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1、第三章第三章 发酵工业的培养基及原料处理发酵工业的培养基及原料处理 一、发酵生产上使用的一、发酵生产上使用的 培养基及要求培养基及要求 二、培养基的主要原料二、培养基的主要原料 三、原料的处理三、原料的处理 四、培养基的灭菌四、培养基的灭菌菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验放大试验放大试验后处理后处理 培培养养基基是是提提供供微微生生物物生生长长、繁繁殖殖及及代代谢谢需需要要的的营营养养基基质质，最最主主要要是是有有利利于于积积累累大大量量的微生物产品。的微生物产品。 培培养养基基成成分分和和配配比比合合适适与与否否，对对微微生生物物的的生生长长、产产品品的的生生成成、提提取
2、取，甚甚至至最最后后对对成成品的产量、质量都会产生相当大的影响。品的产量、质量都会产生相当大的影响。 根根据据生生产产工工艺艺的的不不同同，发发酵酵生生产产上上采采用用的的培培养养基基一一般般可可分分为为斜斜面面培培养养基基、种种子子培培养养基基和和发发酵酵培培养养基基，而而种种子子培培养养基基有有可可以以有有摇摇瓶瓶种种子子、固固体体孢孢子子种种子子、一一级级种种子子、二级种子等。二级种子等。一、发酵生产上使用的培养基及要求一、发酵生产上使用的培养基及要求1 1、斜面培养基：、斜面培养基： 斜面培养基是供菌种繁殖、扩大之用，对这斜面培养基是供菌种繁殖、扩大之用，对这种培养基的要求是能够使菌体
3、长得快而健壮，而种培养基的要求是能够使菌体长得快而健壮，而且不易引起菌种变异。且不易引起菌种变异。 一般斜面培养基中碳源和氮源含量不宜过多，一般斜面培养基中碳源和氮源含量不宜过多，特别是碳源，多了会引起特别是碳源，多了会引起pH波动，无机盐浓度也波动，无机盐浓度也要控制适当，以免影响菌种特性。要控制适当，以免影响菌种特性。2 2、孢子培养基：、孢子培养基： 供菌种繁殖孢子的一种固体培养基，要供菌种繁殖孢子的一种固体培养基，要求使菌体生长迅速，产生数量较多的优质孢求使菌体生长迅速，产生数量较多的优质孢子，并且不引起菌种的变异，因此在配置上子，并且不引起菌种的变异，因此在配置上要求要求: :营养不
4、能太丰富，否则不易产孢营养不能太丰富，否则不易产孢无机盐浓度要适当，不然会影响孢子量无机盐浓度要适当，不然会影响孢子量和孢子的颜色和孢子的颜色( (质量质量) ) 注意注意pH和湿度。和湿度。 常用的孢子培养基有：麸皮培养基、小常用的孢子培养基有：麸皮培养基、小米培养基、大米培养基、玉米碎屑培养基等。米培养基、大米培养基、玉米碎屑培养基等。 它们含氮量低，疏松、表面积大，是较它们含氮量低，疏松、表面积大，是较好的产孢子培养基。好的产孢子培养基。3 3、种子培养基：、种子培养基： 有摇瓶种子和种子罐用的种子培养基等。对种有摇瓶种子和种子罐用的种子培养基等。对种子培养要求做到纯种、健壮、活力旺盛，
5、并有足够子培养要求做到纯种、健壮、活力旺盛，并有足够的数量，以满足下一级菌种生长繁殖需要。的数量，以满足下一级菌种生长繁殖需要。 因因此此，种种子子培培养养基基要要求求营营养养物物质质适适当当的的丰丰富富和和完完全全，培培养养基基成成分分易易于于被被菌菌体体吸吸收收，但但浓浓度度不不宜宜过过高高，控控制制碳碳氮氮比比，保保持持培培养养过过程程中中pH稳稳定定在在适适当当范范围内。围内。 另另外外种种子子培培养养基基的的主主要要成成分分和和培培养养条条件件应应尽尽可可能能同同发发酵酵培培养养基基保保持持一一致致，以以缩缩短短延延迟迟期期，使使菌菌种种迅速转入旺盛生长。迅速转入旺盛生长。4 4、发
6、酵培养基：、发酵培养基： 发酵培养基是要求最严格的培养基，它发酵培养基是要求最严格的培养基，它具有双重任务，一是供菌体生长繁殖，二是具有双重任务，一是供菌体生长繁殖，二是使菌种能够大量产生发酵产品。使菌种能够大量产生发酵产品。 因此发酵培养基的营养成分即要丰富和因此发酵培养基的营养成分即要丰富和完全，又要求严格控制，尤其是那些对发酵完全，又要求严格控制，尤其是那些对发酵产物的形成有严重影响的成分。产物的形成有严重影响的成分。 工业生产用培养基不同于实验工业生产用培养基不同于实验室，需要更多的考虑原料的来源与室，需要更多的考虑原料的来源与成本成本！二、培养基的主要原料二、培养基的主要原料碳源物质
