發(fā)酵工程韋革宏楊祥第4章1節(jié)

1、發(fā)酵工程韋革宏楊祥第4章1節(jié)培養(yǎng)基：培養(yǎng)基：培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞（也包括培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞（也包括動植物細(xì)胞）生長繁殖和積累代謝產(chǎn)物所需的人工動植物細(xì)胞）生長繁殖和積累代謝產(chǎn)物所需的人工配制的營養(yǎng)物質(zhì)和原料的總和。配制的營養(yǎng)物質(zhì)和原料的總和。同時培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營養(yǎng)外的其它所同時培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營養(yǎng)外的其它所必須的條件。必須的條件。 l微生物從總體上說幾乎可以分解利用地球上的一切有機(jī)物，但其碳源譜個體差異較大?？偟膩碚f，發(fā)酵上常用的碳源集中在糖類、脂類和烴類三種，糖類最常用。l葡萄糖l優(yōu)勢：廣譜碳源，幾乎所有的微生物都能利用l劣勢：初糖效應(yīng)、影響DO，且其

2、代謝對很多發(fā)酵產(chǎn)物有干擾l解決方法：流加或連續(xù)發(fā)酵l其他糖類l果糖雙糖多糖有機(jī)酸、醇、酯、烴l常用價格便宜的，如淀粉，但需預(yù)處理l糖蜜l糖蜜(molasses)是制糖工業(yè)的下腳料。將提純的甘蔗汁或甜菜汁熬成帶有結(jié)晶的糖膏，用離心機(jī)分出結(jié)晶糖，重復(fù)多次，至不能結(jié)晶，此母液即糖蜜。l典型糖蜜的成分和性狀，見下頁表4-3.表表4-3 典型糖蜜的成分和性狀典型糖蜜的成分和性狀l由于我國制糖工業(yè)在南方和北方所用原料不同，所以糖蜜也主要有甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜兩種。l糖蜜的品質(zhì)因不同產(chǎn)地、不同產(chǎn)區(qū)土質(zhì)、不同氣候、不同原料品種、不同收獲季節(jié)、不同制糖方法與工藝條件而有很大差異。l糖蜜主要應(yīng)用在氨基酸、抗生素、酒

3、精等發(fā)酵工業(yè)上。 l脂類l含義：主要指各種長鏈脂肪酸l常用物質(zhì)：各種動物油和植物油，如各種菜油、豆油、棉子油、葵花子油、豬油、魚油等l常用菌種：如解脂假絲酵母等l使用注意事項：乳化問題、供氧問題 l烴類l常用物質(zhì)：常以石油各個組分為原料l常用菌種：即“石油微生物”，如熱帶假絲酵母、解脂假絲酵母、嗜油畢赤氏酵母、脫蠟球擬酵母以及某些假單胞菌等l發(fā)酵行業(yè)：石油脫蠟、SCP生產(chǎn)l凡是能被用來構(gòu)成菌體物質(zhì)中或代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)稱為氮源。微生物整體利用的氮源范圍則稱氮源譜。l象碳源譜一樣，微生物的氮源譜也比較廣大，但個體間差異較碳源譜小，NCHO型最易利用。l除極少數(shù)具有固氮能力的微生物以外，

4、微生物的氮源都來自自然界中的無機(jī)氮或有機(jī)氮物質(zhì)，因此我們可以將氮源分為無機(jī)氮源和有機(jī)氮源兩種。 l無機(jī)氮源l常用物質(zhì)：氨水、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等l特點(diǎn)：利用速度快，很多是速效氮源 某些利用后會改變培養(yǎng)基pH值，稱這些氮 源為生理酸、堿性物質(zhì)l氨水簡介l缺點(diǎn)：有些微生物不能利用l有機(jī)氮源l常用物質(zhì)：主要是各種成分復(fù)雜的工農(nóng)業(yè)下腳料，如各種豆粉、玉米粉、棉子餅粉、花生餅粉、各種蛋白粉、魚粉、蠶蛹粉、某些發(fā)酵的廢菌絲體粉、釀酒工業(yè)的酒糟以及實(shí)驗室常用的牛肉膏、蛋白胨等等l特點(diǎn)：營養(yǎng)豐富，常為遲效氮源l有機(jī)氮源玉米漿概念：玉米漿是以玉米制淀粉或制糖中的玉米浸泡水制得的。目前主要應(yīng)用于抗生素工業(yè)。玉

