培养基介绍

培养基是发酵过程或动植物细胞大量培养中供微生物或动、植物细胞的生长、繁殖或积累代谢产物，以合成生物化工产品所必需的营养基质。培养基的选择应根据微生物生长代谢活动的需要，并有利于合成细胞物质和生物化工产品的生成。培养基中主要含有水、碳源(能源)、氮源、矿物质，有的还需要提供维生素等。在酶反应过程中，原料液中被转化的物质亦即酶的作用物，亦可称为底物。

    培养基的选择一般尽可能要满足以下要求：①单位质量基质，应能产生最大量的生物物质或生物化工产品，并且要使所产生的生物物质或生物化工产品在发酵液中的浓度最高，产率最高，使不需要的其他代谢产物的生成，限在最低范围内。②培养基成本低、质量均一并随时保证提供使用。③培养基使用时，对通气、搅拌、后处理和三废治理等方面所产生的问题最少。

    分类  按其组成成分分成三类:①天然培养基,全由天然产物组成，例如含淀粉、黄豆饼粉等天然物质；②复合培养基，由部分天然产物和部分已知成分的化合物组成，例如其中的氮源既有天然物质黄豆饼粉，又有合成化合物硫酸铵；③合成培养基，全由已知成分的化合物所组成，例如以纯的碳水化合物或碳氢化合物为碳源，以铵盐为氮源。天然培养基和复合培养基常用于工业生产，而合成培养基(偶尔包括复合培养基)则常用于试验。

    按用途分类包括：①基础培养基，营养需求相似的一些生物其所需的营养物大体相同，因之可配制一种适合于它们共同需要的含有基本营养成分的基础培养基；②增殖培养基，又称丰富培养基，常用于菌种选育方面。它是由基础培养基，再加入特殊的营养物质，以使某种差异型微生物在其中迅速生长繁殖；③鉴别培养基，即在培养基中加入某种试剂，从而在培养过程中表现出特殊反应，用以鉴别不同类型的微生物，如无菌试验用的酚红肉汤培养基，就是一种鉴别培养基；④选择培养基，根据某些微生物具有特殊营养要求，或对某些化学物质具有抗性而设计的,例如在配方中加入某种化学药物,以限制对敏感菌的生长繁殖，而将对其不敏感的所需的微生物分离出来。如在分离酵母菌时，可加入青霉素、链霉素等以抑制细菌的生长。

    培养基还可根据其形态分成液体或固体培养基。例如用于无菌试验的肉汤培养基为液体培养基。用于培养青霉菌孢子的小米或大米为固体培养基，在培养基中加入适量琼脂而形成的凝胶培养基，也称固体培养基。

    成分  培养基的成分包括:碳源、氮源、矿物质,以及其他必需物质。这些成分通过生物反应过程，生成生物物质、生物化工产品，并放出CO2、H2O和热量。

    培养基的成分还可以由发酵过程中所需的元素出发，如C、H、O、N、S、P、Mg、K等。此外,必要时还有一些需要量很少的微量元素,如Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Mo、B等。在发酵过程中某些生物本身不能合成的物质，如氨基酸、维生素或核苷酸等，必要时亦作为营养物质加入到培养基中。

    碳源  具有双重作用。生物在产生生物物质或生物化工产品过程中，它不仅为其提供碳源，也为其提供能源。碳水化合物是微生物发酵中的主要碳源，包括淀粉、葡萄糖、蔗糖和乳糖等。此外，植物油如豆油、棉籽油、玉米油等亦常被应用作为碳源。这类油常与表面活性剂合用，以消除发酵过程中所产生的泡沫。甲醇可用以生产单细胞蛋白。正烷烃类可用以生产有机酸、氨基酸和维生素等，甚至二氧化碳也可作为光合细菌的碳源。

    氮源  包括无机氮源和有机氮源。无机氮源包括氨、铵盐及硝酸盐等，它们在被应用时应注意发酵中pH的变化；有机氮源包括氨基酸、蛋白质及尿素等，有机氮源的加入往往加快了生物的生长。因考虑到成本因素，一些有机氮源，如黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、鱼粉、酵母粉等常被选用。

    培养基的组成中除了水分外，碳源和氮源的含量是最大的。碳源含量一般不超过10％，氮源含量较低，一般碳氮比应为3～4:1。碳、氮源含量不能过高的原因是避免产生基质或产物对反应的抑制和因渗透压过高引起细胞失水而死亡。

    矿物质  培养基中 Mg、P、K、S、Ca、Cl常是主要的矿物质的组成成分，其他如Co、Cu、Fe、Mn、Mo及Zn也往往不可少，但需要量很小，可从其他主要培养基成分中得到。如是使用合成培养基就需要把这些微量元素加进去。它们不仅为生物生长所必需，也是为了得到某些产物所必不可少者。例如生物合成青霉素或头孢菌素需要一定量的硫；生物合成维生素B1需要一定量的钴。

    维生素  某些生物在培养过程中需要某些维生素，往往在天然培养基中已经提供了必要的维生素，但在某些特殊情况下需单独加入维生素。例如在谷氨酸生产过程中需加入生物素,某些植物细胞培养中需要硫胺素(维生素B1)。

    缓冲剂  由于发酵过程中pH对形成生物产物的影响很大，为维持稳定的pH，常采用缓冲剂，例如碳酸钙或磷酸盐。后者除能调节pH外，还为培养基提供磷源。

    前体或代谢调节剂  前体是指某一种化合物被加入到发酵培养基中之后，能直接参与产物的生物合成中去。如在青霉素G（即苄基青霉素）的发酵过程中,加入适当的苄基化合物（如苯乙酸）能明显提高青霉素 G的产量。

    代谢调节剂中包括抑制剂和诱导剂，当一种抑制剂加入到发酵过程中时能抑制不需要的产物，而大量产生所需的特定产物（或中间体）。如在四环素发酵中，加入溴化物能抑制金霉素(即氯四环素)的形成，从而增加四环素的产量。至于诱导剂，多数酶的生成需要它来诱导。在正常情况下,酶所需的基质或基质的类似物,可用作诱导剂。如曲霉产生α－淀粉酶时需要淀粉作诱导剂。

    防沫剂  也称消泡剂，一种表面活性剂，能降低泡沫的表面张力，从而消除发酵中泡沫。在多数好气发酵中需解决泡沫问题。泡沫形成的主要原因是由于在培养基中有蛋白质，从而在发酵液和空气泡之间的界面上形成膜，这种膜不易被破坏。泡沫大量形成后，能进入发酵罐的排气管道而造成发酵染菌及发酵液流失。常用的消泡剂为油脂类、酯类、硅油及聚氧乙烯－聚氧丙烯甘油醚。加入消泡剂能降低氧传递率达50％，因此消泡剂应尽量少加。

    在大规模连续发酵培养单细胞蛋白中，需将发酵液循环以充分利用其中的营养物质。但在循环过程中需调节其中营养物的含量水平。采用此工艺时，常注意防止在单细胞蛋白饲料中，过多积累不必要的其他代谢物。

    动物细胞的培养基，包括葡萄糖（有时加半乳糖）、氨基酸（有时加蛋白水解液）、维生素、激素、无机盐及血清等,其中血清常是必要的，且含量要占5％～10％。由于它的来源有限，价格高昂，因此正在进行无血清培养的研究。植物细胞的培养基，除了包括微生物培养基的基本成分外，还必须包含植物激素（如生长素、细胞分裂素等）、植物生长调节剂(人工合成的外源激素)及必要的前体。

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