化及废物处理等。
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培养基的类型及功能
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发酵培养基的设计和优化 一、培养基成分选择的原则
菌种的同化能力 代谢的阻遏和诱导 合适的C、N比 pH的要求
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发酵培养基的设计和优化
二、成分含量的确定 （一）理论转化率与实际转化率 理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进 行物料衡算，所得出的转化率的大小。 实际转化率是指发酵过程中转化率的实际大小 。 如何使实际转化率接近于理论转化率是发酵控制的一 个重要目标。
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发酵培养基的成分及来源
五、水 水是培养基的主要组分，也是微生物机体的重要组分。 水的作用：为微生物的生长、繁殖和产物合成提供必需的生 理环境。 水源质量的主要考虑参数：pH值、溶解氧、可溶性固体、污 染程度以及矿物质组成和含量。 对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在不同 水源中存在的各种因素对微生物发酵代谢影响甚大。
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发酵培养基的成分及来源
不同加工方法对甘蔗糖蜜的影响
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发酵培养基的成分及来源
糖蜜使用的注意点：
除糖分外，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 有害物质：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制） 生物素缺乏:菌种生长十分缓 预处理：澄清→脱钙→脱除生物素 慢；生物素过量:转为乳酸发 酵。一般将生物素控制在亚 例：柠檬酸发酵
满足菌体生长 稳定和调节发酵过程中的pH
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发酵培养基的成分及来源
2.有机氮源
来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，如花生 饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、 蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和 酒糟等。
菌体生长状况：生长旺盛、菌丝浓度增长迅速 成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机 盐及生长因子。 例 玉米浆：①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 ②较多的乳酸 ③硫、磷、微量元素等
适量条件下，才能得到高产 量的谷氨酸。
有害物质：铁离子（含量高会导致生成异柠檬酸） 预处理：发酵液中添加黄血盐络合Fe2+阻断TCA环， 积累柠檬酸
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发酵培养基的成分及来源
③淀粉、糊精 种类：玉米淀粉、小麦淀粉、甘薯淀粉
使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类
缺点：成分复杂，包括直链淀粉和支链淀粉等 发酵液较粘稠； 难利用； 优点：来源广泛、价格低； 可以解除葡萄糖效应
作用：前体有助于提高产量和组分（P107） 用法：前体使用时普遍采用流加的方法 前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利，并且菌 体具有氧化分解前体的能力，采用流加工艺可以避免上述 问题，也有利于提高前体的转化率。
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发酵培养基的成分及来源
3.产物促进剂 所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又 非前体，但加入后能提高产量的添加剂。
一、碳源
1、作用
提供微生物生长繁殖所需的能源和合成菌体所必 需的碳成分； 提供合成目的产物所必须的碳成分。 2、来源 糖类、油脂、有机酸、低碳醇、正烷烃
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发酵培养基的成分及来源 3、工业上常用的糖类
① 葡萄糖
所有的微生物都能利用葡萄糖 但是会引起葡萄糖效应（分解代谢物阻遏作用 ）
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发酵培养基的成分及来源
例：铁离子 青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20μg/mL 发酵罐必须进行表面处理 （2）使用时注意盐的形式（影响pH值） 例：磷酸盐——磷酸二氢盐、磷酸氢二盐
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发酵培养基的成分及来源
四、生长因子、前体和产物促进剂 1.生长因子 从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质， 如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子。 例如：以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷 型，以生物素为生长因子,生长因子对发酵的调控起到重 要的作用。 有机氮源是生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多 的B族维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生 长因子。最具代表的是玉米浆。
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发酵培养基的成分及来源
促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面的。
有些促进剂本身是酶的诱导物； 有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善 细胞与氧的接触，从而促进酶的分泌与生产；
也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；
有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。
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发酵培养基的成分及来源
有机氮源成分复杂，可以从多个方面影响发酵过程。同 时，有机氮源的来源具有不稳定性，在有机氮源选取和 使用过程中，必须考虑原料的波动对发酵的影响。
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发酵培养基的成分及来源 氮源使用的一些相关问题：
有机氮源和无机氮源应当混合使用
早期：容易利用易同化的氮源—无机氮源 中期：菌体的代谢酶系已形成——可以使用有机氮源
有些产物会受氮源的诱导和阻遏 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力 开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣
的课题
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发酵培养基的成分及来源
三、无机盐及微量元素 1、作用：各不一样 2、来源：C、N源，或以盐的形式补充 3、用量：根据具体的产品，以实验决定，P104 4、使用注意点 （1）对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离 子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑。
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发酵培养基的设计和优化
例: 在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下∶ 葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为∶（P111） C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖转化为酒精的理论得率为∶ 2*46 Y = ─── = 0.51 180
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发酵培养基的成分及来源
2.前体 前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在 生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没 有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
青霉素：分子量356（虚线框为其前体：苯乙胺）
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发酵培养基的成分及来源
特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之为迅速利 用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变 化如：
(NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH
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发酵培养基的成分及来源
无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或 碱性物质。 经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫 生理酸性物质，如硫酸铵。 菌体代谢后能产生碱性物质的无机氮源称为生理碱性物质， 如硝酸钠。 正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有 积极作用。 所以选择合适的无机氮源有两层意义：
第三章
发酵培养基
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发酵培养基
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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：工业生产上使用的培养基，其作用： 满足菌体的生长 促进产物的形成
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发酵培养基的要求：
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培养基的类型及功能 三、按用途
孢子培养基：供孢子繁殖 营养不能太丰富，否则不宜产孢子； 注意无机盐浓度、pH、湿度 种子培养基：供菌丝生长 要求营养比较丰富、全面； 最后一级种子培养基的成分最好能较接近于发酵培养基
发酵培养基：供菌丝生长、合成产物
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发酵培养基的成分及来源 第二节 发酵培养基的成分及来源
发酵培养基的设计和优化
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发酵培养基的设计和优化 （二）实验设计
培养基成分的含量最终都是通过实验获得的 合理的实验方法
单因子实验 多因子实验：均匀设计 P112-114 正交实验设计
响应面分析等
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大麦产量对于氮、磷肥的响应面图
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原料成分复杂，质量若不加控制会影响生产稳定性
发酵培养基普遍使用天然培养基，但生产疫苗等会采用合成培养基
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培养基的类型及功能
培养大肠杆菌常用两种培养基
M培养基(1L)： Na2HPO4 6g，KH2PO4 3g， NaCl 0.5g， NH4Cl 1g，MgSO4.7H2O 0.5g， CaCl2 0.011g，葡萄糖 2-10, pH7.0 YPS培养基(1L)：酪蛋白胨 10g，酵母提取物 5g, NaCl 10g，PH7.2
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
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发酵培养基的成分及来源
不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大
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发酵培养基的成分及来源
② 糖蜜 糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。 糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%～75%。一般糖蜜分 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。
第一节 培养基的类型及功能
培养基按其组成物质的纯度、状态、用途可分为三大类型 一、按纯度 合成培养基 : 原料的化学成分明确、稳定
适合于研究菌种基本代谢过程的物质变化规律
营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业生产
天然培养基: 采用天然原料，营养丰富，不需添加微量元素，如花
生饼粉、蛋白胨等 原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适于工业化生产
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发酵培养基的设计和优化 第三节 发酵培养基的设计和优化
目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适 合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生物学、 微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类 菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇 瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验 方法选择出较为适合的培养基。