碳氮比的概念和优化方法

碳氮比的概念和优化方法

这是粉丝提的一个问题，也是非常值得探讨的一个话题，最近几天也收集资料，结合自己的经验来分享一下，顺便回复这位粉丝的问题。另外，大家在提问题的时候，尽量提的详细，具体一些。

1.碳氮比概念

碳氮比（C/ N） ：严格意义上应是指在微生物培养基中所含的碳源中的碳原子摩尔数与氮源中的氮原子摩尔数之比。（周德庆微生物学教程），在这里，我认为对于既能做碳源又能做氮源的物质应该及计算碳源又计算氮源。很多情况我们简单用培养基的碳源和氮源的比值来替代，但这是不准确的。另外由于一些培养基成分中的碳源不易利用，碳氮比也有用还原性碳源和粗蛋白之间的比值来替代，比如下式碳氮比的计算,就是用葡萄糖中的碳元素的摩尔浓度比上总蛋白中氮元素的摩尔质量浓度。

可见碳氮比在实际应用时，可以用不同的计算方法来计算。

2.碳氮比的重要性

碳氮比对微生物的影响可以归纳为以下几点：

①影响微生物培养过程中的pH值变化，碳氮比高时，发酵过程中pH会下降，特别是在用葡萄糖等还原性碳源时，当碳氮比较低时，pH会上升。

②影响微生物的生长和代谢，从而影响发酵生产。微生物处于不同的阶段，可能需要不同的C/N。例如：李鑫在研究碳氮比对丁醇发酵两阶段发酵性能的影响时，就发现在产酸期.适中的碳氮比（46.7~93.4 mol/ mol）能够保证菌体以正常速度生长，不至于过分刺激或是抑制有机酸的合成，使发酵顺利完成相转型，有利于缩短发酵周期;在产溶剂期，较高的碳氮比（93.4~186.7 mol/mol）可以有效抑制副产物溶剂丙酮和乙醇的积累，且保持丁醇产量达到 12 g/L 以上，从而获得较高的丁醇/总溶剂比例。

03碳氮比的优化方法

▼对于培养基来说，我们一般情况并不会单独对碳氮比进行优化。

培养基的一般优化顺序是：

（一）确定基础培养基

（二）单因素优化，优化碳源种类，优化碳源比例，优化氮源种类，优化氮源比例，其他营养成分优化和特殊营养成分优化。

（三）PB实验，PB实验是主要针对在需要优化的单因素较多时采用，通过pB实验后，可选出显著影响因子，然后再进行单因素实验，也有做完单因素实验再用pB实验分析显著因子的。这两种方法并不冲突，因为培养基优化不是一锤子买卖，很多情况是反反复复的去搞。

（四）多因素多水平优化实验，常用方法有：正交实验，响应面实验，神经网络遗传算法优化。

通过一系列研究，我们就拿到了一个培养基，同样拿到了一个合理的碳氮比。

▼对于碳氮比影响较大的发酵工艺，碳氮比是值得专门优化的

当然也有单独做碳氮比优化的，在优化好碳氮比后，在根据碳氮比设置不同的量，获得培养基。具体的的优化方法，可简要分为以下几步：

（一）确定初始培养基配方

（二）设定碳氮比计算方法

（三）确定响应指标，对于分段发酵控制的可以分开两次优化。

（四）设计碳氮比梯度，在设置碳氮比梯度时，碳氮源的浓度最好在一个合理的范围之内，因此如有必要可以在完成碳源和氮源的单因素实验后开展该项实验。

（五）开展实验并分析数据。

▼碳氮比对于补料发酵的意义更为重要

对于简单的批次发酵来说，初始培养基确定后，碳氮比也是一个定值，也不需要再关系后续的变化。但是对于补料发酵来说，由于微生物的消耗，培养基中的碳氮比肯定发生了变化，而且补料也会影响碳氮比。这就涉及到另外一个问题：补料碳氮比。

例如在利用T.glabrata菌株生产丙酮酸时，在仅补加葡萄糖时，随着补料的进行，葡萄糖的消耗速度会较低，葡萄糖浓度升高，碳氮比达到了30:1，影响了微生物的增值，从而影响丙酮酸的产量，因此可以根据碳氮比，在后期加入蛋白胨和硫酸铵。也可以用氨水替代其他碱液来控制pH，这样基本也能解决该问题。

再例如：在甲醇毕赤酵母诱导时，有时候会加入一定的有机氮源，对外源蛋白的分泌表达是有利的。

参考文献：

发酵工程原理与技术，微生物学教程等发酵书籍

[1] 郑毅, 陈接锋, 吴松刚. 黑曲霉(Aspergillus niger)产β-葡聚糖酶固态发酵优化的研究Studies on Solid-state Fermentation Conditions of β-glucanase from Asp.niger FS25[J]. 食品与发酵工业.
[2] 任路静, 金明杰, 纪晓俊,等. 利用Crypthecodinium cohnii高密度发酵生产DHA的流加策略研究[J]. 食品与发酵工业, 2007(1):25-27.
[3] 李鑫, 李志刚, 史仲平. 原料碳氮比对丁醇发酵两阶段发酵性能的影响[J]. 食品与生物技术学报, 2014(11):1168-1175.