第2章 培養(yǎng)基課件

第2章

培養(yǎng)基及其制備培養(yǎng)基及組成淀粉水解糖制備糖蜜與石油代糧發(fā)酵前提物質(zhì)、促進(jìn)劑原料處理

第2章培養(yǎng)基2.1

培養(yǎng)基的原材料2.1.1

培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分及來源

培養(yǎng)基是人工配制的適合于不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。根據(jù)微生物對營養(yǎng)的要求，培養(yǎng)基都基本包括碳源、氮源、無機鹽、生長因子和水分，此外，還應(yīng)根據(jù)微生物的要求，有一定的酸堿度和滲透壓。第2章培養(yǎng)基滲透壓滲透壓——當(dāng)兩種不同成分的溶液或不同濃度的溶液放在一起時，即引起擴散作用，直至成為均一溶液為止。如將兩種溶液用羊皮紙或其他類似的半滲透膜隔開，則兩種溶液因性質(zhì)不同可由一方滲透到另一方，結(jié)果產(chǎn)生一種壓力稱為滲透壓，這種現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。滲透壓的大小依溶液中溶質(zhì)的分子數(shù)目而定，分子數(shù)目越多則壓力越大（如細(xì)胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象）。在同一重量百分濃度的溶液中，具有小分子溶質(zhì)較具有大分子溶質(zhì)的滲透壓要大，離子溶液較分子溶液的滲透壓大，所以鹽類溶液的滲透壓大于糖類溶液的滲透壓。第2章培養(yǎng)基滲透壓對微生物有很大影響，微生物的生活環(huán)境必須具有與其細(xì)胞大致相等的滲透壓，超過一定限度或驟然改變滲透壓對微生物是有害的，甚至引起微生物死亡。微生物在高滲透壓溶液中引起細(xì)胞脫水，原生質(zhì)收縮，細(xì)胞質(zhì)變稠，發(fā)生質(zhì)壁分離，影響微生物的活動或使之死亡。一般微生物在高滲透壓溶液中不能生長繁殖，所以，常用腌漬（5－30％的食鹽）或蜜餞（30－80％糖）來保存食品。微生物在低滲透壓溶液中水分向細(xì)胞內(nèi)滲透，細(xì)胞吸水膨脹，甚至破裂，細(xì)胞質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)排出。第2章培養(yǎng)基工業(yè)培養(yǎng)基配制的意義培養(yǎng)基成分和配比合適與否，對微生物生長發(fā)育、物質(zhì)代謝、發(fā)酵產(chǎn)物的積累以及生產(chǎn)工藝都有很大的影響。良好的培養(yǎng)基配比可以充分發(fā)揮菌種的生物合成能力，以達(dá)到最良好的生產(chǎn)效果；相反，若培養(yǎng)基成分、配比或原材料不合適，則菌種生長及發(fā)酵的效果就較差。因此，在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上，必須重視培養(yǎng)基的選擇及組成。第2章培養(yǎng)基1.碳源凡可構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳素來源的營養(yǎng)物質(zhì)，統(tǒng)稱為碳源。因為微生物細(xì)胞的原生質(zhì)體（細(xì)胞內(nèi)碳架結(jié)構(gòu)）以及幾乎所有的代謝產(chǎn)物都是含有碳素的有機物質(zhì)，碳源是微生物細(xì)胞壁、莢膜和細(xì)胞貯藏物質(zhì)的主要構(gòu)成成分，再加上絕大多數(shù)微生物的碳源可以兼作能源。所以，碳源不僅需要量大，而且是組成培養(yǎng)基的最基本的營養(yǎng)要素。第2章培養(yǎng)基最常用的碳源

葡萄糖是碳源中最易利用的糖，幾乎所有微生都利用葡萄糖，所以葡萄糖常作為培養(yǎng)基的一種主要成分。但是過多的葡萄糖會過份加速菌體的呼吸，以致培養(yǎng)基中的溶解氧不能滿足需要，使一些中間產(chǎn)物不能完全氧化而積累在菌體或培養(yǎng)基中，如丙酮酸、乳酸、乙酸等，導(dǎo)致pH下降，影響某些酶的活性，從而抑制微生物的生長和產(chǎn)物的合成第2章培養(yǎng)基其他的碳源

