細(xì)菌培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝及優(yōu)化方法

林晗，田蘇英

（武漢科前生物股份有限公司，湖北武漢 430075）

細(xì)菌培養(yǎng)基最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末，由德國(guó)研究學(xué)者郭霍成功制備，這一技術(shù)的成功說(shuō)明了在今后的研究工作中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌的分離和培養(yǎng)[1]。不同的培養(yǎng)基會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，添加不同的生長(zhǎng)因子，從而探究不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝的差異。對(duì)于細(xì)菌培養(yǎng)基來(lái)說(shuō)，目的也在于讓細(xì)菌進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖，從而合成各種研究所需求的配制混合物。

1 細(xì)菌培養(yǎng)基的類(lèi)別

1.1 天然培養(yǎng)基

天然培養(yǎng)基是利用動(dòng)植物和微生物體提取物制作而成的培養(yǎng)基，如牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基等。這些培養(yǎng)基內(nèi)部包含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括玉米粉、牛奶等。通常天然培養(yǎng)基是用于工業(yè)上的微生物生產(chǎn)和發(fā)酵，也有用于實(shí)驗(yàn)室的研究。

1.2 組合培養(yǎng)基

組合培養(yǎng)基的基礎(chǔ)是天然培養(yǎng)基，利用化學(xué)物質(zhì)來(lái)合成培養(yǎng)基，從而根據(jù)人工設(shè)計(jì)配制而成，例如最常見(jiàn)的察氏培養(yǎng)基。相比于天然培養(yǎng)基，組合培養(yǎng)基的成本消耗較高，微生物生長(zhǎng)的速度較慢，因而對(duì)于微生物的代謝需求和分類(lèi)鑒定方面，采用組合培養(yǎng)基來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的研究工作。

1.3 半組合培養(yǎng)基

半組合培養(yǎng)基通常以化學(xué)試劑配制，并添加了某些天然成分，如馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基等。半組合培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)比例高，便于細(xì)菌的生產(chǎn)和發(fā)酵。但需要注意的一點(diǎn)在于營(yíng)養(yǎng)成分相對(duì)不明確，因此在研究工作中還需要對(duì)其生物制品的安全性能進(jìn)行管理。

2 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

2.1 碳源

在培養(yǎng)基中，不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的作用不盡相同，了解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不同作用有利于細(xì)菌的培養(yǎng)工作。碳源物質(zhì)是為微生物提供生長(zhǎng)和繁殖所需碳元素的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括糖類(lèi)、脂肪酸等有機(jī)碳源和碳酸氫鈉等無(wú)機(jī)碳源。碳源物質(zhì)中，糖類(lèi)是最利于微生物利用的物質(zhì)，也是主要的能源物質(zhì)。在微生物生長(zhǎng)發(fā)酵的過(guò)程中，不同的碳源會(huì)影響微生物的產(chǎn)量。例如，在發(fā)酵工程中，傳統(tǒng)模式下都側(cè)重于菌種的篩選和改造，但現(xiàn)代生物技術(shù)所注重的內(nèi)容不僅是菌種方面，還體現(xiàn)在發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化和控制上[2]。而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的選擇正是優(yōu)化的主要方向，通過(guò)對(duì)不同碳源的比較來(lái)確定最終的使用。

2.2 氮源

氮源是構(gòu)成生物體的蛋白質(zhì)、氮素化合物和核酸的材料，主要運(yùn)用于菌體細(xì)胞物質(zhì)和含氮代謝物的合成。和碳源類(lèi)似，也包括有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源。有機(jī)氮源的營(yíng)養(yǎng)成分豐富，如蛋白胨就是常見(jiàn)的氮源物質(zhì)，植物蛋白胨也是更優(yōu)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。美國(guó)在這一方面的研究工作要更早，并提出了“植物借助有機(jī)體就能利用蛋白質(zhì)作為氮源”的結(jié)果。

2.3 微量元素和無(wú)機(jī)鹽

微量元素和無(wú)機(jī)鹽是保證微生物生命活動(dòng)的必需物質(zhì)。因?yàn)榫w生長(zhǎng)過(guò)程中需要微量元素和無(wú)機(jī)鹽的調(diào)節(jié)，尤其是在一些代謝作用中，更能發(fā)揮顯著的效果。

