页数：57页文件大小：332.5 KB来源： 生物工艺学ppt课件
本课件聚焦培养基及其制备，依次讲解培养基及其制备、培养基的选择与制备与培养基选择的依据等内容，梳理其基本原理与工艺要点，并结合生产实例说明应用场景。课件按章节组织，配套思考题。
第三章培养基及其制备：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、产品的质量和产量都有重要的影响。研究微生物的营养，主要是了解微生物的营养特性和培养条件，以便进一步控制和利用它们，更好地为工业生产服务。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，再借助于细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。
第一节培养基的选择与制备：一、培养基的类型和用途根据来源可分为: 天然培养基(complex /undefined medium):合成培养基(defined medium):半合成培养基(semi-defined medium)：根据使用目的可分为:(生物)鉴别培养基(differential medium)选择培养基(selected medium)：根据形状可分为: 固体培养基(solid medium)：半固体培养基(semi-solid medium)：液体培养基(liquid medium)：
根据生产工艺的要求可分为：孢子培养基：孢子培养基(spore medium)：制备孢子用的培养基。要求菌种在这种培养基上能形成大量的优质孢子，但不能引起菌种的变异。该培养基的基质浓度(有机氮)要低些，否则影响孢子的的形成。无机盐要适量，否则影响孢子的数量和质量。常用的有麸皮、大(小)米，由葡萄糖、无机盐、蛋白胨等配制的琼脂斜面培养基。种子培养基(seed medium )：供孢子发芽和菌体生长用的培养基。营养成分应是易于被菌体吸收利用，且完全丰富。其中N源和维生素的含量应高些，但总浓度以略稀薄为宜，以便菌体生长繁殖。为使培养的种子能较快适应发酵罐内的环境，在设计种子培养基时要考虑与发酵培养基组成的内在联系。
发酵培养基：(fermentation medium)：供菌体生长和合成大量代谢产物用的培养基。要求此种培养基的组成丰富完整，营养成分浓度和粘度适中，即利于菌体生长，又利于合成大量的代谢产物。发酵培养基的组成要考虑菌体在发酵过程中的各种生化代谢的协调，在产物合成期，使发酵液pH值不出现大的波动。不同的菌体，不同的产品，对培养基的要求是不同的。不同的发酵产品，培养基的状态、粘度、各成分的含量也是不同的。但是，基本的营养需求是一致。因此，应根据不同的情况选择发酵培养基。
二、培养基选择的依据：1.根据不同菌种或细胞的特点2.根据不同的用途3.根据不同的目的4.根据经济效益分析选择培养基
三、发酵培养基选择的原则：1.必须提供合成细胞和发酵产物的基本成分。
生产中需根据具体情况：抓主要环节。使其即满足细胞的营养要求，又能获得优质高产的的产品，同时也符合增产节约，因地制宜的原则。发酵培养基的主要作用是为了获得预期的产物，应根据产物特点来设计培养基。发酵培养基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。对于大规模发酵生产，除考虑上述细胞的需要外，还必须重视培养基原料的价格和来源。Q：能作为发酵培养基碳源、氮源的物质有哪些？
培养基成分配比的选择培养基：组分：(包括这些组分的来源和加工方法)配比缓冲能力粘度消毒后营养破坏的程度原料的杂质含量对菌体生长和产物形成有影响。目前只能在生物化学、细胞生物学等基本理论指导下，参照前人所使用的较合适于某一类细胞的经验配方，再结合所用菌种和产品的特征，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，对C、N、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。最后再综合各因素的影响，采用正交试验或均匀设计得到一个适合该菌种的生产配方，以获得高产。
四、配制培养基应注意的问题：1.考虑碳源、氮源时，要注意快速利用碳／氮源和慢速利用碳／氮源的相互配合，发挥各自优势，避其所短。2.选用适当的碳氮比。C源做为C架又做能源，碳源较氮源多。过多，容易形成较低pH。不足，菌体衰老和自溶。N源作营养和氨基的来源过多，菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利于代谢产物的积累。不足，菌体繁殖量少，从而影响产量。
