根据微生物对营养的要求，培养基基本成分包括碳源、氮源、无机盐、生长因子和水分等。此外，为了合成某些特殊目的产物和工艺控制需要，有些发酵培养基还需要加入前体、抑制剂、促进剂和消沫剂等。
（一）基本营养成分
1. 碳源
凡是能够提供微生物细胞物质和代谢产物中碳素来源的营养物质都称为碳源。有机碳源不仅用于构成微生物的细胞物质和代谢产物，而且为微生物生命活动提供能量。
微生物能够利用的碳源种类极其广泛，常用的碳源有糖类、脂类、有机酸、烃、低碳醇和碳氢化合物等。在特殊情况下，如碳源贫乏时，蛋白质水解物或者氨基酸等也可以被微生物作为碳源使用。
（1）糖类 糖类是发酵培养基中使用最广泛的碳源，主要糖类的来源如表3-1所示。糖类是微生物最好的碳源，其中，葡萄糖是最易利用的单糖，几乎所有微生物都利用，所以葡萄糖常作为培养基的一种主要成分，被广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、多糖、甾体转化等发酵产品的生产中。值得注意的是，过多的葡萄糖会加速菌体的呼吸，以致培养基中的溶解氧不能满足需要，使一些中间产物不能完全氧化而积累在菌体或培养基中，如丙酮酸、乳酸、乙酸等，导致pH下降，影响某些酶的活性，从而抑制微生物的生长和产物的合成。另外，葡萄糖引起的葡萄糖效应也会阻遏微生物对其他糖的利用。木糖和其他单糖，生产中应用很少。
表3-1 主要糖类的来源
工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品，也可以使用含有此二糖的糖蜜和乳清，麦芽糖多用其糖浆。它们主要用于抗生素、氨基酸、有机酸及酶类的发酵。
淀粉等多糖来源广泛、价格低廉，它们一般都要经菌体产生的胞外酶水解成单糖后再被吸收利用，可以解除葡萄糖效应。工业上发酵培养基通常将其液化和糖化为淀粉水解糖代替葡萄糖作碳源使用。有些微生物还可直接利用玉米粉、甘薯粉和土豆粉作为碳源，如用于微生物农药发酵生产的苏云金芽孢杆菌以及丙酮-丁醇发酵生产的丙丁芽孢杆菌。常用淀粉来源的种类及化学成分如表3-2所示。
表3-2 淀粉质原料种类
糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等也是重要的碳源。糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物，含有丰富的糖、氮类化合物，无机盐和维生素等。糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，二者在糖的含量上有所不同（表3-3），即使同一种糖蜜由于加工方法不同其成分也存在差异（表3-4），因此使用时要注意。此外，除糖分外，糖蜜含有较多的杂质，其中有些是有用的，但许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。
表3-3 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的糖成分 单位：g/L
注：∗以葡萄糖计的还原糖含量。
表3-4 甘蔗糖蜜的成分 单位：%
（2）油和脂肪 油和脂肪可以被许多微生物作为碳源和能源。这些微生物都具有比较活跃的脂肪酶，在脂肪酶作用下，油或脂肪被水解为甘油和脂肪酸，在溶解氧的参与下，进一步氧化成二氧化碳和水，并释放出大量能量。发酵过程中加入的油脂还兼有消泡作用。常用的油脂有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油、玉米油等。
要注意的是，当微生物利用脂肪作为碳源时，要供给比糖代谢更多的氧，不然大量的脂肪酸和代谢中的有机酸会积累，从而引起pH的下降，并影响微生物酶系统的作用。
（3）有机酸及其盐类 一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐也能作为微生物的碳源。有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成。在利用有机酸时，发酵液的pH会随着有机酸氧化而上升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生，使pH进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和控制增加困难。醋酸盐作为碳源被氧化时的反应：
CH3 COONa+2O2 →2CO2+H2O+NaOH
（4）烃和醇类 近年来，随着石油工业的发展，正烷烃（一般是从石油裂解中得到的14～18碳的直链烷烃混合物，以及甲烷、乙烷、丁烷等）用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和酶制剂的工业发酵中。甘油、甲醇、乙醇、山梨醇等也用于碳源。例如，嗜甲烷棒状杆菌可以利用甲醇作为碳源生产单细胞蛋白，对甲醇的转化率可达47%以上。乳糖发酵短杆菌以乙醇为碳源生产谷氨酸，对乙醇的转化率为31%。其他碳源物质如碳酸气、石油、正构石蜡、天然气等石油化工产品，也是许多微生物的碳源。
2. 氮源
凡是能构成微生物细胞物质或其代谢产物中氮素来源的营养物质，称为氮源。氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸、蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为无机氮源和有机氮源两大类。
