工业发酵中培养基选择与配制的原则

蓝字

     培养基指供微生物、植物或动物（或组织）生长繁殖的，由特定营养物质组成的基质。通常包含碳水化合物、含氮物质、无机盐（含微量元素）、维生素和水等要素。它既是细胞营养基础，又是细胞生长和繁殖的环境。

  ◆ 根据制作原料可分为天然培养基、合成培养基、半合成培养基；

  ◆ 根据物理性状可分为固体培养基、液体培养基、半固体培养基；

  ◆ 根据功能可分为基础培养基、选择性培养基、加富培养基、鉴别培养基等；

  ◆ 根据适应范围可分为细菌培养基、放线菌培养基、酵母菌培养基、真菌培养基等。

     培养基配制后需测定并调整pH值，并进行灭菌，常见的两种方式为高温灭菌和过滤灭菌。由于富含营养物质，容易受污染或变质。配制后应尽快使用，不宜长期保存。

筛选适宜的营养物质

一般来说，所有微生物生长和繁殖都要求培养基含有碳源、氮源、无机盐、生长因子、水和能源。然而，由于微生物的营养需求不同，需要配制特定针对性的培养基。如大肠杆菌发酵培养基对大肠杆菌生长和重组蛋白产量至关重要。适合大肠杆菌发酵的培养基成分包括碳源、氮源、无机盐等。

碳源负责构建细胞物质骨架和提供能量。常见大肠杆菌发酵培养基中的碳源包括酵母粉、葡萄糖、甘油、乳糖。酵母粉具碳源、氮源和磷酸盐功能；葡萄糖是速效碳源，会产生乙酸；甘油是缓效碳源，不易产生乙酸，是葡萄糖的良好替代品；乳糖作为碳源外，亦能起到诱导作用，但若与葡萄糖同在培养基中，大肠杆菌会优先消耗葡萄糖。

氮源则负责提供细胞原生质和其他结构物质中的氮元素。常见大肠杆菌发酵培养基中的氮源包括有机氮源（蛋白胨）和无机氮源（铵盐、硝酸盐）。

营养物质浓度及比例适配

培养基的营养物质浓度需恰当平衡，以此保证微生物的健康生长。若浓度不足，将无法满足微生物的需求；反之，过高浓度则有可能限制微生物的生长。比如，高浓度的糖类物质、无机盐、重金属离子等非但无助于维持和促进微生物的生命活力，反而可能产生抑菌或杀菌效果。同时，培养基中各类营养物质间的浓度比例对微生物的生长繁殖和代谢产物的形成积累有着直接影响，尤为凸显的是碳氮比（C/N）的影响。碳氮比通常指培养基中的碳元素和氮元素含量，也可以理解为还原糖与粗蛋白的比例。以大肠杆菌为例，其生长受碳氮比的影响主要体现在碳源过高会导致酸生成过多，氮源过高则会导致pH上升。因此，在补料阶段，选择适当的碳氮比对细胞的生长和蛋白质的表达具有重要意义。实践表明，碳氮比4：1适用于大肠杆菌的高密度发酵。

调控pH环境至适宜范围

培养基的pH需控制在适合各类微生物生长或代谢产物生成的区间内。一般而言，大肠杆菌最理想的生长pH值为7.0。在重组蛋白表达过程中，转录表达速率和影响空间结构的因素均受pH值的影响，因此针对不同的重组蛋白，最佳表达环境也有所差异。需要强调的是，在微生物的生长繁殖和代谢过程中，营养物质的分解利用和代谢产物的生成积累都会使培养基pH发生变化。如不加调控地任由培养基pH波动，易导致微生物生长减缓或（及）代谢产物产量降低。鉴于此，在培养基中添加pH缓冲剂以保持pH相对稳定，常用的缓冲剂包括由一氢和二氢磷酸盐（如KH2PO4和K2HPO4）组成的混合物。

培养基原辅料选择

在制备培养基时，应优先选用价格低廉且易于获得的原材料，特别是在大规模生产环境下，这对于降低基成本非常重要。在早期研发阶段，需明确成分列表，确定所需元素，在此基础上，根据确定的方案选择替代性低价原料。因为在后续工艺扩展过程中，保证菌种正常生长是关键。例如，可用大豆蛋白胨(植物源)或酵母蛋白胨(微生物源)替代胰蛋白胨(动物源)。

灭菌处理

为了获得纯的微生物培养，必须避免杂菌感染，对培养基、设备及操作空间要进行彻底灭菌消毒就很必要。高压蒸汽灭菌法是常见的灭菌方法，其对普通培养基的灭菌效果在103.4KPa，121℃下进行15-30分钟即可实现。

灭菌过程中，高温会导致一些不耐热物质分解，如糖类形成氨基糖、焦糖。对糖有高度需求的培养基，可在灭菌前先过滤或间歇灭菌，然后与其他已灭菌成分混合。高温还会使磷酸盐、碳酸盐与某些阳离子（特别是钙、镁、铁离子）形成难溶复合物而产生沉淀，因此，在合成培养基调配过程中，常常需添加少量螯合剂如乙二胺四乙酸（EDTA）以防止沉淀。另外，含钙、镁、铁等离子的成分可用磷酸盐、碳酸盐分别灭菌，然后混合，以防沉淀形成。

高压蒸汽灭菌后，培养基pH值可能会下降，需根据所培养的微生物需求，灭菌前后进行调整。在配制过程中，泡沫对灭菌处理造成困扰，因其内部空气形成隔热层，令其中的微生物难以灭活。因此，须加入消泡剂减少泡沫产生，或适当提高灭菌温度。