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工业微生物菌种培养基配制原则

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-07-06  浏览次数:476
核心提示:培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物。培养基组成对菌体生长繁殖
培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的多种营养物质的混合物。培养基组成对菌体生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精制乃至产品的质量和产量都有重要的影响。微生物的营养活动是依靠向外界分泌大量的酶,将周围环境中大分子蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物,借助于细胞膜的渗透作用,吸收这些小分子营养物质来实现的。不同的微生物的生长情况不同或合成不同的发酵产物时所需的培养基有所不同,但对于所有发酵生产用培养基的设计仍存在某些共同点可供遵循,这就是所有的发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的碳源、氮源、无机元素、生长因子、水和氧气等。对于大规模发酵生产,除考虑上述微生物的需要外,还必须重视培养基原料的价格和来源。
1、培养基的选择
不同的微生物对培养基的需求是不同的,因此,不同微生物培养过程对原料的要求也是不一样的。应根据具体情况,从微生物营养要求的特点和生产工艺的要求出发,选择合适的营养基,使之既能满足微生物生长的需要,又能获得高产的产品,同时也要符合增产节约、因地制宜的原则。
⒈ 根据微生物的特点选择培养基
用于大规模培养的微生物主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌等四大类。它们对营养物质的要求不尽相同,有共性也有各自的特性。在实际应用时,要依据微生物的不同特性,来考虑培养基的组成,对典型的培养基配方需作必要的调整。
⒉ 根据发酵方式选择培养基
液体和固体培养基各有用途,也各有优缺点。在液体培养基中,营养物质是以溶质状态溶解于水中,这样微生物就能更充分接触和利用营养物质,更有利于微生物的生长和更好地积累代谢产物。工业上,利用液体培养基进行的深层发酵具有发酵效率高,操作方便,便于机械化、自动化,降低劳动强度,占地面积小,产量高等优点。所以发酵工业中大多采用液体培养基培养种子和进行发酵,并根据微生物对氧的需求,分别作静止或通风培养。而固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特征鉴定、活细胞数测定等方面。此外,工业上也常用一些固体原料,如小米、大米、麸皮、马铃薯等直接制作成斜面或茄子瓶来培养霉菌、放线菌。
⒊ 从生产实践和科学试验的不同要求选择
生产过程中,由于菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的目的和要求不同,因此,所选择的培养基成分配比也应该有所区别。一般来说,种子培养基主要是供微生物菌体的生长和大量增殖。为了在较短的时间内获得数量较多的强壮的种子细胞,种子培养基要求营养丰富、完全,氮源、维生素的比例应较高,所用的原料也应是易于被微生物菌体吸收利用。常用葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、酵母膏、麦芽汁、米曲汁等作为原料配制培养基。而发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外,主要是要求合成预定的发酵产物,所以,发酵培养基碳源物质的含量往往要高于种子培养基。当然,如果产物是含氮物质,应相应地增加氮源的供应量。除此之外,发酵培养基还应考虑便于发酵操作以及不影响产物的提取分离和产品的质量。
⒋ 从经济效益方面考虑选择生产原料
从科学的角度出发,培养基的经济性通常是不被那么重视,而对于生产过程来讲,由于配制发酵培养基的原料大多是粮食、油脂、蛋白质等,且工业发酵消耗原料量大,因此,在工业发酵中选择培养基原料时,除了必须考虑容易被微生物利用并满足生产工艺的要求外,还应考虑到经济效益,必须以价廉、来源丰富、运输方便、就地取材以及没有毒性等为原则选择原料。
2、培养基的配制原则
培养基的配制必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分;有利于减少培养基原料的单耗,单位营养物质所合成产物数量大或产率大;有利于提高培养基产物的浓度,以提高单位容积发酵罐的生产能力;有利于提高产物的合成速度,缩短发酵周期;尽量减少副产物的形成;减少对发酵过程中通气搅拌的影响,有利于提高氧的利用率、降低能耗;有利于产品的分离和纯化;并尽可能减少产生“三废”的物质。
