手機版
一、發酵培養基的分類
培養基(medium)是一種人工配制的、適合微生物生長、繁殖或產生代謝產物用的混合養料。因此,任何培養基都應具備微生物所需要的六大營養要素,且比例應是合適的。培養基一旦配成,必須立即進行滅菌,否則很快引起雜菌叢生,并破壞其固有成分和性質。
目前自然界中只有一部分微生物能夠人工培養,主要有病毒、細菌、放線菌、真菌等。
應全面、準確地了解微生物細胞的生命規律,根據微生物的種類和對營養的需求來配制合適的培養基,以提高微生物可培養性,并達到代謝產物高產的目的。
由于各種微生物所需要的營養不同,培養基的種類很多。據估計目前約有數干種不同的培養基,這些培養基可根據所含成分、物理狀態及不同的使用目的等而分成若干類型。
1、按照培養基的成分分類
培養基按其所含成分,可分為合成培養基、天然培養基和半合成培養基。
(1)合成培養基也稱基本培養基
合成培養基的各種成分完全是已知的各種化學物質。這種培養基的化學成分清楚,組成成分精確,重復性強,但價格較貴,而且微生物在這類培養基中生長較慢,如高氏1號培養基、察氏培養基等。
(2)天然培養基
也稱復合培養基由天然物質制成,如蒸熟的馬鈴薯和普通牛肉湯,前者用于培養霉菌,后者用于培養細菌。這類培養基的化學成分很不恒定,也難以確定,但配制方便,營養豐富,因此常被采用。
(3)半合成培養基
在天然有機物的基礎上適當加入已知成分的無機鹽類,或者在臺成培養基的基礎上添加某些天然成分,如培養霉菌用的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基。這類培養長基能更有效地滿足微生物對營養物質的需要。
2、按照培養基的物理狀態分類
培養基按其物理狀態可分為固態培養基、液態培養基和半固態培養基3類。
(1)固態培養基
在液態培養基中加入凝固劑(如瓊脂、明膠、硅膠等)制備成固態培養基。該類培養基常用于微生物分離、鑒定、計數和菌種保存等方面。此外,另一類固志培養基,一般采用天然谷物原料或纖維素類原料,培養基中加水較少,培養基中固形物含量較高。這種固態培養基固、液、氣三相并存,氣相為連續相,培養基中幾乎不含游離水。在自生產中,各類酒曲、米曲、紅曲等均是用固態培養基培養的。
(2)液態培養基
將各種培養基物料溶于水中,配成成分均勻的液體或細小顆粒狀的培懸浮液。該類培養基可視液相為連續相,微生物能充分接觸和利用培養基中的養料,適于作生生理等研究,由于發酵率高,操作方便,也常用于發酵工業。
(3)半固態培養基
是在液態培養基中加入少量凝固劑而呈半固態狀態。該類培養基中可用于觀察細菌的運動、鑒定菌種和測定噬菌體的效價等方面。
3、按照微生物的種類分類
培養基按微生物的種類可分為細菌培養基、放線菌培養基、酵母菌培養基和霉菌培養基
類。
常用的細菌培養基有營養肉湯和營養瓊脂培養基;常用的放線菌培養基有高氏1號培養基;
常用的酵母菌培養基有馬鈴薯蔗糖培養基和麥芽汁培養基;
常用的霉菌培養基有馬鈴薯蔗糖培養基、豆芽汁葡萄糖(或蔗糖)瓊脂培養基和察氏培養基等。
4、根據培養基在發酵生產中的用途分類
依據培養基在生產中的用途(或作用),也可將生產上應用培養基分為孢子培養基、種子培養基和發酵培養基。
(1)孢子培養基
