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一、發(fā)酵培養(yǎng)基的分類
培養(yǎng)基(medium)是一種人工配制的、適合微生物生長(zhǎng)、繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物用的混合養(yǎng)料。因此,任何培養(yǎng)基都應(yīng)具備微生物所需要的六大營(yíng)養(yǎng)要素,且比例應(yīng)是合適的。培養(yǎng)基一旦配成,必須立即進(jìn)行滅菌,否則很快引起雜菌叢生,并破壞其固有成分和性質(zhì)。
目前自然界中只有一部分微生物能夠人工培養(yǎng),主要有病毒、細(xì)菌、放線菌、真菌等。
應(yīng)全面、準(zhǔn)確地了解微生物細(xì)胞的生命規(guī)律,根據(jù)微生物的種類和對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求來配制合適的培養(yǎng)基,以提高微生物可培養(yǎng)性,并達(dá)到代謝產(chǎn)物高產(chǎn)的目的。
由于各種微生物所需要的營(yíng)養(yǎng)不同,培養(yǎng)基的種類很多。據(jù)估計(jì)目前約有數(shù)干種不同的培養(yǎng)基,這些培養(yǎng)基可根據(jù)所含成分、物理狀態(tài)及不同的使用目的等而分成若干類型。
1、按照培養(yǎng)基的成分分類
培養(yǎng)基按其所含成分,可分為合成培養(yǎng)基、天然培養(yǎng)基和半合成培養(yǎng)基。
(1)合成培養(yǎng)基也稱基本培養(yǎng)基
合成培養(yǎng)基的各種成分完全是已知的各種化學(xué)物質(zhì)。這種培養(yǎng)基的化學(xué)成分清楚,組成成分精確,重復(fù)性強(qiáng),但價(jià)格較貴,而且微生物在這類培養(yǎng)基中生長(zhǎng)較慢,如高氏1號(hào)培養(yǎng)基、察氏培養(yǎng)基等。
(2)天然培養(yǎng)基
也稱復(fù)合培養(yǎng)基由天然物質(zhì)制成,如蒸熟的馬鈴薯和普通牛肉湯,前者用于培養(yǎng)霉菌,后者用于培養(yǎng)細(xì)菌。這類培養(yǎng)基的化學(xué)成分很不恒定,也難以確定,但配制方便,營(yíng)養(yǎng)豐富,因此常被采用。
(3)半合成培養(yǎng)基
在天然有機(jī)物的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入已知成分的無機(jī)鹽類,或者在臺(tái)成培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加某些天然成分,如培養(yǎng)霉菌用的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基。這類培養(yǎng)長(zhǎng)基能更有效地滿足微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要。
2、按照培養(yǎng)基的物理狀態(tài)分類
培養(yǎng)基按其物理狀態(tài)可分為固態(tài)培養(yǎng)基、液態(tài)培養(yǎng)基和半固態(tài)培養(yǎng)基3類。
(1)固態(tài)培養(yǎng)基
在液態(tài)培養(yǎng)基中加入凝固劑(如瓊脂、明膠、硅膠等)制備成固態(tài)培養(yǎng)基。該類培養(yǎng)基常用于微生物分離、鑒定、計(jì)數(shù)和菌種保存等方面。此外,另一類固志培養(yǎng)基,一般采用天然谷物原料或纖維素類原料,培養(yǎng)基中加水較少,培養(yǎng)基中固形物含量較高。這種固態(tài)培養(yǎng)基固、液、氣三相并存,氣相為連續(xù)相,培養(yǎng)基中幾乎不含游離水。在自生產(chǎn)中,各類酒曲、米曲、紅曲等均是用固態(tài)培養(yǎng)基培養(yǎng)的。
(2)液態(tài)培養(yǎng)基
將各種培養(yǎng)基物料溶于水中,配成成分均勻的液體或細(xì)小顆粒狀的培懸浮液。該類培養(yǎng)基可視液相為連續(xù)相,微生物能充分接觸和利用培養(yǎng)基中的養(yǎng)料,適于作生生理等研究,由于發(fā)酵率高,操作方便,也常用于發(fā)酵工業(yè)。
(3)半固態(tài)培養(yǎng)基
是在液態(tài)培養(yǎng)基中加入少量凝固劑而呈半固態(tài)狀態(tài)。該類培養(yǎng)基中可用于觀察細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)、鑒定菌種和測(cè)定噬菌體的效價(jià)等方面。
3、按照微生物的種類分類
培養(yǎng)基按微生物的種類可分為細(xì)菌培養(yǎng)基、放線菌培養(yǎng)基、酵母菌培養(yǎng)基和霉菌培養(yǎng)基
類。
常用的細(xì)菌培養(yǎng)基有營(yíng)養(yǎng)肉湯和營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基;常用的放線菌培養(yǎng)基有高氏1號(hào)培養(yǎng)基;
