3 发酵工业培养基.ppt

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1、第三章发酵工业培养基1n培养基(medium)是人工配制的、供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需的多种营养物质的混合物。n培养基对菌体的生长繁殖、产物的生物合成、产品的别离精制以及产品的质量和产量都有显著的影响。n在微生物药物的发酵生产中，由于产生菌的生理生化特性、发酵设备和工艺条件的不同，所采用的培养基是各不相同的。n即使同一个菌种，不同的培养目的、不同的发酵阶段，其培养基组成也不完全一样。应用适宜的培养基能充分发挥产生菌合成微生物产物的能力，提高产品的质量和产量。n对于某个特定的菌种，往往要经过较长时间的实验室研究，并经过一定的生产实践，才能确定一个适合菌体生长和产生目的代谢产物的培

2、养基配方。然而，这个培养基配方也不是一成不变的。随着菌种遗传特性的改变、培养基原料来源的变化、发酵工艺条件的改进以及发酵罐结构的不同，需要不断进行改进和完善。2n主要内容n第一节培养基的成分及功能n第二节培养基类型n第三节培养基的设计与筛选n第四节影响培养基质量的因素3第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n问题：1.培养基的成分包括哪些类别？每类的功能是什么？2.每类成分中常用的物质是什么？3.对培养基的性状影响较大的物质有哪些？如何影响？4.对微生物的生长、代谢、产物合成影响较大的物质有哪些？如何影响？4n培养基的成分包括：n碳源、n氮源、n硫源、n磷源、n无机盐和微量元素、n

3、生长因子、n促进剂和抑制剂、n前体n消沫剂n水第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能5一.碳源n用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为微生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。n主要功能n提供微生物生长繁殖所需的能源；n提供微生物合成菌体的碳成分；n提供合成目的产物的碳成分。n工业生产常用的碳源：n糖类、油脂、有机酸、醇和碳氢化合物等。n如碳源贫乏时，蛋白质水解物或氨基酸等也被作为碳源使用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能工业生产所用微生物绝大多数是异养菌，不像自养菌那样能够利用光、复原态无机物或碳酸盐作为能源物质，只能利用有机碳水化合物作为能源。对于异养微生物

4、，碳源又兼做能源，称为双功能营养物。6(1)糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。纯糖天然原料第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能木糖木糖单糖：单糖：葡萄糖、葡萄糖、双糖：双糖：蔗糖、麦芽糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖乳糖 多糖：多糖：淀粉、糊精淀粉、糊精 及其水解液及其水解液糖糖 蜜蜜 类：类：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜糖糖 类：类：麦芽汁麦芽汁淀粉质类：淀粉质类：山芋粉、马铃薯粉、山芋粉、马铃薯粉、玉米粉、燕麦粉、玉米粉、燕麦粉、木薯粉木薯粉其其 它：它：纤维素水解液、乳清、纤维素水解液、乳清、碳源物质的易利用顺序：碳源物质的易利用顺序：(单单)葡萄糖葡萄糖(双双)蔗糖、麦芽

5、糖、乳糖蔗糖、麦芽糖、乳糖(多多)糊精糊精淀淀粉粉速效碳源速效碳源迟效碳源迟效碳源7n葡萄糖是工业发酵中最常用的单糖，它是由淀粉加工制备的，有固体粉状和葡萄糖糖浆两种产品形式。n葡萄糖是碳源中最容易利用的单糖，所以常作为培养基的主要成分，并且也作为促进细胞快速生长的一种有效的糖类物质。n它被广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、多糖、甾体转化等发酵产品的生产中。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能8n但葡萄糖过多会加速菌体的呼吸，在通气缺乏、溶解氧不能满足需要的情况下，其代谢中间产物如丙酮酸、乳酸、乙酸等不完全氧化而积累在菌体或培养基中，会导致培养基的pH值下降，影响某些酶的活性，从而

6、抑制微生物的生长和产物的合成。n葡萄糖还会引起葡萄糖效应，阻遏微生物利用其他的糖。n由于葡萄糖等快速利用的糖对产物合成有调节作用，应控制其浓度，一般是将其和缓慢利用的多糖组成混合碳源，即有利于菌体生长又有利于产物形成。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能9p“葡萄糖效应是研究大肠杆菌利用各种不同混合碳源的时发现的碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培养于含有葡萄糖和乳糖的培养基中，菌体出现两次生长旺盛期。葡萄糖效应葡萄糖效应10p这是大肠杆菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖，在葡萄糖耗尽后，过一段时间菌体才开始利用乳糖再生长繁殖。后来的酶学试验证实，当葡萄糖存在时，细菌不利用其他糖。在上述