是供菌種繁殖孢子的一種常用固態培養基,對這種培養基的要求是能夠使菌體迅速生長,產生較多優質的孢子,并要求這種培養基不易引起菌種發生變異。對孢子培養基的基本配制要求是:第一,營養不要太豐富(特別是有機氮源),否則不易產生孢子;第二,所用無機鹽的濃度要適量,否則會影響孢子量和孢子顏色;第三,要注意孢子培養基的pH和濕度;第四,所選用的各種原材料的質量要穩定。生產中常用的孢于培養基有麩皮培養基,大(小)米培養基,由葡萄糖(或淀粉)、無機鹽、蛋白陳等配制的瓊脂斜面培養基等。
(2)種子培養基
是供孢子發芽和菌種生長、繁殖用的。營養成分應是易被菌體吸收利用的,同時要比較豐富與完全,其中氮源和維生素的含量要高些,但總濃度以略稀薄為宜以便菌體的生長、繁殖。種子培養基的營養成分都是一些易于吸收的碳源和氮源,如葡萄糖、硫酸銨、尿素、玉米漿、酵母膏和蛋白陳等。種子質量的好壞對發酵的影響很大,為了使培養的種子能夠滿足發酵的要求,必須將種子培養基和發酵的要求聯系起來考慮。最后級種子培養基的成分最好能較接近發酵培養基,這樣可使種子進入發酵培養基后能迅速適應、快速生長。
(3)發酵培養基
是供菌種生長、繁殖和合成產物之用。它既要使種子接種后迅速生長,達到一定的菌體濃度,又要使長好的菌體能迅速合成所需產物。因此,發酵培養基的組成除有菌體生長所必需的元素和化合物外,還要有產物所需的特定元素、前體物和促進劑等。但如果生長和生物合成產物需要的總的碳源、氮源、磷源等的濃度太高,或者生長和合成兩階段各需的最適條件不同時,則應考慮采用配制濃度較低、初期用的培養基,然后采用補料流加培養基來滿足發酵工藝的要求。
5、按照培養基特殊用途分類
培養基按其特殊用途可分為加富培養基、選擇性培養基和鑒別培養基。
(1)加富培養基
是在培養基中加入血液、血清、動植物組織提取液等某些特殊需要的營養成分配制而成的營養更為豐富的培養基。加富培養基一般用于培養對營養要求比較苛刻的微生物。在研究致病微生物時常采用加富培養基。例如,培養某些致病菌常需要在基礎培養基中加入血液、血清或動植物的組織提取液等。在含有多種微生物的樣品中分離某種微生物時,常需要根據欲分離的微生物的營養嗜好,在基礎培養基中添加特定的營養成分,使更加有利于欲分離的目標微生物的生長、繁殖。例如,用液態培養基培養,可使微生物群體中欲要分離的目標微生物隨培養時間的延長在數量逐步占據優勢,以利于下一步分離;如果是用固態平板培養基培養,可使微生物群體中欲要分離的微生物較早形成菌落而利于分離。
(2)選擇性培養基
是根據某一種或某一類微生物的特殊營養要求或對一些物理、化學抗性而設計的培養基。利用這種培養基可以將所需要的微生物從混雜的微生物中分離出來。選擇性培養基配制時可根據不同的用途選擇特殊的營養成分或添加特定的抑制劑,以達到分離特定微生物的目的。
在實踐中有兩種方式:一種是正選擇(投其所好),另一種是反選擇(取其所抗)。
正選擇是添加某種特定成分為培養基主要或唯一的營養物,以分離能利用該種營養物的微生物。例如,從混雜的微生物群落中選擇性地分離能利用纖維素的微生物時,則把纖維素作為選擇培養基的唯一碳源,把混雜的微生物群落樣品涂布于此種培養基上,凡能在該培養基上生長、繁殖的微生物即為能利用纖維素的微生物。以此類推,可以分離利用各種各樣營養物的微生物。