当然,设计任何一种培养基都不可能面面俱到地满足上述各项要求,需根据具体情况,抓主要环节。使其即满足微生物的营养要求,又能获得优质高产的产品,同时也符合增产节约、因地制宜的原则。发酵培养基的主要作用是为了获得预期的产物,必须根据产物特点来设计培养基。因此要求营养要适当丰富和完备,菌体迅速生长和健壮,整个代谢过程pH值适当且稳定;糖、氮代谢能完全符合高单位罐、批的要求,能充分发挥生产菌种合成代谢产物的能力。此外还要求成本降低。
⒈ 根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基
不同的微生物所需要的培养基成分是不同的,要确定一个合适的培养基,就需要了解生产用菌种的来源、生理生化特性和一般的营养要求,根据不同生产菌种的培养条件、生物合成的代谢途径、代谢产物的化学性质等确定培养基。
⒉ 营养成分的恰当配比
微生物所需的营养物质之间应有适当的比例,培养基中的碳氮的比例(C/N)在发酵工业中尤其重要。不同的微生物菌种、不同的发酵产物所要求的碳氮比是不同的。菌体在不同生长阶段,对其碳氮比的最适要求也不一样。培养基的碳氮比不仅会影响微生物菌体的生长,同时也会影响到发酵的代谢途径。由于碳既作碳架又作能源,所以用量要比氮多。从元素分析来看,酵母细胞中碳氮比约为100:20,霉菌约为100:10。一般发酵工业中培养基碳氮比约为100: (0.2~2.0),但在氨基酸发酵中,因为产物中含有氮,所以碳氮比就相对高一些。如谷氨酸发酵的碳氮比为100: (15~21),若碳氮比为100: (0.2~2.0),则会出现只长菌体,几乎不产谷氨酸的现象。
碳氮比随碳水化合物及氮源的种类以及通气搅拌等条件而异,很难确定统一的比值。一般情况下,碳氮比偏小,能导致菌体的旺盛生长,易造成菌体提前衰老自溶,影响产物的积累;碳氮比过大,菌体繁殖数量少,不利于产物的积累;碳氮比较合适,但碳源、氮源浓度高,仍能导致菌体的大量繁殖,增大发酵液粘度,影响溶解氧浓度,容易引起菌体的代谢异常,影响产物合成;碳氮比较合适,但碳源、氮源浓度过低,会影响菌体的繁殖,同样不利于产物的积累。
⒊ 渗透压
配制培养基时,应注意营养物质要有合适的浓度。营养物质的浓度太低,不仅不能满足微生物生长对营养物质的需求,而且也不利于提高发酵产物的产量和提高设备的利用率。但是,培养基中营养物质的浓度过高时,由于培养基溶液的渗透压太大,会抑制微生物的生长。此外培养基中的各种离子的浓度比例也会影响到培养基的渗透压和微生物的代谢活动,因此,培养基中各种离子的比例需求要平衡。在发酵生产过程中,在不影响微生物的生理特性和代谢转化率的情况下,通常趋向在较高浓度下进行发酵,以提高产物产量,并尽可能选育高渗透压的生产菌株。当然,培养基浓度太大会使培养基黏度增加和溶氧量降低。
⒋ pH值
各种微生物的正常生长均需要有合适的pH值,一般霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境,放线菌和细菌适于中性或微碱性环境。为此,当培养基配制好后,若pH值不合适,必须加以调节。当微生物在培养过程中改变培养基的pH值而不利于本身的生长时,应以微生物菌体对各种营养成分的利用速度来考虑培养基的组成,同时加入缓冲剂,以调节培养液的pH值。
⒌ 氧化还原电位
对大多数微生物来说,培养基的氧化还原电位一般对其生长的影响不大,即适合它们生长的氧化还原电位范围较广。但对于厌氧菌,由于氧的存在对其有毒害作用,因而往往在培养基中加入还原剂以降低氧化还原电位。
在配制培养基时,除应注意以上几条原则外,还要考虑到营养成分的加入顺序,为了避免生成沉淀而造成营养成分的损失,加入的顺序一般为先加入缓冲化合物,溶解后加入主要物质,然后加入维生素、氨基酸等生长素类的物质。
3、培养基成分配比的选择
培养基的组分(包括这些组分的来源和加入方法)、配比、缓冲能力、黏度、灭菌是否彻底、灭菌后营养破坏的程度及原料中杂质的含量都对菌体生长和产物形成有影响。目前还只能在生物化学、细胞生物学等的基本理论指导下,参照前人所使用的较适合于某一类菌种的培养基(常称为基础培养基)的经验配方,再结合所用菌种和产品的特性,采用摇瓶等小型发酵设备,对碳、氮、无机盐和前体等进行逐个单因子试验,观察这些因子对菌体生长和产物合成量的影响,最后再综合考虑各因素的影响,得到一个适合该菌种的培养基的配方,在大规模生产中进行必要的调整,以获得高产。
为了减少实验次数,可考虑用“正交试验设计”等数学方法来确定培养基组分和浓度,它可以通过比较少的实验次数而得到较满意的结果,另外,还可通过方差分析,了解哪些因素影响较大,以引起人们的注意。
