1、第三章第三章 發(fā)酵工業(yè)原料及其處理發(fā)酵工業(yè)原料及其處理培養(yǎng)基培養(yǎng)基培養(yǎng)基是指人工配制的供微生物或動植物細(xì)胞生長、繁殖、代謝和合成各種產(chǎn)物的營養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時，培養(yǎng)基也為微生物等提供除營養(yǎng)外的其它生長所必須的環(huán)境條件。培養(yǎng)基的組成和配比對菌體的生長、產(chǎn)物的合成、提取工藝的選擇、產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都有重要影響。 發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分淀粉水解糖的制備培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌第一節(jié)第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分培養(yǎng)基的類型和用途發(fā)酵培養(yǎng)基中各種成分的定量工業(yè)上常用作碳源的淀粉質(zhì)原料工業(yè)上常用作氮源的蛋白質(zhì)類原料發(fā)酵培養(yǎng)基中的無機(jī)鹽和生長因子前體物質(zhì)和促進(jìn)劑、抑制劑一

2、、一、培養(yǎng)基的類型和培養(yǎng)基的類型和用途用途按來源分按培養(yǎng)基外觀的物理狀態(tài)分按功能分見p451. 按來源分按來源分天然培養(yǎng)基合成培養(yǎng)基半合成培養(yǎng)基2. 按培養(yǎng)基外觀的物理狀態(tài)分按培養(yǎng)基外觀的物理狀態(tài)分 適用于菌種分離、保藏、鑒定、雜菌檢驗(yàn)等，也廣泛應(yīng)用于真菌的生產(chǎn)，如霉菌、香菇、白木耳等。 常用組分：麩皮、大米、小米、木屑、瓊脂等。固體培養(yǎng)基 即在液體培養(yǎng)基中加入0.20.8%的瓊脂。 主要用于觀察微生物的運(yùn)動特征，噬菌體效價等。半固體培養(yǎng)基 適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)室研究工作。液體培養(yǎng)基3、按功能分、按功能分孢子培養(yǎng)基：供菌種繁殖孢子的固體培養(yǎng)基。 使菌體生長迅速，產(chǎn)生較多優(yōu)質(zhì)的孢

3、子，并不易引起菌種變異。種子培養(yǎng)基：供孢子發(fā)芽、菌體繁殖的培養(yǎng)基。 增加細(xì)胞數(shù)量，并培養(yǎng)出強(qiáng)壯、活力強(qiáng)的細(xì)胞。發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌種生長繁殖和合成產(chǎn)物的培養(yǎng)基。 既能使菌體生長迅速，又能使菌體能迅速合成大量產(chǎn)物。見p46和p50（1）孢子培養(yǎng)基）孢子培養(yǎng)基常用的有麩皮培養(yǎng)基、小米培養(yǎng)基、大米培養(yǎng)基、玉米培養(yǎng)基和肉湯培養(yǎng)基等。碳源、氮源含量不要太豐富，特別是有機(jī)氮源。含有生長素和微量元素，有利于孢子大量形成。注意培養(yǎng)基的pH值和濕度。（2）種子培養(yǎng)基）種子培養(yǎng)基營養(yǎng)相對豐富、完全，氮源和維生素含量要高些。要能維持穩(wěn)定的pH。最后一級種子培養(yǎng)基的成分應(yīng)該能接近發(fā)酵培養(yǎng)基。二、二、發(fā)酵培養(yǎng)基中各種成分的

4、發(fā)酵培養(yǎng)基中各種成分的定定量量組成應(yīng)豐富、完全。要考慮適當(dāng)?shù)奶嫉?，加緩沖劑穩(wěn)定pH值。除有菌體生長所需的元素和化合物外，還要有產(chǎn)物合成所需的元素、前體和促進(jìn)劑等。可以考慮采用分批補(bǔ)料方式。1. 碳源碳源功能 提供合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)所需碳元素。 提供目的產(chǎn)物中的碳。 合成產(chǎn)物的能源。常用碳源 淀粉（starch）、淀粉水解糖（starch sugar）、糖蜜（molasses）、有機(jī)酸（organic acid）、低碳醇、脂質(zhì)、烴類等。2. 氮源氮源功能 提供合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)所需氮元素。 提供目的產(chǎn)物中的氮。常用碳源 有機(jī)氮源：黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、玉米漿、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、