反選擇是在培養基中加入某種或某些微生物生長抑制劑,以抑制所不希望出現的微生物,從而從混雜的微生物群體中分離不被抑制和所需要的目標微生物。例如,在選擇培養基中加入青霉素、鏈霉素以抑制細菌,從而分離霉菌與酵母菌;在基因工程中,也常用加入抗生素的選擇培養基來篩選帶有抗生素標記基因的基因工程菌株或轉化子。
(3)鑒別培養基
用于鑒別不同類型微生物的培養基。例如,在培養基中加入能與目的菌的無色代謝產物發生顯色反應的指示劑,從而達到只需用肉眼辨別顏色就能方便地從近似菌落中找出目的菌菌落的培養基。
二、工業培養基的主要原料
1、天然原料及其制品
（1）淀粉類制品
葡萄糖、麥芽糖、乳糖、蔗糖和淀粉等是藥物發酵生產中常用的碳源,也是各種微生物最容易利用的碳源。幾乎所有的微生物都利用葡萄糖,因此葡萄糖常作為培養基的一種主要成分。但是,在發酵過程中過多的葡萄糖會加速菌體的呼吸,如果此時通風不足,致使培養基中溶解氧不能滿足菌體的需要,會使一些酸性中間代謝物(如乳酸、丙酮酸、乙酸等)積累,使培養基pH降低,從而抑制微生物的生長和產物的合成。
淀粉分為玉米淀粉、甘薯淀粉、土豆淀粉和小麥淀粉等多種,應用于不同的藥物發酵生產中可以克服葡萄糖代謝過快的弊病,同時淀粉價格比較低廉,來源也較豐富。為節約藥物發酵生產所用的大量糧食,降低生產中原料成本,還可采用粗糧或糧食加工過程中的副產物等作為碳源,如玉米粉、土豆粉、葡萄糖結晶母液等。
糖蜜是糖廠生產糖時的結晶母液,是糖廠的副產物。一般糖蜜分為甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜,兩者中糖的含量和無機鹽的含量都有所不同。藥物發酵生產中若以糖蜜為碳源,如果使用恰當,其效果與糧食原料相似。
（2）蛋白質類原料
主要是蛋白胨、魚粉、酵母浸膏、牛肉浸膏、酵母提取物等;也可用天然的大豆、豆粕、豌豆、麩皮、玉米漿粉、液態玉米漿等。許多食品類的固態發酵產品,發酵原料較為固定,一般不會隨意更換。例如,黃酒習慣上用大米為原料,豆醬用大豆為原料。
黃豆粉是發酵生產中常用的有機氮源。根據油脂含量可將其分為3類,全脂黃豆粉(含油脂18%)、低脂黃豆粉(含油脂9%)、脫脂黃豆粉(豆粕,含油脂2%)。豆粕有兩種產品:一種是在低溫下提取油脂后加工制備的,另一種是在高溫下提取油脂后加工制備的。棉籽餅也是應用較廣泛的有機氮源。
玉米漿中含有較豐富的玉米可溶性蛋白質,是一種很容易被微生物利用的良好氮源。玉米漿是用亞硫酸溶液浸泡玉米后經過濃縮加工制成的,呈鮮黃到暗褐色、濃稠不透明的絮狀懸浮物,約含50%干物質。由于玉米的來源不同,加工條件各異,玉米漿的成分常有較大波動,在使用時應注意適當調配。
蛋白胨、酵母粉、魚粉等也是常用的有機碳源。蛋白胨多由動物組織和植物經酸或酶水解制備的。酵母粉或酵母浸汁含有蛋白質、氨基酸、維生素等,主要來自啤酒酵母和面包酵母。商品魚粉含有60%左右的粗蛋白, 12%左右的油脂, 4%~5%的氯化鈉。
（3）纖維素類原料:如谷糠、各種秸稈、稻草、芒稈、木屑,可用于飼料、食用菌或燃料乙醇的生產,一般用于固態發酵,作為其他發酵物料中的填充物。
（4）食品和發酵工業副產物:這些副產物含有未完全利用的蛋白質、淀粉和纖維素等,如啤酒糟、白酒糟、黃酒糟、醬油糟、檸檬酸等副產物。通過固態發酵,提高其營養價值或改善其適口性,主要用作飼料。
