#大肠杆菌#
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前言
在上一期文章菌菌为大家介绍了大肠杆菌在工业端发酵培养基的选择和配置原则，（详见微生物工业端发酵培养基的选择和配置原则）。在基本原理性知识有了一定了解后，今天菌菌将带领大家了解在实际应用当中，我们是如何选择何制备培养基的以及其基础原则的应用。
相信 磷含量对谷氨酸发酵影响很大。磷浓度过高时，菌体转向合成缬氨酸；但磷含量过低，菌体生长不好。
硫酸镁
镁是某些细菌的叶绿素的组成分。虽并不参与任何细胞结构物质的组成，但它的离子状态是许多重要的酶(如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、羧化酶等)的激活剂。如果镁离子含量太少，就影响基质的氧化。一般革兰阳性菌对Mg2+的最低要求量是25mg／L，革兰阴性菌为4～5mg／L。硫存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨基酸的组成分。硫是构成一些酶的活性基。培养基中的硫已在硫酸镁中供给，不必另加。
钾盐
钾不参与细胞结构物质的组成，它是许多酶的激活剂。谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要量高。菌体生长需钾量约为0.1g／L，谷氨酸生成需钾量为0.2～1.0g／L。钾对谷氨酸发酵有影响，钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。
微量元素
还有许多元素，微生物需要量十分微小，但又是不可缺少的，称为微量元素。例如锰是某些酶的激活剂，羧化反应必须有锰参与，如谷氨酸生物合成途径中，草酰琥珀脱羧生成α-酮戊二醛是在Mn2+存在下完成的。铁是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶的成分，又是若干酶的激活剂。
一般作为碳、氮源的农副产品天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加。必须指出，某些金属离子，特别是汞和铜离子，具有明显的毒性，抑制菌体生长和影响谷氨酸的合成，因此，必须避免有害离子加入培养基中。
4、生长因子
从广义来说，凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子。其功能是构成细胞的组成分，促进生命活动的进行。生长因子不是所有微生物都必需的，它只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不可少的营养物。
目前以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生物素缺陷型(biotinauxotroph)，以生物素为生长因子。有些菌株还可以硫胺素为生长因子，有些变异株油酸缺陷型以油酸为生长因子。
生物素
生物素是B族维生素的一种，又叫做维生素H或辅酶R，生物素的作用主要影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。生物素浓度对菌体生长和谷氨酸积累都有影响，大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”。谷氨酸发酵最适的生物素浓度随菌种、碳源种类和浓度以及供氧条件不同而异，一般为5μg／L左右。如果生物素过量，就大量繁殖而不产或少产谷氨酸，而产乳酸或琥珀酸，在生产中表现为长菌快，pH值低，尿素消耗多。
若生物素不足，菌体生长不好，谷氨酸产量也低，表现为长菌慢，耗糖慢，发酵周期长。当供氧不足，生物素过量时，则发酵向乳酸发酵转换。供氧充足，生物素过量，糖代谢倾向于完全氧化。
菌体从培养液中摄取生物素的速度是很快的，远远超过菌体繁殖所消耗的生物素量，因此，培养液中残留的生物素量很低，在发酵过程中菌体内生物素含量由“丰富转向贫乏”过渡。
当菌体内生物素从20μg／g干菌体降到0.5μg／g干菌体，菌体就停止生长，继续发酵，在适宜条件下就大量积累谷氨酸。
维生素B1(硫胺素)维生素B1对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用。其在水中的溶解度为g／mL。其1％水溶液的pH值为3.13；0.1％水溶液pH值为3.58。pH值5.5的硫胺素盐酸盐水溶液在℃加热稳定，pH值5.5以上易破坏，有氧化剂或还原剂存在时易失活性。⒊提供生长因子的农副产品原料
⑴玉米浆
玉米浆是用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡液的浓缩物，也是玉米淀粉生产的副产品。