5、發(fā)酵菌絲體、酒糟等。 無機(jī)氮源：氨水、液氨、尿素、硝酸鹽、銨鹽等。3. 無機(jī)鹽無機(jī)鹽對菌體生長和產(chǎn)物合成都十分重要。不同發(fā)酵對不同種類無機(jī)鹽的需求不同。4. 生長因子生長因子發(fā)酵培養(yǎng)基中必不可少，但在某些發(fā)酵中生長因子的量要控制適當(dāng)。5. 前體前體某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接在生物合成過程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，而自身的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生太大變化，卻能提高產(chǎn)物的產(chǎn)量，這類小分子物質(zhì)稱為前體。來源： 有的是菌體本身能夠合成的，如青霉素前體纈氨酸和半胱氨酸； 有的菌體不能合成或合成很少，需要從外界加入，如青霉素V前體苯氧乙酸。前體使用的濃度要適當(dāng)，一般采取流加方式。6. 促進(jìn)劑促進(jìn)劑既不是營養(yǎng)物質(zhì)

6、，又不是前體，但這類物質(zhì)的加入能提高產(chǎn)物產(chǎn)量，這類物質(zhì)稱為促進(jìn)劑。功能： 影響微生物的正常代謝； 促進(jìn)中間代謝產(chǎn)物的積累； 提高次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。促進(jìn)劑專一性很強(qiáng)，用量極微，效果顯著。需要通過試驗(yàn)選擇品種，確定用量。7. 抑制劑抑制劑發(fā)酵培養(yǎng)基中加入抑制劑，可以抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，同時刺激另一代謝途徑，以致改變微生物的代謝途徑，從而獲得人們所需的某種產(chǎn)物或使正常代謝的某一代謝中間物積累。抑制劑專一性很強(qiáng)，用量極微，效果顯著。需要通過試驗(yàn)選擇品種，確定用量。三、三、工業(yè)上常用作碳源的淀粉質(zhì)工業(yè)上常用作碳源的淀粉質(zhì)原料原料淀粉淀粉質(zhì)原料1. 淀粉淀粉來源于各種植物組織。直鏈淀粉：葡萄糖經(jīng)-1

7、,4糖苷鍵脫水縮聚而成螺旋形不分支長鏈，聚合度1006000，相對分子量1105。 熱水溶解：形成黏度較低的不穩(wěn)定膠體溶液。 與碘反應(yīng)：呈藍(lán)色。支鏈淀粉：直鏈部分的葡萄糖以-1,4糖苷鍵連接，分支點(diǎn)上的葡萄糖以-1,6糖苷鍵連接，聚合度100030000，相對分子量6106。 熱水溶解：形成糊狀物。 與碘反應(yīng)：呈紅到紫紅色。2. 淀粉質(zhì)原料淀粉質(zhì)原料工業(yè)淀粉：以谷類、薯類等農(nóng)產(chǎn)品為原料加工而成，白色或微帶淺黃色陰影的粉末。 常用的有玉米淀粉、小麥淀粉、甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉等。谷類：包括大米、高粱、大麥、小麥等。薯類：甘薯、馬鈴薯、木薯為主。李江華，無錫輕工大學(xué)學(xué)報，2004(1.5g麩皮)嗜堿