3 細(xì)菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方式

3.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是研究多因素、多水平的一種設(shè)計(jì)模式，關(guān)鍵點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)因素的安排。這種方式利用的是數(shù)學(xué)原理來(lái)探究多因素之間存在的交互作用，不會(huì)受因子個(gè)數(shù)的影響。正交試驗(yàn)可以利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方式來(lái)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果，且產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小。但需要注意的是，這種方式并不能給出多因素之間的回歸方程。例如，在微生物發(fā)酵的過(guò)程中，通過(guò)微分幾何方法提出的非線性系統(tǒng)理論研究，也發(fā)揮了顯著的效果，利用微分方法來(lái)設(shè)計(jì)控制設(shè)備，從而對(duì)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這也是正交試驗(yàn)的一種體現(xiàn)模式[3]。但需要考慮到數(shù)學(xué)方法本身具有局限性，無(wú)論是發(fā)酵過(guò)程或是細(xì)菌培養(yǎng)過(guò)程的難度較高，其復(fù)雜程度也使得外界因素產(chǎn)生影響的可能性較高，結(jié)果偏差可能產(chǎn)生。

為了保障工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，類(lèi)似的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方式還需要在今后進(jìn)一步完善。

3.2 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)是在保證某個(gè)因素不變的前提下采取的非交互式試驗(yàn)。這一試驗(yàn)的特點(diǎn)在于每次試驗(yàn)只會(huì)改變某一項(xiàng)因素，探究不同因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，也是現(xiàn)階段常用的手段之一。以細(xì)菌培養(yǎng)研究來(lái)說(shuō)，就是考慮到試驗(yàn)環(huán)節(jié)中對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)影響最大的因素，然后在保持其他因素不改變的情況下采取的手段。但這種方式無(wú)法考慮到各因素之間的交互作用，且實(shí)際的研究過(guò)程中，各因素并不能實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立，故在準(zhǔn)確性上可能會(huì)產(chǎn)生誤差。因此單因素試驗(yàn)可以與正交試驗(yàn)等手段進(jìn)行配合使用，提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

響應(yīng)面設(shè)計(jì)是基于正交試驗(yàn)的缺陷而產(chǎn)生。正交試驗(yàn)僅僅只能單一地進(jìn)行分析，無(wú)法全面對(duì)結(jié)果分析，因而響應(yīng)面試驗(yàn)方式成為了重要的優(yōu)化措施。相比于其他手段，響應(yīng)面試驗(yàn)可以利用圖形技術(shù)來(lái)展現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)觀察得到最佳結(jié)果，確定試驗(yàn)的合理?xiàng)l件。響應(yīng)面在多因素?cái)?shù)量處理試驗(yàn)的分析中可以對(duì)多個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行回歸關(guān)系試驗(yàn)。例如，現(xiàn)階段利用計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合人工智能理論對(duì)微生物的發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行的優(yōu)化控制。研究者們建立了基于乙醇生產(chǎn)的系統(tǒng)，然后對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，提升了穩(wěn)定性。又如，在農(nóng)作物產(chǎn)量的計(jì)算中，也能通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)來(lái)獲取最佳的施肥方式。對(duì)于細(xì)菌培養(yǎng)工作來(lái)說(shuō)，即通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)的方式來(lái)獲取可能影響細(xì)菌生長(zhǎng)代謝的因素，然后對(duì)各因素之間的回歸關(guān)系通過(guò)曲面來(lái)進(jìn)行展示，然后求得最優(yōu)解[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

細(xì)菌培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)元素代謝和優(yōu)化涉及多個(gè)因素的計(jì)算和分析，而培養(yǎng)基優(yōu)化的基本方法應(yīng)該采用不同的手段。除了本文提到的優(yōu)化方案之外，還包括聚類(lèi)分析、均勻設(shè)計(jì)等不同方式。在今后的研究中，相關(guān)的研究單位也應(yīng)該全面考慮影響因素，給細(xì)菌培養(yǎng)工作提供技術(shù)保障。

[1]楊明明,李國(guó)晏,應(yīng)蓮芳.細(xì)菌培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝及優(yōu)化方法[J].微生物學(xué)免疫學(xué)進(jìn)展,2016,44(5):90-94.

[2]佟世生,解洛香,徐樂(lè),等.植物乳桿菌代謝產(chǎn)細(xì)菌素的培養(yǎng)基優(yōu)化[J].現(xiàn)代食品科技,2012,28(2):152-155.

[3]閻亞麗,陳慶森,崔細(xì)鵬,等.冰核活性細(xì)菌發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化篩選[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2003,29(4):19-22.

[4]潘淼, 付雅欣, 洪楓,等. 薛氏丙酸桿菌產(chǎn)抑菌性代謝物發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化[J]. 食品工業(yè)科技, 2015, 36(13):166-170.