需要注意的是考虑碳源、氮源时,要注意快速利用的碳(氮)源和慢速利用的碳(氮)源的相互配合,发挥各自优势,避其所短,选用适当的碳氮比(C/N)。氮源过多,则菌体繁殖旺盛,pH值偏高,不利于代谢产物的积累;氮源不足,则菌体繁殖量少,从而影响产量。碳源过多,则容易形成较低的pH值;碳源不足,菌体衰老和自溶。在考虑培养基所用的有机氮源时,要特别注意原料的来源、加入方法和有效成分的含量。制备培养基时,也应该考虑水分含量。
另外还要注意生理酸、碱性盐和pH缓冲剂的加入和搭配,根据该菌种在现有工艺设备的条件下,其生长和合成产物时pH值的变化情况,以及最适pH值所控制范围等,综合考虑选用什么生理酸、碱性物质及用量,从而保证在整个发酵过程中pH值都能维持在最佳状态。有时考虑用中间补料来控制pH值。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。
培养基各成分用量的多少,大部分是根据经验而来。但有些初级代谢产物因为它们的代谢途径较清楚,所以根据物料平衡计算来加以确定。
对于次级代谢产物,生物合成途径了解有限,根据化学计算比较困难,但也有人根据物料平衡计算了碳源转化为青霉素的得率。
上式计算青霉素G的理论得率为每克葡萄糖得1.1 g青霉素G。在确定培养基中碳源数量时,还要考虑用于菌体生长和维持所需的消耗。
培养基在大规模生产中用量很大,在选用时应尽量地利用较丰富的廉价原料,设法降低成本。例如,赖氨酸(Lys)生产中先选用山芋淀粉,后改为用山芋粉为碳源,这样不仅价廉,而且山芋粉中还含有生物素、镁盐等,省去了原来所加的玉米浆、硫酸镁,并使整个成本降低15%。
工业发酵培养基
从微生物的营养要求来看,所有的微生物都需要碳源、氮源、无机元素、水、能源和生长物质,如果是好氧微生物则还需要氧气。碳源是供给菌体生命活动所需的能量和构成菌体细胞以及代谢产物的基础。氮源主要是构成菌体细胞物质和代谢产物,即蛋白质、氨基酸等之类的含氮代谢物。微生物生长发育过程和生物合成过程也需要大量元素和微量元素,如镁、硫、磷、钾、锰等。一些特殊的微量生长因子如生物素、硫胺素、肌醇等,对缺陷型微生物是必不可少的。生物体内各种生化作用必须在水溶液中进行,营养物质必须溶解于水中,才能透过细胞膜被微生物利用。另外有些产品的生产还需要使用诱导剂、前体和促进剂。在实验室规模上配制含有纯化合物的培养基是相当简单的,虽然它能满足微生物的生长要求,但在大规模生产上往往是不适合的。在发酵工业中,必须使用廉价的原料来配制培养基,使之尽可能地满足下列条件:① 消耗每克底物将产生最大的菌体得率或产物得率;② 能产生最高的产品或菌体的浓度;③ 能得到产物生成的最大速率;④ 副产品的得率最小;⑤ 价廉并具有稳定的质量;⑥ 来源丰富且供应充足;⑦ 通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比较容易。
用甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、谷物淀粉等作为碳源,用铵盐、尿素、硝酸盐、玉米浆及发酵的残余物作为氮源,便能较好地满足上述配制培养基的条件。
值得注意的是培养基的选择还会影响到发酵罐的设计。例如用甲醇和氨生产单细胞蛋白是用气升式反应器代替普通的机械通用搅拌罐,从而克服了由于高速通气和高速搅拌所产生的热量问题,并节约了能源。同样如果发酵罐是现成的,将很明显限制了培养基的选择。
从实验室放大到中试规模,最后到工业生产,放大效应会产生各种各样的问题。比如实验室使用的培养基一般黏度较高,而在大型发酵罐中使用,由于气液传递速率降低,高黏度的培养基显然要消耗更高的搅拌功率,故要加以调整。除了能满足生长和产物形成的要求外,培养基的组成也会影响到pH值的变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态。在培养基中,有时也需要添加前体物质或代谢的抑制剂,有时需加促进剂,以促进产物的形成。
1、工业上常用的碳源
在微生物发酵过程中,普遍以碳水化合物作为碳源。使用最广的碳水化合物是玉米淀粉,也可使用其他农作物,如大米、马铃薯、番薯、木薯淀粉等。淀粉可用酸法或酶法水解产生葡萄糖,满足生产使用。
大麦经发芽制成麦芽,除了淀粉外,麦芽还含有许多糖分。麦芽是啤酒生产的主要原料或唯一原料,其碳水化合物组成见表3-29。麦芽汁也可由发芽的其他谷物制备得到。
蔗糖一般来自甘蔗或甜菜,在发酵培养基中常用的甜菜或甘蔗糖蜜是在糖精制过程中留下的残液。用于生产疫苗的动物细胞培养基,通常是用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源。
现在人们对诸如酒精、简单的有机酸、烷烃等含碳物质在发酵过程中作为碳源越来越感兴趣,虽然它们的价格比相等数量的粗碳水化合物要昂贵得多,但由于纯度较高,便于发酵结束后产物的回收和精制。甲烷、甲醇和烷烃已经用于微生物菌体的生产,例如将甲醇作为底物生产单细胞蛋白,用烷烃进行有机酸、维生素等的生产。工业发酵过程碳源的选择主要取决于发酵的产品,当然也会受到政府法规等因素的影响。