（1）无机氮源 常用的无机氮源包括氨水、硫酸铵、硝酸铵等，易被菌体吸收利用。铵盐、氨水等比有机氮源吸收要快得多，称为速效氮源，但无机氮源的迅速利用常引起pH的变化，如下述反应所示。
（NH4）2 SO4→2NH3↑+H2 SO4
NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH
无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，形成酸性物质的无机氮源称为生理酸性物质，如硫酸铵；若代谢后产生碱性物质的则称为生理碱性物质，如硝酸钠。正确使用生理酸性、碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。
氨水在发酵过程中除可以调节pH外，还是发酵工业常用的无机氮源，在许多抗生素的生产中得到普遍使用。例如链霉素的发酵生产合成1mol的链霉素需要消耗1mol的NH3。红霉素的发酵生产中通氨工艺不仅可以提高红霉素的产量，而且可以增加有效组分的比例。但在生产中使用高浓度液氨时，要注意其分解带来的pH波动问题。
（2）有机氮源 常用的有机氮源包括蛋白胨、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、麦麸、玉米浆、酵母粉（膏）、尿素、酒糟等，工业上常用的部分有机氮源及含氮量如表3-5所示。这些有机氮源在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸被菌体吸收利用，或进一步分解，最终用于合成菌体的细胞物质和含氮的目的产物。有机氮源成分复杂，除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外，还含有糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子，因而微生物在含有机氮的培养基中表现出生长旺盛、菌丝浓度增加迅速的特点。有机氮源还含有目的产物合成所需的诱导物、前体等物质。
表3-5 工业上常用的部分有机氮源及含氮量（质量分数） 单位：%
玉米浆是玉米淀粉生产中的副产物，含有丰富的氨基酸、还原糖、磷、微量元素和生长素。玉米浆中含有的磷酸肌醇对红霉素、链霉素、青霉素和土霉素等生产有积极的促进作用。玉米浆还含有较多的有机酸，所以其pH在4.0左右。
尿素也是常用的有机氮源，但其成分单一，不具有上述有机氮源的特点。但在青霉素、谷氨酸等的生产中也常被使用。
有机氮源都来自天然产物，受产地、加工方法不同，其质量不稳定，常引发发酵水平波动。因此，选择有机氮源时，要注意品种、产地、加工方法、贮藏条件对发酵的影响，注意它们与菌体生长和代谢产物合成的相关性。
3. 无机盐类
无机盐是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能：①构成细胞的组成成分；②参与酶的组成；③作为酶的激活剂；④调节细胞渗透压、pH和氧化还原电位；⑤作为某些自氧微生物的能源和无氧呼吸时的氢受体。(www.xing528.com)
磷、硫、钾、钠、钙、镁和铁等元素参与细胞结构组成，并与能量转移、细胞透性调节功能有关。微生物对它们的需要浓度在10-4～10-3 mol/L，称为大量元素。可以通过添加有关化学试剂来补充大量元素，其中，首选是磷酸氢二钾和硫酸镁。
磷是合成核酸、磷脂、一些重要的辅酶（NAD、NADP及CoA等）及高能磷酸化合物的重要原料。此外，磷酸盐还是磷酸缓冲液的组成成分，对环境中的pH起着重要的调节作用。微生物所需的磷主要来自无机磷化合物，如磷酸氢二钾、磷酸二氢钾等。
硫是蛋白质中某些氨基酸（胱氨酸、半胱氨酸及甲硫氨酸等）的组成成分，是辅酶因子（CoA、生物素及硫胺素等）的组成成分，也是谷胱甘肽的组成成分。硫及硫化氢、三氧化二硫等无机硫化物还是某些自养菌的能源物质。
镁是一些酶（己糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、羧化酶和固氮酶等）的激活剂，是光合细菌菌绿素的组成成分。镁还起稳定核糖体、细胞膜和核酸的作用。微生物可以利用硫酸镁或其他镁盐。
钾不参与细胞结构物质的组成，但它是许多酶（如果糖激酶）的激活剂，也与细胞质胶体特性和细胞膜的透性有关。各种水溶性钾盐，如磷酸氢二钾、磷酸二氢钾等可作为钾源。
钙一般也不参与微生物的细胞结构物质（除细菌芽孢外）组成，但它是某些酶（如蛋白酶）的激活剂，还参与细胞膜通透性的调节，在细菌芽孢耐热性和细胞壁稳定性方面起着关键作用。各种水溶性的钙盐，如氯化钙、硝酸钙等，都是微生物钙元素来源。
钠与细胞的渗透压调节有关，在细胞内的浓度低，细胞外浓度高。对嗜盐菌来说，钠除了维持细胞的渗透压外，还与营养物的吸收有关，如一些嗜盐菌吸收葡萄糖时，需要钠的帮助。
铜、锌、锰、钼、钴和镍等元素，微生物对其需要浓度在10-8～10-6 mol/L，称为微量元素。微量元素往往参与酶蛋白的组成或者作为酶的激活剂。如铁是过氧化氢酶、过氧化物酶、细胞色素和细胞色素氧化酶的组成元素，也是铁细菌的能源，铜是多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的成分，锌是乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的活性基，钴参与维生素B12的组成，钼参与硝酸还原酶和固氮酶的组成，锰是多种酶的激活剂，有时可以代替镁起激活剂的作用。