7、培养基中即使参加乳糖酶诱导物，葡萄糖没耗尽，利用乳糖的酶系也不能合成。p葡萄糖效应是由葡萄糖的某种分解代谢物引起的，这种代谢物阻遏了细菌能够利用其他糖的酶的生成。p后来在许多微生物学的试验中发现，碳分解产物的阻抑作用普遍存在于微生物的生化代谢中。葡萄糖效应葡萄糖效应11n工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品，也可以使用含有此二糖的糖蜜和乳清，麦芽糖多用其糖浆。n糖蜜是制糖生产时的结晶后母液，是制糖工业的副产物，主要含蔗糖(总糖含量可达5075)、氮素、无机盐和维生素等营养物质，是微生物发酵培养基价廉物美的碳源。常用在酵母和丙酮、丁醇的生产中，在酒精生产中

8、，糖蜜代替甘薯粉，可以省去糖化工序，简化了生产工艺。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能12n糊精、淀粉及其水解液等多糖是仅次于葡萄糖的常用碳源，尤其是淀粉克服葡萄糖代谢过快的弊病，价格也比较低廉。n玉米淀粉及其水解液多用于抗生素、核苷酸、氨基酸、酶制剂等发酵；小麦淀粉、燕麦淀粉和甘薯淀粉等常在有机酸、醇等发酵中使用。n另淀粉有直链淀粉和支链淀粉之分，在培养基中用量较大时，发酵液比较稠，一般2.0%时要参加一定的-淀粉酶先行水解。n再它们必须水解成单糖后才能被吸收利用。因此所用微生物必须能够分泌水解淀粉、糊精的胞外酶。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能13(2)油

9、和脂肪在培养基中糖类物质缺乏或微生物生长的某一阶段，许多微生物可以利用脂类作为碳源和能源生长。许多霉菌和放线菌都具有比较活泼的脂肪酶，在脂肪酶的作用下，油或脂肪被水解为甘油和脂肪酸，在有氧时，进一步氧化成CO2和H2O，并释放出大量的能量。可用的油脂类有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油、玉米油、亚麻子油、橄榄油等。当微生物利用脂肪作为碳源时，所消耗的氧量增加，因此要供给比糖代谢更多的氧，不然大量的脂肪酸和代谢中的有机酸会积累，从而引起pH的下降，并影响微生物酶系统的作用。在发酵过程中参加的油脂还兼有消泡的作用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能14(3)有机酸及其盐类有

10、机酸及其盐类一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐也类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐也能作为微生物的碳源。能作为微生物的碳源。有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成。和代谢产物的合成。在利用有机酸时，发酵液的在利用有机酸时，发酵液的pH会随着有机酸氧化而上升，会随着有机酸氧化而上升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生，使使pH进一步上升。对整个发酵过程中

11、进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和控制的调节和控制增加困难。增加困难。醋酸盐做为碳源被氧化时，反响如下：醋酸盐做为碳源被氧化时，反响如下：CH3COONa+2O2 2CO2+H2O+NaOH第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能15n(4)烃和醇类烃和醇类n近年来随着石油工业的开展，烷烃近年来随着石油工业的开展，烷烃(一般是从石油裂解一般是从石油裂解中得到的中得到的1418碳的直链烷烃混合物，以及甲烷、乙碳的直链烷烃混合物，以及甲烷、乙烷、丁烷等烷、丁烷等)用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和酶制剂的工业发酵中。酶制剂的工业发酵中。n甘油、

12、甲醇、乙醇、山梨醇等也用于发酵碳源或生产甘油、甲醇、乙醇、山梨醇等也用于发酵碳源或生产某些单细胞蛋白。其他碳源物质如碳酸气、石油、正某些单细胞蛋白。其他碳源物质如碳酸气、石油、正构石蜡、天然气等石油化工产品，也是许多微生物的构石蜡、天然气等石油化工产品，也是许多微生物的碳源。碳源。n例如，嗜甲烷棒状杆菌可以利用甲醇为碳源生产单细例如，嗜甲烷棒状杆菌可以利用甲醇为碳源生产单细胞蛋白，对甲醇的转化率可达胞蛋白，对甲醇的转化率可达47以上。以上。n乳糖发酵短杆菌以乙醇为碳源生产谷氨酸，对乙醇的乳糖发酵短杆菌以乙醇为碳源生产谷氨酸，对乙醇的转化率为转化率为31，产率达，产率达78 gL。第一节第一节

13、培养基的成分及功能培养基的成分及功能16第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n裂烃棒杆菌的青霉素抗性突变株用十六烷作为碳源生产谷氨酸，在发酵中参加一定浓度的青霉素，谷氨酸产量达84gL。用正十四烷生产a-酮戊二酸的产率甚至高于其他碳源。n某些以乙醇作为碳源的菌体得率比用葡萄糖作为碳源还高。乙醇葡萄糖醋酸正烷烃(C18)甲醇甲烷含碳量/%52.240408537.575菌体得率/(g细胞/g碳源)0.830.500.431.400.670.8817二.氮源氮源是指构成微生物细胞物质和代谢产物的氮素的来源。其主要功能是：构成微生物细胞结构物质，如氨基酸、蛋白质、核酸等；合成含氮代谢产

