微生物工程重难点 三、发酵培养基及其制备

这是一篇关于微生物工程重难点 三、发酵培养基及其制备的思维导图。微生物工程这门课程比较复杂，而且非常灵活，必须要掌握它的基本框架，在复习的同时梳理每个专题的知识框架有利于知识的融会贯通。以下思维导图汇总了第一章节的内容，来看看吧。

发酵培养基及其制备

• 发酵培养基的选择与配制
  • 培养基(mediumpl.media)是人工配制的供微生物细胞生长、繁殖、代谢和合成人们所需产物的按一定比例配制的多种营养物质的混合物，也为微生物提供除营养外的其它生长所必须的环境条件。
  • 培养基影响:微生物的生长、产物的形成、提取工艺的选择、产品的质量和产量
  • 培养基选择的依据
    • 1.从微生物的特点来选择培养基 （细菌、酵母菌、霉菌和放线菌） 2.液体和固体培养基选择 3.从生产实践和科学试验的不同要求来选择 （种子M、发酵M） 4.从经济效益方面考虑选择生产原料
  • 培养基的配置原则
    • 1.根据不同微生物的营养需要配制培养基
      • 细菌、酵母菌、霉菌和放线菌
    • 2.营养成分的恰当配比
      • 尤其是碳氮的比例(C/N碳元素总量与氮元素总量之比)C/N比对菌体生长和产物形成都有影响，还能调节pH值
    • 3.渗透压
      • 营养物质的浓度 与M.B细胞渗透压相等的等渗溶液最适宜M.B的生长
      • 微生物的代谢作用又会改变培养基的pH值。 考虑如何加强培养基的缓冲作用。
    • 4. pH值
      • M.B的生长繁殖需要合适的pH值 代谢产物的积累需要合适的pH值 两者往往不同
    • 5.氧化-还原电位
  • 培养基成分配比的选择
    • (1)根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分; (2)通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分; (3)当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的 浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。
    • 正交试验
    • 响应面分析
    • 从摇瓶水平到反应器水平的优化配方
      • 摇瓶、反应器培养基研究的两个层次
      • 摇瓶--培养基设计的第一步、反应器研究的基础 反应器--最终的优化的基础配方 发酵罐:反应器水平，可以得出最终优化的基础配方
  • 注意事项
    • 1、营养成分
      • (1)通常在培养基中加入KHPO、K,HPO,和MgSO,以供应P、S、Mg和K。如果同时加入钙和铁，则上述三种盐的用量要适当加大。 (2)有些糖类或营养物质在高温、高压下会被破坏，故应降低压力、温度或缩短时间，或用过滤(膜滤)或其它方法除菌(如化学灭菌法) (3)除培养固氮菌可以不必在培养基中加入氮源外，在其它培养基中均需加入无机氮源或有机氮源。
    • 2、PH值
      • ➢一方面， 微生物要求培养基有适宜的pH值 ➢另一方面，由于代谢作用又会改变培养基的pH值 ➢在配制培养基时，不仅要调节培养基的pH值，使其符合微生物的要求，而且要考虑如何加强培养基的缓冲作用 ➢如在培养产酸微生物时在培养基中加入适量的CaCO,以中和不断产生的酸 ➢CaCO3,要分消后加入
    • 3、培养基中各成分间的相互作用和不相容性
      • (1)沉淀 若培养基中含有Ca2+，Mg2+等离子， 就会出现沉淀、混浊。为避免产生沉淀，可将盐配成溶液，分开灭菌后再加入培养基内
      • (2)胶体强度的破坏 pH值降到4.5以下，琼脂固体培养基灭菌后不再凝固，或凝固不坚。如果重新调节pH值可以恢复其胶体性质
      • (3)褐色物质的形成 ▲灭菌时培养基颜色变褐(称为“焦化”或美拉德反应)，主要是还原糖类、蛋白质与氨基酸在高压、高温下相互作用的结果 ★这种褐色物质会抑制微生物生长，应尽量防止 ★缩短高温灭菌时间，或将糖与含氮化合物分开灭菌可以有效防止这种反应
• 工业发酵培养基的成分及来源
  • 1.发酵培养基的作用
    • (1)满足菌体的生长: (2) 促进产物的形成。
  • 2.发酵培养基的要求
    • (1)培养基能够满足产物最经济的合成。 (2)发酵后所形成的副产物尽可能的少。 (3)培养基的原料应因地制宜，价格低廉;且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。 (4)所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。
  • 3.发酵培养基的组成
    • 水、碳源、氮源、无机盐、生长因子、前体、促进剂、消泡剂等
    • (1)碳源
      • 糖类(包括单糖、双糖、多糖)、脂肪、羧酸等 多糖:淀粉、糊精、纤维素 淀粉:玉米、马铃薯、小麦、大豆、高粱等
    • (2)氮源
      • 有机氮源：玉米浆
      • 无机氮源：氨水、铵盐、硝酸盐。它们在被应用时应注意会引起环境pH值的变化。 利用速度比有机氮源快，利用速度的快慢顺序为: 氨水>铵盐>硝酸盐（必须先还原成铵盐才能被吸收利用）
    • (3)前体
      • ▲指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因其加入有较大的提高