玉米浆的成分因玉米原料来源及处理方法而变动。每批原料变动时均需进行小型试验，以确定用量。玉米浆用量还应根据淀粉原料不同，糖浓度及发酵条件不同而异。一般用量为0.4％～0.8％。虽然玉米浆主要用作氮源，但它含有乳酸、少量还原糖和多糖，含有丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，因此常用作为提供生长因子的物质。
⑵麸皮水解液
可以代替玉米浆，但蛋白质、氨基酸等营养成分比玉米浆少。用量一般为1％(干麸皮计)左右。
⑶糖蜜
甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜均可代替玉米浆，但氨基酸等有机氮含量较低。甘蔗糖蜜用量为0.1％～0.4％。
⑷酵母
可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。
5、前体物质和促进剂
随着原料转换，生产菌种不断更新，为了进一步大幅度提高发酵产率，在某些工业发酵过程中，发酵培养基除了碳源、氮源、无机盐、生长因子和水分等五大成分外，考虑到代谢控制方面，还需要添加某些特殊功用的物质。这些物质加入到培养基中有助于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长。例如某些氨基酸、抗生素、核苷酸和酶制剂的发酵需要添加前体物质、促进剂、抑制剂及中间补料等。添加这些物质往往与菌种特性和生物合成产物的代谢控制有关，目的在于大幅度提高发酵产率、降低成本。
前体物质某些化合物加到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程结合到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但产物的量却因加入而有较大的提高，这类化合物称为前体物质。有些氨基酸、核苷酸和抗生素发酵必须添加前体物质才能获得较高的产率。例如丝氨酸、色氨酸、异亮氨酸及苏氨酸发酵时，培养基中分别添加各种氨基酸的前体物质如甘氨酸、吲哚、2-羟基-4-甲基硫代丁酸、α-氨基丁酸及高丝氨酸等，这样可避免氨基酸合成途径的反馈和抑制作用，从而获得较高的产率。
抗生素合成的前体物质在一定条件下可控制生产菌的合成方向和增加抗生素的产量。在青霉素的生产过程中，人们发现加入玉米浆后，青霉素的单位提高，进一步研究发现单位增长的原因是玉米浆中含有苯乙胺。
苯乙酸、苯乙硫胺、丙酸均可以在生产过程中使用，但要注意这些前体加入过多对菌体会产生毒性。因此在发酵过程中，加入前体不但可使其青霉素G比例大为增加(占总青霉素量的99％以上)，且使青霉素的产量有所提高(由于前体物质的存在，可使培养基的硫酸盐中的硫原子更多地结合到青霉素分子中去)。
发酵过程中的促进剂和抑制剂
在氨基酸、抗生素和酶制剂发酵生产过程中，可以在发酵培养基中加入某些对发酵起一定促进作用的物质，称为促进剂或刺激剂。例如在酶制剂发酵过程中，加入某些诱导物、表面活性剂及其他一些产酶促进剂，可以大大增加菌体的产酶量。添加诱导物，对产诱导酶(如水解酶类)的微生物来说，可使原来很低的产酶量大幅度地提高，这在生产酶制剂新品种时尤其明显。一般的诱导物是相应酶的作用底物或一些底物类似物，这些物质可以“启动”微生物体内的产酶机构，如果没有这些物质，这种机构通常是没有活性的，产酶是受阻抑的。
在培养基中添加微量的促进剂可大大地增加某些微生物酶的产量。常用促进剂有各种表面活性剂、二乙胺四乙酸、大豆油抽提物、黄血盐、甲醇等。
添加占培养基0.02％～1％的植酸盐可显著地提高枯草杆菌、假单胞菌、酵母、曲霉等的产酶量。在生产葡萄糖氧化酶时，加入金属螯合剂二乙胺四乙酸(EDTA)对酶的形成有显著影响，酶活力随二乙胺四乙酸用量而递增。
在酶制剂发酵过程中添加促进剂能促进产量增加的原因主要是改进了细胞膜的渗透性，同时增强了氧的传递速度，改善了菌体对氧的有效利用。
总结
以上就是在工业端发酵培养基的实际应用中各个培养基组分的作用和使用要点。通过以上的学习可以知道工业端发酵培养基的配置原则是在尽可能降低成本的前提下，满足菌种的生长和发酵需求，与实验室的精准控制含量有着本质的区别。
为了取得理想的培养基，除了控制关键要素的含量来确保培养的功能外，还需要不断的尝试各种替代组分，不局限于各种深加工制成品。使用原始物料往往会带来意想不到的惊喜，因为其未经过提纯等步骤自身带有许多其他营养组分，并且价格也具有相当的优势。由于菌种的不同，其培养基组分也不尽相同，需要不断的研究钻研。只要时刻谨记，没有最好的培养基，只有最合适的培养基，在中试环节多研究实验优化就一定会找到。
参考文献：
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