8、芽孢桿菌(AC-2)中碳源對堿性纖維素酶分泌的影響結(jié)果：各種碳源相差不大推論：該菌種的堿性纖維素酶為組成型蘇勤，林業(yè)化學(xué)與工業(yè)，2004四、四、工業(yè)上常用作氮源的蛋白質(zhì)類工業(yè)上常用作氮源的蛋白質(zhì)類原料原料有機(jī)氮源無機(jī)氮源1. 有機(jī)氮源有機(jī)氮源黃豆餅粉：廣泛用于抗生素發(fā)酵。 全脂黃豆粉：油脂18%。 低脂黃豆粉：油脂9%。 脫脂黃豆粉：油脂2%。主要成分： 蛋白質(zhì)：脫脂 低脂 全脂； 油脂：脫脂低脂全脂； 灰分：脫脂 低脂 全脂； 水分：脫脂低脂全脂。玉米漿玉米漿是玉米淀粉生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，是用亞硫酸浸泡玉米所得的浸泡液的濃縮物。其中固體物含量在50%以上。成分：含有豐富的氨基酸、還原糖、生物素等

9、。較多的有機(jī)酸，如乳酸，因此其pH在4左右。硫、磷、微量元素等。2. 無機(jī)氮源無機(jī)氮源特點(diǎn)：微生物對它們的吸收利用快。無機(jī)氮源的迅速利用常會引起pH的變化。 使用意義：滿足菌體生長。穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH。無機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)。(NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + NaOH生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸銨。生理堿性物質(zhì)：若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。氨水氨水作用：易利用的氮源。調(diào)節(jié)pH值。使用方法：

10、使用前應(yīng)進(jìn)行過濾除菌。使用時要加強(qiáng)攪拌，防止局部過堿，并少量多次加入。例：無機(jī)氮源對毛霉產(chǎn)蛋白酶的影響例：無機(jī)氮源對毛霉產(chǎn)蛋白酶的影響效果：硫酸銨效果：硫酸銨 硝酸銨硝酸銨 硝酸鈉硝酸鈉 尿素尿素陳濤，中國釀造，2004五、五、發(fā)酵培養(yǎng)基中的無機(jī)鹽和生長發(fā)酵培養(yǎng)基中的無機(jī)鹽和生長因子因子1. 磷酸鹽功能： 磷是某些蛋白質(zhì)和核酸的組成成分； ADP、ATP是重要的能量傳遞物質(zhì)，參與一系列的代謝反應(yīng)； 磷酸鹽有緩沖作用。微生物對磷的需要量一般為0.0050.01mol/L。黑曲霉黑曲霉NRRL-330生產(chǎn)生產(chǎn)-淀粉酶，淀粉酶， P對酶對酶活的影響活的影響 pH酶活不加 4.25120min加 K2

11、HPO4 5.4530min加 KH2PO4 4.6275min2. 硫酸鎂硫酸鎂功能： 鎂是許多重要的酶的激活劑； 硫?yàn)榫w合成含硫蛋白質(zhì)提供硫源。MgSO47H2O是發(fā)酵工業(yè)中常用的無機(jī)鹽。3. 鉀鹽鉀鹽微生物需鉀量一般約為0.1g/L（以K2SO4計(jì)）。 當(dāng)培養(yǎng)基中磷鹽配用1g/L K3PO43H2O時，同時提供了鉀，鉀濃度為0.38g/L； 當(dāng)培養(yǎng)基中磷鹽配用1g/L Na2HPO412H2O時，應(yīng)另外配用KCl 0.30.6g/L，鉀濃度為0.350.7g/L。4、生長因子（生長素）、生長因子（生長素）從廣義上講，凡是微生物生長不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等

12、均稱生長因子。來源：有機(jī)氮源。六、前體六、前體物質(zhì)和促進(jìn)劑、物質(zhì)和促進(jìn)劑、抑制劑抑制劑1. 前體 有些氨基酸、抗生素和核苷酸發(fā)酵中必須添加前體。產(chǎn)物產(chǎn)物前體前體產(chǎn)物產(chǎn)物前體前體青霉素G苯乙酸等維生素B12鈷化物青霉素O烯丙基-巰基乙酸絲氨酸甘氨酸青霉素V苯氧乙酸色氨酸吲哚、氨茴酸鏈霉素肌醇，精氨酸等蛋氨酸2-羥基-4-甲基硫代丁酸金霉素氯化物異亮氨酸D-蘇氨酸紅霉素丙酸、丙醇等蘇氨酸高絲氨酸灰黃霉素氯化物 青霉素G：分子量356苯乙酸:分子量136使用方法使用方法普遍采用流加方法。前體一般都有毒性。如苯乙酸，一般僅僅添加0.07%。前體相對價格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化。流加也有利于提

