第4章：发酵工业培养基

原因：曲霉产酸，Na+→NaOH矫正，→pH稳定。 B.黑曲霉发酵制纤维素酶：加（NH4）2SO4 ， NH4+利用，→SO4过剩，→H2SO4→pH下降抑制杂菌； 糖化酶活力高。 ③NH3·H2O 许多抗生素发酵中通NH3， 注意： A.加NH3时防止局部过碱：少量多次，加强搅拌； B.过滤除菌：因为氨水中含有大量耐碱微生物 →引起污染。
二、N源及主要功能 Pr、AA为主，其他为辅 N：构成菌体细胞物质（AA、Pr、核酸）； 含N目的产物。 A.菌体生长、繁殖所需N素：→细胞建造； B.合成“目的产物”所需N素：→产物成分 C.合成“目的产物”所需“前体、调节物”：
→有机N源在工业发酵培养基中十分重要！
1.有机N源 ①.饼粉类：黄豆饼粉，花生饼粉，棉籽饼粉， 玉米浆，蛋白胨，酵母粉，鱼粉，蚕蛹粉等。 有机氮源物的组分：7种，蛋白质，AA，糖类， 脂肪，无机盐，微量元素，生长素等，是微生物的 良好营养物质。 →微生物在有机N源培养基中生长旺盛，菌丝浓 度增长迅速。 原因：微生物能“直接利用”有机N源中的①AA； ②不同结构的C架.“半成品”；“预制件” →合成所需Pr及其它细胞物质，而无需从糖代 谢开始合成各种细胞物质。“坐享其成”
4.对种子的3大要求： 纯：无杂菌； 壮：健壮，活力旺盛，繁殖快； 多：有足够的数量。 5.对种子培养基成分的要求： 目的：菌种繁殖快；数量多 ①丰富、完全、特异、浓度适当：繁殖快 ②易被菌体吸收利用：速效 ③尽量与发酵培养基接近：减少延滞期, “宾至如归” ④C/N控制合理： 过大，产酸，→pH稳定 ⑤非连动型产物之发酵： 种子培养基不需添加形成产物所需前体等特殊物质
③酵母膏、蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉，血粉： 对不同微生物有不同的生物效应。 影响：A.菌体形成；B.产物的数量与质量。 实例： a.酵母膏：影响利福霉素合成能力； b.植物蛋白胨：提高“麦白霉素” 生物合成量。 c.玉米粉：含“柔红霉素”生物合成的诱导物。 ④尿素：成分单一，无上述复杂有机N的作用。 青霉素、谷氨酸发酵中常用，能使α-酮戊二酸还原 并氨基化，→提高谷AA合成能力。 ⑤AA：成本高，一般不作为N源用。
§4.2 发酵生产的培养基类型 根生产工艺的要求及用途可分为3类： 一.斜面培养基 1.作用：供菌种活化、保存、繁殖用。 2.对斜面培养基的要求： ①使菌体生长快、繁殖快、健壮； ②不易引起菌种变异。 3.组成特点： ①C、N源物质： 不宜过多，尤其是C源，多了易引起pH波动； ②无机盐浓度： 亦要适当控制，以免引起菌种特性变化。
2.淀粉 常用碳源，需水解为单糖后再利用。 优点： ①克服G过多的两大缺点： 代谢过快耗氧产酸；葡萄糖效应 ②来源丰富，价格低： 常用淀粉：玉米淀粉，小麦淀粉和甘薯淀粉。 注意事项：培养基中淀粉含量大于22.0%时，易结块， 应该先用淀粉酶糊化液化，然后再混合，配制、灭菌。 含淀粉酶的微生物可直接利用玉米粉、甘薯粉、土豆 粉。 3.油与脂肪 有的微生物含脂肪酶: 油/脂肪+脂酶→甘油+脂肪酸→CO2+H2O+ATP
§4.1 发酵工业培养基概述
一.概念 1.培养基 提供微生物生长、繁殖及代谢需要的营养基质。 2.发酵工业培养基： 能用于工业生产的微生物培养基 二.确定培养基组成的原则！！ 有利于细胞快速繁殖；有利于积累大量的发酵产物。 三.培养基的成分、配比对发酵的影响 1.微生物生长： 2.发酵产品的生物合成量、速度及提取的难易程度： 3.产品的产量、质量：
6.注意事项 ①种子扩大条件与发酵条件一致： 种子培养基的主要成分和培养条件： 应尽可能与 发酵培养基及发酵条件一致，以减少菌种转入发酵罐 后菌体为适应新环境而进行的酶诱导等生理适应，使 菌种迅速转入旺盛生长繁殖； ②不考虑产物合成所需的特殊成分： 对于非生长连动型产物的发酵，种子培养基不需 要添加用于形成产物的前体等特殊物质（次生代谢产 物形成所需的物质），以节约生产成本。
