醫(yī)學交流課件：微生物的營養(yǎng)

第五節(jié)、微生物的營養(yǎng)

第一部分、微生物的營養(yǎng)要求一、微生物細胞的化學組成（一）化學元素(chemicalelement):大量元素(macroelement):碳、氫、氧、氮、

磷、硫、鉀、鎂、鈣、鐵（其中前六種占細菌細胞干重的97%）。微量元素(traceelement):鋅、錳、鈉、氯、鉬、硒、鈷、銅、鎢、鎳、硼。元素細菌酵母菌霉菌碳5049.847.9氮1512.45.2氫86.76.7氧2031.140.2磷

3—

—

硫

1—

—

（二）微生物細胞的化學成分分析1．有機物：蛋白質、糖、脂類、核酸、維生素及其降解產物.2．無機物：1)參與有機物組成，

2)單獨存在于細胞質內以無機鹽的形式存在.3、水：約占細胞總重70%～90%，以游離水和結合水兩種形式

存在游離水：干重法可測得；

結合水：不易蒸發(fā)、不凍結、也不能滲透,

占水總量的17%—28%。第二部分、營養(yǎng)物質及其生理功能碳源

（carbonsource）氮源（nitrogensource）無機鹽（mineralsalts）生長因子（growthfactor）水（一）、碳源（Carbonsource）**◆定義：凡可被用來構成細胞物質或代謝產物中碳素來源的營養(yǎng)物質?！艄δ埽禾峁┖铣杉毎镔|及代謝物的原料;并為整個生理活動提供所需要能源（異養(yǎng)微生物）。◆種類:無機含碳化合物：如CO2和碳酸鹽等。

有機含碳化合物：糖與糖的衍生物（多糖：如淀粉、麩皮、米糠等；飴糖；單糖）,脂類、醇類、有機酸、烴類、芳香族化合物以及各種含氮的化合物。表微生物的碳源譜類型元素水平

化合物水平

培養(yǎng)基原料水平有機碳C·H·O·N·X復雜蛋白質、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生餅粉等C·H·O·N多數(shù)氨基酸、簡單蛋白質等一般氨基酸、明膠等C·H·O糖、有機酸、醇、脂類等葡萄糖、蔗糖、各種淀粉、糖蜜等C·H烴類天然氣、石油及其不同餾份、石蠟油等無機碳C(?)—

—

C·OCO2CO2C·O·XNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等工業(yè)上常用的碳源①葡萄糖

所有的微生物都能利用葡萄糖（速效）但是會引起葡萄糖效應

工業(yè)上常用淀粉水解糖,但是糖液必須達到一定的質量指標②糖蜜糖蜜是制糖生產時的結晶母液，它是制糖工業(yè)的副產物。

糖蜜主要含有蔗糖，總糖可達50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。③淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類（遲效）缺點：難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時加入一定的α-淀粉酶成分比較復雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等等。優(yōu)點：來源廣泛、價格底難利用，可以解除葡萄糖效應/jpkc/fjgc例：地衣牙孢桿菌生產α-淀粉酶碳源對生長和產酶的影響碳源細胞量α-淀粉酶葡萄糖4.20蔗糖4.020糊精3.0638.2淀粉3.0940.2二、氮源氮源主要用于構成菌體細胞物質（氨基酸，蛋白質、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機氮源和無機氮源。1、無機氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點：速效氮源。

但無機氮源的迅速利用常會引起pH的變化。

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2

→NH3+2H2O+NaOH

表微生物的氮源譜

類型

元素水平化合物水平培養(yǎng)基原料水平有機氮N·C·H·O·X復雜蛋白質、核酸等牛肉膏、酵母膏、餅粕粉、蠶蛹粉等N·C·H·O尿素、一般氨基酸、簡單蛋白質等尿素、蛋白胨、明膠等無機氮N·HNH3、銨鹽等(NH4)2SO4等N·O硝酸鹽等KNO3等NN2空氣經微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質的無機氮源叫生理酸性物質，如硫酸胺。若菌體代謝后能產生堿性物質的則此種無機氮源稱為生理堿性物質，如硝酸鈉。正確使用生理酸堿性物質，對穩(wěn)定和調節(jié)發(fā)酵過程的pH有

