第2章微生物营养及培养基

第二章微生物的营养与培养基

李昆太

江西农业大学生物科学与工程学院发酵工程流程第一节微生物的营养营养物质：可为微生物利用于分解代谢和合成代谢的物质。营养物质的作用：参与细胞组成；构成酶的活性成分与物质运输系统；提供机体进行各种生理活动所需要的能量。微生物细胞的化学构成确定微生物对营养物质的需要：

1、分析微生物细胞的化学成分及分泌于细胞之外的代谢物的性质。

2、测定微生物对外源有机物的需要。

微生物通过代谢从环境中取得营养物质合成细胞物质、产能并在新陈代谢中用于代谢调节，使生命能够维持和延续。

微生物细胞化学组成成分析表明，与其他高等动植物细胞一样，细胞也是大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫（这六种元素占细菌细胞干重的97％）和微量元素铁、锰、锌等构成。微生物细胞中这些元素主要以蛋白质、糖、脂、核酸、维生素及它们的降解产物、代谢产物等有机物质，水和无机盐等无机物质的形式存在。

水是细胞中的一种主要成分，一般可占细胞重的70％-90％。

微生物细胞中几种主要元素的含量

（干重的百分数）

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——

微生物细胞的化学组成主要成分细菌酵母菌霉菌水分75~8570~8085~90（占细胞鲜重的%）蛋白质50~8032~7514~15

占细碳水化合物12~2827~637~40

胞干脂肪5~202~154~40

重的核酸10~206~81%

无机盐2~303.8~76~12第二节培养基的选择和确定一、培养基的营养成分二、培养基的用途三、发酵培养基的选择四、培养基成分的营养与作用五、培养基确定方法一、培养基的营养成分

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的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物，再借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。所有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能源，包括碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等。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。微生物的营养来源

（1）能源自养菌：光；氢；亚硝酸盐；亚铁盐等。异养菌：碳水化合物等有机物，石油天然气和石油化工产品，如醋酸。（2）碳源：碳酸气；淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等石油、正构石蜡，天然气醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品（3）氮源豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒糟水等有机氮尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮

气态氮

(4)无机盐磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等铁、锰、钴等微量元素（5）特殊生长因子硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等二、培养基的用途

（一）培养基的分类（1）按培养基组成物质的化学成分合成培养基、天然培养基。（2）按物理性质固体，液体（3）按用途选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等（1）天然培养基是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等)制成的。适合于各类异养微生物生长，而一般自养微生物都不能生长。（2）合成培养基是用化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素适用于在实验室范围作有关营养、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。但一般微生物在合成培养基上生长较慢，有些微生物营养要求复杂，在合成培养基上不能生长。（3）半合成培养基多数培养基配制是采用一部分天然有机物作碳源、氮源和生长因子的来源，再适当加入一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物对营养的需要。大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。因此，在微生物工业生产上和试验研究中被广泛使用。（1）

液体培养基：常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本理论研究工作。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风搅拌培养。在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴定菌种的参考。生理代谢菌种筛选种子培养发酵培养（2）

固体培养基

分类：斜面试管、平板等是在液体培养基中加入凝固剂配成的，最常用的凝固剂是琼脂。作用：固体培养基在菌种的分离、保藏、菌落特征的观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养霉菌等的固体种子和发酵培养基是由麸皮等农作物加无机元素等制成的。增殖培养基：可以配制成适合某种微生物生长而不适合其他微生物生长，从而达到从自然界分离这种微生物的目的。鉴别培养基：是根据微生物能否利用培养基中某种营养成分，借助指示剂的显色反应，以鉴别不同种类的微生物。选择培养基：是在培养基内加入某种化学物质以抑制不需要菌的生长，而促进某种需要菌的生长。（二）发酵生产中的培养基类型

工业发酵中培养基往往是依据生产流程和作用分为：

斜面培养基

种子培养基

发酵培养基补料培养基1．斜面培养基作用：这是供微生物细胞生长繁殖用的，包括细菌，酵母等的斜面培养基以及霉菌、放线菌生孢子培养基或麸曲培养基等。这类培养基主要作用是供给细胞生长繁殖所需的各类营养物质。特点（*）：1.富含有机氮源，少含或不含糖分。有机氮有利于菌体的生长繁殖，能获得更多的细胞。2.对于放线菌或霉菌的产孢子培养基，则氮源和碳源均不宜太丰富，否则容易长菌丝而较少形成孢子。3.斜面培养基中宜加少量无机盐类，供给必要的生长因子和微量元素。2．种子培养基培养种子的目的（*）