常用的酵母菌培養(yǎng)基有馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基和麥芽汁培養(yǎng)基;
常用的霉菌培養(yǎng)基有馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基、豆芽汁葡萄糖(或蔗糖)瓊脂培養(yǎng)基和察氏培養(yǎng)基等。
4、根據(jù)培養(yǎng)基在發(fā)酵生產(chǎn)中的用途分類
依據(jù)培養(yǎng)基在生產(chǎn)中的用途(或作用),也可將生產(chǎn)上應(yīng)用培養(yǎng)基分為孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。
(1)孢子培養(yǎng)基
是供菌種繁殖孢子的一種常用固態(tài)培養(yǎng)基,對(duì)這種培養(yǎng)基的要求是能夠使菌體迅速生長(zhǎng),產(chǎn)生較多優(yōu)質(zhì)的孢子,并要求這種培養(yǎng)基不易引起菌種發(fā)生變異。對(duì)孢子培養(yǎng)基的基本配制要求是:第一,營(yíng)養(yǎng)不要太豐富(特別是有機(jī)氮源),否則不易產(chǎn)生孢子;第二,所用無機(jī)鹽的濃度要適量,否則會(huì)影響孢子量和孢子顏色;第三,要注意孢子培養(yǎng)基的pH和濕度;第四,所選用的各種原材料的質(zhì)量要穩(wěn)定。生產(chǎn)中常用的孢于培養(yǎng)基有麩皮培養(yǎng)基,大(小)米培養(yǎng)基,由葡萄糖(或淀粉)、無機(jī)鹽、蛋白陳等配制的瓊脂斜面培養(yǎng)基等。
(2)種子培養(yǎng)基
是供孢子發(fā)芽和菌種生長(zhǎng)、繁殖用的。營(yíng)養(yǎng)成分應(yīng)是易被菌體吸收利用的,同時(shí)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(zhǎng)、繁殖。種子培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)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(zhì)量的好壞對(duì)發(fā)酵的影響很大,為了使培養(yǎng)的種子能夠滿足發(fā)酵的要求,必須將種子培養(yǎng)基和發(fā)酵的要求聯(lián)系起來考慮。最后級(jí)種子培養(yǎng)基的成分最好能較接近發(fā)酵培養(yǎng)基,這樣可使種子進(jìn)入發(fā)酵培養(yǎng)基后能迅速適應(yīng)、快速生長(zhǎng)。
(3)發(fā)酵培養(yǎng)基
是供菌種生長(zhǎng)、繁殖和合成產(chǎn)物之用。它既要使種子接種后迅速生長(zhǎng),達(dá)到一定的菌體濃度,又要使長(zhǎng)好的菌體能迅速合成所需產(chǎn)物。因此,發(fā)酵培養(yǎng)基的組成除有菌體生長(zhǎng)所必需的元素和化合物外,還要有產(chǎn)物所需的特定元素、前體物和促進(jìn)劑等。但如果生長(zhǎng)和生物合成產(chǎn)物需要的總的碳源、氮源、磷源等的濃度太高,或者生長(zhǎng)和合成兩階段各需的最適條件不同時(shí),則應(yīng)考慮采用配制濃度較低、初期用的培養(yǎng)基,然后采用補(bǔ)料流加培養(yǎng)基來滿足發(fā)酵工藝的要求。
5、按照培養(yǎng)基特殊用途分類
培養(yǎng)基按其特殊用途可分為加富培養(yǎng)基、選擇性培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基。
(1)加富培養(yǎng)基
是在培養(yǎng)基中加入血液、血清、動(dòng)植物組織提取液等某些特殊需要的營(yíng)養(yǎng)成分配制而成的營(yíng)養(yǎng)更為豐富的培養(yǎng)基。加富培養(yǎng)基一般用于培養(yǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求比較苛刻的微生物。在研究致病微生物時(shí)常采用加富培養(yǎng)基。例如,培養(yǎng)某些致病菌常需要在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入血液、血清或動(dòng)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(shí),常需要根據(jù)欲分離的微生物的營(yíng)養(yǎng)嗜好,在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加特定的營(yíng)養(yǎng)成分,使更加有利于欲分離的目標(biāo)微生物的生長(zhǎng)、繁殖。例如,用液態(tài)培養(yǎng)基培養(yǎng),可使微生物群體中欲要分離的目標(biāo)微生物隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)在數(shù)量逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì),以利于下一步分離;如果是用固態(tài)平板培養(yǎng)基培養(yǎng),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(yǎng)基