14、物；作为酶的组成分或维持酶的活性；调节渗透压、PH值、氧化复原电位等；当培养基中碳源缺乏时，可作为补充碳源。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能生产疫苗时通常用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源。生产疫苗时通常用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源。18第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n氮源的种类 无机氮源无机氮源 有机氮源有机氮源氨基氮：氨基氮：NH4OH(NH4)2SO4NH4NO3NH4Cl硝态氮：硝态氮：NaNO3KNO3合成产物：尿素合成产物：尿素天然原料：天然原料：植物蛋白：黄豆饼粉、花生饼粉、植物蛋白：黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉、菜籽饼粉、棉籽饼粉

15、、菜籽饼粉、麦麸、麦麸、玉米浆、玉米麸质粉玉米浆、玉米麸质粉 动物蛋白：蛋白胨、鱼粉、动物蛋白：蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉、牛肉膏蚕蛹粉、牛肉膏 微生物蛋白：酵母粉微生物蛋白：酵母粉/浸膏、浸膏、废菌丝粉废菌丝粉 其它：酒糟等其它：酒糟等工业上常用的有机氮源都是工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料或副产品。一些廉价的原料或副产品。191、有机氮源n有机氮源在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸被菌体吸收利用，或进一步分解，最终用于合成菌体的细胞物质和含氮的目的产物。其主要作用有：n除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外，还含有糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子，因而微生物在含有机氮的培养基

16、中表现出生长旺盛、菌丝浓度增加迅速的特点。n在配制培养基时，应该将其他物质的含量充分考虑进去。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能20第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n有机氮源还能提供次级代谢产物的氮素来源，影响微生物次级代谢产物的产量和组分。更为重要的是还含有目的产物合成所需的诱导物、前体等物质。n玉米浆中含有的磷酸肌醇对红霉素、链霉素、青霉素和土霉素等的生产有促进作用；n植物蛋白胨能够提高麦白霉素A1组分的产量；n酵母膏含有利福霉素生物合成的诱导物。n因此，有机氮源是影响发酵水平的重要因素之一。21第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n某些氨基

17、酸不仅能作为氮源，而且是微生物药物的前体物质，因此在培养基中直接参加这些氨基酸可以提高代谢产物的产量。n在培养基中参加缬氨酸可以提高红霉素的发酵单位，因为在此发酵过程中缬氨酸既是菌体的氮源，又是红霉素生物合成的前体。na-氨基己二酸、缬氨酸和半胱氨酸既可以作为青霉素和头孢菌素产生菌的营养物质，又可以作为青霉素和头孢菌素的主要前体。n玉米浆中的苯乙酸和苯丙氨酸有合成青霉素G的前体作用；n色氨酸是合成硝吡咯菌素和麦角碱的前体。nL-色氨酸，可使螺旋霉素产量明显提高，但L-赖氨酸的参加那么会完全抑制了螺旋霉素的生物合成。n甲硫氨酸和苏氨酸的存在可提高赖氨酸的产量。n甘氨酸是L-丝氨酸合成的前体；n但

18、是，由于氨基酸本钱高，一般不直接使用，而是通过有机氮源的分解来获得氨基酸。22第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n常用的有机氮源n黄豆饼粉是发酵工业中最常用的有机氮源。但是，黄豆的产地和加工方法不同，营养物质种类、水分和含油量也随之不同，对菌体的生长和代谢有很大影响。n根据油脂的含量：n根据加工方法不同：全脂黄豆粉(油脂含量在18以上)低脂黄豆粉(含油脂量9以下)脱脂黄豆粉(含油脂量2以下)。热轧黄豆饼粉冷轧黄豆饼粉23n玉米浆是玉米淀粉生产中的副产品，为黄褐色的浓稠不透明的絮状悬浮物，是一种很容易被微生物利用的氮源。n玉米浆有玉米浆粉和液态玉米浆(干物质含量住50左右)两种，

19、它们除了含有丰富的氨基酸(丙氨酸、赖氨酸、谷氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸)，还含有复原糖、有机酸、磷、微量元素和生长因子。n由于玉米浆含有较多的有机酸(如乳酸、苯乙酸)，其pH偏低，一般在左右。n玉米的来源和加工条件不同，玉米浆的质量常有较大的波动，对菌体生长和代谢有很大的影响。n其中含有的磷酸肌醇对红霉素、链霉素、土霉素等的生产有促进作用；苯乙酸和苯丙氨酸有青霉素前体的作用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能24第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n蛋白胨是由动物组织或植物蛋白质经酶或酸水解而获得的由胨、肽、氨基酸组成的水溶性混合物，经真空枯燥或喷雾十燥后制得的产品。