：

扩大培养，增加细胞数量；同时也必须培养出强壮、健康、活性高的细胞。为了使细胞迅速进行分裂或菌丝快速生长。种子培养基特点（*）：1.必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要充足的氮源和生长因子。2.种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些易被吸收利用的碳源和氮源。3.种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近。3．发酵培养基发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。（1）根据产物合成的特点来设计培养基：对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。（2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些，这样在同等或相近的转化率条件下有利于提高单位容积发酵罐的利用率，增加经济效益。（3）发酵培养基需耗用大量原料，因此，原料来源、原材料的质量以及价格等必须予以重视。发酵培养基的选择

(1)必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。(2)有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。(3)有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。(4)有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。(5)尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。(6)原料价格低廉，质量稳定，取材容易。(7)所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。(8)有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”的物质。发酵培养基的设计和注意事项

1．提供必要的营养成分：培养基成分必须满足细胞生长，代谢活动和合成产物所需的基本要求。2．配制合适的浓度：可以从发酵动力学有关生长、产物合成和基质利用物料平衡的关系中大致推算所需原料或大致计算出所需主要原料的需要量。3.主成分与其他成分的配比。

4.控制合适的pH：微生物的生长繁殖或产物的合成往往需要一定的pH环境，在最适pH值下有利于加快各种酶的反应。因此在整个发酵过程中应使培养基的pH适合于微生物生长或产物合成所需。5．避免产生微生物不能利用的物质或形成沉淀葡萄糖与铵盐或氨基酸的氨基在灭菌高温下作用形成深褐色物质。这种物质不被微生物利用。因此这两类营养物不宜直接配在一起进行灭菌，而应采用分开灭菌后再加入发酵罐内。硫酸铵中的SO42-与钙盐易形成难溶的硫酸钙，因此二者也不宜直接配成培养基。6．注意代谢调节物的影响：有些物质存在于培养基中往往能明显地促进或抑制发酵产物的形成。前体物质诱导剂阻遏物抑制剂金属离子(1)添加有关前体物质：前作物质：是指当添加到发酵培养基中的某些化学物质基本上不改变其分子结构而直接进入产物中的小分子物质，从而在一定条件下控制产物的合成方向和提高产量。在发酵中添加前体物质将有利于产物的合成和显著提高产量，如苯乙酸及其衍生物被认为是青霉素的前体物质。(2)添加诱导物：目前工业用微生物酶多数为诱导酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等。诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。酶的正常底物或底物的类似物都可作为诱导物。在各种微生物酶的发酵培养基中必须加入诱导物，例如淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的诱导物。只有添加这些物质的培养基，才能获得高产。(3)注意阻遏物或抑制剂的影响培养基中存在反馈阻遏物或分解阻遏物均能影响酶的合成，降低发酵产量。有些酶的抑制剂却能提高某些代谢产物的产量，最早利用抑制剂提高中间代谢物产量的例子是甘油发酵中加入亚硫酸钠。在培养基配制时必须注意加入有益的抑制剂，而避免混入有害的抑制物。（4）金属离子的影响

有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，因为有些金属离子是中间代谢酶的抑制剂或激活剂。因此对于有重大影响的金属离子必须严格控制。如柠檬酸发酵中铁、锰和锌离子都能明显影响产量，钙离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用，而钴离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的，这些在培养基配制时都必须予以注意。三、培养基组成物质的营养与作用碳素化合物氮素化合物水微量元素(无机盐类)生长因子碳素化合物营养源对微生物生长发育的影响(1)碳素化合物的作用构成菌体成分的重要元素，产生各种代谢产物和细胞内贮藏物质的主要原料，同时又是化能异养型微生物的能量来源。碳源物质是培养基主要成分：占细胞干物质的50％左右，提供能源、碳架、代谢产物。碳源物质的易利用顺序：葡萄糖（单）→蔗糖、麦芽糖、乳糖（双）→糊精→淀粉葡萄糖：是最易利用的糖，并且作为加速微生物生长的一种有效的糖。过多的葡萄糖会过分加速菌体的呼吸，以致培养基中的溶解氧不能满足需要。糖蜜：是制糖厂生产糖时的结晶母液，是蔗糖厂的副产物。含有较丰富的糖、氨素化合物和无机维生素等，是微生物工业的价廉物美的原料。淀粉：一般要经菌体产生的胞外酶水解成单糖后再被吸收利用。可克服葡萄代谢过快的弊病。来源丰富，价格比较低廉。常用的为玉米淀粉、小麦淀粉和甘薯淀。油和脂肪：在微生物分泌的脂肪酶作用下水解为甘油和脂肪酸，在溶解氧的参与下，氧化成水和CO2。因此用脂肪作碳源时需比糖代谢供给更多的氧。(2)氮素化合物

氮是构成微生物细胞蛋白质和核酸的主要元素，而蛋白质和核酸是微生物原生质的主要组成部分。氮素一般不提供能量，但硝化细菌却能利用氨作为氮源和能源。就某一类微生物而言，由于其合成能力的差异，对氮营养的需要也有很大区别。

