03 第二章 培养基及制备.ppt

第1页：发酵培养基的作用

第二章 培养基及制备　第一节 工业发酵培养基

发酵培养基的作用：

• 满足菌体的生长
• 促进产物的形成

第2页：碳源之谷物淀粉

一、工业上常用的碳源（carbon source）

1. 谷物淀粉

玉米、马铃薯、木薯淀粉，应用最广。使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类。

第3页：谷物淀粉的优缺点

缺点

a. 难利用、发酵液比较稠，一般 >2.0% 时加入一定的 α-淀粉酶；b. 成分较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。

优点

来源广泛、价格低，可解除葡萄糖效应。

第4页：碳源之葡萄糖

2. 葡萄糖

• 所有的微生物都能利用葡萄糖，但会引起葡萄糖效应。
• 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。

第5页：

第6页：碳源之糖蜜

3. 糖蜜（制糖工业上的废糖蜜或结晶母液）

• 甘蔗糖蜜（cane molasses）
• 甜菜糖蜜（beet molasses）

第7页：糖蜜使用的注意点

糖蜜使用的注意点：除糖份外，含有较多的杂质，对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。

第8页：无机氮源

二、工业上常用的氮源（nitrogen source）

1. 无机氮（迅速利用的氮源）

种类：氨水、铵盐或硝酸盐、尿素。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。

第9页：无机氮源的影响

无机氮源的影响（毛霉产蛋白酶的研究）：

1. 硫酸铵
2. 硝酸铵
3. 硝酸钠
4. 尿素

第10页：有机氮源

2. 有机氮

来源

一些廉价的原料，如玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、鱼粉、酵母浸出膏等。

成分复杂

除提供氮源外，还提供大量的无机盐及生长因子。

第11页：无机盐与生长因子

三、无机盐（inorganic mineral）

硫酸盐、磷酸盐、氯化物及一些微量元素。

四、生长因子（growth factor）

微生物生长不可缺少的微量有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素。

第12页：生物素的作用

1. 生物素作用：

1. 主要影响细胞膜通透性。
2. 影响菌体的代谢途径。

• 谷氨酸产生菌为生物素缺陷型。
• 要达到菌体生长需要的“亚适量”。

第13页：提供生长因子的农副产品

2. 提供生长因子的农副产品原料

1. 玉米浆（corn steep liquor, CSL）：最具代表性
2. 麸皮水解液
3. 糖蜜
4. 酵母

第14页：淀粉水解糖的制备

第二节 淀粉水解糖的制备

在工业生产中，将淀粉水解为葡萄糖（glucose）的过程称淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。

第15页：淀粉水解制糖的意义

一、淀粉水解制糖的意义

1. 大多数微生物不能直接利用淀粉（所有的氨基酸生产菌不能直接利用）。
2. 有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但必须在微生物产生淀粉酶后才能进行，过程缓慢，发酵周期延长。
3. 若直接利用淀粉作原料，灭菌过程的高温会导致淀粉结块，发酵液粘度剧增。

第16页：酸解法

二、淀粉水解糖的制备方法及原理（一）酸解法（acid hydrolysis method）

以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。

第17页：淀粉酸水解过程

1. 水解过程

总反应式：(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

1. 淀粉 (C₆H₁₀O₅)n
2. 糊精 (C₆H₁₀O₅)x
3. 麦芽糖 C₁₂H₂₂O₁₁
4. 葡萄糖 C₆H₁₂O₆

H⁺ 对作用点无选择性，α-1,4-糖苷键和 α-1,6-糖苷键均被切断。

第18页：复合反应与分解反应

2. 葡萄糖的复合反应和分解反应

在水解过程中，由于受到酸和热的作用，一部分葡萄糖会发生复合反应和分解反应。

第19页：副反应路径与葡萄糖损失

淀粉在盐酸催化下水解为葡萄糖，同时发生两类副反应，造成葡萄糖损失。

第20页：副反应的不利影响

不利影响：

1. 降低了葡萄糖的收率。
2. 给产物的提取和糖化液的精制带来困难。

复合反应

生成的多数复合糖不能被微生物利用，使发酵结束时残糖高。

分解反应

生成的 5'-羟甲基糠醛是产生色素的根源，增加了糖化液精制脱色的困难。

第21页：如何控制副反应

如何控制分解反应和复合反应的发生？

1. 淀粉乳浓度
2. 酸浓度不能过高
3. 温度

第22页：酸解法的优缺点

3. 评价

优点

工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。

缺点

（1）副产物多，影响糖液纯度，一般 DE 值只有 90% 左右；（2）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制淀粉。

第23页：DE 值葡萄糖当量值

DE 值

dextrose equivalent value（葡萄糖当量值），表示淀粉糖的含糖量。

DE 值 ＝ 还原糖含量（%）／干物质含量（%）× 100%

第24页：酶解法

（二）酶解法（enzyme hydrolysis method）

用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。

第25页：双酶法的两个步骤

分两步：

1. 液化：用 α-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖
2. 糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精和低聚糖转化为葡萄糖

淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又称双酶法（double enzyme hydrolysis method）。

第26页：液化

1. 液化（liquification）

α-淀粉酶水解底物内部的 α-1,4 糖苷键，不能水解 α-1,6 糖苷键，一般采用耐高温淀粉酶，使液化速度加快，温度 85－90 ℃。

第27页：液化程度的控制

液化程度的控制（液化后需糖化的原因）

• a. 糖液的 DE 值低（α-淀粉酶不能水解 α-1,6 糖苷键）
• b. 液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，使糖化酶难以利用
• c. 糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范围

第28页：液化终点的判断

根据生产经验，DE 值在 20～30 之间为好，液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。

第29页：糖化

2. 糖化（saccharification）

糖化酶从非还原性末端水解 α-1,4 糖苷键和 α-1,6 糖苷键。终点确定：DE 值达最高时，停止酶反应。

第30页：酶解法的优点

3. 评价——优点：

1. 反应条件温和，不需高温、高压设备。
2. 副反应少，水解糖液纯度高。
3. 对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓度下水解。
4. 糖液颜色浅，质量高。

第31页：酶解法的缺点

缺点：

1. 生产周期长，一般需要 48 小时。
2. 需要更多的设备，且操作严格。

第32页：酸酶结合法

（三）酸酶结合法（acid-enzyme hydrolysis method）

集酸解法和酶解法的优点而采取的生产工艺，根据原料淀粉性质分为酸酶法与酶酸法。

第33页：酸酶法

1. 酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。

适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原料，若用 α-淀粉酶液化，短时间液化，反应往往不彻底。

第34页：酶酸法

2. 酶酸法：先用 α-淀粉酶液化，再用酸水解。

适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸法，则水解不均匀。

第35页：不同糖化工艺的比较

（四）不同糖化工艺的比较

第36页：糖蜜的分类及组成

第三节 糖蜜原料　一、糖蜜的分类及组成

组成：粘稠、黑褐色、半流动状液体，组成各不相同。

第37页：糖蜜的预处理

二、糖蜜的预处理

1. 澄清：加酸，加絮凝剂（石灰）
2. 脱钙：加 Na₂CO₃
3. 降低生物素含量（谷氨酸发酵中）：去除生物素，用活性炭及树脂吸附；拮抗生物素，加表面活性剂（Tween 60）阻止油酸合成；加青霉素使细胞壁不完整。菌种方面：使用油酸或甘油缺陷型。