淀粉、糊精等多糖也是常用的碳源，它們一般都要經(jīng)酶水解成單糖后再被吸收利用。有些微生物還可直接利用玉米粉、薯干、麩皮。此外，有機酸（如富馬酸、醋酸）、醇類、脂類等亦可作為碳源，有機酸的利用會使pH上升。第2章培養(yǎng)基2.氮源凡可構(gòu)成微生物細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸、酶等或其代謝產(chǎn)物中氮素來源的營養(yǎng)物質(zhì)，統(tǒng)稱為氮源。它們?yōu)槲⑸锏木w蛋白和核酸等結(jié)構(gòu)的形成提供主要組成成分。工業(yè)上氮源的來源十分豐富，在選擇氮源時，應(yīng)當(dāng)注意根據(jù)生產(chǎn)的實際結(jié)合每種氮源的特性作出選擇。第2章培養(yǎng)基常見氮源及其特點無機氮源：氨、硫酸銨、硝酸銨等。利用快速（包括生理酸性氮源（NH4）2SO4，經(jīng)微生物代謝后形成酸性物質(zhì)和生理堿性氮源NaNO3）有機氮源：利用緩慢，包括蛋白胨、牛肉膏、花生餅粉、黃豆餅粉、玉米漿、酵母粉、麩皮水解液、尿素黃豆餅粉：水分11%，總氮11.2%，類脂物0.6%，總糖30%，灰分6.5%麩皮水解液：可以代替玉米漿，但蛋白質(zhì)、氮基酸等營養(yǎng)成分比玉米漿少尿素：菌體必須含脲酶方可使用氨水：是一種無機氮源，目前常在生產(chǎn)中使用高濃度液氨，注意：因分解，容易帶來pH波動的問題。第2章培養(yǎng)基3.無機鹽類無機鹽類是構(gòu)成微生物菌體的重要成分，在調(diào)節(jié)微生物生命活動方面也起著很大的作用。無機鹽類可分為主要元素和微量元素兩大類，主要元素有P、S、Mg、K、Ca等，微量元素有Fe、Cu、Zn、Mn等。在制備培養(yǎng)基時，通常加入K2HPO4（或KH2PO4）、MgSO4就可滿足，微量元素從天然物、自來水中就可以滿足。第2章培養(yǎng)基4.生長因子

凡能調(diào)節(jié)微生物代謝活動的微量有機物，統(tǒng)稱為生長因子，一般指B族維生素，也有氨基酸、嘌呤和嘧啶。在微生物的科研和生產(chǎn)中，酵母膏、玉米漿、肝臟浸出液等，通常被作為生長因子的來源物質(zhì)。事實上，許多作為碳源和氮源的天然成分，如麥芽汁、牛肉膏、麩皮、米糠、土豆汁等本身就含有極為豐富的生長因子，一般在這類培養(yǎng)基中，無需再另外添加生長因子。第2章培養(yǎng)基5.水水是微生物體內(nèi)和體外的溶媒，營養(yǎng)物質(zhì)只有溶解于水才能被細(xì)胞吸收；代謝產(chǎn)物也只有通過水才能排出菌體外。水還能調(diào)節(jié)細(xì)胞的溫度。第2章培養(yǎng)基2.1.2

