培养基的成分与合成

1、单元三单元三 发酵培养基发酵培养基培养基培养基广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生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养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。必须的条件。 项目一项目一 培养基的类型与功能培养基的类型与功能（1）按培养基组成物质的化学成分合成培养基、天然培养基、半合成培养基。（2）按物理性质固体、液体（3）按用途选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等一、培养基的分类（1）天然培养基 是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的

2、浸出物、水解液等物质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等)制成的。 适合于各类异养微生物生长，而一般自养微生物都不能生长。 是用化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素 适用于在实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究工作。 但一般微生物在合成培养基上生长较慢，有些微生物营养要求复杂，在合成培养基上不能生长。（2）合成培养基（3）半合成培养基 多数培养基配制是采用一部分天然有机物作碳源、氮源和生长因子的来源，再适当加入一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物对营养的需要。 大多数微生物都能在此培养基上生

3、长繁殖。因此，在微生物工业生产上和试验研究中被广泛使用。 即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为0.5%0.8% ,主要用于微生物的鉴定。 80% 80%90%90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。分，是发酵工业大规模使用的培养基。 常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本理论研究工作。 发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。 在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养 微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴定菌种的参考。（1） 液体培养基：（2） 固体培养基分类：斜面试管、平板等是在

4、液体培养基中加入凝固剂配成的，最常用的凝固剂是琼脂。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类，如香菇、白木耳等的生产。q作用：这是供微生物细胞生长繁殖用的，包括细菌，酵母等的斜面培养基以及霉菌、放线菌生孢子培养基或麸曲培养基等。这类培养基主要作用是供给细胞生长繁殖所需的各类营养物质。斜面培养基作用： 固体培养基在菌种的分离、保藏、菌落特征的观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。 在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养霉菌等的固体种子和发酵培养基是由麸皮等农作物加无机元素等制成的。z增殖培养基：可以配制成适合某种微生物生长而不适合其他微生物生长，从而达到从自然界分离这种微

5、生物的目的。z鉴别培养基：是根据微生物能否利用培养基中某种营养成分，借助指示剂的显色反应，以鉴别不同种类的微生物。z选择培养基：是在培养基内加入某种化学物质以抑制不需要菌的生长，而促进某种需要菌的生长。工业发酵中培养基往往是依据生产流程和作用分为：斜面培养基种子培养基发酵培养基摇瓶培养基二、发酵生产中的培养基类型q特点：1.富含有机氮源，少含或不含糖分。有机氮有利于菌体的生长繁殖，能获得更多的细胞。2.对于放线菌或霉菌的产孢子培养基，则氮源和碳源均不宜太丰富，否则容易长菌丝而较少形成孢子。3.斜面培养基中宜加少量无机盐类，供给必要的生长因子和微量元素。 2种子培养基(包括摇瓶种子和小罐种子培养

6、基)： 培养种子的目的：1.扩大培养，增加细胞数量；同时也必须培养出强壮、健康、活性高的细胞。为了使细胞迅速进行分裂或菌丝快速生长。种子培养基特点：1.必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要充足的氮源和生长因子。2. 种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些易被吸收利用的碳源和氮源碳源和氮源。3. 种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近。3发酵培养基 发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。 （1）根据产物合成的特点来设计培养基： 对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分满足细胞生长繁

7、殖的培养基就能获得最大的产物。 对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。 （2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些，这样在同等或相近的转化率条件下有利于提高单位容积发酵罐的利用率，增加经济效益。 （3）发酵培养基需耗用大量原料，因此，原料来源、原材料的质量以及价格等必须予以重视。项目二项目二 培养基的成分培养基的成分一、培养基配制的基本原则 1、必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分; 2、有利于减少培养基原料的单耗,提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率; 3、有利于提高培养物和产物的浓度,以提高单位容积发酵

8、罐的生产能力; 4、有利于提高产物的合成速度,缩短发酵周期; 5、尽量减少副产物和“三废”的形成,便于产物的分离纯化; 6、原料价格低廉,质量稳定,取材容易; 7、所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响,利于提高氧的利用率,降低能耗。二、培养基选择须考虑的因素培养基选择须考虑的因素1 1、从微生物的特点来选择培养基、从微生物的特点来选择培养基2 2、液体和固体培养基的选择、液体和固体培养基的选择3 3、从生产实践和科学试验的不同要求选择、从生产实践和科学试验的不同要求选择4 4、从经济效益选择生产原料、从经济效益选择生产原料三、培养基的具体配制原则培养基的具体配制原则1 1、根据不同微生

9、物的营养需要配制不同的培养基；、根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基； 2 2、营养成分的恰当配比；、营养成分的恰当配比；3 3、渗透压；、渗透压；4 4、pHpH值；值；5 5、氧化还原电位；、氧化还原电位；6 6、营养成分的加入顺序。、营养成分的加入顺序。发酵培养基的要求发酵培养基的要求 培养基能够满足产物最经济的合成。培养基能够满足产物最经济的合成。 发酵后所形成的副产物尽可能的少。发酵后所形成的副产物尽可能的少。 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源 丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的丰富，便于采购运输