13、高前體的轉(zhuǎn)化率。2. 促進(jìn)劑促進(jìn)劑某些氨基酸、抗生素和酶制劑生產(chǎn)中添加促進(jìn)劑。促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的：有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物；有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，增強(qiáng)氧的傳遞，從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)；也有人認(rèn)為表面活性劑對酶的表面失活有保護(hù)作用；有些促進(jìn)劑可以沉淀或螯合有害的重金屬離子。3. 抑制劑抑制劑有些抑制劑可抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，而使代謝向所需產(chǎn)物的途徑轉(zhuǎn)化，常用于抗生素和有機(jī)溶劑發(fā)酵。氯霉素、植酸、草酸等能抑制噬菌體的繁殖，可用于氨基酸發(fā)酵。 RR1R2R3四環(huán)素(TC)HOHCH3H金霉素(CTC)ClOHCH3H土霉素(OTC)HOHCH3

14、OH例：四環(huán)素生產(chǎn)中，加入溴化鈉，能抑制金霉素的形成，促進(jìn)四環(huán)素的生成。第二節(jié)第二節(jié) 淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備方法水解糖液的質(zhì)量要求一、淀粉水解糖的制備方法一、淀粉水解糖的制備方法將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化。所制得的糖液稱為淀粉水解糖。淀粉水解糖成分： 主要是葡萄糖，少量的麥芽糖等復(fù)合二糖、低聚糖。 原料中的雜質(zhì)（如蛋白質(zhì)、脂肪）及其分解產(chǎn)物即氨基酸、脂肪酸。淀粉水解糖廣泛應(yīng)用于氨基酸、抗生素、有機(jī)酸、多糖、甾體轉(zhuǎn)化等生產(chǎn)中。見P56淀粉糖化的方法淀粉糖化的方法酸水解法（酸糖化法）：以酸（無機(jī)酸或有機(jī)酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。酶水解

15、法（雙酶法）：利用液化酶和糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的方法。液化：用液化酶使糊化淀粉水解為糊精及低聚糖。糖化：用糖化酶將糊精或低聚糖進(jìn)一步水解為葡萄糖。酸酶結(jié)合水解法酸酶（水解）法：先以酸為催化劑將淀粉水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶將其水解成葡萄糖。酶酸（水解）法：將淀粉乳先用-淀粉酶液化到一定程度，再用酸水解成葡萄糖。見P56不同糖化工藝所得糖液質(zhì)量比較不同糖化工藝所得糖液質(zhì)量比較項(xiàng)目酸解法酸酶法雙酶法DE值(%)909598葡萄糖(%)869397灰分(%)1.60.40.1蛋白質(zhì)(%)0.080.080.10羥甲基糠醛(%)0.300.080.03顏色(Be)10.00.30.2葡萄糖得率

16、(%)較酸法高5%較酸法高10%DE：也稱葡萄糖值，是指糖化液中還原糖含量（以葡萄糖計(jì)）占干物質(zhì)的百分率。不同糖化工藝比較不同糖化工藝比較項(xiàng)目項(xiàng)目酸解法酸解法酸酶法酸酶法雙酶法雙酶法淀粉糖轉(zhuǎn)化率/%909598工藝條件/耗能加壓溫高/多加壓溫高/多溫和/少副產(chǎn)物多中少生產(chǎn)周期短中長設(shè)備規(guī)模/防腐要求小/較高中/中大/一般原料適應(yīng)情況淀粉大米各種淀粉、大米是否有利于發(fā)酵和提取差中有利見P58淀粉糖化工藝的比較淀粉糖化工藝的比較從淀粉水解操作周期看：雙酶法酸酶法酸解法。從水解糖液的質(zhì)量及降低糖耗、提高原料利用率方面來考慮：雙酶法酸酶法酸解法。見P57二、水解糖液的質(zhì)量要求二、水解糖液的質(zhì)量要求項(xiàng)目

