前言
培養(yǎng)基是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的、按一定比例配制的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。
培養(yǎng)基組成對菌體生長繁殖、產(chǎn)物的生物合成、產(chǎn)品的分離精制乃至產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都有重要的影響。
微生物的營養(yǎng)活動是依靠向外界分泌大量的酶，將周圍環(huán)境中大分子蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)分解成小分子化合物，借助于細(xì)胞膜的滲透作用，吸收這些小分子營養(yǎng)物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。不同的微生物的生長情況不同或合成不同的發(fā)酵產(chǎn)物時所需的培養(yǎng)基有所不同，但對于所有發(fā)酵生產(chǎn)用培養(yǎng)基的設(shè)計仍存在某些共同點(diǎn)可供遵循，這就是所有的發(fā)酵培養(yǎng)基都必須提供微生物生長繁殖和產(chǎn)物合成所需的碳源、氮源、無機(jī)元素、生長因子、水和氧氣等。
在面對不同產(chǎn)物以及不同培養(yǎng)目的的微生物時往往會對培養(yǎng)基采取不同的優(yōu)化，選擇不同的培養(yǎng)基以求達(dá)到最佳效果。
優(yōu)化研究中使用的各種技術(shù)示意圖
對于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，除考慮上述微生物的需要外，還必須重視培養(yǎng)基原料的價格和來源以控制成本和保證生產(chǎn)的穩(wěn)定。
接下來菌菌就和大家一起從培養(yǎng)基的選擇和配置角度出發(fā)，一起學(xué)習(xí)工業(yè)端發(fā)酵培養(yǎng)的相關(guān)知識。
一、培養(yǎng)基的選擇
不同的微生物對培養(yǎng)基的需求是不同的，因此，不同微生物培養(yǎng)過程對原料的要求也是不一樣的。應(yīng)根據(jù)具體情況，從微生物營養(yǎng)要求的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝的要求出發(fā)，選擇合適的營養(yǎng)基，使之既能滿足微生物生長的需要，又能獲得高產(chǎn)的產(chǎn)品，同時也要符合增產(chǎn)節(jié)約、因地制宜的原則。
1.根據(jù)微生物的特點(diǎn)選擇培養(yǎng)基
用于大規(guī)模培養(yǎng)的微生物主要有細(xì)菌、酵母菌、霉菌和放線菌等四大類。它們對營養(yǎng)物質(zhì)的要求不盡相同，有共性也有各自的特性。在實(shí)際應(yīng)用時，要依據(jù)微生物的不同特性，來考慮培養(yǎng)基的組成，對典型的培養(yǎng)基配方需作必要的調(diào)整。
大腸桿菌為兼性菌類，可在缺氧環(huán)境中發(fā)酵；
細(xì)菌對于氧氣要求較高，分為好氧培養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)；
霉菌對于培養(yǎng)溫度要求較高；
放線菌碳源主要是葡萄糖、麥芽糖以及淀粉等，并且能夠以蛋白胨、牛肉膏、硝酸鹽以及銨鹽等作為氮源
霉菌
酵母菌
放線菌
細(xì)菌
2.根據(jù)發(fā)酵方式選擇培養(yǎng)基
液體和固體培養(yǎng)基各有用途，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。在液體培養(yǎng)基中，營養(yǎng)物質(zhì)是以溶質(zhì)狀態(tài)溶解于水中，這樣微生物就能更充分接觸和利用營養(yǎng)物質(zhì)，更有利于微生物的生長和更好地積累代謝產(chǎn)物。工業(yè)上，利用液體培養(yǎng)基進(jìn)行的深層發(fā)酵具有發(fā)酵效率高，操作方便，便于機(jī)械化、自動化，降低勞動強(qiáng)度，占地面積小，產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。所以發(fā)酵工業(yè)中大多采用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)種子和進(jìn)行發(fā)酵，并根據(jù)微生物對氧的需求，分別作靜止或通風(fēng)培養(yǎng)。而固體培養(yǎng)基則常用于微生物菌種的保藏、分離、菌落特征鑒定、活細(xì)胞數(shù)測定等方面。此外，工業(yè)上也常用一些固體原料，如小米、大米、麩皮、馬鈴薯等直接制作成斜面或茄子瓶來培養(yǎng)霉菌、放線菌。
3.從生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)的不同要求選擇
生產(chǎn)過程中，由于菌種的保藏、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)到發(fā)酵生產(chǎn)等各個階段的目的和要求不同，因此，所選擇的培養(yǎng)基成分配比也應(yīng)該有所區(qū)別。