20、n原材料和加工工艺的不同，蛋白胨中营养成分的组成和含量差异较大。n酵母粉一般是啤酒酵母或面包酵母的菌体粉碎物；n酵母膏是以酵母为原料，经酶解、脱色脱臭、别离和低温浓缩(喷雾枯燥)而制成的。酵母粉和酵母膏都含有蛋白质、多肽、氨基酸、核甘酸、维生素和微量元素等营养成分，但质量有很大的差异。25第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n鱼粉是一种优质的蛋白质原料，约含60左右的粗蛋白，还含有游离氨基酸、脂肪、氯化钠和微量元素等成分。n尿素因其成分单一，所以不具有其他有机氮源的特点。但在青霉素和谷氨酸等生产中仍常被采用。在谷氨酸生产中，尿素可以使a-酮戊二酸复原并氨基化，提高谷氨酸的产量。2

21、6工业上常用的有机氮源及含氮量工业上常用的有机氮源及含氮量(质量分数质量分数/%)氮源氮源含氮量含氮量氮源氮源含氮量含氮量大麦大麦1.52.0花生粉花生粉8.0甜菜糖蜜甜菜糖蜜1.52.0燕麦粉燕麦粉1.52.0甘蔗糖蜜甘蔗糖蜜1.52.0大豆粉大豆粉8.0玉米浆玉米浆4.5乳清粉乳清粉4.5第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n有机氮源都来自天然产物，受产地不同、加工方有机氮源都来自天然产物，受产地不同、加工方法不同，其质量不稳定，常引发发酵水平波动，法不同，其质量不稳定，常引发发酵水平波动，因此，选择有机氮源时，要注意品种、产地、加因此，选择有机氮源时，要注意品种、产地、加工

22、方法、贮藏条件对发酵的影响，注意它们与菌工方法、贮藏条件对发酵的影响，注意它们与菌体生长和代谢产物合成的相关性。体生长和代谢产物合成的相关性。27p2、无机氮源p铵盐(NH4)2SO4、(NH4)2Cl、NH4NO3)、p硝酸盐(NaNO3、KNO3)p氨水等。p特点有：成分简单，质量稳定；p易被菌体吸收利用；p铵盐中的NH4+与细胞中有机氮处于相同的氧化水平(细胞内的含氮物质也都以氨基或亚氨基的形式存在)，可被菌体直接吸收用于合成细胞物质；因此NH4OH最容易利用，(NH4)2SO4次之。硝酸盐中的硝态氮需复原成氨后才能被微生物吸收利用，因此铵盐比硝酸盐能更快被微生物利用。第一节第一节 培养

23、基的成分及功能培养基的成分及功能28n无机氮源被微生物利用后常会引起发酵液pH的变化n铵态氮和硝基氮氮源同化结果：n(NH4)2SO42NH3+H2SO4：NH3被菌体利用，留下H2SO4那么使pH值下降；nNaNO3+4H2NH3+2H2O+NaOH：NH3被菌体利用，留下NaOH使pH值上升；n经过微生物代谢作用后能产生酸性物质的营养成分称为生理酸性物质；生理酸性物质使pH值下降；n经过微生物代谢作用后能产生碱性物质的营养成分称为生理碱性物质；生理碱性物质使pH值上升。n正确使用生理酸性物质和生理碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及

24、功能29n氨水是发酵工业常用的无机氮源，除了作为氮源之外，还可以调节pH，在许多微生物发酵生产中都有通氨工艺。n例如在青霉素、链霉素、四环类抗生素的发酵生产中采用通氨工艺后，发酵单位均有不同程度的提高。n在红霉素的发酵生产中通氨工艺不仅可以提高红霉素的产量，而且可以增加有效组分的比例。n在采用通氨工艺时应注意两个问题：n一是氨水碱性较强，因此在使用时要防止局部过碱，应少量屡次参加，并强强搅拌；n二是氨水中含有多种嗜碱性微生物，因此在使用前要用石棉等过滤介质进行过滤除菌，防止因通氨而引起的染菌。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能30n根据被微生物利用速度的不同，氮源也分为速效氮源

25、和迟效氮源。n无机氮源或以蛋白质降解产物形式存存的有机氮，如玉米浆，可以直接被菌体吸收利用，这些氮源被称为速效氮源。n黄豆饼粉和花生饼粉、酵母膏等，有机氮源中所含的氮存在于蛋白质中，必须在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸和多肽以后，才能被菌体直接利用，它们那么被称为迟效氮源。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能31n速效氮源通常有利于菌体的生长，但在微生物药物的发酵生产中也会出现类似于葡萄糖效应的现象“铵阻遏效应，即由于速效氮源(特别是铵)被微生物快速吸收利用而使其中间代谢物阻遏了次级代谢产物的合成，使次级代谢产物的产量大幅度下降。n迟效氮源一般有利于代谢产物的形成，n因此