培養(yǎng)基的類型1.根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)的不同來源分為：天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基、半合成培養(yǎng)基（1）天然培養(yǎng)基(naturalmedium)：用各種植物和動物組織或微生物的浸出物、水解液等物質(zhì)（如牛肉膏、酵母膏、麥芽汁、米曲汁、蛋白胨等）以及天然的含有豐富營養(yǎng)的有機物質(zhì)（如馬鈴薯、玉米粉、麩皮、花生餅粉等）制成的培養(yǎng)基。發(fā)酵工業(yè)中普遍使用，優(yōu)點是配制方便、經(jīng)濟(jì)、營養(yǎng)豐富，適合于微生物生長。但是，它的化學(xué)成分不清楚或不穩(wěn)定（受產(chǎn)地、品種、保存加工方法等因素影響）。第2章培養(yǎng)基（2）合成培養(yǎng)基(syntheticmedium)：使用成分完全了解的化學(xué)藥品配制而成的培養(yǎng)基稱為合成培養(yǎng)基。合成培養(yǎng)基的優(yōu)點是：化學(xué)成分明確、穩(wěn)定，重復(fù)性好，但價格較貴，培養(yǎng)的微生物生長較慢。適用于實驗室進(jìn)行微生物生理、遺傳育種及高產(chǎn)菌種性能的研究。在生產(chǎn)某些疫苗過程中，為防止異性蛋白等雜質(zhì)混入，也經(jīng)常使用。培養(yǎng)放線菌的高氏一號培養(yǎng)基和培養(yǎng)真菌的察氏培養(yǎng)基都屬于合成培養(yǎng)基。第2章培養(yǎng)基（3）半合成培養(yǎng)基(semi-definedmedium)：以天然的有機物作為碳、氮源及生長因子的來源，并適當(dāng)加入一些化學(xué)藥品以補充無機鹽成分，使其更能充分滿足微生物對營養(yǎng)的需求。例如，培養(yǎng)真菌用的馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基等。此類培養(yǎng)基特點是配制方便、成本低、微生物生長良好、應(yīng)用很廣、大多數(shù)微生物都能在此類培養(yǎng)基上生長。發(fā)酵生產(chǎn)和實驗室中應(yīng)用的大多數(shù)培養(yǎng)基都屬于半合成培養(yǎng)基。第2章培養(yǎng)基2.根據(jù)培養(yǎng)基的用途基礎(chǔ)培養(yǎng)基、增值培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基、選擇培養(yǎng)基等（1）基礎(chǔ)培養(yǎng)基(MinimalMedium，MM)：又稱最低限度培養(yǎng)基，指能滿足某菌種的野生型（原養(yǎng)型）菌株最低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。不同微生物的基礎(chǔ)培養(yǎng)基很不相同，有的極為簡單，如大腸桿菌的基本培養(yǎng)基；有的極為復(fù)雜，如一些乳酸菌、酵母菌或梭菌的基本培養(yǎng)基?；九囵B(yǎng)基有時也需要添加生長因子等。若在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入富含氨基酸、維生素、堿基等生長因子的營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白胨、酵母膏等，就可滿足各種營養(yǎng)缺陷型的生長需求，這種培養(yǎng)基稱為完全培養(yǎng)基(CompleteMedium，CM)。若在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中只是針對性地加入一種或幾種營養(yǎng)成分，以滿足相應(yīng)的營養(yǎng)缺陷型生長，那么，這種培養(yǎng)基稱為補充培養(yǎng)基(SupplementMedium,SM)。第2章培養(yǎng)基（2）增殖培養(yǎng)基(enrichedmedium)：又名富集培養(yǎng)基。富集培養(yǎng)基是在普通培養(yǎng)基中加入血、血清、動(植)物組織液或其它營養(yǎng)物(或生長因子)的一類營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基。它主要用于培養(yǎng)某種或某類營養(yǎng)要求苛刻的異養(yǎng)型微生物，或者用來選擇性培養(yǎng)(分離、篩選、富集)某種微生物。具有助長某種微生物的生長，抑制其它微生物生長的功能。廣義上講，保藏培養(yǎng)基和鑒別培養(yǎng)基也屬于富集培養(yǎng)基。第2章培養(yǎng)基（3）鑒別培養(yǎng)基(differentialmedium)：在培養(yǎng)基中添加某種或某些化學(xué)試劑后，某種微生物生長過程中產(chǎn)生的特殊代謝產(chǎn)物會與加入的這些化學(xué)物反應(yīng)，依靠指示劑的顯色反應(yīng)，借以鑒別不同種類的微生物。這種培養(yǎng)基稱為鑒別培養(yǎng)基。例如：用于檢測飲水、乳品中是否含腸道致病菌的伊紅-美蘭乳糖培養(yǎng)基，即EMB(EosinMethyleneBlue)培養(yǎng)基。其成分是：蛋白胨10克，乳糖10克，K2HPO42克，2%伊紅20ml，0.325%美蘭20ml,蒸餾水1000ml,pH7.2。第2章培養(yǎng)基伊紅-美蘭乳糖培養(yǎng)基其中的伊紅和美蘭兩種苯胺染料可以抑制革蘭氏陽性菌和一些難培養(yǎng)的革蘭氏陰性菌。試樣中的多種腸道菌會在EMB培養(yǎng)基上產(chǎn)生相互易區(qū)分的特征菌落，因而易于辨認(rèn)。尤其是大腸桿菌，因其強烈分解乳糖而產(chǎn)生大量混合酸，使菌體帶H+，很容易染上酸性染料伊紅，伊紅又與美蘭結(jié)合，其復(fù)合物為黑色，所以，大腸桿菌的菌落呈紫黑色并帶金屬光澤，其菌落較小。產(chǎn)氣桿菌產(chǎn)酸弱，菌落呈棕色；變形桿菌不能發(fā)酵乳糖，菌落無色、透明。第2章培養(yǎng)基（4）選擇培養(yǎng)基(selectedmedium)：根據(jù)某種或某類微生物的特殊營養(yǎng)要求，或?qū)δ承┪锢?、化學(xué)條件的抗性而設(shè)計的培養(yǎng)基，稱為選擇性培養(yǎng)基。目的是利用這種培養(yǎng)基把某種或某類微生物從混雜的微生物群體中分離出來。常用抑菌劑或殺菌劑（如染色劑、抗菌素等）抑制不需要菌的生長，而促進(jìn)某種需要菌的生長。第2章培養(yǎng)基3.根據(jù)培養(yǎng)基的物理形狀分為液體培養(yǎng)基、固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基（1）液體培養(yǎng)基(liquidmedium)：各營養(yǎng)成分按一定比例配制而成的水溶液或液體狀態(tài)的培養(yǎng)基稱為液體培養(yǎng)基。工業(yè)上絕大多數(shù)發(fā)酵都采用液體培養(yǎng)基。實驗室中微生物的生理、代謝研究和獲取大量菌體是也常利用液體培養(yǎng)基。第2章培養(yǎng)基（2）固體培養(yǎng)基(solidmedium)：在液體培養(yǎng)基中加入加入一定量的凝固劑（如瓊脂、明膠等）配制而成的固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。固體培養(yǎng)基在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中具有很多用途，例如它可用于菌種分離、鑒定、菌落計數(shù)、檢測雜菌、選種、育種、菌種保藏、抗生素等生物活性物質(zhì)的效價測定及獲取孢子等。在發(fā)酵工業(yè)也中常用固體培養(yǎng)基進(jìn)行固體發(fā)酵。第2章培養(yǎng)基凝固劑

