医学交流课件：微生物的营养

第五节、微生物的营养

第一部分、微生物的营养要求一、微生物细胞的化学组成（一）化学元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氢、氧、氮、

磷、硫、钾、镁、钙、铁（其中前六种占细菌细胞干重的97%）。微量元素(traceelement):锌、锰、钠、氯、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼。元素细菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氢86.76.7氧2031.140.2磷

3—

—

硫

1—

—

（二）微生物细胞的化学成分分析1．有机物：蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素及其降解产物.2．无机物：1)参与有机物组成，

2)单独存在于细胞质内以无机盐的形式存在.3、水：约占细胞总重70%～90%，以游离水和结合水两种形式

存在游离水：干重法可测得；

结合水：不易蒸发、不冻结、也不能渗透,

占水总量的17%—28%。第二部分、营养物质及其生理功能碳源

（carbonsource）氮源（nitrogensource）无机盐（mineralsalts）生长因子（growthfactor）水（一）、碳源（Carbonsource）**◆定义：凡可被用来构成细胞物质或代谢产物中碳素来源的营养物质。◆功能：提供合成细胞物质及代谢物的原料;并为整个生理活动提供所需要能源（异养微生物）。◆种类:无机含碳化合物：如CO2和碳酸盐等。

有机含碳化合物：糖与糖的衍生物（多糖：如淀粉、麸皮、米糠等；饴糖；单糖）,脂类、醇类、有机酸、烃类、芳香族化合物以及各种含氮的化合物。表微生物的碳源谱类型元素水平

化合物水平

培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C·H·O·N多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等C·H·O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C·H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳C(?)—

—

C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等工业上常用的碳源①葡萄糖

所有的微生物都能利用葡萄糖（速效）但是会引起葡萄糖效应

工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质量指标②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。

糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。③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（迟效）缺点：难利用、发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α-淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格底难利用，可以解除葡萄糖效应/jpkc/fjgc例：地衣牙孢杆菌生产α-淀粉酶碳源对生长和产酶的影响碳源细胞量α-淀粉酶葡萄糖4.20蔗糖4.020糊精3.0638.2淀粉3.0940.2二、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、无机氮源种类：氨盐、硝酸盐和氨水特点：速效氮源。

但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化。

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2

→NH3+2H2O+NaOH

表微生物的氮源谱

类型

元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N·C·H·O·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N·HNH3、铵盐等(NH4)2SO4等N·O硝酸盐等KNO3等NN2空气经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，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。选择合适的无机氮源有两层意义：

满足菌体生长；

稳定和调节发酵过程中的pH。2、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、酵母粉等。速效氮源**：以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源。如；蛋白胨、牛肉膏、酵母膏。迟效氮源**：氮以大分子蛋白质的形式存在，需降解成小分子肽和氨基酸后才能被利用，如豆饼、葵花饼、花生饼等。

有机氮源成分复杂，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：①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸②较多的乳酸③硫、磷、微量元素等氮源使用的一些相关问题

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—无机氮源中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质

有些产物会受氮源的诱导和阻遏三、微量元素：为微生物细胞生长提供碳、氮源以外的多种重要元素（包括大量元素和微量元素）的物质，多以无机盐的形式供给1、作用：各种不一样2、来源：C、N源或以盐的形式补充3、用量：根据具体的产品，以实验决定4、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微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20μg/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α-淀粉酶，磷对酶活的影响

pH酶活不加4.25120分钟加K2HPO45.4530分钟加KH2PO44.6275分钟无机盐生理功能**构成微生物细胞的组成成分;调解微生物细胞的渗透压，

pH值和氧化还原电位;有些无机盐如S、Fe还可做为自养微生物的能源

;构成酶活性基的组成成分，维持酶活性。Mg、Ca、K是多种酶的激活剂。无机元素的来源和功能元素 人为提供形式 生理功能P KH2PO4、K2HPO4 核酸、磷酸和辅酶的成分

S MgSO4

含硫氨基酸含硫维生素成分K KH2PO4、K2HPO4 酶的辅因子、维持电位差和渗透压Na NaCl维持渗透压、某些细菌和蓝细菌需要Ca Ca(NO3)2、CaCl2 胞外酶稳定剂、蛋白酶辅因子、细菌芽孢和

真菌孢子形成Mg MgSO4固氮酶辅因子、叶绿素成分Fe FeSO4 合成叶绿素、白喉毒素和氯高铁血红素所需Mn MnSO4 超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖异构酶等的辅因子Cu CuSO4 氧化酶、酪氨酸酶的辅因子Zn ZnSO4 碱性磷酸酶、脱氢酶、肽酶、脱羧酶辅因子Mo (NH4)6Mo7O24

固氮酶和同化型及异化型硝酸盐还原酶的成分四、生长因子、前体和产物促进剂

从广义上讲，凡是微生物生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，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，产量有较大的提高。2、前体青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136用法：前体使用时普遍采用流加的方法

前体一般都有毒性，浓度过大对菌体生长不利苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07%

前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，流加也有利于提高前提的转化率3、产物促进剂所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面的。有些促进剂本身是酶的诱导物；有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产，也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。五、水

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因素对微生物发酵代谢影响甚大。

水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。对于酿造行业，水的重要性不言而喻对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的水。水活度值（wateractivity,w）：即水的有效浓度游离水的含量水活度为在一定的温度条件下，溶液的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比，即：w=/o

表示溶液的蒸汽压

o表示纯水的蒸汽压◆在w为0.60~0.99的环境条件均有微生物生长，但对某种微生物而言，它对w的要求是一定的，微生物对水的需求有相当的变化程度。即微生物不同，其生长的最适w亦不同。水的功能溶剂或运输介质的作用：营养物质和代谢产物都必须溶解在水里，才能被吸收或排出体（细胞）外。参与细胞内一系列化学反应:水的比热高：能有效的吸收代谢过程中放出的热量，有效控制细胞内温度的变化。水能维持细胞的膨压（控制细胞形态）。表几类微生物生长最适w