碳氮比不当
3.要注意生理酸性盐：生理碱性盐和pH缓冲剂的加入和搭配。生理酸性盐：如(NH4)2SO4为氮源时，由于NH4+被吸收，而造成培养基pＨ降低。生理碱性盐：如以KNO3为氮源时，由于硝酸根被利用，会引起培养基pＨ值的升高。在生产中，采用NH4NO3作为氮源，但NH4 +和NO3-并不是等速被微生物吸收，NH4 +吸收较快，NO3-随后才吸收。工业生产中常用无机氮源有氨水或尿素作为氮源。尿素被菌体的脲酶分解产生氨，提供菌体的氮素营养。
第二节工业发酵培养基碳源：供给菌体生命活动所需的能量和构成菌体细胞以及代谢产物的基础。有糖类、脂肪、某些有机酸等等。氮源：主要构成菌体细胞物质和代谢产物，即蛋白质、氨基酸等之类的含氮代谢物。可分为有机氮源和无机氮源。功能：构成菌体成分；作为酶的组成分或维持酶的活性；调节渗透压、PH值、氧化还原电位等。无机盐：铅、镁、硫、磷、钾、钠、氯、锌、钴、锰。特殊生长因子：其功能是构成辅酶的组成分，促进生命活动的进行。如生物素、硫胺素、肌醇等，但需要量是极少的。水：体内各种生化作用必须在水溶液中进行。营养物质必须溶解于水中，才能透过细胞膜被微生物利用。诱导剂、前体和促进剂：胞外酶合成需要诱导物、有些需要促进剂，抗生素需要前体。
不同的发酵产物：不同的菌种所选择的发酵培养基是不同的。白酒(chinese spirit)发酵：固体发酵培养基；果酒(fruit spirit)发酵：fruit juice or fruit sauce ；啤酒(beer) 发酵：麦芽汁(wort)液体培养基；酒精(alcohol)发酵：淀粉糖化醪(starch mash) ；氨基酸(amino acid)发酵：水解糖液加其他营养成分；柠檬酸(citric acid)发酵：淀粉液化醪(starch dextrinizate mash)；乳酸(lactic acid)发酵：淀粉糖化醪(starch mash)；甲烷(methane)发酵：复杂的有机废物发酵；抗生素(antibiotic)发酵：淀粉糖化醪(starch mash) +豆饼粉+麸皮粉；
一、工业常用的碳源 葡萄糖
糖蜜(molasses：是制糖厂生产糖时的结晶母液，是糖厂的副产品，含有丰富的糖、氮素化合物和无机盐、维生素等，它是微生物工业物美廉价的原料。在工业生产中，常将糖蜜进行处理，用于生产过程。糖蜜中主要含有蔗糖，总糖含量可达50%~70%。糖蜜分为甘蔗糖蜜(cane molasses)和甜菜糖蜜(beet molasses) ，二者在糖的含量和无机盐的含量都有所不同，使用时应注意。糖蜜常用在酵母和丙酮丁醇的生产中，抗生素等微生物工业也常用它作为碳源。酒精工业中若用糖蜜代甘薯粉，则可省去蒸煮、制曲、糖化等过程，简化了酒精生产工艺。
二、工业常用的氮源工业生产中常：用有机氮源豆饼粉(soybean cake powder)、花生饼粉(peanut powder)、麸皮或麸皮水解液(bran hydrolysis liquid)、玉米浆(corn steep liquor)等。根据：现有的工艺条件菌种生长和合成产物时pH的变化最适pH的控制范围综合考虑选用生理酸／碱性物质及用量，从而保证在整个发酵过程中pH都能维持在最佳状态。培养基成分用量的多少大部分根据经验而来。但对于主产物代谢途径清楚的物质如酒精和谷氨酸，可通过物料平衡计算加以确定。
e.g.Alcoholic
次级代谢产物生物合成途径了解有限：化学计算比较困难,但有人根据物料平衡计算了碳源转化为青霉素的得率.Cooney(1979)根据化学反应计量关系和经验数据得出下式:10C6H12O6 +12NH3+3O2+6H2SO4+6C8H8O12(苯乙酸)6C16H18O4N4S+12CO2+54H2O青霉素的理论得率为每克葡萄糖得1.1克青霉素G.在确定培养基碳源数量时，还应考虑用于菌体生长所需的消耗及碳源的来源、加工方法和有效成分的含量。制备培养基，也应考虑水分。培养基用量大，应就地就近选用廉价原料。e.g.Lys 发酵培养基的碳源由山芋淀粉改为山芋粉，成本降低15%。山芋粉中还有生物素、镁盐等。