17、項(xiàng)目要求要求酸解法雙酶法色澤淡黃色透明糊精反應(yīng)無還原糖含量18%2538%DE值90%95%透光率40%60%pH4.64.8淀粉轉(zhuǎn)化率92%95%見P72第三節(jié)第三節(jié) 培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化在基本理論指導(dǎo)下，參照前人的經(jīng)驗(yàn)配方，再結(jié)合菌種和產(chǎn)品的特性，初步確定可能的培養(yǎng)基組分；通過單因子試驗(yàn)確定最適的培養(yǎng)基組分；通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定各組分的最適濃度；試驗(yàn)各種發(fā)酵條件和培養(yǎng)基的關(guān)系。培養(yǎng)基組分的選擇培養(yǎng)基組分配比的確定不同規(guī)模培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng)一、培養(yǎng)基組分的選擇一、培養(yǎng)基組分的選擇做好調(diào)查研究工作。選擇一種較好的合成培養(yǎng)基做基礎(chǔ)，通過搖瓶試驗(yàn)，摸索菌種對各種主要碳

18、源、氮源的利用情況和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的能力。觀察培養(yǎng)過程中pH的變化，確定菌種生長和產(chǎn)物合成的最適pH。確定各種無機(jī)元素的營養(yǎng)要求，即其最高、最低和最適用量。做復(fù)合培養(yǎng)基試驗(yàn)。做好調(diào)查研究工作。做好調(diào)查研究工作。了解菌種來源、生理生化特性和一般的營養(yǎng)要求；了解菌種的培養(yǎng)條件，生物合成的代謝途徑，代謝產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)、一般提純方法和產(chǎn)品質(zhì)量要求等。二、培養(yǎng)基組分配比的確定二、培養(yǎng)基組分配比的確定進(jìn)行細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成的化學(xué)平衡計(jì)算實(shí)驗(yàn)確定1、進(jìn)行細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成的、進(jìn)行細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成的化學(xué)平衡計(jì)算化學(xué)平衡計(jì)算初級代謝產(chǎn)物代謝途徑比較清楚，可以根據(jù)物料平衡進(jìn)行計(jì)算。次級代謝產(chǎn)物代謝途徑了

19、解有限，因此要用化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算得率比較困難。有些產(chǎn)物可以根據(jù)物料及能量平衡進(jìn)行計(jì)算，但目前還難以作出精密分析。2、實(shí)驗(yàn)確定、實(shí)驗(yàn)確定培養(yǎng)基組分的配比最終都是通過實(shí)驗(yàn)確定。合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法單因子試驗(yàn)多因子試驗(yàn)（1）單因子試驗(yàn)）單因子試驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)中要考察的因子逐個進(jìn)行試驗(yàn)，尋找每個因子的最佳條件。優(yōu)點(diǎn)： 一次可以進(jìn)行多種條件的實(shí)驗(yàn)，可以在較快時間內(nèi)得到結(jié)果。缺點(diǎn)：如果考察的條件多，實(shí)驗(yàn)時間會比較長。各因子之間可能會產(chǎn)生交互作用，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。（2）多因子試驗(yàn)）多因子試驗(yàn)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。 正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)等； 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，如SAS、S

20、PSS、Matlab等。優(yōu)點(diǎn)： 同時進(jìn)行多個因子的試驗(yàn)。 用少量的實(shí)驗(yàn)得到單因子實(shí)驗(yàn)同樣的結(jié)果，甚至更準(zhǔn)確，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。缺點(diǎn)： 一次分析的因素和水平不能太多； 必須有較為精確的參數(shù)作為參比標(biāo)準(zhǔn)。 正交設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法。優(yōu)點(diǎn)：可以通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)得到滿意的結(jié)果?？赏ㄟ^方差分析，確定哪個因素影響較大?？梢钥疾旄饕蛩亻g存在的交互作用。操作步驟操作步驟1. 確定因素數(shù)：選擇處理因素與不可忽略的交互作用。2. 確定水平數(shù)二水平：有和無，可作因素篩選用。三水