積極作用。選擇合適的無機氮源有兩層意義：

滿足菌體生長；

穩(wěn)定和調節(jié)發(fā)酵過程中的pH。2、有機氮源來源：工業(yè)上常用的有機氮源都是一些廉價的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、

蛋白胨、酵母粉等。速效氮源**：以蛋白質降解產物形式存在的有機氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源。如；蛋白胨、牛肉膏、酵母膏。遲效氮源**：氮以大分子蛋白質的形式存在，需降解成小分子肽和氨基酸后才能被利用，如豆餅、葵花餅、花生餅等。

有機氮源成分復雜，除提供氮源外，有些有機氮源還提供大量的無機鹽及生長因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等氮源使用的一些相關問題

有機氮源和無機氮源應當混合使用早期：容易利用易同化的氮源—無機氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質

有些產物會受氮源的誘導和阻遏三、微量元素：為微生物細胞生長提供碳、氮源以外的多種重要元素（包括大量元素和微量元素）的物質，多以無機鹽的形式供給1、作用：各種不一樣2、來源：C、N源或以鹽的形式補充3、用量：根據(jù)具體的產品，以實驗決定4、使用注意點A.對于其它渠道有可能帶入的過多的某種無機離子和微量元素在發(fā)酵過程中必須加以考慮

例：鐵離子青霉素發(fā)酵中，鐵離子的濃度要小于20μg/ml

發(fā)酵罐必須進行表面處理B、使用時注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330,生產α-淀粉酶，磷對酶活的影響

pH酶活不加4.25120分鐘加K2HPO45.4530分鐘加KH2PO44.6275分鐘無機鹽生理功能**構成微生物細胞的組成成分;調解微生物細胞的滲透壓，

pH值和氧化還原電位;有些無機鹽如S、Fe還可做為自養(yǎng)微生物的能源

;構成酶活性基的組成成分，維持酶活性。Mg、Ca、K是多種酶的激活劑。無機元素的來源和功能元素 人為提供形式 生理功能P KH2PO4、K2HPO4 核酸、磷酸和輔酶的成分

S MgSO4

含硫氨基酸含硫維生素成分K KH2PO4、K2HPO4 酶的輔因子、維持電位差和滲透壓Na NaCl維持滲透壓、某些細菌和藍細菌需要Ca Ca(NO3)2、CaCl2 胞外酶穩(wěn)定劑、蛋白酶輔因子、細菌芽孢和

真菌孢子形成Mg MgSO4固氮酶輔因子、葉綠素成分Fe FeSO4 合成葉綠素、白喉毒素和氯高鐵血紅素所需Mn MnSO4 超氧化物歧化酶、氨肽酶、L-阿拉伯糖異構酶等的輔因子Cu CuSO4 氧化酶、酪氨酸酶的輔因子Zn ZnSO4 堿性磷酸酶、脫氫酶、肽酶、脫羧酶輔因子Mo (NH4)6Mo7O24

固氮酶和同化型及異化型硝酸鹽還原酶的成分四、生長因子、前體和產物促進劑

從廣義上講，凡是微生物生長不可缺少的微量的有機物質，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長因子。

1、生長因子

如以糖質原料為碳源的谷氨酸生產菌均為生物素缺陷型。以生物素為生長因子,生長因子對發(fā)酵的調控起到重要的作用。

有機氮源是這些生長因子的重要來源，多數(shù)有機氮源含有較多的B簇維生素和微量元素及一些微生物生長不可缺少的生長因子

前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過程中合成到產物物分子中去，產量有較大的提高。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136用法：前體使用時普遍采用流加的方法

前體一般都有毒性，濃度過大對菌體生長不利苯乙酸，一般基礎料中僅僅添加0.07%

前體相對價格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化，流加也有利于提高前提的轉化率3、產物促進劑所謂產物促進劑是指那些非細胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產量的添加劑。促進劑提高產量的機制還不完全清楚，其原因是多方面的。有些促進劑本身是酶的誘導物；有些促進劑是表面活性劑，可改善細胞的透性，改善細胞與氧的接觸從而促進酶的分泌與生產，也有人認為表面活性劑對酶的表面失活有保護作用；有些促進劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。五、水

對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關重要的，因為在不同水源中存在的各種因素對微生物發(fā)酵代謝影響甚大。