瓊脂(Agar)是最好的凝固劑。它是從海藻中提取的多糖類物質(zhì)，主要由瓊脂糖(agarose)和瓊脂膠(agaropectin)兩種多糖組成。除極少數(shù)菌外，大多數(shù)微生物無法降解瓊脂。瓊脂45℃固化，約100℃才融化。滅菌過程中不會被破壞，并且價格低廉。培養(yǎng)基中加0.5%瓊脂時可以獲得半固體培養(yǎng)基，加入1.5%-2.0%瓊脂即成固體培養(yǎng)基，加8%瓊脂則成硬固體培養(yǎng)基。

明膠(Gelatin)也是一種凝固劑。它是由動物的皮、骨、韌帶等煮熬而成的一種蛋白質(zhì)，含有多種氨基酸，可被許多微生物作為氮源而利用。明膠20℃凝固，28～35℃融化，所以，只能在20-25℃溫度范圍作凝固劑使用，適用面很窄，但可用于特殊檢驗。

硅膠(Silicagel)是無機硅酸鈉(Na2SiO3)和硅酸鉀(K2SiO3)與鹽酸和硫酸中和反應(yīng)時凝結(jié)成的膠體。因為它完全無機，在研究分離自養(yǎng)菌時用作培養(yǎng)基的凝固劑。硅膠一旦凝固后，就無法再融化。第2章培養(yǎng)基（3）半固體培養(yǎng)基(semi-solidmedium)：半固體培養(yǎng)基是指瓊脂加入量為0.2-0.5%而配制的固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。半固體培養(yǎng)基有許多特殊的用途，如可以通過穿刺培養(yǎng)觀察細(xì)菌的運動能力，進(jìn)行厭氧菌的培養(yǎng)及菌種保藏等。第2章培養(yǎng)基4.根據(jù)培養(yǎng)基在發(fā)酵生產(chǎn)中的不同用途分為繁殖和保藏培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基等（1）繁殖和保藏培養(yǎng)基(reproduciblemedium)：主要用于微生物細(xì)胞生長繁殖和保藏，大部分情況下就是斜面培養(yǎng)基，包括細(xì)菌、酵母菌等的斜面培養(yǎng)基以及霉菌、放線菌產(chǎn)孢子培養(yǎng)基或麩曲培養(yǎng)基等。注意：①富含有機氮源，少含碳源；②所用無機鹽的濃度要適量；③pH和濕度要適中。第2章培養(yǎng)基（2）種子培養(yǎng)基(seedculturemedium)：

種子培養(yǎng)基是適合微生物菌體生長的培養(yǎng)基，目的是為下一步發(fā)酵提供數(shù)量較多，強壯而整齊的種子細(xì)胞。一般要求①氮源、維生素豐富，氮源含量高些，總濃度稀??；②碳源少量，若糖分過多，菌體代謝活動旺盛，產(chǎn)生有機酸，使pH下降，菌種容易衰老；③種子培養(yǎng)基成分應(yīng)與發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分相近，以縮短發(fā)酵階段的適應(yīng)期（延滯期）。第2章培養(yǎng)基（3）發(fā)酵培養(yǎng)基(fermentationmedium)：用于生產(chǎn)預(yù)定發(fā)酵產(chǎn)物的培養(yǎng)基。因此必須根據(jù)產(chǎn)物合成的特點來設(shè)計培養(yǎng)基。一般的發(fā)酵產(chǎn)物以碳為主要元素，所以，發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源含量往往高于種子培養(yǎng)基。若產(chǎn)物的含氮量高，應(yīng)增加氮源。在大規(guī)模生產(chǎn)時，原料應(yīng)該價廉易得，還應(yīng)有利于下游的分離提取工作。第2章培養(yǎng)基谷氨酸發(fā)酵不同培養(yǎng)基組成第2章培養(yǎng)基2.1.3