5、米漿由于浸泡使得營養(yǎng)十分豐富使用注意：酸性(pH值約為4)，質(zhì)量波動尿素亦稱脲，CO(NH2)2，相當(dāng)于碳酸的二酰氨，外觀為白色晶體或粉末，是動物蛋白質(zhì)代謝后的產(chǎn)物。應(yīng)用范圍：廣泛，尤其在抗生素和氨基酸發(fā)酵中使用注意l中性氮源l含氮量高（46%）l微生物必須能分泌脲酶l營養(yǎng)簡單 蛋白胨概念：外觀呈淡黃色的粉劑，是具有某種類似肉香的特殊氣味，平均分子量在2000左右的氮素混合物。使用注意l營養(yǎng)成分的波動l一般僅用于實(shí)驗室l防止吸潮 l概念：指除碳、氮元素外其他各種重要元素及其供體。l劃分：大量元素(10-310-4mol/L) 主要是P、S、K、Mg、Ca、Na和Fe等 微量元素(10-610-

6、8mol/L) 主要是Cu、Zn、Mn、Mo和Co等l使用：大量元素：鹽；微量元素：有機(jī)碳(氮)源、高倍貯液l磷元素l細(xì)胞內(nèi)存在：磷酸基團(tuán)，以酯鍵與各種細(xì)胞組分相連接l作用：l細(xì)胞膜組分l活化糖類分子l共價修飾l橋接核苷酸l組成ATPl常用供體：K3PO43H2O、K3PO4、Na2HPO412H2O、NaH2PO42H2O等l注意事項：l“磷酸鹽調(diào)節(jié)”現(xiàn)象l有機(jī)碳(氮)源的使用l硫元素l細(xì)胞內(nèi)存在：多以巰基或雜環(huán)硫形式存在l作用：l蛋白質(zhì)構(gòu)象形成必需l構(gòu)成含硫維生素l供體：硫酸鹽l注意事項：l有機(jī)碳(氮)源的使用l產(chǎn)物含硫的發(fā)酵l鈣元素l細(xì)胞內(nèi)存在：二價離子(Ca2+)形式l作用：l很多酶的

7、輔因子或激活劑l滲透壓調(diào)節(jié)劑l供體：CaCl2l注意事項：l不要與磷酸鹽同時添加l可以用CaCO3作為備用堿 l鎂元素l細(xì)胞內(nèi)存在：二價離子(Mg2+)形式l作用：l很多酶的輔因子或激活劑l葉綠素組分l供體：MgSO4l注意事項：l注意發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值l鉀元素l細(xì)胞內(nèi)存在：一價離子(K+)形式l作用：l很多酶的輔因子或激活劑l供體：KH2PO4和K2HPO4l鈉元素l細(xì)胞內(nèi)存在：一價離子(Na+)形式l作用：l調(diào)節(jié)滲透壓l某些特殊微生物所需l供體：NaH2PO4，Na2SO4，NaCll注意事項：l培養(yǎng)原生質(zhì)體時注意鹽濃度l鐵元素l細(xì)胞內(nèi)存在：二價離子(Fe2+)形式存在，常與蛋白質(zhì)結(jié)合l作

8、用：l呼吸鏈重要組分l供體：FeSO47H2Ol注意事項：l注意不要過量添加l微量元素l細(xì)胞內(nèi)存在：多以蛋白結(jié)合離子方式存在l作用：l多為某酶的核心組分l供體：在機(jī)碳(氮)源中含有，或使用高倍貯液l注意事項：l絕對不可過量，在一些特殊發(fā)酵中要嚴(yán)格控制表表4-7 主要無機(jī)元素的來源和功能主要無機(jī)元素的來源和功能(引自周德慶等,1993)l作用：起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用參與細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)維持蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象高比熱、高汽化熱、高沸點(diǎn)、固態(tài)低密度l供體：去離子水、蒸餾水、雙蒸水或自來水l注意：自來水中的氯1.特殊發(fā)酵行業(yè)的要求l概念：生長因子是一類對微生物必不可少的小分子有

