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1、4 培培 养养 基基基本要求：基本要求：1)都必须含有作为合成细胞组成的原料，都必须含有作为合成细胞组成的原料，如如碳源、氮源、无机盐、生长因子碳源、氮源、无机盐、生长因子；2)满足一般生化反应的基本条件；满足一般生化反应的基本条件；3)一定的一定的pH等条件。等条件。适宜大规模发酵的培养基适宜大规模发酵的培养基v1）经济）经济v2）副产物尽可能少）副产物尽可能少v3）原料因地制宜、价格低廉、性能稳）原料因地制宜、价格低廉、性能稳定、资源丰富、便于采购运输定、资源丰富、便于采购运输v4）满足总体工艺要求）满足总体工艺要求第一节第一节 培养基的类型及功能培养基的类型及功能一、培养基的类型一、培养
2、基的类型（一）按纯度（一）按纯度1、合成培养基：、合成培养基：成分明确、稳定。适于科研工作，在生产疫苗时，成分明确、稳定。适于科研工作，在生产疫苗时，为了防止蛋白杂质混入，也常用。为了防止蛋白杂质混入，也常用。但营养单一，价格较高。不适于大规模生产。但营养单一，价格较高。不适于大规模生产。2、天然培养基：、天然培养基：天然动植物产品。营养丰富，适于微生物生长。天然动植物产品。营养丰富，适于微生物生长。一般不需另加微量元素、维生素等物质；来源丰一般不需另加微量元素、维生素等物质；来源丰富、价格低廉，适于工业生产。富、价格低廉，适于工业生产。组分复杂，不易重复，如对原料质量等方面不加组分复杂，不易
3、重复，如对原料质量等方面不加控制会影响生产的稳定性。控制会影响生产的稳定性。（二）按状态（二）按状态1、固体培养基：、固体培养基：适于菌种和孢子培养和保存，也广泛应用于有子适于菌种和孢子培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类。实体的真菌类。常用麸皮、大米、小米、禾壳和常用麸皮、大米、小米、禾壳和琼脂琼脂等，有的还另等，有的还另加其他营养成分。加其他营养成分。2、半固体培养基：、半固体培养基：即在配好的液体培养基中加入少量即在配好的液体培养基中加入少量琼脂琼脂，一般用量，一般用量为为0.5-0.8%，培养基即呈半固体状态。，培养基即呈半固体状态。主要用于：鉴定菌种，观察细菌运动特征及噬菌体主要
4、用于：鉴定菌种，观察细菌运动特征及噬菌体的效价滴定等。的效价滴定等。3、液体培养基：、液体培养基：80-90%是水，内含可溶或不溶营养成分，是是水，内含可溶或不溶营养成分，是发酵发酵工业大规模使用的培养基工业大规模使用的培养基，它有利于氧和物质传递。，它有利于氧和物质传递。（三）按用途（三）按用途1、孢子培养基孢子培养基 供菌种繁殖孢子用。供菌种繁殖孢子用。要求：要求：能使菌体迅速生长，产生较多优质的能使菌体迅速生长，产生较多优质的孢子，不易引起菌种发生变异。孢子，不易引起菌种发生变异。基本配制要求基本配制要求：第一，营养不要太丰富第一，营养不要太丰富(特别是特别是有机氮源有机氮源)，否则不易
5、产孢子。，否则不易产孢子。第二，所用无机盐的浓度要适量，不然也第二，所用无机盐的浓度要适量，不然也会影响孢子产量和颜色。会影响孢子产量和颜色。第三，要注意孢子培养基的第三，要注意孢子培养基的pH和湿度。和湿度。2、种子培养基、种子培养基 供孢子发芽、生长和繁殖菌丝体。供孢子发芽、生长和繁殖菌丝体。要求：要求：营养丰富完全，氮源和维生素的含量高些，营养丰富完全，氮源和维生素的含量高些，总浓度略稀薄，以达到较高溶解氧。总浓度略稀薄，以达到较高溶解氧。一般用一般用天然有机氮源天然有机氮源，因为有些氨基酸能刺激孢子，因为有些氨基酸能刺激孢子发芽。但发芽。但无机氮源无机氮源容易利用，有利于菌体迅速生长，
6、所容易利用，有利于菌体迅速生长，所以常包括有机及无机氮源。以常包括有机及无机氮源。最后一级的种子培养基最好能较接近发酵培养基，最后一级的种子培养基最好能较接近发酵培养基，这样可使种子迅速适应，快速生长。这样可使种子迅速适应，快速生长。3、发酵培养基发酵培养基 是供菌种生长、繁殖和是供菌种生长、繁殖和合成产物合成产物之用。既要迅之用。既要迅速生长、又要能迅速合成产物。速生长、又要能迅速合成产物。因此，除有生长所必需的元素和化合物外，还因此，除有生长所必需的元素和化合物外，还要有产物所需元素、前体和促进剂。要有产物所需元素、前体和促进剂。生长和合成生长和合成产物需要的总的碳源、氮源、磷源产物需要的