發(fā)酵培養(yǎng)基的選擇1.培養(yǎng)基的配制原則（1）目的明確目的包含兩層含義，一指培養(yǎng)的微生物種類、二指培養(yǎng)的目的培養(yǎng)基的成分直接影響著培養(yǎng)的目標(biāo)。在設(shè)計培養(yǎng)基時必須考慮是要培養(yǎng)菌體，還是要積累產(chǎn)物，是實驗室培養(yǎng)還是大規(guī)模發(fā)酵等問題。用于培養(yǎng)菌體的種子培養(yǎng)基營養(yǎng)成分應(yīng)豐富，尤其是氮源含量宜高。即碳氮比值低。相反，用于積累大量生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵培養(yǎng)基，它的氮源一般應(yīng)比種子培養(yǎng)基稍低。當(dāng)然，若發(fā)酵產(chǎn)物是含氮化合物時，有時還應(yīng)該提高培養(yǎng)基的氮源含量。第2章培養(yǎng)基在設(shè)計培養(yǎng)基時，還應(yīng)特別考慮到代謝產(chǎn)物是初級代謝產(chǎn)物，還是次級代謝產(chǎn)物。若是次級代謝產(chǎn)物還要考慮是否加入特殊元素(如維生素B12中的Co)或特定的前體物質(zhì)(如生產(chǎn)卞青霉素時，應(yīng)加入苯乙酸)。在設(shè)計培養(yǎng)基尤其是大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)用的培養(yǎng)基時，還應(yīng)重視培養(yǎng)基中各種成分的來源和價格，應(yīng)該優(yōu)先選擇來源廣泛、價格低廉的培養(yǎng)基，提倡“以粗代精”，“以廢代好”。第2章培養(yǎng)基（2）營養(yǎng)協(xié)調(diào)營養(yǎng)協(xié)調(diào)表現(xiàn)在兩個方面，一是營養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)滿足微生物的需要。二是營養(yǎng)物的濃度及配比應(yīng)恰當(dāng)。不同營養(yǎng)類型的微生物對營養(yǎng)的需求差異很大，所以，應(yīng)根據(jù)所培養(yǎng)菌種對各營養(yǎng)要素的不同要求進(jìn)行配制。如自養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基成分是無機的，而異養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基成分必須含有機物。針對四大類微生物，一般可以采用現(xiàn)成配方的培養(yǎng)基。如細(xì)菌采用肉湯蛋白胨培養(yǎng)基、放線菌采用高氏1號合成培養(yǎng)基、酵母采用麥芽汁培養(yǎng)基、霉菌采用查氏合成培養(yǎng)基。第2章培養(yǎng)基高氏1號合成培養(yǎng)基第2章培養(yǎng)基NaNO3

2g

K2

HPO4

1g

KCl0．5g

MgSO4

0．5g

FeSO4

0．01g蔗糖30g瓊脂15-20g水1000ml

pH自然

1．05kg/cm2，121．3℃滅菌20分鐘第2章培養(yǎng)基霉菌用查氏合成培養(yǎng)基第2章培養(yǎng)基培養(yǎng)基營養(yǎng)物的濃度及配比應(yīng)恰當(dāng)。濃度太低，則不能滿足微生物生長的需要，濃度太高，又會抑制微生物的生長。如糖和鹽都是良好的營養(yǎng)物質(zhì)，但是，濃度升高，則有抑菌作用。營養(yǎng)物配比（如C/N）要恰當(dāng)。如在谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基中，C/N=4：1，菌體大量繁殖，產(chǎn)生的谷氨酸少；C/N=3：1，菌體繁殖抑制，谷氨酸大量積累。在設(shè)計營養(yǎng)物配比時，還應(yīng)該考慮避免培養(yǎng)基中各成分之間的相互作用。如蛋白胨、酵母膏中含有磷酸鹽時，會與培養(yǎng)基中鈣或鎂離子在加熱時發(fā)生沉淀反應(yīng)。在高溫下，還原糖與蛋白質(zhì)或氨基酸也會相互作用產(chǎn)生褐色物質(zhì)。在培養(yǎng)基配制時，可添加化學(xué)試劑補充宏量元素。其中，首選的是K2HPO4和MgSO4，因為它們包含了四種宏量元素。對于微量元素，一般化學(xué)試劑、水及器皿上均有存在。第2章培養(yǎng)基（3）物理化學(xué)條件（如pH）適宜由于微生物在生長代謝過程中營養(yǎng)物質(zhì)利用和代謝產(chǎn)物的形成往往會改變環(huán)境中的pH。第2章培養(yǎng)基2.發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中選擇培養(yǎng)基的基本原則1)必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分；2)所用的單位營養(yǎng)物質(zhì)能產(chǎn)生最大量的微生物菌體或發(fā)酵產(chǎn)物；3)能形成最大濃度的微生物菌體或產(chǎn)物；4)能形成最大產(chǎn)物生成率，從而縮短發(fā)酵周期；5)盡量減少副產(chǎn)物的形成，便于產(chǎn)物的分離純化；6)

對生產(chǎn)中除發(fā)酵以外的其他方面如通氣攪拌、精制、廢棄物的處理等所帶來的困難最少；7)

原料價格低廉、質(zhì)量穩(wěn)定、取材容易。第2章培養(yǎng)基2.1.4

原料轉(zhuǎn)換及意義節(jié)約用糧或用其它原材料代替糧食是當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)值得研究的主要課題。在發(fā)酵上節(jié)約糧食的有效辦法是抓發(fā)酵的穩(wěn)定和高產(chǎn)量?？刂瓢l(fā)酵過程，防止染菌，提高發(fā)酵單位和總收率使單耗降低，是節(jié)糧的關(guān)鍵所在。碳源的節(jié)約和代用。應(yīng)從多方面入手，如嚴(yán)格控制放罐時殘?zhí)菨舛?；改用廢糖蜜、葡萄糖廢母液和工業(yè)用葡萄糖來代替淀粉、糊精和食用葡萄糖等。碳源代用的的主攻方向還在于原料的轉(zhuǎn)換，開拓新的原料資源和微生物資源，主要是野生植物淀粉、野生植物纖維、木屑水解物、石蠟、醋酸、乙醇等代糧發(fā)酵目前正在日益發(fā)展。第2章培養(yǎng)基2.2