21、平：可觀察變化趨勢，選擇最佳搭配。多水平：一次滿足試驗(yàn)要求。操作步驟操作步驟3. 選定正交表：Ln(tc)L：正交表代號；n：行數(shù)，表示需要做的試驗(yàn)次數(shù)；t：因素水平數(shù)，表示此表可以安排的水平數(shù)；c：列數(shù)，表示最多可以安排的因素個數(shù)。實(shí)驗(yàn)號實(shí)驗(yàn)號因素因素A因素因素B因素因素C因素因素D因素因素E1111112122223133334144445212346221437234128243219313421032431113312412342131341423144231415432411644132L16(45)操作步驟操作步驟4. 表頭安排 應(yīng)優(yōu)先考慮交互作用不可忽略的處理因素，按照不可混雜的

22、原則，將它們及交互作用首先在表頭排妥，而后再將剩余各因素任意安排在各列上。5. 組織實(shí)施方案 根據(jù)選定正交表中各因素占有列的水平數(shù)列，構(gòu)成實(shí)施方案表，按實(shí)驗(yàn)號依次進(jìn)行，共作n次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)按表中橫行的各水平組合進(jìn)行。 均勻設(shè)計(jì)均勻設(shè)計(jì)只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi) “均勻分散”，而不考慮“整齊可比”。特別適合于多因素多水平的試驗(yàn)和系統(tǒng)模型完全未知的情況。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)次數(shù)更少；自動將各試驗(yàn)因素分類為重要與次要，并將因素按重要性排序。 當(dāng)試驗(yàn)中有m個因素，每個因素有n個水平時：全面試驗(yàn)：共有nm種組合；正交設(shè)計(jì)：挑選出n2個試驗(yàn)；均勻設(shè)計(jì)：選取n個點(diǎn)試驗(yàn)。操作步驟操作步驟選擇試驗(yàn)因素。確定因素水平。選擇

23、均勻設(shè)計(jì)表。明確試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)操作。試驗(yàn)結(jié)果分析：回歸分析法、直接觀察法。優(yōu)化條件的試驗(yàn)驗(yàn)證?？s小試驗(yàn)范圍進(jìn)行更精確的試驗(yàn)，尋找更好的試驗(yàn)條件，直至達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康臑橹埂?響應(yīng)面設(shè)計(jì)響應(yīng)面設(shè)計(jì)是將體系的響應(yīng)（試驗(yàn)指標(biāo)）作為一個或多個因素的函數(shù)，運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來，以供我們憑借直覺的觀察來選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件。操作步驟操作步驟通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立一個合適的數(shù)學(xué)模型。最常用的是多元線性回歸法。用數(shù)學(xué)模型作圖。 一個因素：響應(yīng)面是二維空間中的一條曲線； 二個因素：響應(yīng)面是三維空間中的曲面； 二因素以上：要在三維以上的抽象空間才能表示。一般先進(jìn)行主成分分析進(jìn)行降維后，再在三維或

24、二維空間中加以描述。類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的培養(yǎng)基的優(yōu)化郭秒,食品與發(fā)酵工業(yè)，2004類胡蘿卜素的用途：色素、營養(yǎng)保健類胡蘿卜素的用途：色素、營養(yǎng)保健類胡蘿卜素高產(chǎn)菌類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的的培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基的優(yōu)化類胡蘿卜素的用途：色素、營養(yǎng)保健實(shí)驗(yàn)內(nèi)容初步確定可能的培養(yǎng)基組分單因子試驗(yàn)確定最適的培養(yǎng)基組分正交實(shí)驗(yàn)確定最適培養(yǎng)基組分配比優(yōu)化培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果郭秒,食品與工業(yè)發(fā)酵，2004初始培養(yǎng)基初始培養(yǎng)基1、初步確定可能的培養(yǎng)基組分、初步確定可能的培養(yǎng)基組分2、單因子試驗(yàn)確定最適的碳源、單因子試驗(yàn)確定最適的碳源考慮到成本：乙酸鈉是較為合適的碳源乙酸鈉的濃度0.2%比較好確定最適的培養(yǎng)基組分確

