培養基

培養基（culture medium）又稱生長介質（growth medium），是由人工配製，用於培養微生物、細胞、組織、生物體，有利其生長繁殖或代謝物產生的的固態、半固態、液態混合營養基質或介質。

長有菌落（橙色）的瓊脂平板

體現微生物四種不同代謝形式的培養基

發酵培養基（fermentation medium）是針對發酵工業的培養基，以期達到生產最大發酵產物的目的。能設計且優化發酵培養基，是微生物產業化生產、發酵產品工業化的重要環節^[1]。

基本要求

• 培養基能夠滿足產物最經濟的合成。
• 發酵後所形成的副產物儘可能的少。
• 培養基的原料應因地制宜，價格低廉；且性能穩定，資源豐富，便於採購運輸，適合大規模儲藏，能保證生產上的供應。
• 所選用的培養基應能滿足總體工藝的要求，如不應該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。

分類

培養基按其組成物質的純度、狀態、用途可分為三大類型。除了這三種分別之外，培養基依照其用途可分為孢子（斜面）培養基、種子培養基和發酵培養基三種。

依純度

合成培養基：是指原料其化學成分明確、穩定的培養基。適合於研究菌種基本代謝和過程的物質變化規律，但是培養基營養單一，價格較高，不適合用於大規模工業生產。

天然培養基：這一類培養基採用天然的原料，所以其原料來源豐富（大多為農副產品）、價格低廉、適於工業。然而原料品質等方面不加控制會影響生產的穩定性。

依狀態

固體培養基：適合於菌種和孢子的培養和保存，也廣泛應用於有子實體的真菌類，如香菇、白木耳等的生產。

半固體培養基：在配好的液體培養基中加入少量的瓊脂(即海藻抽取物中的膠質，又稱「洋菜」)，一般用量為0.5%～0.8%，主要用於微生物的鑒定。

液體培養基：75～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的營養成分，是發酵工業大規模使用的培養基。

依用途

基礎培養基(basic medium)：微生物生長基本要素，可提供大部分微生物生長。

滋養培養基(Enriched media)：培養基中加入特殊養分，如血液、血清或動植物抽出液，能提供挑剔性的菌株生長養分。

選擇培養基(Selective media)：選擇性培養基主要的功用在於只繁殖特殊種類的細菌，培養基中加入抑制某一群微生物生長的物質，卻又不影響另一群微生物的繁殖；或含特定菌體生長良好之營養源，使其大量生長，例如甘露醇鹽瓊脂和馬康基氏瓊脂都是選擇性培養基。

鑑別培養基(Differential media)：培養基中含特殊營養成分，依代謝情況不同，使生長的各種微生物顯現出不同特性。

鑑定細菌特性用培養基：用以測定微生物特性之培養基，如產色素培養基、運動性試驗培養基、酵素能力試驗培養基、基質利用培養基、碳水化合物發酵試驗培養基、測定特殊代謝物試驗培養基。

保存及攜送培養基：維持微生物數目，使在接種至培養基前不增加也不減少。

依行業

培養基依照應用行業主要分為食品飲料檢測培養基、包裝飲用水檢測培養基、乳製品檢測培養基、農牧漁業用培養基、第三方檢測實驗用培養基和生物醫藥用培養基^[2]。

成分及來源

碳源

即提供微生物菌種的生長繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分，同時提供合成目的產物所必須的碳成分。常見的來源主要有糖類、油脂、有機酸、正烷烴等。工業上常用的糖類主要包括：葡萄糖、糖蜜（製糖生產時的結晶母液）、澱粉等。

氮源

氮源主要用於構成菌體細胞物質（氨基酸，蛋白質、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機氮源和無機氮源。有機氮源和無機氮源應當混合使用，在發酵早期應使用容易利用易同化的氮源，即無機氮源；到了中期，菌體的代謝酶系已形成，則利用蛋白質。