7、：碳源物质：纯糖：葡萄糖、蔗糖纯糖：葡萄糖、蔗糖葡萄糖母液：葡萄糖母液：糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜淀粉、糊精等多糖：玉米淀粉、甘薯淀粉、淀粉、糊精等多糖：玉米淀粉、甘薯淀粉、 野生植物淀粉野生植物淀粉纤维素、半纤维素类物质：秸秆纤维素、半纤维素类物质：秸秆亚硫酸纸浆废液：亚硫酸纸浆废液：其它：油脂、有机酸、低级醇类等其它：油脂、有机酸、低级醇类等氮源物质：氮源物质：有机氮源：有机氮源：豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉、酵母粉、豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉、酵母粉、酵母膏、蛋白胨、玉米浆、鱼粉、蚕蛹酵母膏、蛋白胨、玉米浆、鱼粉、蚕蛹粉、尿素等粉、尿素等无机氮源：无机氮源：铵铵 盐：
8、如硫酸铵盐：如硫酸铵( (生理酸性盐生理酸性盐) ) 硝酸盐：如硝酸钠硝酸盐：如硝酸钠( (中性盐中性盐) )无机盐：磷、硫、镁、钾、钙、铁、钠无机盐：磷、硫、镁、钾、钙、铁、钠等元素一般以无机盐的形式加入。等元素一般以无机盐的形式加入。微量元素：铜、锌、钴、锰、钼等微量微量元素：铜、锌、钴、锰、钼等微量元素一般在复合培养基中都存在，无需元素一般在复合培养基中都存在，无需单独加入，某些特殊需要的都是以无机单独加入，某些特殊需要的都是以无机盐的形式加入。盐的形式加入。生长因子：一般在复合培养基中都存在生长因子：一般在复合培养基中都存在无需单独加入。无需单独加入。实例：实例：( (一种抗生素的发酵
9、培养基一种抗生素的发酵培养基) )玉米淀粉：玉米淀粉： 100克克豆饼粉：豆饼粉： 2020克克酵母粉：酵母粉： 1010克克硫酸铵：硫酸铵： 0.250.25克克磷酸氢二钾：磷酸氢二钾： 0.10.1克克碳酸钙：碳酸钙： 1 1克克微量元素混合液：微量元素混合液： 1ml1ml水：水： 1000ml1000mlpHpH：7.2(7.2(消前消前) )实例：实例：( (谷氨酸发酵培养基谷氨酸发酵培养基) )水解糖：水解糖： 101010.510.5玉米浆：玉米浆： 0.30.30.550.55磷酸氢二钠：磷酸氢二钠： 0.170.17氯化钾：氯化钾： 0.030.03硫酸镁：硫酸镁： 0.06
10、0.06pHpH：6.76.77.07.0初尿：初尿： 1.81.82.02.0流加：流加： 0.80.81 1三、原料的处理三、原料的处理原料处理的目的：原料处理的目的： 微生物工业的原料多采用一些天然的物质，微生物工业的原料多采用一些天然的物质，它们大多是农副产品或其它工业的下脚料，使用它们大多是农副产品或其它工业的下脚料，使用这些原料具有来源丰富、价格低廉，除含有丰富这些原料具有来源丰富、价格低廉，除含有丰富的碳氮源外，还有维生素和微量元素、具有一定的碳氮源外，还有维生素和微量元素、具有一定的缓冲能力等，这些都是有利的方面。但是这些的缓冲能力等，这些都是有利的方面。但是这些原料也有不利的
11、方面，如：营养成分不完全明确，原料也有不利的方面，如：营养成分不完全明确，原料的来源不同、加工不同都会影响其品质，对原料的来源不同、加工不同都会影响其品质，对生产上有一定的影响，因此需要根据具体的情况生产上有一定的影响，因此需要根据具体的情况进行处理。进行处理。预处理：预处理： 粉碎、除杂、去壳、过筛等粉碎、除杂、去壳、过筛等淀粉质原料的处理淀粉质原料的处理：目的：一些微生物缺乏淀粉酶，需要将淀目的：一些微生物缺乏淀粉酶，需要将淀粉质原料转化为短链糊精、寡糖、双糖或粉质原料转化为短链糊精、寡糖、双糖或单糖后才能利用。单糖后才能利用。淀粉淀粉 水水调浆调浆(17(172121) )加加0.50.