产地、加工方法均影响饼粉的物质组成：！！！ 低温压榨：40-50℃； 中温压榨：80-90℃； 高温压榨：≥100℃； 溶媒浸出： ②玉米浆 生产玉米淀粉、酒精发酵的副产物，其中固体含量 达50%左右，还含有较多有机酸，pH≈4.0。 良好N源，易被微生物利用。 原因：含有丰富的AA、还原糖、有机酸、微量元素、 生长素。其中的磷酸肌醇对促进红霉素、链霉素、青 霉素、土霉素等合成有积极作用。 玉米来源、加工方法不同，浆之化学成分不同
只考虑细胞繁殖数量，不考虑产物合成
三.发酵培养基！！！ 用于发酵产品生产的培养基 1.作用：两大功能 ①.提供菌体生长繁殖所需各种营养成分： ②.提供发酵产品生物合成所需原料： 2.要求 ①能满足细胞快速繁殖的需要：短时间得到大量细胞 培养基成分适当丰富、完全、具特异性：“因菌而异” 适合于该菌种的生理特性，菌体生长、繁殖迅速、健 壮，能在较短周期内得到大量的细胞数。 ②含有目标代谢产物合成必需的前体、活性因子： ③培养基要适当丰富与完全： 防止 “大量速效养分抑制次级代谢产物合成”
3.目的 “两快、两多” 菌体：生长快而健壮，细胞数量多： 目的：代谢产物合成速度快，数量多：
四.培养基类型的其他分法 （一）.按纯度划分 1.合成培养基：生理研究，用化学试剂配； 2.天然培养基：用植物、动物或微生物等天然有机 材料或农副产品下脚料配制。发酵工业最重要 优点：“不纯” →①营养丰富： 适于微生物快速生长繁殖与目的产物合成； ②不需另加微量元素、维生素： ③来源广泛，价格低廉： 缺点：组分复杂，不易重复→影响生产稳定性。
七.活性物质 需要量少，但作用明显的化学物质。 1.刺激剂与其功能：机理不清，但效果明显。 实例： ①甲硫AA、亮AA：对头孢霉素C合成影响很大 ②α-荼乙酸：→金霉素、巴比妥→链霉素 2.抑制剂及功能：作用于酶： 抑制一些途径、激活另一些途径，合成特定产物 实例： ①亚硫酸氢钠（NaHSO3）： →抑制乙醇合成，促进甘油合成 ②青霉素： 影响细胞壁合成→通透性，→提高谷AA产量； ③碱金属磷酸盐：抑制草酸形成，促进柠檬酸形成
二.种子培养基 1.制备发酵“种子”（发酵剂）的目的 提高发酵罐的利用率：为了增加发酵罐的接种量， 往往先将斜面菌种在种子罐中繁殖到一定数量，以缩 短菌体在发酵罐内生长繁殖所需时间，缩短延滞期， 提高发酵罐的设备利用率。 2.发酵级数 菌种从种子罐到发酵罐扩大的次数。 二级发酵＝1个种子罐+１个发酵罐； 三级发酵＝２个种子罐+１个发酵罐； 在三级发酵中，将小种子罐（一级种子罐）的菌剂 接入到较大的二级种子罐中培养，繁殖后再接入发酵 罐中。
工业发酵培养基
活性物质 矿质养分 氮源 碳源 成分与 功能 固态发酵 液态发酵 半固态发酵 斜面培养基 对底物的 利用速率 C/N 原料 pH 浓度 种子培养基
设计配制 与原则
水 前体
生长因子
多 快 好 省
概念与 共性 培养基
类型
灭菌
发酵培养基 连续灭菌 分批灭菌
5点注意事项
组成确定
第4章：发酵工业培养基

三.矿质养分 略。CaCO3调pH！ 四.生长因子 五.水质 各地水质不一致； 六.前体 微生物合成目的产物必需的化学结构。该结构是目 的产物分子结构的骨架或目的产物分子结构的一部分 外源前体：①菌体不合成；或②合成少，不够用， 需外源加入的化学结构 内源前体：菌体细胞自身合成的化学结构
1.外源前体 产生菌不合成或合成极少，需由外源添加的、以供 合成目的产物的化合物。培养基中需加入： 实例：青霉素G/V合成：苯乙酸/苯氧乙酸。 在青霉素发酵中，加玉米浆，青霉素产量提高5倍。 原因：玉米浆中含苯乙酸等 2.内源前体 产生菌自身合成的、用于目的产物化学结构形成的 化合物 实例：α-氨基乙二酸、半胱AA、缬氨酸为青霉素、 头孢霉素C合成的前体。 目的产物“合成与否及产量高低”与“前体”密切 相关： 无前体，则目的产物合成如 “无源之水”
设计工业发酵培养基组成时，除了营养要求外，还 要考虑：原料来源与生产成本 工业培养基原料选择3原则： A.营养特性：营养丰富 B.原料来源：来源广泛 C.生产成本：价格低廉 原料类型： 6种 普通原料：碳源，氮源，矿质养分，生长因子； 特殊原料：前体，活性因子
