發(fā)酵培養(yǎng)基：培養(yǎng)基中C、N、P濃度對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響！
小楊 / 2024-08-08 09:37:52
微生物同其他生物一樣，其生長(zhǎng)繁殖依賴于從外界吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而通過新陳代謝來獲取能量和中間產(chǎn)物以合成新的細(xì)胞物質(zhì)。培養(yǎng)基是人工配制的供微生物(或動(dòng)植物細(xì)胞)生長(zhǎng)、繁殖、代謝和合成人們所需目的產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時(shí)，培養(yǎng)基也為微生物等細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)以外所必需的環(huán)境。由于微生物種類繁多，所以它們對(duì)培養(yǎng)基種類的需求和利用也不盡相同。
一、培養(yǎng)基(基質(zhì))的基本成分
基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于發(fā)酵控制來說，基質(zhì)是生產(chǎn)菌代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，既涉及菌體的生長(zhǎng)繁殖，又涉及代謝產(chǎn)物的形成。因此，選擇適當(dāng)?shù)幕|(zhì)和控制適當(dāng)?shù)臐舛仁翘岣叽x產(chǎn)物產(chǎn)量的重要方法。在分批發(fā)酵中，當(dāng)基質(zhì)過量時(shí)，菌體的生長(zhǎng)速率與營(yíng)養(yǎng)成分的濃度直接相關(guān)；對(duì)于產(chǎn)物的形成，培養(yǎng)基過于豐富，有時(shí)會(huì)使菌體生長(zhǎng)過旺、黏度增大、傳質(zhì)變差，菌體不得不花費(fèi)較多的能量來維持其生存環(huán)境，即用于非生產(chǎn)的能量大量增加。所以，控制合適的基質(zhì)濃度對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成都有利。
二、碳源種類和濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響&控制
1、碳源種類對(duì)發(fā)酵過程的影響和控制
碳源種類對(duì)發(fā)酵的影響主要取決于碳源自身的性質(zhì)。按碳源利用快慢程度，分為快速利用的碳源和緩慢利用的碳源。前者能較迅速地參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解產(chǎn)物(如丙酮酸等)對(duì)菌體生長(zhǎng)有利，但有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用；而緩慢利用的碳源多數(shù)為聚合物，菌體利用緩慢，有利于延長(zhǎng)代謝產(chǎn)物的合成時(shí)間，特別是延長(zhǎng)抗生素的分泌期，這為許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。例如，乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油及半乳糖分別是青霉素、頭孢菌素C、核黃素及生物堿發(fā)酵的最適碳源。因此，選擇最適碳源對(duì)提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量非學(xué)構(gòu)造及生理作用與天然維生素相類似)的合成。因此，控制使用能產(chǎn)生阻遏作用的碳源是非常重要的。在工業(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基中常采用快速利用和緩慢利用的混合碳源，就是根據(jù)這個(gè)原理來控制菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成的。
2、碳源濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響和控制
碳源濃度對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物，合成有明顯的影響，如培養(yǎng)基中碳源含量超過5%時(shí)，細(xì)菌的生長(zhǎng)速率會(huì)因細(xì)胞脫水而下降。酵母菌或霉菌可耐受更高的葡萄糖濃度達(dá)到20%，這是因?yàn)樗鼈儗?duì)水的依賴性較低。因此，控制碳源濃度對(duì)發(fā)酵的進(jìn)行至關(guān)重要。目前，碳源濃度的優(yōu)化控制可采用經(jīng)驗(yàn)法和發(fā)酵動(dòng)力學(xué)法，即在發(fā)酵過程中采用中間補(bǔ)料的方法進(jìn)行控制。在采用經(jīng)驗(yàn)法時(shí)，可根據(jù)不同的代謝類型確定補(bǔ)糖時(shí)間、補(bǔ)糖量和補(bǔ)糖方式；而發(fā)酵動(dòng)力學(xué)法則要根據(jù)菌體的比生長(zhǎng)速率、糖比消耗速率及產(chǎn)物的比生成速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)來控制碳源的濃度。
三、氮源種類和濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響&控制
1、氮源種類對(duì)發(fā)酵過程的影響和控制