12、8的的HClHClpH 1.0pH 1.01.51.5水解罐升温糖化水解罐升温糖化开始蒸汽压力开始蒸汽压力0.30.30.5kg/cm0.5kg/cm2 2，进，进料完毕后升压至料完毕后升压至2.82.83.0kg/cm3.0kg/cm2 2 保持保持15153030分钟分钟 水解糖液水解糖液（DE=90DE=9092%92%）冷却至冷却至7070（一）、淀粉的酸水解：（一）、淀粉的酸水解： 酸水解速度快，常用于氨基酸、核苷酸发酵，工酸水解速度快，常用于氨基酸、核苷酸发酵，工艺过程如下：艺过程如下：接下页接下页加加NaOHNaOH中和至中和至pH4.0pH4.04.54.5加加0.10.1活性
13、炭脱色活性炭脱色(60)(60)过滤过滤水解糖液水解糖液DE = DE = 100100 还原糖还原糖干物质干物质 （二）、淀粉酶法水解工艺过程：（二）、淀粉酶法水解工艺过程：淀粉淀粉 水水调浆调浆(35(354040) )加加 - -淀粉酶淀粉酶 pH 6.0 pH 6.0加热保温液化加热保温液化 pH5.5pH5.56.06.0 80 809090 30 306060分钟分钟 加热灭酶加热灭酶120120，1515分钟分钟 升温灭酶，升温灭酶，11011030306060分钟分钟冷却至冷却至6060，调，调pH4.5pH4.55.05.0 添加糖化酶添加糖化酶6060，48487272小时
14、小时 糖化液糖化液糖液糖液(DE=90(DE=909292) )淀粉的分解淀粉的分解: : 淀淀粉粉是是葡葡萄萄糖糖通通过过糖糖苷苷键键连连接接而而成成的的多多糖糖类类，淀淀粉粉可可分分为为直直链链淀淀粉粉和和支支链链淀淀粉粉，前前者者是是通通过过 -(1,4)-(1,4)-糖糖 苷苷 键键 连连 接接 而而 成成 ， 后后 者者 是是 通通 过过 - -(1,4)-(1,4)-糖苷键和糖苷键和 -(1,6)-(1,6)-糖苷键连接的。糖苷键连接的。 - -淀粉酶： 又称液化酶，它对直链淀粉的作用是将直链的淀粉分子 -(1,4)-键任意地、不规则的分解为若干短链的糊精，糊精继续分解，最后反应产
15、物为13的葡萄糖及87麦芽糖，但是糊精变为糖的速度是极缓慢的。 - -淀粉酶对支链淀粉的作用是将支链淀粉 -(1,4)-键任意地、不规则地并能越过 -(1,6)-键分解为若干短链，但不能分解其中的 -(1,6)-键，最后产物为麦芽糖及少量糊精和葡萄糖。 淀粉受到 - -淀粉酶的作用后，醪液粘度降低，而且迅速地生成较多量的糊精，故称为糊精化作用，或液化作用。 - -淀粉酶：淀粉酶： 外外切切型型淀淀粉粉酶酶，它它是是从从淀淀粉粉分分子子末末端端按按两两个个葡葡萄萄糖糖单单元元切切断断糖糖苷苷键键，因因此此直直链链淀淀粉粉受受 - -淀粉酶的作用后生成麦芽糖。淀粉酶的作用后生成麦芽糖。 支支链链淀
16、淀粉粉在在 -(1,6)-键键以以前前可可以以分分解解成成麦麦芽芽糖糖，但但不不能能切切断断 -(1,6)-键键，并并且且也也不不能能越越过过 -(1,6)-键键，因因此此 - -淀淀粉粉酶酶作作用用于于支支链链淀淀粉粉产产物物为为麦麦芽芽糖糖和和界界限糊精限糊精。糖化酶：糖化酶： 其其它它名名有有葡葡萄萄糖糖淀淀粉粉酶酶，直直链链淀淀粉粉受受此此酶酶作作用用后后，每每次次切切下下一一个个葡葡萄萄糖糖单单元元，生生成成葡葡萄糖。萄糖。 它它对对 -(l,6)-键键分分解解缓缓慢慢，但但却却能能越越过过 -(l,6)-键键继继续续水水解解 -(l,4)-键。键。淀粉淀粉-l,6-l,6-葡萄糖苷