一般來說，種子培養(yǎng)基主要是供微生物菌體的生長和大量增殖。為了在較短的時間內(nèi)獲得數(shù)量較多的強(qiáng)壯的種子細(xì)胞，種子培養(yǎng)基要求營養(yǎng)豐富、完全，氮源、維生素的比例應(yīng)較高，所用的原料也應(yīng)是易于被微生物菌體吸收利用。常用葡萄糖、硫酸銨、尿素、玉米漿、酵母膏、麥芽汁、米曲汁等作為原料配制培養(yǎng)基。
而發(fā)酵培養(yǎng)基除需要維持微生物菌體的正常生長外，主要是要求合成預(yù)定的發(fā)酵產(chǎn)物，所以，發(fā)酵培養(yǎng)基碳源物質(zhì)的含量往往要高于種子培養(yǎng)基。當(dāng)然，如果產(chǎn)物是含氮物質(zhì)，應(yīng)相應(yīng)地增加氮源的供應(yīng)量。
除此之外，發(fā)酵培養(yǎng)基還應(yīng)考慮便于發(fā)酵操作以及不影響產(chǎn)物的提取分離和產(chǎn)品的質(zhì)量。
4.從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮選擇生產(chǎn)原料
從科學(xué)的角度出發(fā)，培養(yǎng)基的經(jīng)濟(jì)性通常是不被那么重視，而對于生產(chǎn)過程來講，由于配制發(fā)酵培養(yǎng)基的原料大多是生物原料、油脂、蛋白質(zhì)等，且工業(yè)發(fā)酵消耗原料量大，因此，在工業(yè)發(fā)酵中選擇培養(yǎng)基原料時，除了必須考慮容易被微生物利用并滿足生產(chǎn)工藝的要求外，還應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)效益，必須以價廉、來源豐富、運(yùn)輸方便、就地取材以及沒有毒性等為原則選擇原料。
二、培養(yǎng)基的配制原則
培養(yǎng)基的配制必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分；有利于減少培養(yǎng)基原料的單耗，單位營養(yǎng)物質(zhì)所合成產(chǎn)物數(shù)量大或產(chǎn)率大；有利于提高培養(yǎng)基產(chǎn)物的濃度，以提高單位容積發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力；有利于提高產(chǎn)物的合成速度，縮短發(fā)酵周期；盡量減少副產(chǎn)物的形成；減少對發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，有利于提高氧的利用率、降低能耗；有利于產(chǎn)品的分離和純化；并盡可能減少產(chǎn)生廢物的物質(zhì)。
1.根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基
不同的微生物所需要的培養(yǎng)基成分是不同的，要確定一個合適的培養(yǎng)基，就需要了解生產(chǎn)用菌種的來源、生理生化特性和一般的營養(yǎng)要求，根據(jù)不同生產(chǎn)菌種的培養(yǎng)條件、生物合成的代謝途徑、代謝產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)等確定培養(yǎng)基。
2.營養(yǎng)成分的恰當(dāng)配比
微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)谋壤?，培養(yǎng)基中的碳氮的比例(C／N)在發(fā)酵工業(yè)中尤其重要。不同的微生物菌種、不同的發(fā)酵產(chǎn)物所要求的碳氮比是不同的。菌體在不同生長階段，對其碳氮比的最適要求也不一樣。培養(yǎng)基的碳氮比不僅會影響微生物菌體的生長，同時也會影響到發(fā)酵的代謝途徑。由于碳既作碳架又作能源，所以用量要比氮多。從元素分析來看，酵母細(xì)胞中碳氮比約為100:20，霉菌約為100:10。一般發(fā)酵工業(yè)中培養(yǎng)基碳氮比約為100:(0.2～2.0)，但在氨基酸發(fā)酵中，因?yàn)楫a(chǎn)物中含有氮，所以碳氮比就相對高一些。如谷氨酸發(fā)酵的碳氮比為100:(15～21)，若碳氮比為100:(0.2～2.0)，則會出現(xiàn)只長菌體，幾乎不產(chǎn)谷氨酸的現(xiàn)象。
一般情況下，碳氮比偏小，能導(dǎo)致菌體的旺盛生長，易造成菌體提前衰老自溶，影響產(chǎn)物的積累；碳氮比過大，菌體繁殖數(shù)量少，不利于產(chǎn)物的積累；碳氮比較合適，但碳源、氮源濃度高，仍能導(dǎo)致菌體的大量繁殖，增大發(fā)酵液粘度，影響溶解氧濃度，容易引起菌體的代謝異常，影響產(chǎn)物合成；碳氮比較合適，但碳源、氮源濃度過低，會影響菌體的繁殖，同樣不利于產(chǎn)物的積累。
3.滲透壓
配制培養(yǎng)基時，應(yīng)注意營養(yǎng)物質(zhì)要有合適的濃度。
營養(yǎng)物質(zhì)的濃度太低，不僅不能滿足微生物生長對營養(yǎng)物質(zhì)的需求，而且也不利于提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量和提高設(shè)備的利用率。
培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度過高時，由于培養(yǎng)基溶液的滲透壓太大，會抑制微生物的生長。