2、工业上常用的氮源
工业生产上所用的微生物都能利用无机或有机氮源,无机氮源包括氨水、铵盐或硝酸盐等;有机氮源包括玉米浆(corn steep liquor,CSL)、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液等。其功能是构成菌体成分,作为酶的组成分或维持酶的活性,调节渗透压、pH值、氧化还原电位等。除玉米浆外,还有其他的一些原料如豆饼粉等,它们既能作氮源又能作碳源。表3-30是工业常用的氮源含氮量。
无机盐
无机盐是微生物生命活动所不可缺少的物质。其主要功能是构成菌体成分、作为酶的组成部分、酶的激活剂或抑制剂、调节培养基渗透压、调节pH值和氧化还原电位等。一般微生物所需要的无机盐为硫酸盐、磷酸盐、氯化物和含钾、钠、镁、铁的化合物。还需要一些微量元素,如铜、锰、锌、钼、碘、溴等。微生物对无机盐的需要量很少,但无机盐含量对菌体生长和产物的生成影响很大。
⒈ 磷酸盐
磷是某些蛋白质和核酸的组成成分。腺二磷(ADP)、腺三磷(ATP)是重要的能量传递者,参与一系列的代谢反应。磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用。微生物对磷的需要量一般为0.005~0.01 mol/L。工业生产上常用K3PO4•3H2O、K3PO4和Na2HPO4•12H2O、NaH2PO4•2H2O等磷酸盐,也可用磷酸。K3PO4•3H2O含磷13.55%,当培养基中配用1~1.5 g/L时,磷浓度为0.0044~0.0066 mol/L。Na2HPO4•12H2O含磷8.7%,当培养基中配用1.7~2.0 g/L时,磷浓度为0.0048~0.00565 mol/L。另外,玉米浆、糖蜜、淀粉水解糖等原料中还有少量的磷。磷酸(H3PO4)含磷为3.16%,当培养基中配用0.5~3.7 g/L时,磷浓度为0.005~0.007 mol/L。如果使用磷酸,应先用NaOH或KOH中和后加入。
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。
⒉ 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25 mg/L,革兰阴性菌为4~5 mg/L。MgSO4•7H2O中含Mg2+ 9.87%,发酵培养基配用0.25~l g/L时,Mg2+浓度25~90 mg/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。
⒊ 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0.1 g/L(以K2SO4计,以下同),谷氨酸生成需钾量为0.2~1.0 g/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。当培养基中配用l g/L K3PO4•3H2O时,其钾浓度约为0.38 g/L。如果采用Na2HPO4•12H2O时,应配用0.3~0.6 g/L KCl,钾浓度为0.35~0.7 g/L。
⒋ 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。一般培养基配用2 mg/L MnSO4•4H2O。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。
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(biotin auxotroph),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。
⒈ 生物素
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5 μg/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。有人试验得出结果,当菌体内生物素从20 μg/g干菌体降到0.5 μg/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。
生物素是B族维生素的一种,又叫做维生素H或辅酶R,生物素是一种弱一元酸(Kα=6.3×10-8),在25 ℃时,在水中的溶解度为22 mg/100 mL,在酒精中为80 mg/100 mL。它的钠盐溶解度很大,在酸性或中性水溶液中对热较稳定。