三. 生长因子：(growth factor)生物素(biotin)维生素(vitamin)甘油(glycerol)氨基酸(amino acid)油酸(oleic acid)嘌呤(purine)吡啶(pyridine) 麸皮水解液(bran hydrolysis liquid)其他农副产品玉米浆(corn steep liquor)糖蜜(molasses )
四.前体物质、促进剂、抑制剂前体
发酵生产中常用的前体产物
抑制剂(inhibitor：在发酵过程中能产生抑制作用的物质在发酵过程中加入某些抑制剂会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一个代谢途径活跃，从而获得人们所需的某种产物或使正常代谢的某一中间物积累起来。
e.g. 微生物发酵法生产甘油
促进剂(promoter)：既不是营养物：又不是前体，但却能提高产量的添加剂。巴比妥盐能使利福霉素单位增加，并能使链霉素生产菌自溶推迟，延长产物的分泌期。酵母甘露聚糖可诱导-甘露糖酶的产生，促使甘露糖链霉素转化为链霉素(streptomycin)。聚乙烯醇衍生物可防止菌丝结球，提高糖化酶(saccharifying enzyme)的产量。表面活性剂(surface active agent) ：在底物和产物均不溶或微溶于水的发酵中，表面活性剂有增加渗透性(perviousness)、促使固体物分散从而强化传质和传氧的作用。
第三节淀粉水解糖的制备意义：很多微生物都不能直接利用淀粉(amylum) ，因为它们不含淀粉酶和糖化酶。因此，在发酵生产之前，必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化(saccharification)，制得的糖液叫淀粉水解糖。葡萄糖(glucose)淀粉水解糖液麦芽糖(maltose)复合糖类(二糖、低聚糖等)其他分解产物(氨基酸、脂肪酸等)在工业生产中，水解糖质量的高低，直接影响菌体的生长和产物的积累。
淀粉水解糖液必须具备的条件 1
一、淀粉水解糖制备的方法原料：薯类(tuber)、玉米(corn)、小麦(wheat)、大米(rice)等含淀粉原料。根据原料淀粉的性质和水解使用的催化剂(catalyst)的不同酸解法(acid hydrolysis process)水解的方法酶解法( enzymatichydrolysisprocess)酸酶结合法(acid-enzymatic hydrolysis )
酸解法：以酸(无机酸或有机酸)为催化剂
酶解法：利用专一性很强的淀粉酶和糖化酶
酸酶法：是先将淀粉酸水解成糊精或低聚糖：然后再用糖化酶将其水解为葡萄糖的工艺。如玉米、小麦等谷物原料的淀粉，淀粉颗粒坚硬，所以液化采用酸法。淀粉酸解至G值(DE值)10-15 降温中和糖化酶糖化DE值：还原糖含量占干物质的百分含量。优点：酸液化速度快，糖化时可采用较高的淀粉乳浓度。
酶酸法：是将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定：的程度，然后用酸水解成葡萄糖。如碎米淀粉，颗粒大小不一，若用酸水解，往往水解不均匀，出糖率低。优点：可采用粗原料淀粉，淀粉浓度(13Be')较酸法(10Be' )高，生产易控制。时间短，淀粉水解副反应少。
淀粉直链淀粉(amylose)： -1
A 淀粉的水解反应淀粉水解总的趋势：是大分子向小分子转化，随着淀粉水解程度的增加，糖化液的还原性不断增加。淀粉(amylum)糊精(dextrin)低聚糖(oligosaccharides )葡萄糖(glucose)淀粉水解的化学反应可简单表示如下：(C6H10O5)n+nH2O n (C6H12O6)由于有水参与，反应结果有化学增重。理论上，淀粉转化为葡萄糖的转化率为180.16/162.14
B 淀粉水解的副反应 葡萄糖
淀粉酸水解的反应淀粉：(amylum)酸水解葡萄糖(glucose)复合反应分解反应(disaccharide)复合二糖5-羟甲基糠醛( oligosaccharide)复合低聚糖有机酸、有色物质在淀粉的酸水解过程中，三种反应同时发生，淀粉的水解反应是主要的，葡萄糖的复合和分解反应是次要的，复合反应和分解反应对葡萄糖的生产来说是不利的，影响菌体的正常发酵及工厂的生产成本。Q：如何控制水解条件，降低复合分解反应的发生？
D 淀粉酸水解的工艺流程淀粉水盐酸调浆原：料酸水解冷却中和脱色糖液过滤除杂
表2-1 酸水解对淀粉质量的要求：下表列出酸法水解对淀粉原料的质量指标。
| 项目 | 指标 |
|---|---|
| 水分 | 11~14 |
