發(fā)酵培養(yǎng)基配置過程中，硫酸鎂為什么要分開投料？

在發(fā)酵培養(yǎng)基的配置中，將硫酸鎂（MgSO?）與其他成分分開滅菌或投料，是一項(xiàng)非常關(guān)鍵且專業(yè)的工藝操作。這主要是為了防止沉淀生成、確保鎂離子的生物活性，并實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵過程的精細(xì)控制。

下面我將從多個(gè)維度為大家進(jìn)行深入拆解。

 化學(xué)相容性：避免有害沉淀形成

這是硫酸鎂需要分開投料最直接、最重要的原因之一。發(fā)酵培養(yǎng)基通常是一個(gè)復(fù)雜的多組分體系，除了碳源、氮源外，還含有多種無機(jī)鹽。

• ? 與磷酸鹽反應(yīng)：硫酸鎂極易與培養(yǎng)基中的磷酸鹽（如 K?HPO?、NaH?PO? 等）在高溫滅菌條件下發(fā)生反應(yīng)，生成不溶性的磷酸鎂沉淀 。這種沉淀不僅使培養(yǎng)基中的有效磷和鎂離子濃度降低，導(dǎo)致營養(yǎng)成分損失，還會增加發(fā)酵液的濁度，可能附著在發(fā)酵罐的罐體、攪拌槳或pH/溶氧（DO）傳感器上，影響過程監(jiān)測的準(zhǔn)確性和傳質(zhì)效率 。
• ? 與鈣鹽反應(yīng)：如果培養(yǎng)基中含有鈣鹽（如 CaCl?），硫酸鎂還可能與之生成微溶的硫酸鈣沉淀 。鈣離子同樣是許多微生物生長所需的重要元素，其沉淀同樣會導(dǎo)致營養(yǎng)缺失和上述操作問題。

 微生物生理：保障鎂離子的核心功能

鎂離子（Mg2?）對微生物的生理活動至關(guān)重要，分開投料是為了確保其生物活性得到最大程度的發(fā)揮。

• ? 關(guān)鍵酶的激活劑：Mg2?是多種關(guān)鍵酶的輔助因子或激活劑，廣泛參與糖酵解（如已糖磷酸化酶）、三羧酸循環(huán)（如異檸檬酸脫氫酶）、羧化反應(yīng)以及蛋白質(zhì)與核酸的合成等基礎(chǔ)代謝過程 。沒有足量的可利用鎂離子，菌體的正常生長和初級代謝會嚴(yán)重受阻。
• ? 維持細(xì)胞膜完整性：鎂離子有助于穩(wěn)定核糖體和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，對于維持細(xì)胞的正常生理狀態(tài)至關(guān)重要。
• ? 調(diào)控次級代謝產(chǎn)物合成：對于抗生素（如桿菌霉素D）、氨基酸等次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，鎂離子的濃度和供給時(shí)機(jī)尤為關(guān)鍵。例如，在枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)桿菌霉素D的研究中，在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加特定濃度的硫酸鎂，可以顯著提高產(chǎn)量，其原理被認(rèn)為是鎂離子促進(jìn)了桿菌霉素D合成酶基因的表達(dá) 。在谷氨酸發(fā)酵中，鎂離子作為酶的激活劑參與代謝過程 。

工藝優(yōu)化：實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的過程控制

分開投料是發(fā)酵工藝優(yōu)化和精細(xì)化控制的體現(xiàn)。

• ? 分別滅菌：在實(shí)際生產(chǎn)中，常將硫酸鎂與磷酸鹽、鈣鹽等容易發(fā)生反應(yīng)的成分分別配制成濃縮的溶液，進(jìn)行單獨(dú)滅菌（或采用不同的滅菌程序以避免局部過熱破壞營養(yǎng)成分），待冷卻后再在無菌條件下混合。這從根本上避免了高溫滅菌過程中沉淀的生成 。
• ? 流加補(bǔ)料策略：在發(fā)酵的中后期，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和菌體代謝活動的進(jìn)行，培養(yǎng)基中的鎂離子濃度可能會下降至限制水平。通過分開投料，為動態(tài)補(bǔ)料提供了便利?？梢愿鶕?jù)在線或離線監(jiān)測的參數(shù)（如菌體密度、產(chǎn)物合成速率），在特定時(shí)間點(diǎn)補(bǔ)加硫酸鎂溶液，以維持最適的鎂離子濃度，延長產(chǎn)物的合成期，從而提高最終產(chǎn)量 。例如，在桿菌霉素D的補(bǔ)料分批發(fā)酵中，在培養(yǎng)一段時(shí)間后補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基（含硫酸鎂）被證實(shí)能有效提高產(chǎn)量 。
• ? pH 穩(wěn)定性的輔助調(diào)節(jié)：雖然鎂離子本身的緩沖能力較弱，但通過其參與代謝和避免沉淀產(chǎn)生，可以間接幫助維持發(fā)酵過程中pH值的相對穩(wěn)定，為菌體創(chuàng)造更適宜的環(huán)境。

實(shí)際案例與工業(yè)考量

• ? 案例：桿菌霉素D發(fā)酵的優(yōu)化：一項(xiàng)專利技術(shù)顯示，在枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)桿菌霉素D時(shí)，采用包含硫酸鎂的特定培養(yǎng)基配方，并實(shí)施補(bǔ)料分批發(fā)酵策略（在發(fā)酵一定時(shí)間后補(bǔ)加含硫酸鎂的新鮮培養(yǎng)基），使桿菌霉素D的產(chǎn)量達(dá)到了691.87 mg/L，粗肽中總桿菌霉素D含量為26.07 mg/g，顯著優(yōu)于不添加硫酸鎂或不同步補(bǔ)料的對照組 。
• ? 工業(yè)經(jīng)濟(jì)的考量：在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中，培養(yǎng)基用量極大，原料成本是關(guān)鍵因素。硫酸鎂本身是一種廉價(jià)的無機(jī)鹽。分開投料雖然增加了一點(diǎn)操作步驟，但通過避免珍貴營養(yǎng)物的沉淀損失、提高產(chǎn)物得率和發(fā)酵效率，從整體經(jīng)濟(jì)效益上看是極為有利的 。同時(shí)，使用硫酸鎂等成分明確的原料，有助于保證不同生產(chǎn)批次間培養(yǎng)基質(zhì)量的穩(wěn)定性 。

總而言之，硫酸鎂分開投料的核心目的是 “防失效、保功效、優(yōu)控制”。

在實(shí)際操作中，硫酸鎂的最佳添加濃度、時(shí)機(jī)和方式需要根據(jù)具體的生產(chǎn)菌種、目標(biāo)產(chǎn)物特性以及發(fā)酵設(shè)備的條件通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。例如，枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)桿菌霉素D時(shí)，硫酸鎂的適宜濃度范圍為3.0~8.0 g/L 。而對于某些酵母發(fā)酵，鎂離子的需求動態(tài)則可能不同 。