微生物

w一般细菌

0.91酵母菌

0.88霉菌

0.80噬盐细菌

0.70噬盐真菌

0.65嗜高渗酵母

0.60培养基一、选用和设计培养的原则和方法定义：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。同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。

满足菌体的生长促进产物的形成特点：任何培养基都应具备微生物所需要的营养要素，且应比例适当。且一旦配成必须立即灭菌。用途：促使微生物生长；积累代谢产物；分离微生物菌种；鉴定微生物种类；菌种保藏；制备微生物制品。（一）培养基组分应适合微生物的营养特点（目的明确）（二）营养物的浓度与比例应恰当（营养协调）（三）物理化学条件适宜（条件适宜）（四）根据培养目的选择原料及其来源（经济节约）

在微生物学研究和生长实践中，配置合适的培养基是一项最基本的要求。***一）培养基组分应适合微生物的营养特点

即根据不同微生物的营养需要配制不同培养基。

不同营养类型的微生物，其对营养物的需求差异很大。如自养型微生物的培养基完全可以（或应该）由简单的无机物质组成。异养型生物的培养基至少需要含有一种有机物质，但有机物的种类需适应所培养菌的特点。

按微生物的主要类群来说，它们所需要的培养基成分也不同：

细菌：牛肉膏蛋白胨培养基

LB(Luria-Bertani)

放线菌：高氏一号培养基真菌：查氏合成培养基

PDA(Potato-Dextrose-Agar)

酵母菌：麦芽汁

GinsenosidecompoundK(μM)Molconversionquotient(%)CarbonsourceGlucose15.44±0.8621.19Starch14.67±0.9720.13Lactose13.44±0.8318.51Sucrose22.06±0.6530.26Maltose14.53±0.5319.93NitrogensourceCornsteeppowder15.44±0.8621.19Peptone16.15±0.4522.16Tryptone15.71±0.4321.56Beefextract14.39±0.8519.73Soybeanpower20.98±0.9128.78Ammoniumacetate11.16±0.5715.31Ammoniumnitrate11.93±0.3616.37（二）营养物的浓度与比例应恰当●浓度过高——微生物的生长起抑制作用，

浓度过小——不能满足微生物生长的需要。●碳氮比（C/N）直接影响微生物生长与繁殖及代谢物的形成与积累，故常作为考察培养基组成时的一个重要指标；C/N：100：0.5-2**碳源中碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数C/N比值=速效性氮（或碳）源与迟效性氮（或碳）源的比例各种金属离子间的比例（三）物理化学条件适宜pH:

各类微生物的最适生长pH值各不相同：

细菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5

酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.8

在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液（四）根据培养基的应用目的选择原料及其来源用于培养菌体种子的培养基营养应丰富，氮源含量宜高（碳氮比低）；用于大量生产代谢产物的培养基其氮源一般应比种子培养基稍低，（但若发酵产物是含氮化合物时，有时还应提高培养基的氮源含量）；若代谢产物是次级代谢产物时要考虑是否加入特殊元素或特定的代谢产物；当所设计的是大规模发酵用的培养基时，应重视培养基中各成份的来源和价格，应选择来源广泛、价格低廉的原料，提倡以粗代精，以废代好。

二、培养基的种类1、根据微生物的种类2、按培养基的成分3、按培养的用途

4、按培养基的物理状态1、根据微生物的种类分类

细菌培养基

放线菌培养基

霉菌培养基

酵母培养基2、按培养基的成分

合成培养基(syntheticmediumordefinedmedium)

天然培养基(naturalmediumorcomplexmedium)

半合成培养基(semi-definedmedium)3、按培养的用途

3.1.

基本培养基(minimummedium,MM)

完全培养基(completemediumCM)

选择培养基(selectedmedium)

鉴别培养基(differentialmedium)

保藏菌种培养基3.2.孢子培养基：供繁殖孢子用培养基

种子培养基：供孢子发芽和大量繁殖菌体用培养基

发酵培养基：供菌种进一步生长繁殖后合成目的产物的

培养基

4、按培养基的物理状态

固体培养基

半固体培养基

液体培养基液体培养基:

不加凝固剂的培养基，营养物质分布均匀，微生物能与营养物质充分接触，利用适合积累代谢产物。多用于生理研究和发酵工业生产中。三、发酵培养基的设计和优化

目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。

1、培养基成分选择的原则

菌种的同化能力

代谢的阻遏和诱导

合适的C、N比：100∶0.2（0.5）～2.0pH的要求

（一）、理论转化率与实际转化率

理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。

实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小

如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标

2、成分含量的确定（二）、实验设计

培养基成分的含量最终都是通过实验获得的

合理的实验方法：多因子实验：均匀设计、正交实验设计、响应面分析等。多因子实验Level(A)%(B)%(C)%

(D)%(E)%(F)%e12.02.00.050.050.050.123.03.00.10.10.10.234.04.00.20.20.20.3Exp.groupABCDEFeGinsenosidecompoundK(μM)Moldegreeofconversion(%)1111111129.57±1.1340.572122222225.68±1.6435.223133333328.36±0.8538.904211223333.12±2.3645.435222331136.59±1.1150.196233112227.66±1.5237.957313132315.80±0.8121.688322213124.38±1.8633.449331321225.93±0.6735.5710113322132.25±1.5944.2411121133227.32±2.4637.4812132211325.33±1.3134.7513212313231.96±1.2643.84142211223