是根據(jù)某一種或某一類微生物的特殊營(yíng)養(yǎng)要求或?qū)σ恍┪锢怼⒒瘜W(xué)抗性而設(shè)計(jì)的培養(yǎng)基。利用這種培養(yǎng)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(yǎng)基配制時(shí)可根據(jù)不同的用途選擇特殊的營(yíng)養(yǎng)成分或添加特定的抑制劑,以達(dá)到分離特定微生物的目的。
在實(shí)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(yǎng)基主要或唯一的營(yíng)養(yǎng)物,以分離能利用該種營(yíng)養(yǎng)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(shí),則把纖維素作為選擇培養(yǎng)基的唯一碳源,把混雜的微生物群落樣品涂布于此種培養(yǎng)基上,凡能在該培養(yǎng)基上生長(zhǎng)、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(yíng)養(yǎng)物的微生物。
反選擇是在培養(yǎng)基中加入某種或某些微生物生長(zhǎng)抑制劑,以抑制所不希望出現(xiàn)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(biāo)微生物。例如,在選擇培養(yǎng)基中加入青霉素、鏈霉素以抑制細(xì)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(yǎng)基來篩選帶有抗生素標(biāo)記基因的基因工程菌株或轉(zhuǎn)化子。
(3)鑒別培養(yǎng)基
用于鑒別不同類型微生物的培養(yǎng)基。例如,在培養(yǎng)基中加入能與目的菌的無色代謝產(chǎn)物發(fā)生顯色反應(yīng)的指示劑,從而達(dá)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(yǎng)基。
二、工業(yè)培養(yǎng)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(fā)酵生產(chǎn)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(yǎng)基的一種主要成分。但是,在發(fā)酵過程中過多的葡萄糖會(huì)加速菌體的呼吸,如果此時(shí)通風(fēng)不足,致使培養(yǎng)基中溶解氧不能滿足菌體的需要,會(huì)使一些酸性中間代謝物(如乳酸、丙酮酸、乙酸等)積累,使培養(yǎng)基pH降低,從而抑制微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)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(yīng)用于不同的藥物發(fā)酵生產(chǎn)中可以克服葡萄糖代謝過快的弊病,同時(shí)淀粉價(jià)格比較低廉,來源也較豐富。為節(jié)約藥物發(fā)酵生產(chǎn)所用的大量糧食,降低生產(chǎn)中原料成本,還可采用粗糧或糧食加工過程中的副產(chǎn)物等作為碳源,如玉米粉、土豆粉、葡萄糖結(jié)晶母液等。
糖蜜是糖廠生產(chǎn)糖時(shí)的結(jié)晶母液,是糖廠的副產(chǎn)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(jī)鹽的含量都有所不同。藥物發(fā)酵生產(chǎn)中若以糖蜜為碳源,如果使用恰當(dāng),其效果與糧食原料相似。
（2）蛋白質(zhì)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(tài)玉米漿等。許多食品類的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品,發(fā)酵原料較為固定,一般不會(huì)隨意更換。例如,黃酒習(xí)慣上用大米為原料,豆醬用大豆為原料。
黃豆粉是發(fā)酵生產(chǎn)中常用的有機(jī)氮源。根據(jù)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(chǎn)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(yīng)用較廣泛的有機(jī)氮源。
玉米漿中含有較豐富的玉米可溶性蛋白質(zhì),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(jīng)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(zhì)。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(dòng),在使用時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)配。