氮源可分為無機(jī)氮源和有機(jī)氮源兩大類，不同種類和不同濃度的氮源都能影響產(chǎn)物合成的方向和產(chǎn)量。例如，在谷氨酸發(fā)酵中，當(dāng)NH4+，供應(yīng)不足時(shí)，促使形成a-酮戊二酸；過量的NH4+，反而促使谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺?？刂七m當(dāng)?shù)腘H4+濃度才能獲得谷氨酸的最大產(chǎn)量。在研究螺旋霉素的生物合成中，發(fā)現(xiàn)無機(jī)銨鹽不利于螺旋霉素的合成，而有機(jī)氮源(如魚粉)則有利于產(chǎn)物的形成。像碳源一樣，氮源也有快速利用的氮源和緩慢利用的氮源。前者如氨基(或銨)態(tài)氮的氨基酸(或硫酸銨等)和玉米漿等；后者如黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等。它們各有自己的作用，快速利用的氮源容易被菌體所利用，促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，但對(duì)某些代謝產(chǎn)物的合成，特別是某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用而影響產(chǎn)量。例如，鏈霉菌的竹桃霉素發(fā)酵中，采用促進(jìn)菌體生長(zhǎng)的銨鹽，能刺激菌絲生長(zhǎng)，但抗生素的產(chǎn)量反而下降。銨鹽對(duì)柱晶白霉素、螺旋霉素、泰洛星等的合成有調(diào)節(jié)作用。緩慢利用的氮源對(duì)延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量是有好處的，但一次性的投入也容易促進(jìn)菌體生長(zhǎng)和養(yǎng)分過早耗盡，導(dǎo)致菌體過早衰老而自溶，從而縮短產(chǎn)物的分泌期。綜上所述，對(duì)微生物發(fā)酵來說需要優(yōu)化選擇適當(dāng)?shù)牡醇捌錆舛取?/div>
2、氮源濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響和控制
發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。例如，氨基酸發(fā)酵用銨鹽(硫酸銨或乙酸銨)和麩皮水解液、玉米漿作為氮源，鏈霉素發(fā)酵采用硫酸銨和黃豆餅粉作為氮源，但也有使用單一銨鹽或有機(jī)氮源(如黃豆餅粉)的情況。為了調(diào)節(jié)菌體生長(zhǎng)和防止菌體衰老自溶，除了基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的氮源外，還要通過補(bǔ)加氮源來控制濃度。生產(chǎn)上常采用以下方法:
（1）補(bǔ)加有機(jī)氮源
根據(jù)生產(chǎn)菌的代謝情況，可在發(fā)酵過程中添加某些具有調(diào)節(jié)生長(zhǎng)代謝作用的有機(jī)氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等。例如，在土霉素發(fā)酵中，補(bǔ)加酵母粉可提高發(fā)酵單位；青霉素發(fā)酵中，后期出現(xiàn)糖利用緩慢、菌濃度變稀、pH值下降的現(xiàn)象，補(bǔ)加尿素就可改善這種狀況并提高發(fā)酵產(chǎn)量。
（2）補(bǔ)加無機(jī)氮源
補(bǔ)加氨水或硫酸銨是工業(yè)上常用的方法，氨水既可作為無機(jī)氮源，又可以調(diào)節(jié)pH值。在抗生素發(fā)酵工業(yè)中，補(bǔ)加氨水是提高發(fā)酵產(chǎn)量的有效措施， 如果與其他條件相配合，有些抗生素的發(fā)酵單位可提高50%。但當(dāng)pH值偏高而又需補(bǔ)氮時(shí)，就可補(bǔ)加生理酸性物質(zhì)的硫酸銨，以達(dá)到提高氮含量和調(diào)節(jié)pH值的雙重目的。因此，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵控制的需要來選擇與補(bǔ)充其他無機(jī)氮源。
四、磷酸鹽的濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響&控制
磷是微生物生長(zhǎng)繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的。微生物生長(zhǎng)良好時(shí)所允許的磷酸鹽濃度為0.32~300mmol/L，但次級(jí)代謝產(chǎn)物合成良好時(shí)所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol/L，提高到10mmol/L可明顯抑制其合成。相比之下，菌體生長(zhǎng)所允許的濃度比次級(jí)代謝產(chǎn)物合成所允許的濃度要大得多，相差幾十倍，甚至幾百倍。因此，控制磷酸鹽濃度對(duì)微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵來說是非常重要的。磷酸鹽濃度對(duì)于初級(jí)代謝產(chǎn)物合成的影響，往往是通過促進(jìn)生長(zhǎng)而間接產(chǎn)生的，對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物，其影響機(jī)制更為復(fù)雜。對(duì)磷酸鹽濃度的控制，一般是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適當(dāng)?shù)臐舛?。?duì)抗生素發(fā)酵來說，常常是采用生長(zhǎng)亞適量(對(duì)菌體生長(zhǎng)不是最適合但又不影響生長(zhǎng)的量)的磷酸鹽濃度。其最適濃度取決于菌種特性、培養(yǎng)條件、培養(yǎng)基組成和原料來源等因素，并結(jié)合具體條件和使用的原材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定。
培養(yǎng)基中的磷含量還可能因配制方法和滅菌條件不同而有所變化。在發(fā)酵過程中，若發(fā)現(xiàn)代謝緩慢的情況，還可補(bǔ)加磷酸鹽。例如，在四環(huán)素發(fā)酵中，間歇添加微量KH2PO4，有利于提高四環(huán)素的產(chǎn)量。除碳源、氮源和磷酸鹽等主要影響因素外，在培養(yǎng)基中還有其他成分影響發(fā)酵。例如，Cu2+在以乙酸為碳源的培養(yǎng)基中，能促進(jìn)谷氨酸產(chǎn)量的提高，而Mn2+對(duì)芽孢桿菌合成桿菌肽等次級(jí)代謝產(chǎn)物具有特殊的作用，必須達(dá)到足夠的濃度才能促進(jìn)它們的合成等。總之，控制基質(zhì)的種類及各成分的濃度是決定發(fā)酵是否成功的關(guān)鍵，必須根據(jù)生產(chǎn)菌的特性和產(chǎn)物合成的要求進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以取得最滿意的結(jié)果。
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