淀粉水解糖的制備許多工業(yè)微生物不能利用淀粉（如所有的氨基酸生產(chǎn)菌，大部分酵母），故發(fā)酵前必須將淀粉水解成糖。在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，制得的水解糖液叫淀粉糖。淀粉的結(jié)構(gòu)及特點直鏈——大米，小麥支鏈——玉米，高梁，薯類為主結(jié)構(gòu)：α-1，4糖苷鍵，α-1，6糖苷鍵，還原性末端（自由醛基），非還原性末端，與碘呈色反應(yīng)（6個葡萄糖與1個碘分子形成一圈螺旋，呈藍(lán)色）。第2章培養(yǎng)基2.2.1淀粉的水解的理論基礎(chǔ)1．淀粉的顆粒的外觀大致上可分為圓形、橢圓形和多角形。顆粒較大的薯類淀粉較易糊化，顆粒較小的谷物淀粉相對較難糊化。淀粉顆粒的構(gòu)：第2章培養(yǎng)基2，淀粉的分子結(jié)構(gòu)（1）直鏈淀粉含量為20～25%，直鏈淀粉在70～80℃的水中可溶，溶液的粘度較小，遇I2呈純藍(lán)色（2）支鏈淀粉占75～80%，直鏈部分通過α-1，4鍵連接，分支點則由α-1，6鍵連接，支鏈平均有25個葡萄糖基團(tuán),支鏈淀粉在高溫水中可溶，溶液的粘度大，遇I2呈蘭紫色。第2章培養(yǎng)基3，淀粉在水-熱處理過程的中變化（1）水-熱處理的概念將淀粉質(zhì)原料與水一起，在高溫高壓或低溫低壓的條件下進(jìn)行處理的過程。（2）水-熱處理的目的淀粉原料經(jīng)過水熱處理，使淀粉從細(xì)胞中游離出來，并轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)，以便淀粉酶系統(tǒng)進(jìn)行糖化作用。（3）淀粉的膨脹和溶解第2章培養(yǎng)基膨脹——淀粉是一種親水膠體，遇水加熱后，水分子滲入淀粉顆粒的內(nèi)部，使淀粉分子的體積和重量增加，這種現(xiàn)象稱為膨脹。糊化——在溫水中，當(dāng)?shù)矸垲w粒無限膨脹形成均一的粘稠液體的現(xiàn)象，稱為淀粉的糊化。此時的溫度稱為糊化溫度。溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高溫度至130℃，由于支鏈淀粉的全部（幾乎）溶解，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)徹底破壞，淀粉溶液的粘度迅速下降，變?yōu)榱鲃有暂^好的醪液，這種現(xiàn)象稱為淀粉的溶解或液化。第2章培養(yǎng)基（4）淀粉質(zhì)原料的各個組分在水-熱處理過程中的變化1）淀粉的變化：自糖化——在50～60℃預(yù)煮時，原料自身的淀粉酶系統(tǒng)活化，并分解淀粉生成糖和糊精酸水解——在微酸條件（pH5.6～6.3），淀粉的局部酸水解現(xiàn)象在70℃以下，水解的產(chǎn)物是糖，75～80℃產(chǎn)物是糊精。第2章培養(yǎng)基2）糖的變化①己糖的變化：己糖在酸性介質(zhì)中不穩(wěn)定，由于容易開鏈，所以較易分解。生成5-羥甲基糠醛的黃棕色色素。葡萄糖在pH2～4內(nèi)穩(wěn)定性最佳。

第2章培養(yǎng)基②戊糖的變化蒸煮過程中戊糖和己糖一樣脫水生產(chǎn)糠醛，但是后者比羥甲基糠醛穩(wěn)定第2章培養(yǎng)基③焦糖化

當(dāng)溫度達(dá)到糖的熔點時（185℃），糖分脫水形成黑色無定形物，統(tǒng)稱焦糖。焦糖不僅不能被發(fā)酵利用，而且還會阻礙糖化酶對淀粉的糖化作用，影響微生物的生長。焦糖化反應(yīng)在高濃度醪液中比低濃度中較易進(jìn)行。在不易與溶液接觸的地方(如蒸煮鍋的角），或鍋壁局部過熱處都容易發(fā)生。④氨基糖反應(yīng)：還原糖與氨基酸之間產(chǎn)生的呈色反應(yīng)稱為氨基糖反應(yīng)。氨基糖反應(yīng)不是一個簡單的聚合反應(yīng)，而是相當(dāng)復(fù)雜的反應(yīng)：第2章培養(yǎng)基2.2.2