由于天然原料和天然水中微量元素都以杂质等状态存在，因此，配制复合培养基时一般不需单独加入，从天然物、自来水中就可以满足。
4. 生长因子
从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。生长因子不是对于所有微生物都必需的，只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不可少的营养物。如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型，目前所使用的赖氨酸产生菌几乎都是谷氨酸产生菌的各种突变株，均为生物素缺陷型，需要生物素作为生长因子。如肠膜状明串珠菌生长需要补充10种维生素、19种氨基酸、3种嘌呤以及尿嘧啶。
有机氮源是生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B族维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子。例如，玉米浆和麸皮水解液能提供生长因子，特别是玉米浆，因含有丰富的氨基酸、还原糖、磷、微量元素和生长素，是多数发酵产品良好有机氮源。玉米浆中氨基酸的类别及占总含氮量比例如表3-6所示。
表3-6 玉米浆中氨基酸的类别及占总含氮量比例 单位：%
5. 水
水是所有培养基的主要组成成分，也是微生物机体的重要组成成分。
对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在不同水源中存在的各种因素对微生物发酵代谢影响甚大。例如，在抗生素发酵生产中，水质好坏有时是决定一个优良生产菌种在异地能否发挥其生产能力的重要因素。另外，水中的矿物质组成对酿酒工业和淀粉糖化影响也很大。水源质量的主要考虑参数包括pH、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。
（二）特殊功用物质
发酵培养基中除了基本的营养成分外，还需要添加某些特殊功用的物质，包括前体物质、促进剂、抑制剂等。添加的这些物质往往与菌种特性和生物合成产物的代谢控制有关，有助于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长。
1. 前体物质
前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接使微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大提高的一类化合物。
前体最早是在青霉素发酵生产过程中发现的，青霉素发酵时，人们发现添加玉米浆后，青霉素单位可从20U/mL增加到40U/mL。研究表明，发酵单位增加的主要原因是玉米浆中含有苯乙酰胺，它能被优先结合到青霉素分子中，从而提高青霉素G的产量。在实际生产中，前体的加入不仅提高产物的产量，还显著提高产物中目的成分的比重，如在青霉素生产中加入前体物质苯乙酸可增加青霉素G的产量，而用苯氧乙酸作为前体可增加青霉素V的产量。
大多数前体（如苯乙酸）对微生物的生长有毒性，在生产中为减少毒性和增加前体的利用率，通常采用少量多次的流加工艺。一些生产抗生素和氨基酸的重要前体物质如表3-7所示。
表3-7 发酵生产中所用的一些前体物质
2. 抑制剂
抑制剂是指在发酵过程中加入的，会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另一代谢途径活跃，从而获得人们所需的某种产物或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来的一种物质。抑制剂最初应用于甘油发酵，酵母中的乙醇脱氢酶活力很强，以乙醛作为氢受体而被还原成乙醇，而甘油的产量很少；如果改变发酵条件或加入抑制剂磷酸二羟丙酮作为氢受体，阻止乙醛作为氢受体，就会生成大量甘油。目前，抑制剂在抗生素工业中应用最多，如在四环素发酵时，加入溴化物可以抑制金霉素的生物合成，而使四环素的合成加强。抗生素发酵常用的抑制剂如表3-8所示。
表3-8 发酵中已使用的通用的和专一的抑制剂
3. 产物合成促进剂
产物合成促进剂，是指那些细胞生长非必需的，但加入后却能显著提高发酵产量的物质，它们常以添加剂的形式加入发酵培养基中。在氨基酸、抗生素和酶制剂发酵生产过程中，经常可以在发酵培养基中加入促进剂或诱导剂。一些酶生产促进剂如表3-9所示。
表3-9 一些酶生产的促进剂
目前，人们对促进剂提高产量的机制还不完全清楚，原因可能有多种：如在酶制剂生产中，有些促进剂本身是酶的诱导物；有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触，从而促进酶的分泌与生产，也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害重金属离子等。
各种促进剂的效果除受菌种、菌龄影响外，还与所用的培养基组成有关，即使是同一种产物促进剂，用同一菌株，生产同一产物，在使用不同的培养基时效果也会不一样。另外，促进剂的专一性较强，往往不能相互套用。
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