水源質量的主要考慮參數(shù)包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質組成和含量。對于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻對于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。水活度值（wateractivity,w）：即水的有效濃度游離水的含量水活度為在一定的溫度條件下，溶液的蒸汽壓與純水的蒸汽壓之比，即：w=/o

表示溶液的蒸汽壓

o表示純水的蒸汽壓◆在w為0.60~0.99的環(huán)境條件均有微生物生長，但對某種微生物而言，它對w的要求是一定的，微生物對水的需求有相當?shù)淖兓潭取＜次⑸锊煌?，其生長的最適w亦不同。水的功能溶劑或運輸介質的作用：營養(yǎng)物質和代謝產物都必須溶解在水里，才能被吸收或排出體（細胞）外。參與細胞內一系列化學反應:水的比熱高：能有效的吸收代謝過程中放出的熱量，有效控制細胞內溫度的變化。水能維持細胞的膨壓（控制細胞形態(tài)）。表幾類微生物生長最適w

微生物

w一般細菌

0.91酵母菌

0.88霉菌

0.80噬鹽細菌

0.70噬鹽真菌

0.65嗜高滲酵母

0.60培養(yǎng)基一、選用和設計培養(yǎng)的原則和方法定義：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細胞生長繁殖所需的一組營養(yǎng)物質和原料。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。

滿足菌體的生長促進產物的形成特點：任何培養(yǎng)基都應具備微生物所需要的營養(yǎng)要素，且應比例適當。且一旦配成必須立即滅菌。用途：促使微生物生長；積累代謝產物；分離微生物菌種；鑒定微生物種類；菌種保藏；制備微生物制品。（一）培養(yǎng)基組分應適合微生物的營養(yǎng)特點（目的明確）（二）營養(yǎng)物的濃度與比例應恰當（營養(yǎng)協(xié)調）（三）物理化學條件適宜（條件適宜）（四）根據(jù)培養(yǎng)目的選擇原料及其來源（經濟節(jié)約）

在微生物學研究和生長實踐中，配置合適的培養(yǎng)基是一項最基本的要求。***一）培養(yǎng)基組分應適合微生物的營養(yǎng)特點

即根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同培養(yǎng)基。

不同營養(yǎng)類型的微生物，其對營養(yǎng)物的需求差異很大。如自養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基完全可以（或應該）由簡單的無機物質組成。異養(yǎng)型生物的培養(yǎng)基至少需要含有一種有機物質，但有機物的種類需適應所培養(yǎng)菌的特點。

按微生物的主要類群來說，它們所需要的培養(yǎng)基成分也不同：

細菌：牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基

LB(Luria-Bertani)

放線菌：高氏一號培養(yǎng)基真菌：查氏合成培養(yǎng)基

PDA(Potato-Dextrose-Agar)

酵母菌：麥芽汁

GinsenosidecompoundK(μM)Molconversionquotient(%)CarbonsourceGlucose15.44±0.8621.19Starch14.67±0.9720.13Lactose13.44±0.8318.51Sucrose22.06±0.6530.26Maltose14.53±0.5319.93NitrogensourceCornsteeppowder15.44±0.8621.19Peptone16.15±0.4522.16Tryptone15.71±0.4321.56Beefextract14.39±0.8519.73Soybeanpower20.98±0.9128.78Ammoniumacetate11.16±0.5715.31Ammoniumnitrate11.93±0.3616.37（二）營養(yǎng)物的濃度與比例應恰當●濃度過高——微生物的生長起抑制作用，

濃度過小——不能滿足微生物生長的需要?！裉嫉龋–/N）直接影響微生物生長與繁殖及代謝物的形成與積累，故常作為考察培養(yǎng)基組成時的一個重要指標；C/N：100：0.5-2**碳源中碳原子的mol數(shù)氮源中所含的氮原子的mol數(shù)C/N比值=速效性氮（或碳）源與遲效性氮（或碳）源的比例各種金屬離子間的比例（三）物理化學條件適宜pH:

各類微生物的最適生長pH值各不相同：

細菌：7.0~8.0 放線菌：7.5~8.5

酵母菌：3.8~6.0 霉菌：4.0~5.8

在微生物的生長和代謝過程中，由于營養(yǎng)物質的利用和代謝產物的形成與積累，培養(yǎng)基的初始pH值會發(fā)生改變，為了維持培養(yǎng)基pH值的相對恒定，通常采用下列兩種方式：內源調節(jié)：在培養(yǎng)基里加一些緩沖劑或不溶性的碳酸鹽；調節(jié)培養(yǎng)基的碳氮比。外源調節(jié)：按實際需要不斷向發(fā)酵液流加酸或堿液（四）根據(jù)培養(yǎng)基的應用目的選擇原料及其來源用于培養(yǎng)菌體種子的培養(yǎng)基營養(yǎng)應豐富，氮源含量宜高（碳氮比低）；用于大量生產代謝產物的培養(yǎng)基其氮源一般應比種子培養(yǎng)基稍低，（但若發(fā)酵產物是含氮化合物時，有時還應提高培養(yǎng)基的氮源含量）；若代謝產物是次級代謝產物時要考慮是否加入特殊元素或特定的代謝產物；當所設計的是大規(guī)模發(fā)酵用的培養(yǎng)基時，應重視培養(yǎng)基中各成份的來源和價格，應選擇來源廣泛、價格低廉的原料，提倡以粗代精，以廢代好。

二、培養(yǎng)基的種類1、根據(jù)微生物的種類2、按培養(yǎng)基的成分3、按培養(yǎng)的用途

4、按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)1、根據(jù)微生物的種類分類

細菌培養(yǎng)基

放線菌培養(yǎng)基

霉菌培養(yǎng)基

酵母培養(yǎng)基2、按培養(yǎng)基的成分

合成培養(yǎng)基(syntheticmediumordefinedmedium)

天然培養(yǎng)基(naturalmediumorcomplexmedium)

半合成培養(yǎng)基(semi-definedmedium)3、按培養(yǎng)的用途

3.1.

基本培養(yǎng)基(minimummedium,MM)

完全培養(yǎng)基(completemediumCM)

選擇培養(yǎng)基(selectedmedium)

鑒別培養(yǎng)基(differentialmedium)

保藏菌種培養(yǎng)基3.2.孢子培養(yǎng)基：供繁殖孢子用培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基：供孢子發(fā)芽和大量繁殖菌體用培養(yǎng)基

發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌種進一步生長繁殖后合成目的產物的

培養(yǎng)基

4、按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)

固體培養(yǎng)基

半固體培養(yǎng)基

液體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基:

不加凝固劑的培養(yǎng)基，營養(yǎng)物質分布均勻，微生物能與營養(yǎng)物質充分接觸，利用適合積累代謝產物。多用于生理研究和發(fā)酵工業(yè)生產中。三、發(fā)酵培養(yǎng)基的設計和優(yōu)化

目前還不能完全從生化反應的基本原理來推斷和計算出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方，只能用生物化學、細胞生物學、微生物學等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經驗配方，再結合所用菌種和產品的特性，采用搖瓶、玻璃罐等小型發(fā)酵設備，按照一定的實驗設計和實驗方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。

1、培養(yǎng)基成分選擇的原則

菌種的同化能力

代謝的阻遏和誘導

合適的C、N比：100∶0.2（0.5）～2.0pH的要求

（一）、理論轉化率與實際轉化率

理論轉化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進行物料衡算，所得出的轉化率的大小。

實際轉化率是指實際發(fā)酵過程中轉化率的大小

如何使實際轉化率接近于理論轉化是發(fā)酵控制的一個目標

2、成分含量的確定（二）、實驗設計

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過實驗獲得的

合理的實驗方法：多因子實驗：均勻設計、正交實驗設計、響應面分析等。多因子實驗Level(A)%(B)%(C)%

(D)%(E)%(F)%e12.02.00.050.050.050.123.03.00.10.10.10.234.04.00.20.20.20.3Exp.groupABCDEFeGinsenosidecompoundK(μM)Moldegreeofconversion(%)1111111129.57±1.1340.572122222225.68±1.6435.223133333328.36±0.8538.904211223333.12±2.3645.435222331136.59±1.1150.196233112227.66±1.5237.957313132315.80±0.8121.688322213124.38±1.8633.449331321225.93±0.6735.5710113322132.25±1.5944.2411121133227.32±2.4637.4812132211325.33±1.3134.7513212313231.96±1.2643.84142211223