無機氮源

無機氮源主要包括銨鹽、硝酸鹽和氨水。微生物對它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無機氮源的迅速利用常會引起pH的變化。

無機氮源被菌體作為氮源利用後，培養液中就留下了酸性或鹼性物質，這種經微生物生理作用（代謝）後能形成酸性物質的無機氮源叫生理酸性物質，如硫酸銨；若菌體代謝後能產生鹼性物質的則此種無機氮源稱為生理鹼性物質，如硝酸鈉。正確使用生理酸鹼性物質，對穩定和調節發酵過程的pH有積極作用。

有機氮源

有機氮源主要來源於工業上一些廉價的原料：花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、牛肉膏、蛋白腖、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟等。其成分複雜，除提供氮源外，有些有機氮源還提供大量的無機鹽及生長因子。

無機鹽與微量元素

這類物質的作用各不相同，主要在碳氮源上以鹽形式為補充。

• 九大元素：碳，氫，氧，氮，磷，硫，鉀，鈣，鎂
• 微量元素：硼，錳，鋅，鉬，鈷，碘，銅等

生長因子、前體和產物促進劑

• 生長因子

從廣義上講，凡是微生物生長不可缺少的微量的有機物質，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長因子。如以糖質原料為碳源的穀氨酸生產菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長因子，生長因子對發酵的調控起到重要的作用。有機氮源是這些生長因子的重要來源，多數有機氮源含有較多的B簇維生素和微量元素及一些微生物生長不可缺少的生長因子。

• 前體

前體指某些化合物加入到發酵培養基中，能直接為微生物在生物合成過程中合成到產物物分子中去，而其自身的結構並沒有多大變化，但是產物的產量卻因加入前體而有較大的提高。

• 產物促進劑

指那些非細胞生長所必須的營養物，又非前體，但加入後卻能提高產量的添加劑。其提高產量的機制還不完全清楚，其原因可能是多方面的，主要包括：有些促進劑本身是酶的誘導物；有些促進劑是表面活性劑，可改善細胞的透性，改善細胞與氧的接觸從而促進酶的分泌與生產，也有人認為表面活性劑對酶的表面失活有保護作用；有些促進劑的作用是沉澱或螯合有害的重金屬離子。

水

對於發酵工廠來說，恆定的水源是至關重要的，因為在不同水源中存在的各種因素對微生物發酵代謝影響甚大。水源質量的主要考慮參數包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質組成和含量。

培養基的設計與優化

目前還不能完全從生化反應的基本原理來推斷和計算出適合某一菌種的培養基配方，只能用生物化學、細胞生物學、微生物學等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經驗配方，再結合所用菌種和產品的特性，採用搖瓶、玻璃罐等小型發酵設備，按照一定的實驗設計和實驗方法選擇出較為適合的培養基。

培養基設計的基本步驟是：

1. 根據前人的經驗和培養基成分確定時一些必須考慮的問題，初步確定可能的培養基成分
2. 通過單因子實驗最終確定出最為適宜的培養基成分
3. 當培養基成分確定後，剩下的問題就是各成分最適的濃度，由於培養基成分很多，為減少實驗次數常採用一些合理的實驗設計方法。這些實驗往往基於多因子實驗，包含均勻設計、正交實驗設計、響應面分析等。

發酵培養基的實例

• 大腸桿菌高密度培養

碳源：葡萄糖、甘油

氮源：胰蛋白腖、酵母膏

無機鹽：氯化鈉等

• 動物細胞培養基

基礎培養基：F12、DMEM等 血清（5-10%）：胎牛血清（FBS）、小牛血清（CS）、馬血清（HS） 水：超純水 其它：NaHCO₃（CO₂）、抗生素

參見

• 生物學
• 生物工程
• 分子生物學
• 發酵

參考資料

1. 徐銳. 发酵技术. 重慶大學電子音像出版社有限公司. 2016: 26. ISBN 9787562495901.
2. 環凱微生物科技http://www.huankai.com （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）