迟效氮源：蛋白氮必须通过水解之后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用，这种氮源叫做迟效氮源。

速效氮源：无机氮源或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。

速效氮源通常是有利于机体的生长，迟效氮源有利于代谢产物的形成。

铵盐氨基酸 入胞 细胞物质蛋白胨

诱导酶硝酸盐NO3 NH4+分解 入胞 细胞物质豆饼蚕蛹粉诱导酶

多数微生物可以利用无机含氮化合物作为氮源，也可以利用有机含氮化合物作为氮源。但有些微生物没有将无机氮合成有机氮的能力，它们不能把尿素、铵盐等这些无机氮源自行合成他们生长所需的氨基酸，而需要从外界吸收现成的氨基酸作为氮源才能生长，这类微生物叫做氨基酸异养型微生物，也叫营养缺陷型。氮的来源又可分为无机氮和有机氮——

有机氮源：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟等。它们在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸，被菌体进一步分解代谢。有机氮源特点：含有丰富的蛋白质、多肽和游离的氨基酸，还含有少量的糖类、脂肪、无机盐、维生素及生长因子。玉米浆：是玉米淀粉生产中的副产物，其中固体物含量在50％。还含有有机酸、还原糖、磷、微量元素、生长素。由于玉米浆的来源不同，加工条件也不同，因此玉米浆的成分有较大波动。无机氮源：铵盐、硝酸盐、氨水等。微生物对其吸收利用比有机物快利用无机氮时应注意引起的pH变化实验室中常用蛋白胨、牛肉膏、酵母膏等作为有机氮源，工业生产上常用硫酸铵、尿素、氨水、豆饼粉、花生饼粉、麸皮等原料作氮源。(3)水

a.

水是良好的溶剂，菌体所需要的营养物质都是溶解于水中被吸收的。b.

渗透、分泌、排泄等作用都是以水为媒介。c.

水直接参与代谢作用中的许多反应。所以，水在生物化学反应中占有极为重要的地位。d.

水的比热高，能有效地吸收代谢过程中所放出的热，使细胞内温度不致骤然上升。e.水是热的良导体，有利于放热，可调节细胞的温度。(4)无机盐类

是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们为机体生长提供多种重要的生理功能，包括大量元素和微量元素。

大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe等。（微生物生长所需浓度在10-3~10-4mol/L）

微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co等。（微生物生长所需浓度在10-6~10-8

mol/L）

一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能

细胞内一般分子成分（P、S、Ca、Ma、Fe等）一般功能渗透压的维持（Na+等）生理调节物质酶的激活剂（Ma2+等）大量元素pH的稳定无化能自养菌的能源（S、Fe2+、NH4+、NO2-等）机特殊功能盐无氧呼吸时的氢受体（NO3-、SO42-等）酶的激活剂（Cu2+、Mn2+

、Zn2+等）微量元素特殊分子结构成分（Co、Mo等）当无机盐浓度太高时，对微生物生长有抑制作用，而在较低浓度时却能刺激生长。

一般在复合培养基中由于加入许多动植物原料等都含有微量元素。磷：是核酸和蛋白质的必要成分，也是ATP的成分。在代谢途径调节方面，起着重要作用。促进微生物生长，但过量时，许多产物的合成受抑制。

钙：培养基中钙盐过多时，会形成磷酸钙沉淀。可分别消毒或逐步补加。镁：处于离子状态时，是许多酶的辅酶的激活剂，不但影响基质的氧化，也影响蛋白质的合成。以硫酸镁加入，但在碱性溶液中会形成沉淀。（5）生长因子

生长因子是一类对微生物正常生活所不可缺少而需要量又不大，但微生物自身不能用简单的碳源或氮源合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。不同微生物需求的生长因子的种类和数量不同。

缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物

生长因子主要包括维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）及其衍生物，此外还有甾醇、胺类、脂肪酸等等。各种维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶（碱基）的生理功能见教材。

微生物所需的生长因子会随着培养条件的变化而变化。前体物质、通气量、PH、温度等都会对其产生影响。

最早发现的生长因子是维生素，目前已经发现许多维生素都能起生长因子的作用。维生素大部分是构成酶的辅基或辅酶，需要量很少，但是缺少维生素微生物不能正常生长。有些微生物缺乏或丧失合成某种或某些氨基酸的酶，所以不能合成生长所必需的氨基酸，这类微生物被称为“氨基酸缺陷型”。