生物素存在于动植物的组织中,多与蛋白质呈结合状态存在,用酸水解可以分开。生产上可作为生物素来源的原料及其生物素含量见表3-31。此外,米糠中含量为270 μg/kg,酵母中含量为600~1800 μg/kg,豆饼水解液中含量为120 μg/kg。
⒉ 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100 g/100 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120 ℃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。麸皮水解条件如下:
① 以干麸皮:水: 盐酸=4.6:26:1配比混合,装入水解锅中以0.07~0.08 MPa表压加热水解70~80 min。② 以干麸皮:水=1:20,用盐酸调pH值1.0,以0.25 MPa表压加热水解20 min。然后过滤取滤液。
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。
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。
⒈ 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。目前应用添加前体物质的方法大规模发酵生产丝氨酸在日本已经实现,色氨酸和蛋氨酸的生产也可望工业化。又如5’-核苷酸可以由糖在加有化学合成的腺嘌呤为前体物质情况下,用腺嘌呤或鸟嘌呤缺陷变异菌株直接发酵生成。
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。抗生素发酵常用前体物质如表3-34所示。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)。
前体物质的利用往往与菌种的特性和菌龄有关,如两种青霉素产生菌对苯乙酸的利用率不同,形成青霉素G的比例也不同,较老的菌丝对前体的利用较大。前体物质愈易被氧化的,用于构成青霉菌分子的比例就越少。
一般说来,当前体物质是合成过程中的限制因素时,前体物质加入量越多,抗生素产量就越高(见表3-35)。但前体物质的浓度越大,利用率越低。在抗生素发酵中大多数的前体物质对生产菌体有毒性,故一次加入量不宜过大。为了避免前体物质浓度过大,一般采取间隙分批添加或连续滴加的方法加入。
⒉ 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(洗净剂、吐温80、植酸等)、二乙胺四乙酸、大豆油抽提物、黄血盐、甲醇等。如栖土曲霉3942生产蛋白酶时,在发酵2~8 h添加0.1%LS洗净剂(即脂肪酰胺磺酸钠),就可使蛋白酶产量提高50%以上。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。又如添加大豆油抽提物,米曲霉蛋白酶可提高187%的产量,脂肪酶可提高150%的产量。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。
抗生素工业在发酵过程中加入某些促进剂或抑制剂(见表3-36),常可促进抗生素的生物合成。在不同的情况下,不同的促进剂所起的作用也各不相同。有的可能起生长因子的作用,如加入微量植物刺激剂可促进某些放线菌的生长发育,缩短发酵周期或提高抗生素发酵单位;有的可推迟菌体的自溶,如巴比妥药物能增加链霉素产生菌的菌丝抗自溶能力(巴比妥主要对链霉素生物合成酶系统具有刺激作用);有的是抑制了某些合成其他产物的途径而使之向所需产物的途径转化;有的是降低了生产菌的呼吸,使之有利于抗生素的合成,如在四环素发酵中添加硫氰化苄,可降低菌在三羧酸循环中某些酶活力,而增强戊糖代谢,使之利于四环素的合成;有的可改变发酵液的物理性质,改善通气效果,如加入聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚二乙胺等水溶性高分子化合物或加入某些表面活性剂后改善了通气效果,进而促进发酵单位提高;有的可与抗生素形成复盐,从而降低发酵液中抗生素的浓度和促进抗生素的合成,如在四环素发酵中加入N,N-二苄基乙烯二胺(DBED)与四环素形成复盐,促使发酵向有利于四环素合成的方向进行。
氨基酸发酵易于发生的问题,一是谷氨酸发酵时噬菌体引起的异常发酵,由于噬菌体有宿主专一性,现在的措施是交替更换菌种或选用抗噬菌体菌株,但噬菌体也可以发生宿主范围突变,因此也有采用添加氯霉素、多聚磷酸盐、植酸等防止;二是赖氨酸发酵等营养缺陷型菌株易发生回复突变,现在发酵时已采用定时添加红霉素而解决。
在发酵过程中添加促进剂的用量极微,选择得好,效果较显著,但一般来说,促进剂的专一性较强,往往不能相互套用。
 
 
 
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