【发酵基础】培养基的成分之氮源

氮源是指构成微生物细胞和代谢产物中的氮素的营养物质。它是微生物发酵中使用的主要原料之一。其主要功能是构成微生物细胞和含氮的代谢产物，当培养基中碳源不足时，可作为补充碳源。常用的氮源有有机氮源和无机氮源两大类。黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、菌丝体和酒糟等都是有机氮源。无机氮源有氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸盐等。

有机氮源除含有丰富的蛋白质、肽类、游离的氨基酸以外，还含有少量的糖类、脂肪、无机盐和生长因子等，是较理想的营养物质。微生物在有机氮源的培养基中，可以直接利用游离氨基酸或其他有机化合物的碳架，合成用于构成细胞的蛋白质和其他细胞物质。

微生物对氨基酸的利用是有选择性的，如缬氨酸既可用于红霉素链霉菌的生长，又可以氮源的形式参加红霉素的生物合成。在螺旋霉素发酵中，发培养基里加入L-色氨酸可使螺旋霉素的产量显著提高，但L赖氨酸则完全抑制螺旋霉素的生物合成。另外，有机氮源中含有的某些氨基酸是菌体合成次级代谢产物的前体。如a-氨基己二酸、半胱氨酸和缓氨酸是合成青霉素和头孢菌素的直接前体，玉米浆中含有的苯乙胺和苯丙氨酸有合成青霉素G的前体作用。色氨酸是合成硝吡咯菌素和麦角碱的前体。蛋白胨等有机氮源的成分较复杂，加上产地、加工方法的不同，其质量不稳定，常是引起发酵水平波动的主要因素。因此，在选择有机氮源时要注意品种、产地、加工方法对质量的影响，注意它们与菌体生长和代谢产物生物合成的相关性。

黄豆粉是发酵工业最常用的有机氮源。根据油脂含量可将其分为三种，全脂黄豆粉(含油脂18%以上)，低脂黄豆粉(含油脂9%以下)，脱脂黄豆粉(含油脂2%以下)。各种黄豆粉的组成见表1。棉籽粉也是应用较广泛的有机氮源，它有两种产品，一种是低温提取油脂后加工制备的，称为 Pharmamedia；另一种是在高温下提取油脂后加工制备的，称为 Proflo，两种棉籽粉的成分组成见表2。棉籽粉在青霉素等几种产品的生产中，应用的效果很好。

表1 黄豆粉的组成成分

表2 棉籽粉的组成成分

玉米浆、麩质粉是玉米淀粉生产过程中的副产物。国际上将一种优质玉米浆称为 Solulys L。生产中应用的玉米浆有干玉米浆和液态玉米浆(干物质约占50%)两种。由于它们的质量波动较大，因而应用受到限制。两种玉米浆的组成见表3。玉米浆成分的不稳定性是我们在利用玉米浆时必须面对的问题。生产原料工艺控制、生产季节及玉米浆的储运等因素均会造成玉米浆成分的改变，对微生物发酵产生较为明显的影响。

表 3 玉米浆的组成成分

表4 玉米浆中氨基酸含量

花生饼粉为纯白无味的物质，添加入食品中可以提高食品的营养价值，还可以保持食品的原有风味，已被直接用于饲料及食品涂料。在利用微生物生产 α -淀粉酶时，花生饼粉被视为最佳有机氮源，无论是利用枯草芽孢杆菌 还是米曲霉生产 α-淀粉酶，以花生饼粉为氮源得到的淀粉酶的活力最高。

蛋白胨、酵母粉、鱼粉等也是工业发酵常用的有机氮源。蛋白胨多由动物组织和植物(酸或酶)水解制备的。由于加工用的原材料和加工方法的不同，制备的蛋白胨中的氨基酸品种和含量差异较大，见表5。由于它的质量不大稳定，也是引起发酵水平波动酵母粉(或酵母浸汁)含有蛋白质、氨基酸、维生素等，主要来源于的主要因素之啤酒酵母和面包酵母。它的质量随酵母品种而异，见表7。商品鱼粉含有60%左右的粗蛋白,12%左右的油脂,4%~5%的氯化钠。在某些品种的生产中还使用蚕蛹粉、石油酵母、菌体蛋白等做氮源的。