7、总的碳源、氮源、磷源等的浓度太高，或两阶段各需的最佳条件不同时，等的浓度太高，或两阶段各需的最佳条件不同时，则考虑则考虑分批补料分批补料。第二节第二节 发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 工业微生物绝大部分都是工业微生物绝大部分都是异养型微生物异养型微生物，它需要碳水化合物、蛋白质和前体等物质提供它需要碳水化合物、蛋白质和前体等物质提供能量和构成特定产物的需要。能量和构成特定产物的需要。一、碳源一、碳源 常用碳源：常用碳源：糖类、油脂、有机酸和低碳醇。糖类、油脂、有机酸和低碳醇。葡萄糖：葡萄糖：最易利用，是加速生长的有效的糖。最易利用，是加速生长的有效的糖。但过多会过分加速菌体呼吸，
8、以致溶解氧不能满足需但过多会过分加速菌体呼吸，以致溶解氧不能满足需要，使一些中间代谢物积累，要，使一些中间代谢物积累，pH下降，影响微生物生长和下降，影响微生物生长和产物合成。产物合成。糖蜜：糖蜜：制糖结晶母液，蔗糖厂的副产物，含丰富的糖、氮、制糖结晶母液，蔗糖厂的副产物，含丰富的糖、氮、无机盐、维生素等。主要含蔗糖，总糖可达无机盐、维生素等。主要含蔗糖，总糖可达50一一75%。甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的成分有所不同。甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的成分有所不同。糖蜜常用在酵母和丙酮丁醇的生产中，抗生素等微生糖蜜常用在酵母和丙酮丁醇的生产中，抗生素等微生物工业也常用它作碳源。物工业也常用它作碳源。酒精生产中若用
9、糖蜜代甘薯粉，可省去蒸煮、制曲、酒精生产中若用糖蜜代甘薯粉，可省去蒸煮、制曲、糖化等过程，简化了工艺。糖化等过程，简化了工艺。淀粉、糊精：淀粉、糊精：淀粉在发酵工业中被普通使用，它可克服葡萄糖代谢淀粉在发酵工业中被普通使用，它可克服葡萄糖代谢过快的弊病，同时淀粉过快的弊病，同时淀粉来源丰富来源丰富，价格也比较低廉价格也比较低廉。常用：玉米淀粉，小麦淀粉和甘薯淀粉等。常用：玉米淀粉，小麦淀粉和甘薯淀粉等。有些微生物可直接利用玉米粉、土豆粉作碳源。有些微生物可直接利用玉米粉、土豆粉作碳源。纤维素和含淀粉较多的野生植物也是今后开发碳源的纤维素和含淀粉较多的野生植物也是今后开发碳源的广阔天地。广阔天地
10、。油和脂肪：油和脂肪：u脂肪作碳源时需供给比糖代谢脂肪作碳源时需供给比糖代谢更多的氧更多的氧，否则，大量脂，否则，大量脂肪酸和代谢中的有机酸积累，肪酸和代谢中的有机酸积累，pH下降，影响酶作用。下降，影响酶作用。u 常用的油：常用的油：豆油、菜油、葵花子油、猪油、鱼油、棉豆油、菜油、葵花子油、猪油、鱼油、棉子油等。子油等。有机酸：有机酸：p 乳酸、柠檬酸、乙酸等有机酸或它的盐也能作碳源。乳酸、柠檬酸、乙酸等有机酸或它的盐也能作碳源。p 有机酸的利用常会使有机酸的利用常会使pH上升上升，尤其是有机酸盐氧化时，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生。常伴随着碱性物质的产生。p 不同碳源在氧化
11、时，对不同碳源在氧化时，对pH的影响各不相同。的影响各不相同。烃和醇类：烃和醇类：正烷烃、乙醇等正烷烃、乙醇等二、二、氮源氮源 A 有机氮源有机氮源 常用常用：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米：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、废菌丝蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟等。体和酒糟等。它们在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸，被它们在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸，被吸收后再进一步分解代谢。吸收后再进一步分解代谢。玉米浆：玉米浆：易被利用的氮源，含丰富氨基酸、还原糖、磷、微量易被利用的氮源，含丰富氨