| 总蛋白质 | 0.3~0.5 |
| 水溶性蛋白质 | 0.01~0.02 |
| 脂肪 | 0.04~0.06 |
| 粗纤维 | 0.01~0.02 |
说明：原文本为连排数字，指标单位原书未标注，此处按原值还原，建议对照原课件核对单位。
2 淀粉乳浓度的选择
3 酸的种类和用量：盐酸(hydrochloric acid)：催化效能为100硫酸(sulphuric acid) ：催化效能为50.35草酸(oxalic acid): 催化效能为20.45一般用盐酸，其量占干淀粉的0.6～0.7%，PH 调至1.5左右。
4糖化压力和时间一般压力为2.5--2.：8公斤／cm2水解15
6 糖化终点的控制：从糖化曲线可以看出,DE值到达最高点后即不再上升，相反会随着糖化时间的延长而稍有下降。(why?).糖化终点的检验：用无水乙醇检验无白色沉淀或碘液检验为20 30 时间(分)无色，即为终点。淀粉酸糖化的曲线100 90 80 70 60A B C(纯度%)
F 水解糖液的中和、脱色除杂1、中
2 脱色除杂活性炭吸附法离子交换法新型磺：化煤用量：相当于干淀粉量的0.6～0.8%活性炭脱色温度: 65
酶法制糖工艺
2 )淀粉酶液化的条件及液化程度：的控制淀粉的糊化与老化淀粉的糊化是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。发生糊化现象时的温度称糊化温度。不同原料的糊化温度范围不同。P67淀粉的老化实际上是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶的过程。在酶法糖化时，
淀粉液化的方法与选择一次加酶液化法加酶：的方法二次加酶液化法三次加酶液化法中温酶法酶耐温性高温酶法高温-中温酶法原料粗细淀粉质原料直接液化法精制淀粉液化法加热的方式蒸汽喷射液化法常温液化法
蒸汽喷射液化工艺及条件：该工艺的特点是利用喷射器将蒸汽喷入淀粉乳的薄膜，在短时间内通过喷射器快速升温至145
工艺流程淀粉水碱液0.15%氯化钙耐高温
液化程度控制在液化过程中：淀粉液化水解成较小的分子。液化程度不能太低，因为：Ａ液化程度低，液化液的黏度就大，难于操作；B 液化程度低，淀粉易老化，不利于糖化，特别会使糖化液的过滤性较差。
,液化程度也不能太高：因为：糖化酶(葡萄糖淀粉酶)属于外酶，先与底物分子生成络合结构，而后发生水解作用，水解是由底物分子的非还原末端开始，使葡萄糖单位逐个从糖苷键中裂解出来，要求底物分子有一定的大小,液化超过一定程度，底物分子过小,不利于糖化酶生成络合结构，影响催化效率，使糖化液的最终ＤＥ值偏低。正常液化条件下，控制ＤＥ值在10－20之间为好。
2 糖化
4糖化工艺条件及控制液化液灭酶(100
4糖化工艺条件及控制液化液灭酶(（续）：13324578910淀粉、碱液氯化钙、淀粉酶蒸汽6糖化酶、酸双酶法制糖工艺流程图1-调浆罐；2-缓冲器；3-液化罐；4-贮罐；5-灭酶罐；6-板式换热器；7-糖化罐；8-压滤机；9-糖化暂贮槽；10-贮糖槽
第四节糖蜜原料：一.糖蜜原料的分类P73甘蔗糖蜜(beet molasses)甜菜糖蜜(cane molasses)高级糖蜜(high molasses)二. 糖蜜原料的性质和组成三. 糖蜜的预处理一般处理：澄清处理，除去灰分和胶体物质特殊处理：降低生物素，甘蔗糖蜜生物素高
第五节石油代粮发酵石油：在目前是地球上蕴藏量十分丰富的资源。能利用石油的微生物种类很多，分布很广，其最大特点是能使化学上很稳定的正烷烃、环烷烃、芳香烃等化合物在常压下化学变化，所以石油发酵不需高温、高压、耐酸、耐腐蚀的设备。英国用石蜡为原料，美国用烃、法国用柴油为原料生产石油蛋白，石油蛋白的收率为50%－80%。国外石油蛋白已完成了试产和毒性试验，已正式投产。日本以石油馏分或石油化工产品发酵和生产谷氨酸、赖氨酸、柠檬酸、α－酮戊二酸、反丁烯二酸等,收率已达到或超过糖质原料发酵的水平。
某些氨基酸、氯霉素、灰黄霉素的发酵产率：也接近了投产水平。利用石油产品醋酸作谷氨酸发酵原料，已在日本全面生产。在我国除进行石油微生物脱蜡、石蜡制造酵母蛋白外，近年也开展了石油代粮发酵，正在进行谷氨酸、抗生素、酶制剂、柠檬酸、反丁烯二酸的石油发酵，还进行了维生素B2、甘露醇的石油发酵的研究。
第六节其他物质 农作物纤维下脚料
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