蛋白胨、酵母粉、魚粉等也是常用的有機(jī)碳源。蛋白胨多由動(dòng)物組織和植物經(jīng)酸或酶水解制備的。酵母粉或酵母浸汁含有蛋白質(zhì)、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(chǎn),一般用于固態(tài)發(fā)酵,作為其他發(fā)酵物料中的填充物。
（4）食品和發(fā)酵工業(yè)副產(chǎn)物:這些副產(chǎn)物含有未完全利用的蛋白質(zhì)、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(chǎn)物。通過固態(tài)發(fā)酵,提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(bào)紙、造紙廠纖維廢渣、禽畜類排泄物、沼氣發(fā)酵殘?jiān)?含有大量的有機(jī)物,對(duì)環(huán)境造成很大的危害,也可通過固態(tài)發(fā)酵使之無害化或資源化。
2、化學(xué)原料
氮源可采用硫酸銨、氨水、尿素、硝酸銨等;無機(jī)鹽可用氯化鈉、硫酸鎂、硫酸錳等。化學(xué)原料純度高,成分較明確。磷酸氫二銨則同時(shí)供應(yīng)磷元素和氮元素。
三、原料的預(yù)處理的基本方法
發(fā)酵生產(chǎn)原料的形態(tài)多種多樣,有液體狀、膏狀、結(jié)晶狀,天然的固態(tài)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(fā)酵的培養(yǎng)基,必須對(duì)有的原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。這些預(yù)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(nèi)在皮分上變得整齊劃一或均勻一致,便于后續(xù)的培養(yǎng)基滅菌操作,或者便于微生物的利用。
許多傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵,原料一般無需復(fù)雜的預(yù)處理,固體原料預(yù)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(rùn)濕等。不同的固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)品有不同的原料預(yù)處理方法。以下主要敘述顆粒或粉狀物料的預(yù)處理。
1、除雜
原料中含有灰塵雜物等,可用振動(dòng)篩之類的設(shè)備對(duì)原料大米進(jìn)行除雜,機(jī)械化新工藝中可利用輸米時(shí)的旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵。
2、精白
對(duì)于黃酒或清酒釀造原料用米,因?yàn)椴诿椎耐鈱?糊粉層)及胚部分含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維和灰分。大量的蛋白質(zhì)在黃酒發(fā)酵釀造時(shí),會(huì)生成大量的氨基酸,脂肪在發(fā)酵過程中會(huì)出現(xiàn)氧化,產(chǎn)生酸臭和口味變苦的現(xiàn)象。可采用精米機(jī)對(duì)米進(jìn)行精白處理,精米機(jī)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(zhì)量比例。日本清酒生產(chǎn)中大米的精米率為50%~70%,故其口感清爽。在我國(guó)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(jī)械外力粉碎成適宜程度的碎塊或細(xì)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(jié)省蒸煮時(shí)的蒸汽消耗,提高原料的利用率。
原料越細(xì),原料的利用率越高,對(duì)于液態(tài)發(fā)酵原料處理而言,原料越細(xì),越有利于后續(xù)的液化和糖化。但對(duì)于固態(tài)發(fā)酵物料,并不需要粉碎得很細(xì),原料過細(xì),顆粒間空隙小,有可能造成孔隙率降低,減少了基質(zhì)內(nèi)氣體的體積和氣體交換,影響氧氣在基質(zhì)內(nèi)的傳遞,造成局部缺氧。基質(zhì)含水量過大,也會(huì)降低基質(zhì)的多孔性,易造成局部缺氧,厭氧菌滋生。基質(zhì)水分過少,物料吸水不足,基質(zhì)膨脹程度低,物料發(fā)干,微生物缺水,生長(zhǎng)受到抑制。
根據(jù)粉碎的程度,主要分為軋碎、破碎和粉碎。軋碎,如在黃酒生產(chǎn)中所用的麥曲破碎時(shí),采用軋麥機(jī),將麥子軋成5或6瓣。破碎,是將大塊物料用機(jī)械方法將其變?yōu)樾≈魑锪?其制品統(tǒng)稱為碎塊,直徑界定尺寸在5mm以下;還有一種經(jīng)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(tài)發(fā)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(tài)下進(jìn)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(jìn)行研磨的方法,可減少粉碎操作時(shí)的粉塵飛揚(yáng),減輕粉塵對(duì)人體的危害。 