26、，在抗生素发酵过程中，往往将速效氮源和迟效氮源、有机氮源和无机氮源按一定比例配成混合氮源，以控制菌体生长与目的代谢产物的形成，到达提高抗生素产量的目的。n早期：参加易同化的氮源无机氮源或速效氮源；n中期：菌体的代谢酶系已形成，那么可利用迟效氮源。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能32三.无机盐及微量元素n微生物在生长繁殖和代谢产物的合成过程中，还需要某些无机离子如硫、磷、镁、钙、钠、钾、铁、铜、锌、锰、钼和钴等。n各种不同的产生菌以及同一种产生菌在不同的生长阶段对这些物质的需求浓度是不相同的。n无机盐及微量元素对微生物生理活性的作用与其浓度相关，一般它们在低浓度时对微生物生长和

27、目的产物的合成有促进作用，在高浓度时常表现出明显的抑制作用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能33n硫、磷、镁、钙、钠、钾等元素所需浓度相对较大，一般在10-310-4mol/L，范围内，属大量元素，在配制培养基时需以无机盐的形式参加。n而铁、铜、锌、锰、钼和钴等所需浓度在10-610-8mol/L范围内，属微量元素。由于天然原料和天然水中微量元素都以杂质等状态存在，因此，存配制复合培养基时一般不需单独参加，配制合成培养基或某个特定培养基时才需要参加。n不同的微生物对于一种元素的需求有很大的差异，例如铁的需要量在有的产生菌中属大量元素，而在有的产生菌中需要量很少，只是微量元素。

28、第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能34n无机离子在菌体生长繁殖和代谢活动中的生理功能是多方面的。n构成菌体成分、n作为酶的组成局部、n酶的激活剂或抑制剂、n调节培养基渗透压、n调节pH值n维持氧化复原电位等。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能35n尽管在培养基的天然原料中含有一定量的磷元素和硫元素，但磷源和硫源往往以磷酸盐和硫酸盐的形式参加培养基中。n磷源n常用磷源：Na2HPO412H2O、NaH2PO42H2O、K2HPO4、KH2PO4、K3PO43H2O、K3PO4。n微生物对磷的需要量一般为0.01molL。n磷源在微生物生长和代谢调节中，磷具有重要的

29、生理功能。n磷是核酸、磷脂、辅酶或辅基(如辅酶l、辅酶、辅酶A)等物质的组成成分；n磷是能量传递物质三磷酸腺甘(ATP)的组成成分；第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能36磷酸盐在代谢调节方面起着重要的作用。磷酸盐能促进糖代谢的进行，有利于微生物的生长繁殖。磷酸盐对次级代谢产物的合成具有调节作用，如在链霉素、土霉素和新生霉素等的生物合成中，低浓度的磷酸盐能促进产物的合成，但高浓度的磷酸盐那么抑制产物的合成。磷酸盐还能调节代谢流向，如在金霉素发酵过程中，金色链霉菌能通过糖酵解途径和单磷酸已糖途径利用糖类，而且金霉素的生物合成与单磷酸己糖途径密切相关。当磷酸盐浓度较高时，有利于糖酵解

30、途径的进行，导致初级代谢旺盛、菌丝大量生成和丙酮酸积累，使单磷酸己糖途径受到抑制，从而降低了金霉素的合成。磷酸盐还是重要的缓冲剂，可以缓冲发酵过程中pH的变化。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能37n硫源多用其盐 MgSO4，即含硫也含镁。n硫是蛋白质中含硫氨基酸和某些维生素的组成成分。n半胱氨酸、甲硫氨酸、辅酶A、生物素、硫胺素和硫辛酸等都含有硫，活性物质谷胱甘肽中也含有硫。n硫还是某此抗生素如青霉素、头孢菌素的组成元素。n硫酸镁参加培养基中，在碱性条件下会形成氢氧化镁沉淀，因此配制培养基时要注意pH的影响。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能38n镁是代谢途径

31、中许多重要酶(如己糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶、烯醇化酶、羧化酶等)的激活剂。镁离子不但影响基质的氧化，还影响蛋白质的合成。n对一些氨基糖苷类抗生素(如卡那霉素、链霉素、新霉素)的产生菌，镁离子能促使与菌体结合的抗生素向培养液中释放，提高菌体对自身所产生抗生素的耐受能力。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能39n铁是菌体的细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化物酶的组成局部，是菌体生命活动必需的元素之一。但铁离子的含量对多种代谢产物的生物合成有较大的影响。n在青霉素、四环素、麦迪霉素等发酵中，Fe2+的浓度要小于20g/ml，超过之就具有较强的抑制作用，产量显著下降。因此，这些产品的发酵应