9、機(jī)物質(zhì)。l范圍：廣義：維生素、堿基、卟啉及其衍生物以及某些氨基酸等狹義：僅指維生素l主要維生素：各種B族維生素常見維生素生理功能參見表4-9.表表4-9 常見維生素生理功能常見維生素生理功能l使用：一般也不需單獨(dú)添加，常在有機(jī)碳(氮)源中含有。l常用供體：酵母膏高倍維生素貯液l生物素簡介1.生物素（biotin）是含硫原子的一元環(huán)狀弱酸，是一種重要的生長因子。l生物素簡介作用：是細(xì)胞內(nèi)許多需ATP的羧化反應(yīng)中羧基的載體，羧基暫時與生物素雙環(huán)系統(tǒng)上的一個氮原子結(jié)合，如在丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化成草酰乙酸的反應(yīng)中。使用：谷氨酸發(fā)酵中一般都使用生物素缺陷型的菌株，發(fā)酵時控制生物素“亞適量”，一般為

10、5 g/L左右。常用供體：純品或由玉米漿或豆餅水解液提供。l概念：前體是指一些添加到培養(yǎng)基中的物質(zhì)，它們并不促進(jìn)微生物的生長，但能直接通過微生物的生物合成過程結(jié)合到產(chǎn)物分子上去，自身結(jié)構(gòu)基本不變，而產(chǎn)物產(chǎn)量卻因此有較大提高。 l主要應(yīng)用：氨基酸發(fā)酵和抗生素發(fā)酵l使用注意：過量有毒，應(yīng)先估算，再由實(shí)驗確定用量l產(chǎn)物促進(jìn)劑指在發(fā)酵過程中添加的，既不是營養(yǎng)物又不是前體物質(zhì)，但是卻能提高產(chǎn)量的物質(zhì)；而產(chǎn)物抑制劑主要是一些對生產(chǎn)菌代謝途徑有某種調(diào)節(jié)能力的物質(zhì)。這兩者都是對發(fā)酵過程有某種調(diào)節(jié)作用，使發(fā)酵過程按照預(yù)定的路線進(jìn)行或更有效率。l例如-甘露糖苷酶發(fā)酵中加入甘露聚糖，四環(huán)素發(fā)酵中加入2-巰基苯駢噻唑

11、，甘油發(fā)酵加入亞硫酸氫鈉等。l微生物整體可以利用的碳源總范圍稱碳源譜(Spectrum of Carbon Sources)，例如：糖類：葡萄糖，果糖，麥芽糖，蔗糖，淀粉，半乳糖，乳糖，甘露糖，纖維二糖，纖維素，半纖維素，甲殼素，木質(zhì)素等。脂類：各種植物油、動物油，磷脂等。有機(jī)酸類：乳酸，檸檬酸，延胡索酸，低級脂肪酸，高級脂肪酸，氨基酸等。其他：如乙醇、石蠟、碳酸鹽等表表4-1 微生物的碳源譜微生物的碳源譜表表4-2 谷氨酸發(fā)酵水解糖液質(zhì)量要求谷氨酸發(fā)酵水解糖液質(zhì)量要求表表4-5 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的含糖區(qū)別甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的含糖區(qū)別表表4-4 不用加工方法對糖蜜質(zhì)量的影響不用加工方法對糖蜜

12、質(zhì)量的影響表表4-5 微生物的氮源譜微生物的氮源譜生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì) (NH4)2SO42NH3+H2SO4NaNO3+8HNH3+2H2O+NaOH例如硫酸銨和碳酸鈉：例如硫酸銨和碳酸鈉：經(jīng)微生物代謝后形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源稱為生理經(jīng)微生物代謝后形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源稱為生理酸性物質(zhì)；經(jīng)微生物代謝后形成堿性物質(zhì)的無機(jī)氮酸性物質(zhì)；經(jīng)微生物代謝后形成堿性物質(zhì)的無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)。源稱為生理堿性物質(zhì)。 圖片來自阿里巴巴網(wǎng)l概念：氨水是氨溶于水得到的水溶液，為無色透明的液體，含氮1216，易揮發(fā)，具有特殊的強(qiáng)烈刺激性臭味。氨水是一種弱堿(pH值10左右)。l應(yīng)用：廣泛，尤其是在氨基酸、抗生素等發(fā)酵工業(yè)中l(wèi)功用：除做氮源還可兼做pH調(diào)節(jié)劑l注意：過濾除菌表表4-6 玉米漿中各種氨基酸的含量玉米漿中各種氨基酸的含量 (引自甘在紅等, 2007) 表表4-10 常見培養(yǎng)基原料生物素含量常見培養(yǎng)基原料生物素含量 (引自俞俊棠引自俞俊棠,唐