知识点 2.1

微生物与发酵工艺 知识点2.1

知识点2 .1第一节 培养基选择和配制的原则第二节工业发酵培养基第三节淀粉水解糖的制备第四节糖蜜原料

第一节培养基选择和配制的原则 • 一、培养基的类型和用途 • 复习：CM、SM、MM • ⒈ 根据来源，可分为天然、合成和半合成培养基 • ⒉ 根据主要成分或使用目的，可分为基础、增殖、鉴别和选择培养基 • ⒊ 根据生产工艺的要求，可分为孢子、种子和发酵培养基

二、培养基的选择 • ⒈ 根据微生物的特点选择培养基 • 用于大规模培养的微生物主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌等四大类。依据其不同特性，来考虑培养基的组成 • ⒉ 根据发酵方式选择培养基 • 种子培养基和发酵培养基 • ⒊ 从生产实践和科学试验的不同要求选择 • ⒋ 从经济效益方面考虑选择生产原料

三、培养基的配制原则 • ⒈ 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基 • ⒉ 营养成分的恰当配比 • 培养基中的碳氮的比例(C／N)在发酵工业中尤其重要 • ⒊ 渗透压 • ⒋ pH值 • 一般霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境，放线菌和细菌适于中性或微碱性环境 • ⒌ 氧化还原电位

四、培养基成分配比的选择 • 基础培养基 • 有时考虑用中间补料来控制pH值 • 生理酸性物质，如硫酸铵 • 生理碱性物质，如硝酸盐、乙酸钠等（NH4）2SO42 NH3+H2SO4 NaNO3+4H2NH3+H2O+NaOH

有些初级代谢产物因为它们的代谢途径较清楚，所以根据物料平衡计算来加以确定。有些初级代谢产物因为它们的代谢途径较清楚，所以根据物料平衡计算来加以确定。 • 如酒精发酵，100 kg淀粉理论上可以产酒精的数量为：水解 (C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6 2nC2H5OH+2nCO2 发酵 2×46×100 162 X= =56.79(kg)

第二节工业发酵培养基 • 一、工业上常用的碳源 • 使用最广的碳水化合物是玉米淀粉，也使用其他谷物，如马铃薯、木薯淀粉 • 麦芽是啤酒生产的主要原料或唯一原料 • 发酵培养基中常用的甜菜或甘蔗糖蜜 • 生产疫苗的动物细胞培养基，通常是用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源

二、工业上常用的氮源 • 无机氮源包括氨水、铵盐或硝酸盐等 • 有机氮源包括玉米浆(corn steep liquor，CSL)、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液等 • 玉米浆、豆饼粉等既能作氮源又能作碳源 • 其功能是构成菌体成分，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

三、无机盐 • 微生物对无机盐的需要量很少，但无机盐含量对菌体生长和产物的生成影响很大。 • ⒈ 磷酸盐 • 磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用。微生物对磷的需要量一般为0.005～0.01 mol／L。 • 玉米浆、糖蜜、淀粉水解糖等原料中还有少量的磷。 • 磷含量对谷氨酸发酵影响很大

⒉ 硫酸镁 • 一般革兰阳性菌对Mg2+的最低要求量是25 mg／L，革兰阴性菌为4～5 mg／L。培养基中的硫已在硫酸镁中供给，不必另加。 • ⒊ 钾盐 • 谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要量高。钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。 • ⒋ 微量元素 • 一般作为碳、氮源的农副产品天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加。

四、生长因子 • 生物素缺陷型(biotin auxotroph)，以生物素为生长因子 • ⒈ 生物素 • 主要影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。 • 大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”

玉米浆 • ⒉ 维生素B1(硫胺素) • 维生素B1对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用。 • ⒊ 提供生长因子的农副产品原料 • ⑴ 玉米浆 • 玉米浆主要用作氮源，但它含有乳酸、少量还原糖和多糖，含有丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，常用作为提供生长因子的物质。

⑵ 麸皮水解液 • 可以代替玉米浆，但蛋白质、氨基酸等营养成分比玉米浆少。 • ⑶ 糖蜜 • 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜均可代替玉米浆，但氨基酸等有机氮含量较低。 • ⑷ 酵母 • 可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。

五、前体物质和促进剂 • ⒈ 前体物质 • 某些化合物加到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程结合到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但产物的量却因加入而有较大的提高，这类化合物称为前体物质。 • 如玉米浆中含有苯乙胺，可使生产青霉素的单位提高

⒉ 发酵过程中的促进剂和抑制剂 • 在氨基酸、抗生素和酶制剂发酵生产过程中，可以在发酵培养基中加入某些对发酵起一定促进作用的物质，称为促进剂或刺激剂。 • 例如在酶制剂发酵过程中，加入某些诱导物，可以大大增加菌体的产酶量。

第三节淀粉水解糖的制备 • 作为谷氨酸发酵工业原料的水解糖液，必须具备以下条件： • ① 糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖浓度的要求。 • ② 糖液洁净，是杏黄色或黄绿色，有一定的透光度。 • ③ 糖液中不含糊精。 • ④ 糖液不能变质。