一、碳源及其主要功能 （一）.生理功能 A.菌体生长、繁殖：提供碳源、能源 B.目的产物合成：提供C架、能源 （二）.常用碳源 ①糖类（淀粉） ②油脂 ③有机酸 ④低碳醇等 在碳源严重缺乏时，Pr水解物AA亦可作为C源。 工业发酵所用天然C源（玉米粉，薯干粉、野生植 物淀粉、纤维及半纤维素等）中亦含有大量AA、维 生素和矿质养分，即C、N、矿质养分同时存在
1.糖类 A.葡萄糖（G）：最易利用之糖，速效糖 注意两点副作用： ①产酸：G过多，呼吸作用过强，耗氧量过大， →溶解氧不能满足需要 ，培养体系处于厌氧发酵状态： →中间产物不能通过呼吸作用完全氧化，积累在菌体 或培养基中，如丙酮酸、乳酸、乙酸等导致pH下降 →影响酶活性，抑制微生物生长与产物合成； ②“葡萄糖效应”：抑制次级产物合成！！ G分解产物阻遏或抑制某些目的产物合成所必需的 酶的形成与酶的活性：导致某些次级代谢产物（抗生 素等）不能合成
（二）.按状态分 1.固态：用途：菌种分离、保存；真菌子实体生 产；真菌酶制剂生产；放线菌活菌制剂生产等 2.半固态：琼脂:0.5%～0.8%。 ①菌种鉴定：细菌“运动特征”观察； ②小曲酒生产：糖化、酒化并行； 3.液体培养基：！！发酵工业最重要的培养基， O2与养分传递容易。
§Fra Baidu bibliotek.2
发酵培养基原料
3.设计发酵级数依据的3大原则：
①菌种的性质（孢子数、孢子发芽率及生长率）： 单位体积或重量的孢子浓度大、发芽快、生长快 的菌种，发酵级数少，否则，级数多； ②发酵罐中种子的最低接种量： 接种量少者，级数少；否则，级数多（多次繁殖才 能得到足够的接种量）； ③种子罐容积（V1）与发酵罐的容积（V2）比： 容积差异或V2/V1比值愈大，级数愈多。
3.诱导剂 ①次生代谢诱导：抗生素：A因子→链霉素；B因 子→利福霉素 ②酶之诱导：诱导剂→诱导酶； Pr→Pr酶；纤维素→纤维素酶； 果胶→果胶酶；淀粉→α淀粉酶。
油脂作C源时，应注意下列问题： ①氧化分解时的耗O2量远大于糖为C源时的需O2量： 若O2不足，形成厌氧发酵条件，代谢形成的有机酸 积累，→pH下降，影响微生物酶系作用。 ②脂肪酸降解形成的“短链C架”可直接参与目的产 物合成： 提高发酵产物产量
4.有机酸 有机酸盐作C源时，随C架氧化，pH上升。原因： CH3COONa+2O2→2CO2↑+H2O+NaOH →不同C源在降解氧化时，对pH的影响不同： A.G→pH下降：供O2不足条件下； B.油/脂→pH下降：供O2不足条件下； C.有机酸盐→pH上升：Na++OH-→NaOH 5.正烷烃：C14-C18： 可用于有机酸、AA、维生素、酶制剂生产。 但因成本等原因，尚未应用；能源危机，不能用。 在不同C源上，细胞得率不同：细胞产量 各种C源的化学组分，可查阅有关手册。
B.糖蜜！！！ 糖厂生产糖时的结晶母液，副产物，含有丰富 的糖，氮素化合物，矿质元素，维生素，是发酵工 业价廉物美的原料。 糖蜜主要含蔗糖，含糖量达50%-70%（W/V）。 糖蜜分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜两种，成分不同， 使用时要查阅有关资料。 糖蜜常用于酶母的酒精发酵、丙酮丁酮生产及 抗生素发酵。
2.无机N源 ①速效N源：化学肥料，铵盐，硝酸铵、氨水， 易发生类似“G效应”的现象： 速效N快速利用，形成的“代谢产物”阻遏/抑制了参 与抗生素合成的有关酶的合成/活性，→抗生素产量大 幅度下降。
②含氮生理酸碱性盐：引起pH变化 A.（NH4）2SO4 ： NH4+利用 ，SO4-2+2H+→H2SO4, pH下降（生理酸性盐） B.NaNO3： NO3-利用 →Na++OH-→NaOH， pH上升（生理碱性盐） 生理酸、碱性盐配合理使用： 矫正pH，意义重大 实例： A.用曲霉制糖化酶：加NaNO3，→菌体粗壮、培养 时间短、糖化力高，酶活性强。