例如：肠膜明串珠菌常常需要由外源供给多种氨基酸才能生长。另外有些微生物生长还需要其它特殊的成分，例如某些乳酸杆菌生长需要核苷；某些酵母菌和真菌生长需要肌醇；某些肺炎球菌生长需要胆碱等。根据微生物对生长因子的需要的不同，可分为三种类型：（1）生长因子自养型微生物：能自行合成不需要从外界吸取，如大多数真菌、放线菌和不少细菌。（2）生长因子异养型微生物：丧失合成能力或合成能力有限，必须从外界吸取才能维持正常的生长，如乳酸菌、动物至病菌、支原体、原生动物。（3）生长因子过量合成微生物：能合成并分泌某些维生素等生长因子，可用于维生素等生产菌。（6）前体物质

前体物质(Precursor)：最终所需的代谢产物的前身或其结构中的一部分。在生物合成中直接结合到产物分子中，自身结构变化不大，能显著提高产量的小分子物质。抗生素(Antibiotin)发酵中常用的前体物质：抗生素前体物质青霉素Ｇ苯乙酸（或在发酵中生成苯乙酸的物质）链霉素肌醇、精氨酸、甲硫氨酸红霉素丙酸、丙醇、丙酸盐、乙酸盐影响前体物质效力的因素菌种的特性与菌龄(Cellage)前体物质的投入量(Inoculationconcentration)前体物质的毒性(Toxicity)苯乙酸用量（％）青霉素产量（单位/ml)青霉素Ｇ比例（％）0.1７７５０57.30.2８５１５73.00.3９６３０90.60.4９２００95.6（7）促进剂和抑制剂促进剂Accelerator（刺激剂Stimulant）并非前体或营养物，可影响正常代谢或中间代谢物积累、或提高次级代谢物的产量的一类刺激因子。作用原理：改变细胞的渗透性，或“启动”微生物体内的生产部位，否则这些部位是被阻遏的，因此促进剂的添加可以大大提高产量。常用促进剂：各种表面活性剂Surfactant（洗涤剂、吐温80、EDTA、植酸等）、大豆油提炼物、甲醇等

抑制剂(Inhibitor)的作用原理：通过抑制某些合成其它产物的途径而使所需产物的合成得到加强。抗生素生产中的抑制剂：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四环素金霉素溴化物、硫脲等头孢霉素C头孢霉素NL-蛋氨酸利福霉素B其它利福霉素巴比妥药物五、培养基确定方法（1）首先必须做好调查研究工作，了解菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求。工业生产主要应用细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。它们对营养的要求既有共性，也有各自的特性，应根据不同类型微生物的生理特性考虑培养基的组成。例如：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比值=碳源中的碳原子的mol数氮源中所含的氮原子的mol数

应注意各营养物质之间的浓度比；培养基中各营养物质之间的浓度比直接影响微生物的生长与繁殖和（或）代谢产物的形成与积累，尤其是碳氮比（C／N）的影响更为明显。例：在谷氨酸生产中

C/N＝4/1时，菌体大量繁殖，谷氨酸积累少；

C/N＝3/1时，菌体生长受抑制，而谷氨酸大量增加。还应注意：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（影响营养物质的渗透和其他代谢活动）。培养基中各种元素的比例需要平衡。例如：物理化学条件适宜1、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。

2、渗透压和aw渗透压 等渗溶液 适宜微生物生长 高渗溶液 细胞发生质壁分离 低渗溶液 细胞吸水膨胀，直至破裂

例如：

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。（2）其次，对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、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以便在选择培养基时做到心中有数。（3）最好先选择一种较好的化学合成培养基做基础，开始时先做一些摇瓶试验;

然后进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对各种主要有机碳源和氮源的利用情况和产生代谢产物的能力。注意培养过程中的pH变化，观察适合于菌种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同pH，不断调整配比来适应上述各种情况。（4）注意每次只限一个变动条件。有了初步结果以后，先确定一个培养基配比。其次再确定各种重要的金属和非金属离子对发酵的影响，即对各种无机元素的营养要求，试验其最高、最低和最适用量。在合成培养基上得出一定结果后，再做复合培养基试验。最后试验各种发酵条件和培养基的关系。培养基内pH可由添加碳酸钙来调节，其他如硝酸钠、硫酸铵也可用来调节。（5）

有些发酵产物，如抗生素等，除了配制培养基以外，还要通过中间补料法，一面对碳及氮的代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。（6）根据生产和科学研究的需要选择培养基工业上，液体深层培养具有占地面积小、发酵效率高、操作方便、易于机械化相自动化生产、降低劳动强度等优点。所以，发酵工业中大多采用液体培养基培养种子和进行液体发酵，并根据微生物对氧气的要求，分别作表面静止培养或深层通气培养。(7)根据经济效益选择培并基原料考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用粮，或以其他原料代粮。糖类是主要的碳源。碳源的代用方向主要是寻找植物淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，适当减少碳氮配比。有机氮源的节约和代替主要为减少