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前言
培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物。
培养基组成对菌体生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精制乃至产品的质量和产量都有重要的影响。
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蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物，借助于细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养物质来实现的。不同的微生物的生长情况不同或合成不同的发酵产物时所需的培养基有所不同，但对于所有发酵生产用培养基的设计仍存在某些共同点可供遵循，这就是所有的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碳源、氮源、无机元素、生长因子、水和氧气等。
在面对不同产物以及不同培养目的的微生物时往往会对培养基采取不同的优化，选择不同的培养基以求达到最佳效果。
优化研究中使用的各种技术示意图
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以控制成本和保证生产的稳定。
接下来菌菌就和大家一起从培养基的选择和配置角度出发，一起学习工业端发酵培养的相关知识。
一、培养基的选择
不同的微生物对培养基的需求是不同的，因此，不同微生物培养过程对原料的要求也是不一样的。应根据具体情况，从微生物营养要求的特点和生产工艺的要求出发，选择合适的营养基，使之既能满足微生物生长的需要，又能获得高产的产品，同时也要符合增产节约、因地制宜的原则。
1.根据微生物的特点选择培养基
用于大规模培养的微生物主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌等四大类。它们对营养物质的要求不尽相同，有共性也有各自的特性。在实际应用时，要依据微生物的不同特性，来考虑培养基的组成，对典型的培养基配方需作必要的调整。
大肠杆菌为兼性菌类，可在缺氧环境中发酵；
细菌对于氧气要求较高，分为好氧培养和厌氧培养；
霉菌对于培养温度要求较高；
放线菌碳源主要是葡萄糖、麦芽糖以及淀粉等，并且能够以蛋白胨、牛肉膏、硝酸盐以及铵盐等作为氮源
霉菌
酵母菌
放线菌
细菌
2.根据发酵方式选择培养基
液体和固体培养基各有用途，也各有优缺点。在液体培养基中，营养物质是以溶质状态溶解于水中，这样微生物就能更充分接触和利用营养物质，更有利于微生物的生长和更好地积累代谢产物。工业上，利用液体培养基进行的深层发酵具有发酵效率高，操作方便，便于机械化、自动化，降低劳动强度，占地面积小，产量高等优点。所以发酵工业中大多采用液体培养基培养种子和进行发酵，并根据微生物对氧的需求，分别作静止或通风培养。而固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特征鉴定、活细胞数测定等方面。此外，工业上也常用一些固体原料，如小米、大米、麸皮、马铃薯等直接制作成斜面或茄子瓶来培养霉菌、放线菌。
3.从生产实践和科学试验的不同要求选择
生产过程中，由于菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的目的和要求不同，因此，所选择的培养基成分配比也应该有所区别。
一般来说，种子培养基主要是供微生物菌体的生长和大量增殖。为了在较短的时间内获得数量较多的强壮的种子细胞，种子培养基要求营养丰富、完全，氮源、维生素的比例应较高，所用的原料也应是易于被微生物菌体吸收利用。常用葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、酵母膏、麦芽汁、米曲汁等作为原料配制培养基。
而发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外，主要是要求合成预定的发酵产物，所以，发酵培养基碳源物质的含量往往要高于种子培养基。当然，如果产物是含氮物质，应相应地增加氮源的供应量。
除此之外，发酵培养基还应考虑便于发酵操作以及不影响产物的提取分离和产品的质量。
4.从经济效益方面考虑选择生产原料
从科学的角度出发，培养基的经济性通常是不被那么重视，而对于生产过程来讲，由于配制发酵培养基的原料大多是生物原料、油脂、蛋白质等，且工业发酵消耗原料量大，因此，在工业发酵中选择培养基原料时，除了必须考虑容易被微生物利用并满足生产工艺的要求外，还应考虑到经济效益，必须以价廉、来源丰富、运输方便、就地取材以及没有毒性等为原则选择原料。
二、培养基的配制原则
培养基的配制必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分；有利于减少培养基原料的单耗，单位营养物质所合成产物数量大或产率大；有利于提高培养基产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力；有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期；尽量减少副产物的形成；减少对发酵过程中通气搅拌的影响，有利于提高氧的利用率、降低能耗；有利于产品的分离和纯化；并尽可能减少产生废物的物质。