一、淀粉水解糖的制备方法 • 原料主要有薯类、玉米、小麦、大米等含淀粉原料。 • 根据原料淀粉的性质及采用的水解催化剂的不同，淀粉水解为葡萄糖的方法有三种： • ⒈ 酸解法(acid hydrolysis method) • ⒉ 酶解法(enzyme hydrolysis method) • ⒊ 酸酶结合法(acid-enzyme hydrolysis method) • ⑴ 酸酶法； ⑵ 酶酸法

⒈ 酸解法 它是以酸(无机酸或有机酸)为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。用酸解法生产葡萄糖，具有生产方便、设备要求简单、水解时间短、设备生产能力大等优点。酸解法要求有耐腐蚀、耐高温、耐高压的设备。淀粉在酸水解过程中所发生的化学变化是很复杂的，有副反应的发生，造成葡萄糖的损失而使淀粉的转化率降低。

⒉ 酶解法 • 酶解法是用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。 • 利用α-淀粉酶将淀粉液化转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加，这个过程称为液化(1iquification)。 • 利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖，这个过程在生产中称为糖化(saccharification)。

优点：① 采用酶法制备葡萄糖，酶解反应条件较温和。 • ② 微生物酶作用的专一性强，淀粉水解的副反应少，因而水解糖液的纯度高，淀粉转化率(出糖率)高。 • ③ 可在较高淀粉乳浓度下水解，而且可采用粗原料。 • ④ 用酶解法制得的糖液颜色浅，较纯净，无异味，质量高，有利于糖液的充分利用。 • 缺点：酶解反应时间较长(48 h)，需要的设备较多，需要具有专门培养酶的条件，而且酶本身是蛋白质，易引起糖液过滤困难。

⒊ 酸酶结合法 • 酸酶结合水解法是集中酸法和酶解法制糖的优点而采用的结合生产工艺。 • ⑴ 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成葡萄糖的工艺。 • 此法的优点是酸液化速度快，糖化时可采用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率。酸用量少，产品颜色浅，糖液质量高。

⑵ 酶酸法 将淀粉乳先用α-淀粉酶液化到一定的程度，然后用酸水解成葡萄糖的工艺。 • 可采用粗原料淀粉，淀粉浓度较酸解法要高，生产易控制，时间短，而且酸水解时pH值可稍高些，以减轻淀粉水解副反应的发生。 • 从水解糖液的质量和降低糖耗、提高原料利用率方面来考虑，酶解法最好，其次是酸酶法，酸解法最差。从淀粉水解整个过程所需的时间来看，酸解法最短，酶解法最长。

淀粉制糖过程考察指标 • 葡萄糖值——DE值(dextrose equivalent value) • DX值糖化液中葡萄糖含量占干物质的百分率为DX值。

第四节糖蜜原料 • 一、糖蜜原料的分类 • 生物发酵工业所用的糖蜜，主要是指制糖工业上的废糖蜜(waste molasses)，它是甘蔗糖厂或甜菜糖厂的一种副产品。糖蜜是一非结晶糖分，本身含有相当数量的发酵性糖 • 根据来源不同，糖蜜分为甘蔗糖蜜(cane molasses)、甜菜糖蜜(beet molasses)和高级糖蜜(high test molasses)等

二、糖蜜原料的性质和组成 • 糖蜜的外观是一种黏稠、黑褐色、呈半流动状的物体，pH值5.5左右，相对密度1.43。 • 各种糖蜜中的糖类的组成也不相同。除含有发酵性的糖分外，还含有胶体物质、灰分、维生素、氨基酸。 • 甘蔗糖蜜中的生物素较甜菜糖蜜中高。

三、糖蜜的预处理 • 一般所说的预处理是指澄清处理和脱钙处理 • ⒈ 糖蜜澄清处理的目的 • 糖蜜中由于含有大量的灰分和胶体，不但影响菌体生长，也影响产品的纯度，特别是胶体的存在，致使发酵中产生大量的泡沫，影响发酵生产。 • 因此，应进行适当的澄清处理。一般有加酸法、加热加酸法和添加絮凝剂澄清处理法几种。

⒉ 谷氨酸发酵中糖蜜的预处理 • 谷氨酸发酵中，使用生物素缺陷型菌株，发酵培养基中的生物素为5 μg／L左右，而糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中的生物素含量为1～10 μg／g，显然不适合谷氨酸的发酵。 • 一般有活性炭处理法、树脂法以吸附生物素；用化学药剂拮抗生物素或使用其他营养缺陷型菌株(如氨基酸缺陷型、甘油或油酸缺陷型、精氨酸缺陷型等菌株)。 • 还可能通过改进生产工艺如添加青霉素，改变细胞的渗透性

思考题 • ⒈ 培养基的配制原则。配制时应注意哪些问题？ • ⒉ 培养基的碳氮比对菌体的生长和产物形成的影响。 • ⒊ 试比较各种水解糖制备方法的优缺点。

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