淀粉的液化：1．淀粉液化的方法（1）按水解動力的不同分為：酸法、酶法、酸酶法、機械液化法（2）按工藝的不同分為：間歇式、半連續(xù)式、連續(xù)式（3）按設(shè)備的不同分為：管式、罐式、噴射式（4）按加酶方式的不同分為：一次加酶、兩次加酶、三次加酶（5）按原料的精粗不同分為：淀粉質(zhì)原料直接液化、精制淀粉液化第2章培養(yǎng)基2．酶法液化工業(yè)發(fā)酵對水解糖液的要求較高：I、還原糖濃度需達(dá)到發(fā)酵用糖的濃度；II、糖液潔凈，是杏黃色或黃綠色，有一定的透光度；III、糖液中不含糊精I(xiàn)V、發(fā)酵液不能變質(zhì)，通?，F(xiàn)用現(xiàn)制酶有較強的專一性，用酶法水解能滿足工業(yè)要求。第2章培養(yǎng)基（1）酶解法液化、糖化常用的酶1）α-淀粉酶：將淀粉迅速水解為糊精及少量麥芽糖，對淀粉的作用，可將長鏈從內(nèi)部分裂成若干短鏈的糊精，所以也稱內(nèi)切淀粉酶。淀粉受到α-淀粉酶的作用后，遇碘呈色很快反應(yīng)，如下表現(xiàn)：顏色變化：藍(lán)→紫→紅→淺紅→不顯色(即碘原色)第2章培養(yǎng)基2）糖化酶：作用于淀粉的l，4鍵結(jié)合，能從葡萄糖鍵的非還原性末端起將葡萄糖單位一個一個的切斷，因為是從鏈的一端逐漸地一個個地切斷為葡萄糖，所以稱為外切淀粉酶。3）β-淀粉酶：β-淀粉酶能水解α-1，4糖苷鍵，不能水解α-1，6糖苷鍵，遇此鍵水解停止，也不能越過繼續(xù)水解。水解由淀粉分子的非還原末端開始，水解相隔的α-1，4鍵麥芽糖，屆于β-構(gòu)型。故叫β-淀粉酶，β-淀粉酶屆于外切酶，水解產(chǎn)物只有麥芽糖。第2章培養(yǎng)基4）異淀粉酶：異淀粉酶能水解支鏈淀粉和糖原分子中支叉處的α-1，6糖苷鍵，使支叉結(jié)構(gòu)斷裂。但對直鏈結(jié)構(gòu)中的α-1，6糖苷鍵卻不能水解。5）普魯藍(lán)酶：

能水解支叉結(jié)構(gòu)和直鏈結(jié)構(gòu)的α-1，6糖苷鍵、支鏈淀粉、糖原和其β-極限糊精及普魯藍(lán)分子中的β-1，6鍵。因此，異淀粉酶或普魯藍(lán)酶與β-淀粉酶合并水解，能使支叉開裂，使β-淀粉酶繼續(xù)水解，大大提高麥芽糖的產(chǎn)率。第2章培養(yǎng)基（2）酶法液化方法

1）間歇（升溫）液化法優(yōu)點：此方法簡便缺點：效果較差，能耗大，原料利用率低，過濾性能差。2）連續(xù)（噴射）液化法優(yōu)點：設(shè)備小，便于連續(xù)操作，原料利用率高，轉(zhuǎn)化率高，蛋白質(zhì)凝聚好。缺點：要求一定壓力的蒸汽，進(jìn)出料的速度要穩(wěn)定工藝：利用噴射器將蒸汽直接噴射至淀粉薄層，以在短時間內(nèi)達(dá)到要求的溫度，完成糊化和液化。噴射后，進(jìn)入保溫罐，85~90℃保溫45分鐘。第2章培養(yǎng)基一段式連續(xù)式第2章培養(yǎng)基（3）液化效果的標(biāo)準(zhǔn)1）液化要均勻

2）蛋白絮凝效果好3）液化徹底（60?C時液化液要穩(wěn)定，不出現(xiàn)老化現(xiàn)象，不含不溶性淀粉顆粒，液化液透明、清亮）

第2章培養(yǎng)基淀粉老化

老化——稀淀粉溶液冷卻后，線性分子重新排列，并通過氫鍵形成不溶性沉淀。濃的淀粉糊冷卻時，在有限的區(qū)域內(nèi)，淀粉分子重新排列較快，線性分子締合，溶解度減小。淀粉溶解度減小的整個過程稱為老化。