表 5 各种水解蛋白的组成

    在发酵过程中，酵母浸粉和蛋白胨已被视为必需营养物质，为达到最佳发酵效果，两者总是会搭配使用。酵母浸粉蛋白分子与蛋白胨分子相比较小，水解物分子量介于月示 和肽之间，小分子的酵母浸粉有利于菌体吸收，促进菌体生长，蛋白胨的使用则利于产物稳定期的延长，促进产物代谢，大分子蛋白质有利于刺激蛋白的表达，促进产物代谢。

表 7 酵母浸提物的组成

生产中使用的无机氮源，成分单质量较稳定。铵盐中的氮(三价的)与细胞中有机氮化合物中的氮处于相同的氧化水平，可被菌体直接吸收利用。硝酸盐中的氮原子必先还原成氨后，才能被菌体吸收利用。它们都是易被菌体利用的氮源。氨氮和硝基氮经菌体同化后，分别产生酸性和碱性物质，从而改变培养液的pH值，如

反应生成的NH₃被菌体用于氮代谢，产生的酸性或碱性物质引起发酵液pH变化。凡是代谢后能产生酸性物质的营养成分叫生理酸性物质，如硫酸铵。凡是代谢后能产生碱性物质的营养成分叫生理碱性物质，如硝酸盐、乙酸钠等。在培养基中加入适量的生理酸性物质和生理碱性物质，可以调节发酵液的pH值。

二、氮源的种类和浓度的影响和控制

如前所述，氮源有无机源和有机氮源两大类。它们对菌体代谢都能产生明显的影响，不同的种关和不同的浓度都能影响产物合成的方向和产量。如谷氨酸发酵，当NH₄⁺供应不足时，就促使形成a酮戊二酸；过量的NH₄⁺，反而促使谷氨酸转变成谷氨酰胺，控制适当量的NH₄⁺浓度，才能使谷氨酸产量达到最大。又如在研究螺旋霉素的生物合成中，发现无机铵盐不利于螺旋霉素的合成，而有机氮源(如鱼粉)则有利于其形成。

氮源像碳源一样，也有迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源。前者如氨基(或铵)态氮的氨基酸(或硫酸铵等)和玉米浆等，后者如黄豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉等蛋白质。它们各有自己的作用，速效氮源容易被菌体所利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。如抗生链霉菌的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素产量下降。铵盐还对柱晶白霉素、螺旋霉素、泰洛星等的合成产生调节作用。缓慢利用的氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物的产量是有好处的。但一次投入，也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，从而缩短产物的分泌期。综上所述，对微生物发酵来说，也要选择适当的氮源和适当的浓度。 

发酵培养基一般是选用含有快速和慢速利用的混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和黄豆蛋自水解物；链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源(如黄豆饼粉)。它们被利用的情况与快速和慢速利用的碳源情况相同。为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础培养基中的氮源外，还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度。生产上采用的方法有

1.补加有机氮源

根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程中添加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。如土霉素发酵中，补加酵母粉，可提高发酵单位；青霉素发酵中，后期出现糖利用缓慢、菌浓变稀、pH值下降的现象，补加尿素就可改善这状况并提高发酵单位；氨基酸发酵中，也可补加作为氮源和pH调节剂的尿素。

2.补加无机氮源

补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。氨水既可作为无机氮源，又可调节pH。在抗生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措施，如与其它条件相配合，有的抗生素的发酵单位可提高50%左右。但当pH偏高而又需补氮时，就可补加生理酸性物质的硫酸铵，以达到提高氮含量和调节pH的双重目的。还可补充其它无机氮源，但须根据发酵控制的要求来选择。