17、酶：葡萄糖苷酶： 也也称称异异淀淀粉粉酶酶、R-R-酶酶，它它能水解能水解 -(1,6)-糖苷键。糖苷键。异淀粉酶糖化酶酸 法酶 法葡萄糖值（DE）8991含非发酵性糖、NaCl等杂质，精制较难糖化液具苦味，色深高温、高压淀粉浆浓度低收率较低，成本较高多次结晶，才能制得纯葡萄糖废液利用率低酸用量少，糖化时间短葡萄糖值（DE）98以上糖化液纯度高，易于精制糖化液不具苦味，色浅常温、常压淀粉浆浓度高收率比酸法提高10，成本降低10可一次结晶制得纯葡萄糖废液利用率高酶用量大，糖化时间长酸法糖化与酶法糖化的比较酸法糖化与酶法糖化的比较纤维质原料的处理纤维质原料的处理：结构：结构：葡萄糖以葡萄糖以 -(
18、1,4) -糖苷键连接形成的长链分子糖苷键连接形成的长链分子1540根结晶和非结晶结构的纤维素长链分子形成原纤维根结晶和非结晶结构的纤维素长链分子形成原纤维原纤维形成微纤维束原纤维形成微纤维束微纤维束集合形成纤维质微纤维束集合形成纤维质天然纤维质：天然纤维质：5060纤维素、纤维素、2124半纤维素、半纤维素、 1225木质素木质素纤维质物质的预处理：纤维质物质的预处理：物理法：物理法：O微粉碎处理微粉碎处理O蒸煮和爆破处理蒸煮和爆破处理O微波处理微波处理纤维质物质的预处理：纤维质物质的预处理：化学法：化学法：破坏纤维的结晶破坏纤维的结晶碱处理、碱嗅氧、碱醇碱处理、碱嗅氧、碱醇醇酸、醋酐过氧化
19、氢醇酸、醋酐过氧化氢 Na2S纤维质物质的预处理：纤维质物质的预处理：化学法：化学法：脱木质素脱木质素硫酸盐法、亚硫酸盐法硫酸盐法、亚硫酸盐法二氧化硫气体处理二氧化硫气体处理甲醇或乙醇盐酸、硫酸甲醇或乙醇盐酸、硫酸丙酮酸丙酮酸纤维的糖化处理：纤维的糖化处理： 酸法处理酸法处理 酶法处理酶法处理其它原料的处理：其它原料的处理：糖蜜、葡萄糖母液等，主要是澄清、糖蜜、葡萄糖母液等，主要是澄清、去杂、稀释等。去杂、稀释等。四、培养基的灭菌四、培养基的灭菌分批灭菌：是指培养基在发酵罐中用蒸气加热，分批灭菌：是指培养基在发酵罐中用蒸气加热，达到预定温度且维持一定时间，然后迅速将培养达到预定温度且维持一定时
20、间，然后迅速将培养基冷却，并通入无菌空气保压，至接近发酵温度基冷却，并通入无菌空气保压，至接近发酵温度时接种。时接种。 分批灭菌适于规模小的工厂和种子罐，这种分批灭菌适于规模小的工厂和种子罐，这种方法不需其它设备，操作简易，其缺点是加热和方法不需其它设备，操作简易，其缺点是加热和冷却所需时间较长，相对地说是延长发酵周期，冷却所需时间较长，相对地说是延长发酵周期，使发酵罐的利用率降低。使发酵罐的利用率降低。 另外大型发酵罐采用这种方法，不甚合理，另外大型发酵罐采用这种方法，不甚合理，因为发酵罐本身的夹套或蛇管传热面积有限，做因为发酵罐本身的夹套或蛇管传热面积有限，做不到高温度短时间的原则。不到高
21、温度短时间的原则。夹层或蛇管加热至夹层或蛇管加热至9090，开搅拌。，开搅拌。停搅拌，罐内进汽至要停搅拌，罐内进汽至要求的温度，维持求的温度，维持1 12 2个个小时。小时。连续灭菌：是将培养基在发酵罐外连续不断进行加连续灭菌：是将培养基在发酵罐外连续不断进行加热，维持和冷却，最后进入发酵罐。热，维持和冷却，最后进入发酵罐。连续灭菌适合于大规模工厂，它的优点如下：连续灭菌适合于大规模工厂，它的优点如下：(1)(1)由由于于采采用用高高温温短短时时间间灭灭菌菌，物物料料受受热热时时间间短短，减减少营养成分的破坏，有利于提高生产率。少营养成分的破坏，有利于提高生产率。(2)(2)总总的的灭灭菌菌时
