發酵培養基配置過程中，硫酸鎂為什么要分開投料？

在發酵培養基的配置中，將硫酸鎂（MgSO?）與其他成分分開滅菌或投料，是一項非常關鍵且專業的工藝操作。這主要是為了防止沉淀生成、確保鎂離子的生物活性，并實現對發酵過程的精細控制。

下面我將從多個維度為大家進行深入拆解。

 化學相容性：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。發酵培養基通常是一個復雜的多組分體系，除了碳源、氮源外，還含有多種無機鹽。

• ? 與磷酸鹽反應：硫酸鎂極易與培養基中的磷酸鹽（如 K?HPO?、NaH?PO? 等）在高溫滅菌條件下發生反應，生成不溶性的磷酸鎂沉淀 。這種沉淀不僅使培養基中的有效磷和鎂離子濃度降低，導致營養成分損失，還會增加發酵液的濁度，可能附著在發酵罐的罐體、攪拌槳或pH/溶氧（DO）傳感器上，影響過程監測的準確性和傳質效率 。
• ? 與鈣鹽反應：如果培養基中含有鈣鹽（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，其沉淀同樣會導致營養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重要，分開投料是為了確保其生物活性得到最大程度的發揮。

• ? 關鍵酶的激活劑：Mg2?是多種關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（如異檸檬酸脫氫酶）、羧化反應以及蛋白質與核酸的合成等基礎代謝過程 。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重受阻。
• ? 維持細胞膜完整性：鎂離子有助于穩定核糖體和細胞膜的結構，對于維持細胞的正常生理狀態至關重要。
• ? 調控次級代謝產物合成：對于抗生素（如桿菌霉素D）、氨基酸等次級代謝產物的發酵，鎂離子的濃度和供給時機尤為關鍵。例如，在枯草芽孢桿菌發酵生產桿菌霉素D的研究中，在基礎培養基中添加特定濃度的硫酸鎂，可以顯著提高產量，其原理被認為是鎂離子促進了桿菌霉素D合成酶基因的表達 。在谷氨酸發酵中，鎂離子作為酶的激活劑參與代謝過程 。

工藝優化：實現精準的過程控制

分開投料是發酵工藝優化和精細化控制的體現。

• ? 分別滅菌：在實際生產中，常將硫酸鎂與磷酸鹽、鈣鹽等容易發生反應的成分分別配制成濃縮的溶液，進行單獨滅菌（或采用不同的滅菌程序以避免局部過熱破壞營養成分），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 。
• ? 流加補料策略：在發酵的中后期，隨著營養物質的消耗和菌體代謝活動的進行，培養基中的鎂離子濃度可能會下降至限制水平。通過分開投料，為動態補料提供了便利。可以根據在線或離線監測的參數（如菌體密度、產物合成速率），在特定時間點補加硫酸鎂溶液，以維持最適的鎂離子濃度，延長產物的合成期，從而提高最終產量 。例如，在桿菌霉素D的補料分批發酵中，在培養一段時間后補加新鮮培養基（含硫酸鎂）被證實能有效提高產量 。
• ? pH 穩定性的輔助調節：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生，可以間接幫助維持發酵過程中pH值的相對穩定，為菌體創造更適宜的環境。

實際案例與工業考量

• ? 案例：桿菌霉素D發酵的優化：一項專利技術顯示，在枯草芽孢桿菌發酵生產桿菌霉素D時，采用包含硫酸鎂的特定培養基配方，并實施補料分批發酵策略（在發酵一定時間后補加含硫酸鎂的新鮮培養基），使桿菌霉素D的產量達到了691.87 mg/L，粗肽中總桿菌霉素D含量為26.07 mg/g，顯著優于不添加硫酸鎂或不同步補料的對照組 。
• ? 工業經濟的考量：在工業化大規模生產中，培養基用量極大，原料成本是關鍵因素。硫酸鎂本身是一種廉價的無機鹽。分開投料雖然增加了一點操作步驟，但通過避免珍貴營養物的沉淀損失、提高產物得率和發酵效率，從整體經濟效益上看是極為有利的 。同時，使用硫酸鎂等成分明確的原料，有助于保證不同生產批次間培養基質量的穩定性 。

總而言之，硫酸鎂分開投料的核心目的是 “防失效、保功效、優控制”。

在實際操作中，硫酸鎂的最佳添加濃度、時機和方式需要根據具體的生產菌種、目標產物特性以及發酵設備的條件通過實驗進行優化。例如，枯草芽孢桿菌發酵生產桿菌霉素D時，硫酸鎂的適宜濃度范圍為3.0~8.0 g/L 。而對于某些酵母發酵，鎂離子的需求動態則可能不同 。