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、無機元素、生長因子、水和氧氣等。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。
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。
2、根據(jù)發(fā)酵方式選擇培養(yǎng)基
生產(chǎn)過程中，由于菌種的保藏、種子的擴大培養(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)基的原料大多是糧食、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)濟效益，必須以價廉、來源豐富、運輸方便、就地取材以及沒有毒性等為原則選擇原料。
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“三廢”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，因為產(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。
碳氮比隨碳水化合物及氮源的種類以及通氣攪拌等條件而異，很難確定統(tǒng)一的比值。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。但是，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。當(dāng)然，培養(yǎng)基濃度太大會使培養(yǎng)基黏度增加和溶氧量降低。
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。
在配制培養(yǎng)基時，除應(yīng)注意以上幾條原則外，還要考慮到營養(yǎng)成分的加入順序，為了避免生成沉淀而造成營養(yǎng)成分的損失，加入的順序一般為先加入緩沖化合物，溶解后加入主要物質(zhì)，然后加入維生素、氨基酸等生長素類的物質(zhì)。
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