22、时间间比比分分批批灭灭菌菌大大为为减减少少，缩缩短短发发酵酵罐罐的生产周期。的生产周期。(3)(3)蒸气负荷均衡，提高了锅炉效率。蒸气负荷均衡，提高了锅炉效率。(4)(4)适应于自动化控制。适应于自动化控制。连续灭菌的缺点：连续灭菌的缺点：1 1、易产生泡沫、易产生泡沫2 2、大颗粒物料易造成管道堵塞、大颗粒物料易造成管道堵塞3 3、大颗粒物料会造成局部灭菌不彻底、大颗粒物料会造成局部灭菌不彻底4 4、需要增加设备、需要增加设备连续灭菌设备：连续灭菌设备：影响培养基灭菌的几个因素：影响培养基灭菌的几个因素：1 1、培养基中污染菌的数量、培养基中污染菌的数量表：不同浓度肉毒梭菌表：不同浓度肉毒梭
23、菌( (芽孢芽孢) )在在105下的灭菌时间下的灭菌时间芽孢数芽孢数( (个个/ /ml) )91089106910491029灭菌时间灭菌时间( (min) )4836201422 2、培养基的、培养基的pH表：表：pH 对微生物耐热性的影响对微生物耐热性的影响温度温度()()孢子数孢子数( (个个/ /ml) )灭灭 菌菌 时时 间间( (min) )pH 6.1pH 5.3pH 5.0pH 4.7pH 4.512010,0008753311510,000252512131311010,000706535302410010,0007407201801501503 3、培养基的成份、培养基的
24、成份 培养基中含一定浓度的糖类、蛋白质及油脂等，培养基中含一定浓度的糖类、蛋白质及油脂等，它们会增加微生物的耐热性，高浓度的有机物也增它们会增加微生物的耐热性，高浓度的有机物也增加了培养基的粘度，影响热的传入，应提高灭菌温加了培养基的粘度，影响热的传入，应提高灭菌温度。度。 高浓度的盐类增加了渗透压，可以促进热的传高浓度的盐类增加了渗透压，可以促进热的传导，降低微生物的耐热性，故易于灭菌。导，降低微生物的耐热性，故易于灭菌。4 4、培养基中的颗粒、培养基中的颗粒 培养基中的颗粒影响灭菌的效果，尤其培养基中的颗粒影响灭菌的效果，尤其是大颗粒和结块的颗粒传热效果差，所以灭是大颗粒和结块的颗粒传热效
25、果差，所以灭菌前必须充分搅拌。有时需提高灭菌温度，菌前必须充分搅拌。有时需提高灭菌温度，延长灭菌时间来达到灭菌的要求。延长灭菌时间来达到灭菌的要求。5 5、泡沫、泡沫 培养基在灭菌时产生的泡沫对灭菌效果培养基在灭菌时产生的泡沫对灭菌效果有很大的影响，因为泡沫中的空气形成隔热有很大的影响，因为泡沫中的空气形成隔热层，空气的导热差，包裹在泡沫中的微生物层，空气的导热差，包裹在泡沫中的微生物就不容易被杀死就不容易被杀死( (达不到受热的温度达不到受热的温度) )。因此，。因此，灭菌操作中要注意泡沫的产生，要防止压力灭菌操作中要注意泡沫的产生，要防止压力骤降而起泡。骤降而起泡。 思考题思考题名词解释名
26、词解释培养基培养基 发酵培养基，分批灭菌，连续灭菌发酵培养基，分批灭菌，连续灭菌简述题简述题简要说明发酵中使用的各种培养基及其要求简要说明发酵中使用的各种培养基及其要求分析下述培养基各组分的作用及特点分析下述培养基各组分的作用及特点玉米淀粉：玉米淀粉： 100克克豆饼粉：豆饼粉： 20克克酵母粉：酵母粉： 10克克硫酸铵：硫酸铵： 0.25克克磷酸氢二钾：磷酸氢二钾： 0.1克克碳酸钙：碳酸钙： 1克克微量元素混合液：微量元素混合液： 1ml水：水： 1000mlpH：7.2(消前消前)简要比较酸法糖化与酶法糖化的优缺点简要比较酸法糖化与酶法糖化的优缺点简要说明分批灭菌和连续灭菌的方法及特点简要说明分批灭菌和连续灭菌的方法及特点简要分析影响灭菌的因素及其在生产中的注意事项简要分析影响灭菌的因素及其在生产中的注意事项