1.根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基
不同的微生物所需要的培养基成分是不同的，要确定一个合适的培养基，就需要了解生产用菌种的来源、生理生化特性和一般的营养要求，根据不同生产菌种的培养条件、生物合成的代谢途径、代谢产物的化学性质等确定培养基。
2.营养成分的恰当配比
微生物所需的营养物质之间应有适当的比例，培养基中的碳氮的比例(C／N)在发酵工业中尤其重要。不同的微生物菌种、不同的发酵产物所要求的碳氮比是不同的。菌体在不同生长阶段，对其碳氮比的最适要求也不一样。培养基的碳氮比不仅会影响微生物菌体的生长，同时也会影响到发酵的代谢途径。由于碳既作碳架又作能源，所以用量要比氮多。从元素分析来看，酵母细胞中碳氮比约为:20，霉菌约为:10。一般发酵工业中培养基碳氮比约为
0.2～2.0)，但在氨基酸发酵中，因为产物中含有氮，所以碳氮比就相对高一些。如谷氨酸发酵的碳氮比为15～21)，若碳氮比为0.2～2.0)，则会出现只长菌体，几乎不产谷氨酸的现象。
一般情况下，碳氮比偏小，能导致菌体的旺盛生长，易造成菌体提前衰老自溶，影响产物的积累；碳氮比过大，菌体繁殖数量少，不利于产物的积累；碳氮比较合适，但碳源、氮源浓度高，仍能导致菌体的大量繁殖，增大发酵液粘度，影响溶解氧浓度，容易引起菌体的代谢异常，影响产物合成；碳氮比较合适，但碳源、氮源浓度过低，会影响菌体的繁殖，同样不利于产物的积累。
3.渗透压
配制培养基时，应注意营养物质要有合适的浓度。
营养物质的浓度太低，不仅不能满足微生物生长对营养物质的需求，而且也不利于提高发酵产物的产量和提高设备的利用率。
培养基中营养物质的浓度过高时，由于培养基溶液的渗透压太大，会抑制微生物的生长。
此外培养基中的各种离子的浓度比例也会影响到培养基的渗透压和微生物的代谢活动，因此，培养基中各种离子的比例需求要平衡。在发酵生产过程中，在不影响微生物的生理特性和代谢转化率的情况下，通常趋向在较高浓度下进行发酵，以提高产物产量，并尽可能选育高渗透压的生产菌株。
4.pH值
各种微生物的正常生长均需要有合适的pH值，一般霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境，放线菌和细菌适于中性或微碱性环境。为此，当培养基配制好后，若pH值不合适，必须加以调节。当微生物在培养过程中改变培养基的pH值而不利于本身的生长时，应以微生物菌体对各种营养成分的利用速度来考虑培养基的组成，同时加入缓冲剂，以调节培养液的pH值。
5.氧化还原电位
对大多数微生物来说，培养基的氧化还原电位一般对其生长的影响不大，即适合它们生长的氧化还原电位范围较广。但对于厌氧菌，由于氧的存在对其有毒害作用，因而往往在培养基中加入还原剂以降低氧化还原电位。
三、培养基成分配比的选择
培养基的组分、配比、缓冲能力、黏度、灭菌是否彻底、灭菌后营养破坏的程度及原料中杂质的含量都对菌体生长和产物形成有影响。目前还只能在生物化学、细胞生物学等的基本理论指导下，参照前人所使用的较适合于某一类菌种的培养基（常称为基础培养基）的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶等小型发酵设备，对碳、氮、无机盐和前体等进行逐个单因子试验，观察这些因子对菌体生长和产物合成量的影响，最后再综合考虑各因素的影响，得到一个适合该菌种的培养基的配方，在大规模生产中进行必要的调整，以获得高产。
为了减少实验次数，可考虑用“正交试验设计”等数学方法来确定培养基组分和浓度，它可以通过比较少的实验次数而得到较满意的结果，另外，还可通过方差分析，了解哪些因素影响较大，以引起人们的注意。
需要注意的是考虑碳源、氮源时，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，发挥各自优势，避其所短，选用适当的碳氮比（C/N）。
氮源过多，则菌体繁殖旺盛，pH值偏高，不利于代谢产物的积累；
氮源不足，则菌体繁殖量少，从而影响产量。
碳源过多，则容易形成较低的pH值；
碳源不足，菌体衰老和自溶。
在考虑培养基所用的有机氮源时，要特别注意原料的来源、加入方法和有效成分的含量。制备培养基时，也应该考虑水分含量。
另外还要注意生理酸、碱性盐和pH缓冲剂的加入和搭配，根据该菌种在现有工艺设备的条件下，其生长和合成产物时pH值的变化情况，以及最适pH值所控制范围等，综合考虑选用什么生理酸、碱性物质及用量，从而保证在整个发酵过程中pH值都能维持在最佳状态。有时考虑用中间补料来控制pH值。
凡是代谢后能产生酸性物质的营养成分叫生理酸性物质，如硫酸铵。
凡是代谢后能产生碱性物质的营养成分叫生理碱性物质，如硝酸盐、乙酸钠等。
培养基各成分用量的多少，大部分是根据经验而来。为了不断提高培养产物的产量和利用效率并减少成本，需要对不同的产物代谢途径不断深入分析，对培养的成分不断改进。
四、总结
以上就是本次的关于工业端发酵培养基的简述。总的来说，从工业生产角度出发，为了保证菌种的发酵成功以及产物的生成，对于培养基需要从诸多角度进行把控，以求取得在成本、产出以及发酵难度之间的平衡。追求全面的优势往往会带来更大的缺陷，只有满足最主要的需求并尽可能控制其他的影响才是最适合的。
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