12、基酸、还原糖、磷、微量元素。含元素。含磷酸肌醇，磷酸肌醇，对促进红霉素、链霉素、青霉素和土对促进红霉素、链霉素、青霉素和土霉素的生产有作用。霉素的生产有作用。玉米来源不同，加工条件不同，玉米浆的玉米来源不同，加工条件不同，玉米浆的成分常有较成分常有较大波动大波动，在使用时应注意适当调配。，在使用时应注意适当调配。尿素：尿素：常用有机氮源常用有机氮源 在青霉素、谷氨酸等生产中也常被采用。尤其是在谷在青霉素、谷氨酸等生产中也常被采用。尤其是在谷氨酸生产中，尿素可提高谷氨酸的生产。氨酸生产中，尿素可提高谷氨酸的生产。有机氮源有的还是产物的前体有机氮源有的还是产物的前体。n 常用的有：常用的有：铵盐、
13、硝酸盐和氨水等。也称为铵盐、硝酸盐和氨水等。也称为速效氮源速效氮源。n 无机氮源的迅速利用会引起无机氮源的迅速利用会引起pH的变化。的变化。n生理酸性物质：硫酸铵。生理酸性物质：硫酸铵。n生理碱性物质：硝酸钠。生理碱性物质：硝酸钠。n 正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的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。有积极作用。B 无机氮源无机氮源氨水：氨水：p在发酵中除可以调节在发酵中除可以调节pH外，它也是一种容易被利用的氮外，它也是一种容易被利用的氮源，在许多抗生素的生产中得到普遍使用。源，在许多抗生素的生产中得到普遍使用。p氨水因碱性较强，因此使用时要防止局部
14、过碱，加强搅拌，氨水因碱性较强，因此使用时要防止局部过碱，加强搅拌，并少量多次地加入。并少量多次地加入。p另外在氨水中还含有多种嗜碱性微生物，因此在使用前应另外在氨水中还含有多种嗜碱性微生物，因此在使用前应用石棉等过滤介质进行除菌过滤。用石棉等过滤介质进行除菌过滤。三、三、无机盐及微量元素无机盐及微量元素9作为生物活性物质的组成或生理活性作用的调节物。作为生物活性物质的组成或生理活性作用的调节物。9低浓度时对生长和产物合成有促进作用，高浓度时常表低浓度时对生长和产物合成有促进作用，高浓度时常表现出明显的抑制作用。现出明显的抑制作用。9不同微生物及不同的生长阶段对这些物质的最适浓度要不同微生物及
15、不同的生长阶段对这些物质的最适浓度要求均不相同。求均不相同。钴、铜、铁、锰、锌钴、铜、铁、锰、锌等微量元素，除了合成培养基外，等微量元素，除了合成培养基外，一般不再另外单独加入。一般不再另外单独加入。但有些发酵上业中也有单独加入微量元素：但有些发酵上业中也有单独加入微量元素：例如：例如：生产维生素生产维生素B12，因钴是组成成分，因此因钴是组成成分，因此需要加入氯化钴。需要加入氯化钴。镁、磷、钾、硫、钙和氯等常以盐的形式加入镁、磷、钾、硫、钙和氯等常以盐的形式加入:例如：例如：硫酸镁、磷酸二氢钾、磷酸二钾、碳酸钙、硫酸镁、磷酸二氢钾、磷酸二钾、碳酸钙、氯化钾等。氯化钾等。磷磷 具有重要代谢调节
16、作用，有利于糖代谢，具有重要代谢调节作用，有利于糖代谢，能促进微生物能促进微生物的生长的生长，但磷若过多时，许多产物的合成受抑制。，但磷若过多时，许多产物的合成受抑制。例例:链霉素、土霉素、新生霉素、柠檬酸等都受到磷浓链霉素、土霉素、新生霉素、柠檬酸等都受到磷浓度的影响。许多次级代谢过程对磷酸盐的承受限度比生长度的影响。许多次级代谢过程对磷酸盐的承受限度比生长繁殖过程低，必须严格控制。繁殖过程低，必须严格控制。但也有一些产物但也有一些产物要求磷酸盐浓度高些要求磷酸盐浓度高些。例如：淀粉酶，。例如：淀粉酶，添加超过菌体生长所需要的磷酸盐浓度，则能显著增加。添加超过菌体生长所需要的磷酸盐浓度，则能
17、显著增加。钙：钙：培养基中钙盐过多培养基中钙盐过多:形成磷酸钙沉淀形成磷酸钙沉淀 分别消毒或逐渐补加分别消毒或逐渐补加。CaCO3 作为作为调节缓冲剂调节缓冲剂，在培养基为中性时加入。，在培养基为中性时加入。镁：镁：u 除叶绿素，不参与细胞的组成。除叶绿素，不参与细胞的组成。u 酶激活剂酶激活剂，影响基质氧化与蛋白质合成。，影响基质氧化与蛋白质合成。u 常以常以硫酸镁硫酸镁加入，碱性溶液中会生成氢氧化镁沉淀，加入，碱性溶液中会生成氢氧化镁沉淀，配料时要注意。配料时要注意。硫；硫；u硫是含硫氨基酸的成分和某些辅酶的活性基，如辅酶硫是含硫氨基酸的成分和某些辅酶的活性基，如辅酶 A、硫辛酸和谷胱甘肽