"老化"是"糊化"的逆過程，"老化"過程的實質(zhì)是：在糊化過程中，已經(jīng)溶解膨脹的淀粉分子重新排列組合，形成一種類似天然淀粉結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。淀粉老化的過程是不可逆的，老化后的淀粉，不僅口感變差，消化吸收率也隨之降低。第2章培養(yǎng)基淀粉的老化首先與淀粉的組成密切相關(guān)，含直鏈淀粉多的淀粉易老化，不易糊化；含支鏈淀粉多的淀粉易糊化不易老化。玉米淀粉、小麥淀粉易老化，糯米淀粉老化速度緩慢。直鏈淀粉的老化速率比支鏈淀粉快得多，直鏈淀粉愈多，老化愈快。支鏈淀粉幾乎不發(fā)生老化。第2章培養(yǎng)基防止和延緩淀粉老化的措施。1）．溫度：高于60℃低于20℃都不發(fā)生老化。

2）．水分：食品含水量在30~60%之間，淀粉易發(fā)生老化現(xiàn)象，食品中的含水量在10%以下的干燥狀態(tài)或超過60%以上水分的食品，則不易產(chǎn)生老化現(xiàn)象。

3）．酸堿性：在PH4以下的酸性或堿性環(huán)境中，淀粉不易老化。4）．表面活性物質(zhì)：在食品中加入脂肪甘油脂，糖脂，磷脂，大豆蛋白或聚氧化乙烯等表面活性物質(zhì)，均有延緩淀粉老化的效果，這是由于它們可以降低液面的表面能力，產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，使淀粉膠束之間形成一層薄膜，防止形成以水分子為介質(zhì)的氫的結(jié)合，從而延緩老化時間。第2章培養(yǎng)基5）．膨化處理：影響谷物或淀粉制品經(jīng)高溫、高壓的膨化處理后，可以加深淀粉的α化程度，實踐證明，膨化食品經(jīng)放置很長時間后，也不發(fā)生老化現(xiàn)象，其原因可能是：

a.膨化后食品的含水量在10%以下

b.在膨化過程中，高壓瞬間變成常壓時，呈過熱狀態(tài)的水分子在瞬間汽化而產(chǎn)生強烈爆炸，分子約膨脹2000倍，巨大的膨脹壓力破壞了淀粉鏈的結(jié)構(gòu)，長鏈切短，改變了淀粉鏈結(jié)構(gòu)，破壞了某些膠束的重新聚合力，保持了淀粉的穩(wěn)定性。第2章培養(yǎng)基2.2.3淀粉的糖化1.糖化理論（1）基本概念1）糖化：以無機酸或酶為催化劑，在一定溫度下使淀粉水解，將淀粉全部或部分轉(zhuǎn)化為葡萄糖等可發(fā)酵性糖的過程。2）糖化劑：糖化過程中所用的催化劑。包括無機酸和酶。3）理論收率（111.11%）第2章培養(yǎng)基第2章培養(yǎng)基（2）糖化的目的：將淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖。（3）淀粉的水解反應(yīng)過程淀粉分子內(nèi)α-1，4和α-1，6葡萄糖苷鍵的斷裂，相對分子質(zhì)量逐漸變小，依次變?yōu)楹?，低聚糖，麥芽糖和葡萄糖。糊精——是若干種分子大于低聚糖的碳水化合物，一般含2~10葡萄糖單位的為低聚糖。糊精具有旋光性，還原性，能溶于水，不溶于酒精。第2章培養(yǎng)基與碘作用，聚合度不同顏色不同第2章培養(yǎng)基（4）淀粉水解過程的反應(yīng)1）主反應(yīng)：糖化（水解作用）2）副反應(yīng)：①復(fù)合反應(yīng)（在酸和熱作用下，部分葡萄糖經(jīng)1，6鍵結(jié)合成龍膽二糖，異麥芽糖和其他低聚糖。）②分解反應(yīng)（葡萄糖分解為羥甲基糠醛，有機酸和有色物質(zhì)等非糖產(chǎn)物）第2章培養(yǎng)基2．淀粉糖化的方法（1）酸解法1）定義：以酸（無機酸或有機酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。2）工藝參數(shù)–淀粉漿的pH：1.5左右–水解壓力：2.5~2.6大氣壓–水解時間：30min–一次中和pH：4.8~5.0–二次中和pH：6.7~7.0第2章培養(yǎng)基優(yōu)點：工藝簡單，設(shè)備較單一，水解時間短，設(shè)備周轉(zhuǎn)快缺點：需耐高溫、高壓和耐腐蝕的設(shè)備；副產(chǎn)物多，淀粉的轉(zhuǎn)化率低；對原料要求高；廢水難處理3）酸解法中常用的酸①鹽酸：高效，但中和后產(chǎn)生氯化物，增加糖液灰分，對葡萄糖的結(jié)晶，分離及收率會有影響。②硫酸：能力僅次于鹽酸，用碳酸鈣中和，經(jīng)脫色，離子交換可除去。③草酸：能力低，用石灰中和生成草酸鈣，脫色過濾易除去，非強酸，減少了復(fù)合反應(yīng)。第2章培養(yǎng)基（2）酶解法以酶為催化劑，在常溫常壓下將淀粉水解為