10、，适合大规模储藏，能保证生产上的 供应。供应。 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响 通气、提取、纯化及废物处理等。通气、提取、纯化及废物处理等。 微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶将周围环境中大分子的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。 所有发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的能源，包括碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等。对于大规模发酵生产，除考虑上述微生物的需要外，还必须重视培养基原料的价格和来源。微生物的营养来源一、能源 自养菌：光

11、；氢，硫胺；亚硝酸盐，亚铁盐。 异养菌：碳水化合物等有机物，石油天然气和石油化工产品，如醋酸。二、碳源二、碳源1 1、作用、作用提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分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提供合成目的产物所必须的碳成分碳酸气；淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等石油、正构石蜡，天然气醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品糖类、油脂、有机酸、正烷烃2 2、来源、来源3 3、工业上常用的糖类、工业上常用的糖类 葡萄糖葡萄糖 所有的微生物都能利用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但是会引起葡萄糖效应q

12、 工业上常用淀粉水解糖工业上常用淀粉水解糖, ,但是糖液必须达到但是糖液必须达到一定的质量指标。一定的质量指标。不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大 糖蜜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，总糖可达糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%50%75%75%。一般糖蜜分甘。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响糖蜜使用的注意点：糖蜜使用的注意点：除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许除糖份外

13、，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。多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。例：谷氨酸发酵例：谷氨酸发酵有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制）生物素（发酵控制）预处理：澄清预处理：澄清脱钙脱钙脱除生物素脱除生物素例：柠檬酸发酵例：柠檬酸发酵有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）预处理：预处理：黄血盐黄血盐 淀粉、糊精淀粉、糊精使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类缺

14、点：难利用、缺点：难利用、 发酵液比较稠、一般发酵液比较稠、一般2.0%2.0%时加入一定的时加入一定的-淀粉酶淀粉酶 成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格底优点：来源广泛、价格底 难利用，可以解除葡萄糖效应难利用，可以解除葡萄糖效应例：地衣牙孢杆菌生产例：地衣牙孢杆菌生产-淀粉酶淀粉酶碳源对生长和产酶的影响碳源对生长和产酶的影响碳源碳源 细胞量细胞量 -淀粉酶淀粉酶葡萄糖葡萄糖 4.2 0 4.2 0 蔗糖蔗糖 4.02 04.02 0糊精糊精 3.06 38.23.06 38.2淀粉淀粉 3.09 40.23.09 40.2三

15、、氮源三、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：有机氮源和无机氮源。1.来源豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒糟水等有机氮尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮气态氮2 2、无机氮源、无机氮源种类：氨盐、硝酸盐和氨水特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利用的氮源。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 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，这种经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源

16、叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种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： q 满足菌体生长q 稳定和调节发酵过程中的pH2 2、有机氮源、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，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。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： 可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 较多的乳酸 硫、磷、微量元素等 有机氮源成分复杂可以从多个

17、方面对发酵过程进行影响，而另一方面有机氮源的来源具有不稳定性。所以在有机氮源选取时和使用过程中，必须考虑原料的波动对发酵的影响。氮源使用的一些相关问题：q 有机氮源和无机氮源应当混合使用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早期：容易利用易同化的氮源无机氮源无机氮源中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质q 有些产物会受氮源的诱导和阻遏有些产物会受氮源的诱导和阻遏例：例： 蛋白酶的生产蛋白酶的生产q 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力q 开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣开发效果好、

18、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣 的课题的课题四、无机盐的微量元素1、作用：各种不一样2、来源：C、N源，以盐的形式补充3、用量：根据具体的产品，以实验决定，P1044、使用注意点A. 对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和量元素在发酵过程中必须加以考虑例：铁离子 青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20g/ml 发酵罐必须进行表面处理B、使用时注意盐的形式（pH的变化）例：黑曲酶NRRL-330,生产-淀粉酶，P对酶活的影响 pH 酶活不加 4.25 120分钟加 K2HPO4 5.45 30分钟加 KH2PO4 4.62 75分钟五、生长因子、前体和产物促进剂 从广义上讲，凡是微生物生

19、长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。 1、生长因子 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 。 有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B簇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 前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，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。2、前体青霉素：分子量青霉素：分子量356356苯乙酸苯乙酸: :分子量分子量136136作用：前体有助于提高产量和组份作用：前体有助于提高产量和组份 P107用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化 率的问题率的问题例：例：6000单位单位/ml的青霉素的青霉素G,需要多少苯乙酸需要多少苯乙酸 青霉素青霉素6000*0.6（微克）（微克）36mg/ml 苯乙酸（苯乙酸（36*136）/356=13.8mg/ml=1.38%实际使用时的转化率在