32、使用不锈钢发酵罐。n一些天然原料中都含有铁，所以发酵培养基一般不再参加含铁化合物。n采用铁制发酵罐时，使用前要用稀硫酸铵或稀硫酸溶液预处理几次，再用未接种的培养基运转几批，去除罐壁上铁离子，然后才能正式投入生产。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能40n钠、钾、钙虽不参与细胞的组成，但仍是微生物发酵培养基的必要成分。n钠离子与维持细胞渗透压有关，故在培养基中常参加少量钠盐，但用量不能过高，否那么会影响微生物的生长。n钾离子也与细胞渗透压和细胞膜的通透性有关，并且还是许多酶(如磷酸丙酮酸转磷酸酶、果糖激酶)的激活剂，能促进糖代谢。n谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要量高。

33、钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能41n钙离子n钙离子是某些蛋白酶的激活剂；n钙离子参与细胞膜通透性的调节；n钙离子是细菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所必需的；n常用的碳酸钙不溶于水，几乎是中性，但它能与微生物代谢过程中产生的酸起反响，形成中性盐和二氧化碳，后者从培养基中逸出，因此碳酸钙对培养液pH的变化有一定的缓冲作用。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能42n在配制培养基时应注意三点：n一是钙盐过多会形成磷酸钙沉淀而降低培养基中可溶性磷的含量，因此当培养基中磷和钙浓度较高时，应将两者分别消毒或逐步补加；n二是先将除CaCO3以外的

34、培养基用碱调到pH接近中性，再将CaCO3参加到培养基中，这样可防止CaCO3在酸性培养基中被分解而失去其在发酵过程中的缓冲能力；n三是要严格控制碳酸钙中CaO等杂质的含量。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能43n微量元素：nZn、Co、Mn、Cu等元素大局部作为酶的辅基和激活剂；需量微少，但又不可缺少。n锌离子是碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶的组成成分；n钴离子是肽酶的组成成分；n锰离子是超氧化物歧化酶、氨肽酶的组成成分；n铜离子是氧化酶、酪氨酸酶的组成成分。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能44n对于某些特殊的菌株和产物，有些微量元素具有独特的作用，能促进次级代谢

35、产物的生物合成。n微量的锌离子能促进青霉素、链霉素的合成；n微量的锰离子能促进芽孢杆菌合成杆菌肽；n钴离子是维生素B12的组成元素，在发酵中参加一定量的钴离子能使维生素B12的产量提高数倍；n微量的钴离子还能增加庆大霉素和链霉素的产量。n微量元素因需要量很少，除了合成培养基，一般复合培养基中作为碳、氮源的农副产品天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加；第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能45n四.水水是微生物机体必不可少的组成成分。培养基中的水在产生菌生长和代谢过程中不仅提供了必需的生理环境，而且具有重要的生理功能。n水是最优良的溶剂，产生菌没有特殊的摄食及排泄器官，营养物

36、质、氧气和代谢产物等必须溶解于水后才能进出细胞内外；n通过扩散进入细胞的水可以直接参加一些代谢反响，并在细胞内维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象，同时又是细胞内几乎所有代谢反响的介质；第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能46n水的比热较高，足一种热的良导体，能有效地吸收代谢过程中所放出的热量，并及时将热量迅速散发出细胞外，从而使细胞内温度不会发生明显的波动；n水从液态变为气态所需的汽化热较高，有利于发酵过程中热量的散发。n由于水是配制培养基的介质，因此，当培养基配制完成后培养基中的水已足够微生物需要。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能47n生产中使用的水有

37、深井水、地表水。n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物质对微生物发酵代谢影响甚大，特别是水中的矿物质组成对酿酒工业和淀粉糖化影响甚大。n水质要定期检测，水质量的主要参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能48五五.生长因子生长因子n生长因子是微生物生长代谢必不可少，但不能用简单的碳源或氮源生物合成的一类特殊的营养物质。n根据化学结构及代谢功能，生长因子主要有三类：n维生素n氨基酸及其衍生物n碱基n此外还有脂肪酸、卟啉、甾醇等。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能 ，49n

38、维生素：是被发现的第一类生长因子。大多数维生素是辅酶的组成成分，n硫胺素(维生素B1)是脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基，n核黄素(维生素B2)是FMN和FAD的组成成分，n烟酸(维生素B5)是辅酶和辅酶的组成成分。n微生物对维生素的需求量较低，一般是150g/L，有时甚至更低。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能 ，50n氨基酸：nL-氨基酸是蛋白质的主要组成成分，n有的D-氨基酸是细菌细胞壁和生理活性物质的组成成分。n作为生长因子的氨基酸其添加量一般为2050g/L。添加时，可以直接提供氨基酸，也可以提供含有所需氨基酸的小肽。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能 ，