25、定最適的培養(yǎng)基組分碳源：乙酸鈉。氮源：氯化銨，酵母膏。3、正交實(shí)驗(yàn)確定最適培養(yǎng)基組分配比、正交實(shí)驗(yàn)確定最適培養(yǎng)基組分配比 由表看出，因素A和因素C對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響特別顯著。對因素A，最大數(shù)是K1；對因素C，最大數(shù)是K3，因此選擇A1C3。對于因素B和D選擇最大數(shù)K2和K1。優(yōu)化后培養(yǎng)基配方：優(yōu)化前培養(yǎng)基配方：改進(jìn)后培養(yǎng)基原培養(yǎng)基4 4、優(yōu)化培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果、優(yōu)化培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果三、不同規(guī)模培養(yǎng)基的優(yōu)化三、不同規(guī)模培養(yǎng)基的優(yōu)化搖瓶小型發(fā)酵罐中試發(fā)酵罐生產(chǎn)發(fā)酵罐pHpH控制搖床：反應(yīng)器水平上的搖瓶研究控制搖床：反應(yīng)器水平上的搖瓶研究青霉素發(fā)酵青霉素發(fā)酵發(fā)酵搖瓶：玉米漿4%，乳糖10%，(NH4)SO

26、4 0.8%，輕質(zhì)碳酸鈣1%。發(fā)酵罐：葡萄糖流加控制總量1015%，玉米漿總量48% ，補(bǔ)加硫酸、前體等四、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng)四、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)時的注意事項(xiàng) 注意各成分之間的配比合適。注意控制合適的pH。避免產(chǎn)生微生物不能利用的物質(zhì)或形成沉淀。注意代謝調(diào)節(jié)物的影響。注意金屬離子的影響。原料的預(yù)處理和質(zhì)量滅菌如前體物質(zhì)、誘導(dǎo)劑、阻遏物、抑制劑等。葡萄糖與銨鹽或氨基酸的氨基在滅菌高溫下作用形成深褐色物質(zhì)，不能被微生物利用，因此二者需分開滅菌。硫酸銨中的SO42-與鈣鹽易形成難溶的硫酸鈣，因此二者也不宜直接配成培養(yǎng)基。鐵、錳和鋅離子都能明顯影響檸檬酸產(chǎn)量；鈣離子對細(xì)菌淀粉酶的生產(chǎn)有促進(jìn)作用；鈷離子對

27、葡萄糖異構(gòu)酶的發(fā)酵是必需的。第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌常用滅菌方法培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝一、常用滅菌方法一、常用滅菌方法干熱滅菌濕熱滅菌輻射滅菌化學(xué)藥劑滅菌過濾除菌見P73二、培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌二、培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌培養(yǎng)基濕熱滅菌原理滅菌溫度與時間的選擇影響培養(yǎng)基滅菌效果的因素（一）培養(yǎng)基濕熱滅菌原理（一）培養(yǎng)基濕熱滅菌原理微生物的熱阻微生物的熱死定律對數(shù)殘留定律反應(yīng)速率常數(shù)1、微生物的熱阻、微生物的熱阻致死溫度：殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度。致死時間：在致死溫度下，殺死全部微生物所需要的時間稱為致死時間。致死溫度和致死時間是衡量熱滅菌的指標(biāo)。熱阻：是指微生物

28、在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。相對熱阻：是指微生物在某一特定條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。見P77某些微生物的相對熱阻某些微生物的相對熱阻及其對一些滅菌劑的相對抵抗力及其對一些滅菌劑的相對抵抗力滅菌方式滅菌方式 大腸桿菌大腸桿菌 霉菌孢子霉菌孢子 細(xì)菌芽孢細(xì)菌芽孢病毒病毒干熱121010001濕熱1210310615苯酚112110930甲醛12102502紫外微生物的熱死定律、微生物的熱死定律對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律kNdtdNttNNktNNkt00lg303.2ln1或teNNkt0滅菌過程中，微生物熱死速率與任