（5）廢棄物:如城市餐廚余物、廢舊報紙、造紙廠纖維廢渣、禽畜類排泄物、沼氣發酵殘渣等,含有大量的有機物,對環境造成很大的危害,也可通過固態發酵使之無害化或資源化。
2、化學原料
氮源可采用硫酸銨、氨水、尿素、硝酸銨等;無機鹽可用氯化鈉、硫酸鎂、硫酸錳等。化學原料純度高,成分較明確。磷酸氫二銨則同時供應磷元素和氮元素。
三、原料的預處理的基本方法
發酵生產原料的形態多種多樣,有液體狀、膏狀、結晶狀,天然的固態原料,有顆粒狀、塊狀、粉末狀等。為了將這些原料制備成適合于微生物發酵的培養基,必須對有的原料進行適當的預處理。這些預處理方法主要是物理方法, 目的是使天然原料在外觀上或內在皮分上變得整齊劃一或均勻一致,便于后續的培養基滅菌操作,或者便于微生物的利用。
許多傳統固態發酵,原料一般無需復雜的預處理,固體原料預處理的主要單元操作包括篩分、除雜、精白、清洗、浸泡、粉碎、制坯、切塊、潤濕等。不同的固態發酵產品有不同的原料預處理方法。以下主要敘述顆粒或粉狀物料的預處理。
1、除雜
原料中含有灰塵雜物等,可用振動篩之類的設備對原料大米進行除雜,機械化新工藝中可利用輸米時的旋風分離器進行除塵。
2、精白
對于黃酒或清酒釀造原料用米,因為糙米的外層(糊粉層)及胚部分含有豐富的蛋白質、脂肪、粗纖維和灰分。大量的蛋白質在黃酒發酵釀造時,會生成大量的氨基酸,脂肪在發酵過程中會出現氧化,產生酸臭和口味變苦的現象。可采用精米機對米進行精白處理,精米機采用金剛輥磨擦去外皮糊粉層。
用精米率表示米的精白程度。精米率是精白后的白米占精白前糙米的質量比例。日本清酒生產中大米的精米率為50%~70%,故其口感清爽。在我國黃酒的精米率約為90%。
3、破碎和粉碎
固體的破碎和粉碎是將大塊物料借助機械外力粉碎成適宜程度的碎塊或細粉的操作過程。粉碎目的在于減少粒徑、增大比表面積。物料通過粉碎有利于提高難溶性成分的溶出度和生物利用度;并節省蒸煮時的蒸汽消耗,提高原料的利用率。
原料越細,原料的利用率越高,對于液態發酵原料處理而言,原料越細,越有利于后續的液化和糖化。但對于固態發酵物料,并不需要粉碎得很細,原料過細,顆粒間空隙小,有可能造成孔隙率降低,減少了基質內氣體的體積和氣體交換,影響氧氣在基質內的傳遞,造成局部缺氧。基質含水量過大,也會降低基質的多孔性,易造成局部缺氧,厭氧菌滋生。基質水分過少,物料吸水不足,基質膨脹程度低,物料發干,微生物缺水,生長受到抑制。
根據粉碎的程度,主要分為軋碎、破碎和粉碎。軋碎,如在黃酒生產中所用的麥曲破碎時,采用軋麥機,將麥子軋成5或6瓣。破碎,是將大塊物料用機械方法將其變為小主物料,其制品統稱為碎塊,直徑界定尺寸在5mm以下;還有一種經破碎后的直徑界定在1.5~5mm的稱為“碎粒". 圖粉碎則是粉碎成粒徑不同的粉末狀。粉末的直徑界定在0.3~1. 5mm,其制品稱為“粉末”。"微粉碎”則是將物料粉碎成直徑界定在0.05~0.3mmm的粉末,稱為“微粒”。還有稱之為“亞微粒子”的直徑為0.001~0.05mm。此外,還有超微粉碎和極微粉碎,這在固態發酵原料處理上用得很少。
用粉碎度表示物料粉碎的程度。原料粉碎可分為干法粉碎與濕法粉碎。干法粉碎:物料處于干燥狀態下進行粉碎的方法。而濕法粉碎是在物料中加入適量的水或其他液體進行研磨的方法,可減少粉碎操作時的粉塵飛揚,減輕粉塵對人體的危害。 