39、51n碱基：n碱基包括嘌呤和嘧啶，其主要功能是：n用于合成核酸和一些辅酶及辅基。n有些产生菌可利用核苷、游离碱基作为生长因子，有些产生菌只能利用游离碱基。n核苷酸一般不能作为生长因子，但有些产生菌既不能合成碱基，又不能利用外源碱基，需要外源提供核苷或核苷酸，而且需要量很大。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能 ，52n不同的产生菌所需的生长因子各不相同，有的需要多种生长因子，有的仅需要一种，还有的不需要生长因子。n同一种产生菌所需的生长因子也会随生长阶段和培养条件的不同而有所变化。n生长因子的需要量一般很少。天然原料，如n如酵母膏、n玉米浆、n麦芽浸出液、n肝浸液n或其他新鲜的动

40、植物浸液n都含有丰富的生长因子，因此配制复合培养基时，不需单独添加生长因子。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能 ，有机氮源是生长因子的重要来源，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多数有机氮源含有较多的B族维生族维生素和微量元素以及生长因子。素和微量元素以及生长因子。53几种生长因子的主要功能几种生长因子的主要功能生长因子主要功能维生素B1脱羧酶、转醛酶、转酮酶的辅基维生素B2黄素蛋白的辅基，与氢的转移有关维生素B6辅基，与氨基酸的脱羧、转氨基有关生物素各种羧化酶的辅基维生素B12钴酰胺的辅酶，与甲硫氨酸和胸腺嘧啶核苷酸的合成和异构化有关叶酸辅酶F，与核酸的合成

41、有关泛酸乙酰载体的辅基，与酰基转移有关维生素K电子传递尼克酸脱氢酶的辅基第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能n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。n赖氨酸产生菌几乎都是谷氨酸产生菌的突变株，均为生物素缺陷型，同时也是某些氨基酸如高丝氨酸的缺陷型，因此需要生物素和某些氨基酸作为生长因子。54六.前体在微生物代谢产物的生物合成过程中，有些化合物能直接被微生物利用构成产物分子结构的一局部，化合物本身的结构没有大的变化，这些物质称为前体。在青霉素发酵时，人们发现添加玉米浆后，青霉素单位可从20g/Lml增加到l00g/ml。进一步研究说明

42、，发酵单位增加的主要原因是玉米浆中含有苯乙酰胺，它能被优先结合到青霉素分子中，从而提高了青霉素G的产量。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能青霉素青霉素苯乙酸苯乙酸55n前体必须通过产生菌的生物合成过程，才能掺入到产物的分子结构中。n在一定条件下，前体可以起到控制菌体代谢产物的合成方向和增加产量的作用。例如在青霉素发酵中参加苯乙酸或苯乙酰胺可以提高青霉素G的产量，而且使青霉素G的比例提高到99%，假设不参加前体，青霉素G只占青霉素总量的20%30%。n根据前体的来源，可将前体分为外源性前体和内源性前体。n外源性前体是指产生菌不能合成或合成量极少，必须由外源添加到培养基中供给其合成

43、代谢产物，如青霉素G的前体苯乙酸、青霉素V的前体苯氧乙酸。外源性前体是发酵培养基的组成成分之一。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能56n内源性前体是指产生菌在细胞内能自身合成的、用来合成代谢产物的物质，如头孢菌素C生物合成中的-氨基己二酸、半胱氨酸和缬氨酸是内源性前体。n需要注意的是：有此外源性前体物质，如苯乙酸、丙酸等浓度过高会对菌体产生毒性，此外，有些产生菌能氧化分解前体，因此在生产中为了减少毒性和提高前体的利用率，补加前体宜采用少量屡次的间歇补加方式或连续流加的方式。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能57第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能抗

44、生素发酵常用的前体物质抗生素发酵常用的前体物质抗生素抗生素前体物质前体物质青霉素G苯乙酸或在发酵中能形成苯乙酸的物质，如苯乙基酰胺等青霉素O烯丙基硫基乙酸青霉素V苯氧乙酸放线菌素C3肌氨酸链霉素肌醇、精氨酸、甲硫氨酸金霉素氯化物溴四环素溴化物红霉素丙酸、丙醇、丙酸盐、乙酸盐灰黄霉素氯化物58氨基酸发酵的前体物质氨基酸菌体前体物质产量丝氨酸嗜甘油棒状杆菌甘氨酸1.6%色氨酸异常汉逊酵母氨茴酸0.8%色氨酸麦角菌吲哚1.3%蛋氨酸脱氢极毛杆菌2-羟基4-甲基硫代丁醇1.1%异亮氨酸粘质赛杆菌-氨基丁酸0.8%异亮氨酸阿氏棒状杆菌D-苏氨酸1.5%苏氨酸谷氨酸小球菌高丝氨酸2.0%第一节第一节 培养