29、一瞬間殘存的活菌數(shù)成正比。l若Nt0，則t為。l工程上，滅菌設(shè)計(jì)時認(rèn)為Nt0.001，即1000次滅菌中允許有1次失敗。以微生物殘留活菌數(shù)（Nt/N0）的對數(shù)與滅菌時間（t）作圖，即得殘留曲線，其斜率為-k（反應(yīng)速率常數(shù)）。3、反應(yīng)速率常數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)k是微生物耐熱性的一種特征，隨微生物種類和滅菌溫度而異。 相同溫度下，k值愈小，微生物愈耐熱。 同一種微生物，滅菌溫度不同，k值不同，滅菌溫度愈低（愈高），k值愈?。ù螅?21某些細(xì)菌芽孢的某些細(xì)菌芽孢的k值值細(xì)菌名稱細(xì)菌名稱k值值/min-1枯草芽孢桿菌FS52303.82.6硬質(zhì)嗜熱芽孢桿菌FS15180.77硬質(zhì)嗜熱芽孢桿菌

30、FS6172.9產(chǎn)氣梭狀芽孢桿菌PA36791.8（二）滅菌溫度與時間的選擇（二）滅菌溫度與時間的選擇溫度（溫度（）時間（時間（min）100120011015011551121151256.41302.4大多數(shù)細(xì)菌芽孢的殺滅溫度和時間培養(yǎng)基滅菌過程中培養(yǎng)基滅菌過程中微生物死亡培養(yǎng)基成分破壞溫度升高：死亡速率的增加培養(yǎng)基成分破壞速率的增加高溫短時滅菌效果好（三）影響培養(yǎng)基滅菌效果的因素（三）影響培養(yǎng)基滅菌效果的因素滅菌溫度和時間培養(yǎng)基成分脂肪、糖分、蛋白質(zhì)含量高，微生物的耐熱性增加；高濃度的鹽類、色素等，削弱微生物的耐熱性；高濃度的有機(jī)物，影響熱的傳入。培養(yǎng)基的物理狀態(tài)固體培養(yǎng)基比液體培養(yǎng)基的

31、滅菌時間長；含有少量大顆粒及粗纖維的培養(yǎng)基，滅菌溫度應(yīng)適當(dāng)提高。培養(yǎng)基的pH 培養(yǎng)基pH值愈低，滅菌所需時間愈短。 pH 6.08.0時，微生物最耐熱。 pH6.0，微生物容易死亡。培養(yǎng)基中的微生物數(shù)量 培養(yǎng)基中微生物數(shù)量越多，滅菌所需時間越長。微生物細(xì)胞中水含量 微生物細(xì)胞含水越多，越容易死亡。微生物細(xì)胞的菌齡 年輕細(xì)胞比年老細(xì)胞容易死亡。微生物的耐熱性 細(xì)菌營養(yǎng)體、酵母細(xì)胞、霉菌的菌絲體對熱較敏感；放線菌、酵母、霉菌孢子抗熱性稍好；細(xì)菌芽孢抗熱性更強(qiáng)?？諝馀懦闆r 如果罐內(nèi)空氣排除不完全，罐內(nèi)的實(shí)際溫度就低于壓力表顯示壓力所對應(yīng)的溫度。攪拌 必須保證培養(yǎng)基在罐內(nèi)始終均勻地充分翻動，從而防止培養(yǎng)物質(zhì)過多破壞或局部溫度過低而殺菌不透。泡沫 泡沫影響熱量傳遞，不易達(dá)到微生物的致死溫度。培養(yǎng)基體積 體積越大，滅菌所需時間越長。三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝間歇滅菌連續(xù)滅菌1、空罐滅菌、空罐滅菌空罐滅菌也稱空消。當(dāng)培養(yǎng)基（或物料）尚未進(jìn)罐前對罐（包括種子罐、發(fā)酵罐、補(bǔ)料罐、消泡罐等）進(jìn)行預(yù)先滅菌，是空罐滅菌?？展逌缇鬁囟容^高，滅菌時間較長，只有這樣才能殺死設(shè)備中各死角殘存