此外培養(yǎng)基中的各種離子的濃度比例也會影響到培養(yǎng)基的滲透壓和微生物的代謝活動，因此，培養(yǎng)基中各種離子的比例需求要平衡。在發(fā)酵生產(chǎn)過程中，在不影響微生物的生理特性和代謝轉(zhuǎn)化率的情況下，通常趨向在較高濃度下進(jìn)行發(fā)酵，以提高產(chǎn)物產(chǎn)量，并盡可能選育高滲透壓的生產(chǎn)菌株。
4.pH值
各種微生物的正常生長均需要有合適的pH值，一般霉菌和酵母菌比較適于微酸性環(huán)境，放線菌和細(xì)菌適于中性或微堿性環(huán)境。為此，當(dāng)培養(yǎng)基配制好后，若pH值不合適，必須加以調(diào)節(jié)。當(dāng)微生物在培養(yǎng)過程中改變培養(yǎng)基的pH值而不利于本身的生長時，應(yīng)以微生物菌體對各種營養(yǎng)成分的利用速度來考慮培養(yǎng)基的組成，同時加入緩沖劑，以調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值。
5.氧化還原電位
對大多數(shù)微生物來說，培養(yǎng)基的氧化還原電位一般對其生長的影響不大，即適合它們生長的氧化還原電位范圍較廣。但對于厭氧菌，由于氧的存在對其有毒害作用，因而往往在培養(yǎng)基中加入還原劑以降低氧化還原電位。
三、培養(yǎng)基成分配比的選擇
培養(yǎng)基的組分、配比、緩沖能力、黏度、滅菌是否徹底、滅菌后營養(yǎng)破壞的程度及原料中雜質(zhì)的含量都對菌體生長和產(chǎn)物形成有影響。目前還只能在生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等的基本理論指導(dǎo)下，參照前人所使用的較適合于某一類菌種的培養(yǎng)基（常稱為基礎(chǔ)培養(yǎng)基）的經(jīng)驗(yàn)配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，采用搖瓶等小型發(fā)酵設(shè)備，對碳、氮、無機(jī)鹽和前體等進(jìn)行逐個單因子試驗(yàn)，觀察這些因子對菌體生長和產(chǎn)物合成量的影響，最后再綜合考慮各因素的影響，得到一個適合該菌種的培養(yǎng)基的配方，在大規(guī)模生產(chǎn)中進(jìn)行必要的調(diào)整，以獲得高產(chǎn)。
為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可考慮用“正交試驗(yàn)設(shè)計”等數(shù)學(xué)方法來確定培養(yǎng)基組分和濃度，它可以通過比較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)而得到較滿意的結(jié)果，另外，還可通過方差分析，了解哪些因素影響較大，以引起人們的注意。
需要注意的是考慮碳源、氮源時，要注意快速利用的碳(氮)源和慢速利用的碳(氮)源的相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，避其所短，選用適當(dāng)?shù)奶嫉龋–/N）。
氮源過多，則菌體繁殖旺盛，pH值偏高，不利于代謝產(chǎn)物的積累；
氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量。
碳源過多，則容易形成較低的pH值；
碳源不足，菌體衰老和自溶。
在考慮培養(yǎng)基所用的有機(jī)氮源時，要特別注意原料的來源、加入方法和有效成分的含量。制備培養(yǎng)基時，也應(yīng)該考慮水分含量。
另外還要注意生理酸、堿性鹽和pH緩沖劑的加入和搭配，根據(jù)該菌種在現(xiàn)有工藝設(shè)備的條件下，其生長和合成產(chǎn)物時pH值的變化情況，以及最適pH值所控制范圍等，綜合考慮選用什么生理酸、堿性物質(zhì)及用量，從而保證在整個發(fā)酵過程中pH值都能維持在最佳狀態(tài)。有時考慮用中間補(bǔ)料來控制pH值。
凡是代謝后能產(chǎn)生酸性物質(zhì)的營養(yǎng)成分叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸銨。
凡是代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的營養(yǎng)成分叫生理堿性物質(zhì)，如硝酸鹽、乙酸鈉等。
培養(yǎng)基各成分用量的多少，大部分是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而來。為了不斷提高培養(yǎng)產(chǎn)物的產(chǎn)量和利用效率并減少成本，需要對不同的產(chǎn)物代謝途徑不斷深入分析，對培養(yǎng)的成分不斷改進(jìn)。
四、總結(jié)
以上就是本次的關(guān)于工業(yè)端發(fā)酵培養(yǎng)基的簡述。總的來說，從工業(yè)生產(chǎn)角度出發(fā)，為了保證菌種的發(fā)酵成功以及產(chǎn)物的生成，對于培養(yǎng)基需要從諸多角度進(jìn)行把控，以求取得在成本、產(chǎn)出以及發(fā)酵難度之間的平衡。追求全面的優(yōu)勢往往會帶來更大的缺陷，只有滿足最主要的需求并盡可能控制其他的影響才是最適合的。
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