【发酵基础】培养基的设计和优化

一

培养基的设计原则

（1）主要看碳氮源的比配

碳源即参与菌体碳骨架构成和能用，又要参与合成代谢产物，碳源不足容易引起菌体过早衰老，或者产生的代谢产物达不到预期目标；氮源不足容易导致菌体生长较慢，氮源过量会引起菌体生长过于旺盛，从而早早的进入衰亡期。对于产生含氮的代谢产物（氨基酸、蛋白酶等），碳氮比约为100：10-20，酵母菌发酵的碳氮比约为100：20，霉菌发酵的碳氮比约为100：10；而对于产生不含氮源的的代谢产物（酒精、乳酸等），碳氮比约为100：5-20。

（2）其次看整体营养元素的比例

在无机元素中，P、S的需求量较大，使用量通常在0.05-0.1g/L之间，主要以无机盐的形式提供，总体来讲，培养基中各营养成分的用量的排序是H₂O、C、N、P、S、其它元素、生长因子。这个排序基本上是10倍左右的关系进行递减。

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培养基的pH、渗透压、氧化还原电位等对菌体的生长代谢影响是很大的，通常来讲，细菌的最适pH在7.0-8.0，放线菌的最适pH在7.5-8.5，酵母菌的最适pH在4.0-6.0，霉菌的最适pH在4.0-5.8。此外同一微生物在不同生长阶段的条件也不同，例如黑曲霉在pH 2.0-2.5范围内，最有利于生产柠檬酸，在7.0左右是，主要有利于合成草酸。所以在发酵过程中，为了防止因为代谢产物的积累而导致培养基变酸变碱，维持发酵pH的相对稳定，通常在培养基中加入KH₂PO₄、K₂HPO₄作为pH缓冲剂。培养基渗透压对于发酵菌体的影响很大，培养基浓度过高，渗透压大，不利于菌体生长和传质；培养基浓度低，菌体生长不好，设备利用率低。

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（1）种子培养基，一般用在摇瓶和种子罐所使用的培养基，氮源和维生素含量应该较高一些，碳氮比例小，浓度较低，这样适于菌种生长和繁殖。

（2）发酵培养基，发酵培养基的营养应该丰富完全，浓度适中，碳氮比例高，这样既利于微生物的迅速生长繁殖，也有利于目标代谢产物的合成。

（3）孢子培养基，常用的有麸皮、小米、大米等，这样基质中含有丰富微量元素和生长因子，有利于孢子的繁殖。

目前为止，已经可以用于发酵的菌株，基本可以找到找到相关的参考文献及书籍，查找该发酵菌的生理特性、一般营养要求、基本培养基、产物的组成和生物合成途径以及产品的质量要求等，获得足够多的信息。

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在基础培养基可以满足菌体生长的情况下，可以依次通过单因素（先定性后定量）、正交实验，Packett-Burman实验（PB实验）、最陡爬坡实验、Box-Behnken 实验（响应面）、人工神经网络等方法进行实验。

影响实验的条件成为因素，因素可分为可控因素和不可控因素，可控因素是指人为可以调节的控制的，例如温度、添加剂量等，不可控因素是指测量误差，气象条件等。我们所说的因素都指可控因素。如果只有一个因素在改变，我们成为单因素实验。单因素实验自不必多说，是最简单，最基础的对一种因素进行优化的有效方法，而设计多因素相互作用，我们可以考虑使用正交、PB或者向响应面实验设计

（1）正交实验：正交试验设计由于具有优良的均衡分散性和整齐可比性，其设计的试验点具有强烈的代表性，在工艺改革等多因素试验设计问题中，往往能以较少的试验次数，分析出各因素的主次顺序以及对试验指标的影响规律，删选出较满意的试验结果。正交试验法还渗透到其它一些试验设计方法中提高了试验的效率和分析质量。正交试验法应用广泛，具有卓越的经济效益，是多因素试验设计问题中的常用手段。

（2）PB实验：如果与试验有关的因子有许多，重要性各不相同，在试验的初始阶段就需要进行筛选试验，挑选出少数几个重要的影响因子。

正交实验和PB实验的区别：

共同点：都是在众多实验因素中找出主要因素。

不同点：正交试验适用于因素比较少的实验。而PB( Plackett-Burman)在很多的因素中，用较少的实验筛选出主要因素(一般选取大于90%)。通过PB实验和正交实验都可以看出各因素的作用效果，即是增加还是减少浓度会使响应值向最优移动。

（3）响应面分析法：响应面分析方法是数学与统计学相结合的产物，和其他统计方法一样，由于采用了合理的实验设计，能以最经济的方式，用很少的实验数量和时间对实验进行全面研究，科学地提供局部与整体的关系，从而取得明确的有目的的结论。