18、等。硫辛酸和谷胱甘肽等。u在某些产物中在某些产物中硫硫是组成元素。在其生产培养基中，需要是组成元素。在其生产培养基中，需要加入加入硫酸钠或硫代硫酸钠硫酸钠或硫代硫酸钠等含硫化合物作硫源。等含硫化合物作硫源。铁：铁：u 是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的成分，是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的成分，是菌体有氧氧化必不可少的元素。是菌体有氧氧化必不可少的元素。u 铁制发酵罐内铁制发酵罐内的溶液即使不加任何含铁化合物，其铁的溶液即使不加任何含铁化合物，其铁离子浓度已达离子浓度已达30 ug/ml。u一些天然培养基的原料中也含有铁，所以在一般发酵培一些天然培养基的原料中也含有铁，所以在一般
19、发酵培养基中不再加入含铁化合物。养基中不再加入含铁化合物。u有些产品对铁很敏感：有些产品对铁很敏感：例例1：青霉素要求最适铁含量在：青霉素要求最适铁含量在20 ug/ml以下。以下。例例2：柠檬酸生产中，铁离子会激活顺乌头酸酶，使：柠檬酸生产中，铁离子会激活顺乌头酸酶，使柠檬酸进一步代谢为异柠檬酸，据报导在无铁培养基中柠檬酸进一步代谢为异柠檬酸，据报导在无铁培养基中产酸率可比含铁培养基提高近产酸率可比含铁培养基提高近3倍。倍。例例3：生产啤酒时，糖化用水若铁离子浓度高，就会：生产啤酒时，糖化用水若铁离子浓度高，就会降低酵母发酵活力。降低酵母发酵活力。氯：氯：u一般不具营养作用，但嗜盐菌除外。一
20、般不具营养作用，但嗜盐菌除外。u在含氯产物发酵中，除从原料和水中带入的氯外，还需加在含氯产物发酵中，除从原料和水中带入的氯外，还需加入约入约0.1%氯化钾以补充氯离子。氯化钾以补充氯离子。u啤酒糖化时，氯离子在啤酒糖化时，氯离子在20-60 mg/l内，能赋于啤酒口味内，能赋于啤酒口味柔和，并对酶和酵母的活性有促进作用。但氯含量过高会引柔和，并对酶和酵母的活性有促进作用。但氯含量过高会引起酵母早衰，使啤酒带有咸味。起酵母早衰，使啤酒带有咸味。钠：钠：与维持细胞渗透压有关，故在培养基中常加入少量与维持细胞渗透压有关，故在培养基中常加入少量钠盐，但用量不能过；否则会影响生长。钠盐，但用量不能过；否
21、则会影响生长。钾：钾：与细胞渗透压和透性有关，是许多酶的激活剂，能促与细胞渗透压和透性有关，是许多酶的激活剂，能促进糖代谢。进糖代谢。在谷氨酸发酵中，菌体生长时需要钾离子约在谷氨酸发酵中，菌体生长时需要钾离子约0.01%，生产谷氨酸时需要约为，生产谷氨酸时需要约为0.02-0.1%(以硫酸钾计以硫酸钾计)。四、前体促进剂和抑制剂四、前体促进剂和抑制剂1、前体、前体 u 能直接结合到产物中，而自身结构没有多大变化，但能直接结合到产物中，而自身结构没有多大变化，但是产物产量却有较大提高。是产物产量却有较大提高。u 有些前体浓度过高时对菌体有毒性。此外，菌体还能有些前体浓度过高时对菌体有毒性。此外，
22、菌体还能分解前体，因此常采用少量多次地加入。分解前体，因此常采用少量多次地加入。u 青霉素生产中，加入玉米浆，产量增加，原因是青霉素生产中，加入玉米浆，产量增加，原因是玉米玉米浆含有苯乙胺浆含有苯乙胺，被优先结合到青霉素分子中去。，被优先结合到青霉素分子中去。表表4-8 发酵过程中所用的一些前体物质发酵过程中所用的一些前体物质P1072、抑制剂；、抑制剂；u 会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一代谢途径会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一代谢途径活跃，从而获得人们所需的某种产物，或使正常代谢的某活跃，从而获得人们所需的某种产物，或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来。一代谢中间物积累起来。3、促进剂、促进剂 指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂。量的添加剂。例例 控制控制生物素生物素的加入量，可以促进谷氨酸从细的加入量，可以促进谷氨酸从细胞内分泌到细胞外。胞内分泌到细胞外。