      • 用法:前体使用时普遍采用流加的方法 浓度过大对菌体的生长不利。 苯乙酸，一般基 础料中仅仅添加0.07%
      • 前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，流加也有利于提高前体的转化率。
    • (4)产物促进剂
      • ▲是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。
      • 提高产量的原因是多方面的： 有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产; 表面活性剂对酶的表面失活有保护作用;。有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子
    • (5)消泡剂
      • 泡沫产生的主要原因: 外力:通气和搅拌 微生物代谢 培养基成分:蛋白质原料 基质中的有机氮源是起泡的主要因素
      • 常用的消泡剂大多为聚醚类和硅烷类物质
• 淀粉水解糖的制备
  • 淀粉的组成及其特性
    • 淀粉为白色无定形结晶粉末，存在于各种植物组织中，不同淀粉具有不同的形状和大小。
    • 直链淀粉的水悬浮液加热时，不产生糊精 ，而以胶体状态溶解，形成粘度较低的不稳定溶液。遇碘纯蓝色，70℃消失，可逆。不是化学反应，络合结构。
    • 支链淀粉是膨胀性物质，水悬浮液加热形成糊状物，粘度高，稳定。遇碘，紫红色，不是络合结构。
  • 淀粉质原料的预处理和水热处理
    • 1.预处理 (除杂、粉碎)
      • 粉碎的目的:为蒸煮创造良好的条件。其目的是要增加原料受热面积，有利于原料中的淀粉颗粒游离出来，吸水膨胀、糊化，提高热处理效率，缩短热处理时间。另外，粉末状原料加水混合后容易流动输送。
    • 2.原料的水热处理
      • 指高温高压条件下将淀粉质原料与水一起处理的过程，称为蒸煮。
      • (1)目的 由于原料细胞中的淀粉颗粒受着植物组织与细胞壁的保护，既不能溶于水，也不易和淀粉水解酶接触。所以必须对原料进行水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，转化为溶解状态，以便淀粉酶的作用
      • ★(2)淀粉在水热处理中变化过程的几个概念
        • ①糊化 (淀粉膨胀)
          • 定义:淀粉颗粒受热吸水膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌也不会再沉淀的现象(胶体状态，黏度高)。此时的温度称为糊化温度(是一个范围)
          • ➢膨胀程度随温度的升高而增加。 ➢糊化后的淀粉与淀粉酶作用快。 ➢淀粉颗粒的晶体结构从有规则的层状结构变成网状结构。不可逆
        • ②)液化 (淀粉溶解)
          • 定义:淀粉糊化后温度继续上升或受到a-淀粉酶的作用，网状结构彻底破坏，淀粉链断裂成短链，胶体状态破坏，淀粉变成粘度较低的流动性料液的过程
          • 本质:淀粉彻底溶解与断裂，产生糊精及低聚糖
          • a-淀粉酶只能水解a-1,4糖苷键:
        • ③老化
          • 定义:糊化或初步液化后的淀粉醪液在温度降低时，粘度逐 渐增加，直至变为冻胶，称为“老化”或“反生
          • 实质:淀粉分子重新排列，链间的氢键重新结合
          • ★老化引起输送困难，分解困难。加入a-淀粉酶充分液化可以克服
  • 淀粉水解糖的制备方法
    • 糖化:在工业生产中，以酸或酶为催化剂，在一定温度下使淀粉水解，转变为葡萄糖的过程叫淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖
    • 淀粉水解糖的主要糖分是____
    • 1.酸解法
      • 定义:以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Glc
    • 2.酶解法
      • ▲过程:包括“液化”和“糖化”两过程
      • 液化:利用a-淀粉酶将淀粉转化为糊精及低聚糖
      • 糖化:利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步 水解转化为Glc
      • ▲酶制剂: a-淀粉酶和糖化酶。因此，也称为“双酶水解法”
      • 优缺点:酸法与双酶法的糖液质量比较：
    • 3.酸酶结合法
      • 包括酸酶水解法和酶酸水解法。
      • 酸酶水解法:先用酸将淀粉水解成糊精及低聚糖，再用糖化酶将糊精和低聚糖水解成glc的工艺
        • 适用于玉米、小麦等颗粒坚硬的谷类原料
      • 酶酸水解法：先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精及低聚糖，再用酸将糊精和低聚糖水解成glc的工艺
  • 淀粉酸水解的原理
    • 1.淀粉酸水解过程中的变化
      • 总趋势:大分子向小分子转化，即淀粉一>糊精一>低聚糖一>葡萄糖
      • ★相对分子量逐渐变小，糖化液的还原性不断增加，糖液的甜味越来越浓
      • ★糊精是一般含2~10个葡萄糖单位的低聚糖。糊精具有旋光性，还原性，能溶于水，不溶于酒精
    • 2.淀粉酸水解过程中的三种反应★ 糖化(主要反应)、复合反应、分解反应