細菌培養(yǎng)基中營養(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）

細菌培養(yǎng)基最早出現(xiàn)于19世紀末，由德國研究學者郭霍成功制備，這一技術(shù)的成功說明了在今后的研究工作中可以實現(xiàn)對細菌的分離和培養(yǎng)[1]。不同的培養(yǎng)基會根據(jù)實際需求，添加不同的生長因子，從而探究不同的營養(yǎng)物質(zhì)代謝的差異。對于細菌培養(yǎng)基來說，目的也在于讓細菌進行生長和繁殖，從而合成各種研究所需求的配制混合物。

1 細菌培養(yǎng)基的類別

1.1 天然培養(yǎng)基

天然培養(yǎng)基是利用動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，也有用于實驗室的研究。

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，利用化學物質(zhì)來合成培養(yǎng)基，從而根據(jù)人工設(shè)計配制而成，例如最常見的察氏培養(yǎng)基。相比于天然培養(yǎng)基，組合培養(yǎng)基的成本消耗較高，微生物生長的速度較慢，因而對于微生物的代謝需求和分類鑒定方面，采用組合培養(yǎng)基來開展相應(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)基的營養(yǎng)比例高，便于細菌的生產(chǎn)和發(fā)酵。但需要注意的一點在于營養(yǎng)成分相對不明確，因此在研究工作中還需要對其生物制品的安全性能進行管理。

2 營養(yǎng)物質(zhì)

2.1 碳源

在培養(yǎng)基中，不同營養(yǎng)物質(zhì)的作用不盡相同，了解營養(yǎng)物質(zhì)的不同作用有利于細菌的培養(yǎng)工作。碳源物質(zhì)是為微生物提供生長和繁殖所需碳元素的營養(yǎng)物質(zhì)，包括糖類、脂肪酸等有機碳源和碳酸氫鈉等無機碳源。碳源物質(zhì)中，糖類是最利于微生物利用的物質(zhì)，也是主要的能源物質(zhì)。在微生物生長發(fā)酵的過程中，不同的碳源會影響微生物的產(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)酵過程的優(yōu)化和控制上[2]。而營養(yǎng)物質(zhì)的選擇正是優(yōu)化的主要方向，通過對不同碳源的比較來確定最終的使用。

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，主要運用于菌體細胞物質(zhì)和含氮代謝物的合成。和碳源類似，也包括有機氮源和無機氮源。有機氮源的營養(yǎng)成分豐富，如蛋白胨就是常見的氮源物質(zhì)，植物蛋白胨也是更優(yōu)質(zhì)的營養(yǎng)物質(zhì)。美國在這一方面的研究工作要更早，并提出了“植物借助有機體就能利用蛋白質(zhì)作為氮源”的結(jié)果。

2.3 微量元素和無機鹽

微量元素和無機鹽是保證微生物生命活動的必需物質(zhì)。因為菌體生長過程中需要微量元素和無機鹽的調(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 細菌培養(yǎng)基的優(yōu)化方式

3.1 正交試驗

正交試驗是研究多因素、多水平的一種設(shè)計模式，關(guān)鍵點在于實驗因素的安排。這種方式利用的是數(shù)學原理來探究多因素之間存在的交互作用，不會受因子個數(shù)的影響。正交試驗可以利用數(shù)理統(tǒng)計的方式來計算試驗結(jié)果，且產(chǎn)生的誤差相對較小。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)酵的過程中，通過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，利用微分方法來設(shè)計控制設(shè)備，從而對控制結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，這也是正交試驗的一種體現(xiàn)模式[3]。但需要考慮到數(shù)學方法本身具有局限性，無論是發(fā)酵過程或是細菌培養(yǎng)過程的難度較高，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，類似的數(shù)學實驗優(yōu)化方式還需要在今后進一步完善。

3.2 單因素試驗

單因素試驗是在保證某個因素不變的前提下采取的非交互式試驗。這一試驗的特點在于每次試驗只會改變某一項因素，探究不同因素對于試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，也是現(xiàn)階段常用的手段之一。以細菌培養(yǎng)研究來說，就是考慮到試驗環(huán)節(jié)中對指標數(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。但這種方式無法考慮到各因素之間的交互作用，且實際的研究過程中，各因素并不能實現(xiàn)相互獨立，故在準確性上可能會產(chǎn)生誤差。因此單因素試驗可以與正交試驗等手段進行配合使用，提升檢測結(jié)果的準確性。

3.3 響應(yīng)面試驗

響應(yīng)面設(shè)計是基于正交試驗的缺陷而產(chǎn)生。正交試驗僅僅只能單一地進行分析，無法全面對結(jié)果分析，因而響應(yīng)面試驗方式成為了重要的優(yōu)化措施。相比于其他手段，響應(yīng)面試驗可以利用圖形技術(shù)來展現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，并通過觀察得到最佳結(jié)果，確定試驗的合理條件。響應(yīng)面在多因素數(shù)量處理試驗的分析中可以對多個試驗指標進行回歸關(guān)系試驗。例如，現(xiàn)階段利用計算機技術(shù)結(jié)合人工智能理論對微生物的發(fā)酵過程進行的優(yōu)化控制。研究者們建立了基于乙醇生產(chǎn)的系統(tǒng)，然后對發(fā)酵過程進行檢測，提升了穩(wěn)定性。又如，在農(nóng)作物產(chǎn)量的計算中，也能通過響應(yīng)面試驗來獲取最佳的施肥方式。對于細菌培養(yǎng)工作來說，即通過響應(yīng)面試驗的方式來獲取可能影響細菌生長代謝的因素，然后對各因素之間的回歸關(guān)系通過曲面來進行展示，然后求得最優(yōu)解[4]。

4 結(jié)語

細菌培養(yǎng)基中營養(yǎng)元素代謝和優(yōu)化涉及多個因素的計算和分析，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，還包括聚類分析、均勻設(shè)計等不同方式。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，給細菌培養(yǎng)工作提供技術(shù)保障。

[1]楊明明,李國晏,應(yīng)蓮芳.細菌培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝及優(yōu)化方法[J].微生物學免疫學進展,2016,44(5):90-94.

[2]佟世生,解洛香,徐樂,等.植物乳桿菌代謝產(chǎn)細菌素的培養(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,崔細鵬,等.冰核活性細菌發(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.