45、基的成分及功能培养基的成分及功能59n诱导物一般是指一些特殊的小分子物质，在微生物发酵过程中添加这些小分子物质后，能够诱导代谢产物的生物合成，从而显著提高发酵产物的产量。n根据诱导物的来源，可将诱导物分为内源性诱导物和外源性诱导物。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能60n内源性诱导物又称为内源性诱导因子或自身调节因子，是在微生物的代谢过程中产生的调节因子，n如链霉素的产生菌灰色链霉菌的发酵液中有一种被称为A因子的物质能够使不产链霉素的突变株恢复产生链霉素，其他还有I因子、L因子、Grafe因子等。n外源性诱导物又称为外源性诱导因子，是添加在培养基中的外源性物质，n如存在于酵母膏

46、中的B因子(3-l-磷酸丁酰-腺苷)，添加B因子可使利福霉素产生菌的生产能力成倍增长。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能61八.促进剂和抑制剂在发酵培养基中参加某些微量的化学物质，可促进目的代谢产物的合成，这些物质被称为促进剂。在四环素的发酵培养基中参加硫氰化苄或2-巯基苯并噻唑可控制三羧酸循环中某些酶的活力，增强戊糖循环，促进四环素的合成。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能促进剂抗生素促进剂抗生素-吲哚乙酸、-萘乙酸、硫氰酸苄酯金霉索硫氰化苄、2-巯基苯并噻唑四环素甲硫氨酸、亮氨酸头孢菌索丙氨酸、异亮氨酸阿弗米丁色氨酸麦角甾醇类巴比妥链霉素巴比妥利福露索巴比妥

47、加利红菌素环糊精兰卡霉素苯丙氨酸圆弧菌素62n在发酵过程中参加某些化学物质会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一代谢途径活泼，从而获得人们所需的某种代谢产物，或使正常代谢的中间产物积累起来，这种物质被称为抑制剂。n如在四环素发酵时，参加溴化物可以抑制金霉素的生物合成，而使四环素的合成加强。n在利福霉素B发酵时，参加二乙基巴比妥盐可抑制其他利福霉素的生成。第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能63第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能促进的抗生素被抑制的产物抑制剂链霉素甘露糖链霉素甘露聚糖去甲基链霉素链霉素乙硫氨酸四环素金霉素溴化物、巯基苯并噻唑、硫脲嘧啶、硫脲去甲基金霉

48、素金霉素磺胺化合物、乙硫氨酸头孢菌素C头孢菌素NL-蛋氨酸利福霉素B其他利福霉素巴比妥药物抗生素生产中应用的促进剂或抑制剂抗生素生产中应用的促进剂或抑制剂649、消泡剂n工业发酵中常用一些消泡剂消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，保证生产的正常运转。n常用的消泡剂有植物油脂、动物油脂和一些化学合成的高分子化合物。(见第八章)第一节第一节 培养基的成分及功能培养基的成分及功能65第二节第二节 培养基的种类培养基的种类p培养基的分类依据很多，可以根据培养基的分类依据很多，可以根据 培养基培养基组成成分的纯度组成成分的纯度、培养基培养基物理状态物理状态、培养基培养基用途用途 等进行分类。等进行分类

49、。66问题n微生物的培养基根据组成成分微生物的培养基根据组成成分、状态状态、用途分用途分为哪些类别？为哪些类别？n每种类别特点是什么？用途是什么？每种类别特点是什么？用途是什么？67第二节第二节 培养基的种类培养基的种类一、按组成成分的纯度(1)合成培养基：是用化学成清楚确、稳定的物质配制的培养基。特点所用物质化学成清楚确、稳定;重复性好;营养单一;价格较高；适用于菌种根本代谢和过程的物质变化等科学研究工作，如做有关营养、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；在生产某些菌苗和疫苗的过程中，为了防止异源杂蛋白质等掺入，常用合成培养基。复合培养基复合培养基(天然培养基天然培养

50、基)合成培养基合成培养基不适于大规模生产不适于大规模生产68第二节第二节 培养基的种类培养基的种类n(2)复合培养基(天然培养基)：n天然培养基是由化学成分不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成的培养基。n这是大规模工业发酵中使用最普遍的培养基。n原料：动、植物组织或微生物的浸出物、水解液等。如牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、麦芽汁、玉米浆、黄豆饼粉、淀粉水解液、糖蜜n优点：原料来源丰富，价格低廉；营养丰富、组分复杂，一般不需要另外添加微量元素、维生素等物质，有利于微生物的生长繁殖和目的产物的合成。n缺点：每批原料的质量有差异，假设对原料不加以控制会严重影响生产的稳定性。69第二节第二节 培养基的种类