发酵状态下，基本营养源主要为微生物提供生长相应的营养条件，包括碳源、氮源、无机盐、生长因子和水分等。
1.碳源
凡是能为微生物的生长和代谢提供碳来源的物质统称为碳源。因为微生物细胞的原生质体（细胞内碳架结构）以及几乎所有的代谢产物都是含有碳的有机物质，碳源是微生物细胞壁、荚膜和细胞贮藏物质的主要构成成分，且绝大多数微生物的碳源可以兼作能源。因此，碳源主要用来供给菌种生命活动所需的能量和构成菌体细胞以及代谢产物的物质基础。
常用的碳源物质有葡萄糖、蔗糖、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜及纤维素等。
（1）纯糖原料，葡萄糖是碳源中最易利用的糖，它是由淀粉加工制备的，其产品有固体粉状葡萄糖和葡萄糖浆（含有少量的双糖）。几乎所有微生物都能利用葡萄糖，所以葡萄糖常作为培养基的一种主要成分，广泛运用于抗生素、氨基酸、有机酸、多糖、黄原胶等发酵生产中。
（2）淀粉质原料，淀粉的分子单位是葡萄糖，由许多葡萄糖脱水缩聚而成，其分子式可用（C6H10O5）n表示。淀粉一般有直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉由不分支的葡萄糖链构成，葡萄糖分子间以α-1，4-糖苷键聚合而成，聚合度一般为100～6000。支链淀粉的直链由葡萄糖分子以α-1，4-糖苷键相连接，而支链与直链葡萄糖分子以α-1，6-糖苷键相连接，它的分子呈树枝状，形成分支结构。支链淀粉分子较大，聚合度为1×103～3×106，一般在6000以上。
（3）糖蜜原料，糖蜜是甘蔗或甜菜糖厂的一种副产物，又称橘水。糖蜜含糖量很高，这些糖分就目前制糖工业技术水平已不能或不宜用结晶方法进行回收。糖蜜是一种非结晶糖分，因其本身就含有相当数量的可发酵性糖，无须糖化。因此，糖蜜是微生物工业大规模发酵生产酒精、甘油、丙酮、丁醇、柠檬酸、谷氨酸、食用酵母及液态饲料等的良好原料。
（4）纤维素原料，发酵工业是用粮最多的产业部门，目前，纤维素成为最现实可行的天然资源。纤维素是一种复杂的、天然的高分子多糖化合物，分子结构与淀粉相似，是由D-吡喃葡萄糖环经β-1，4-糖苷键组成的直链多糖，来源于棉花、木材、麻类、草类、某些海洋生物的外壳及各种农产品，其基本的结构单位是纤维二糖。纤维素的分子量可达几十万，甚至几百万，水解纤维素可得到葡萄糖。
木质纤维素的主要来源是农作物秸秆，是世界上最丰富的物质之一，全世界每年秸秆产量约为29亿吨。木质纤维素除纤维素外，还包括半纤维素和木质素。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称；木质素是一种高分子芳香族化合物，不能水解成糖，但可用作燃料。
酶解成本较高是纤维素代粮发酵的主要障碍，美国已投入上千万美元进行降低纤维素酶解成本的研究，一旦纤维素酶解成本降低到可经济生产，开发利利用纤维素就进入产业化的实质阶段。由于酶解后的单糖非常容易被多种生物利用，所以可进行多种发酵产品的开发应用。
（5）其他碳源，乙醇、甘露醇和甘油可作为微生物的碳源和能源。除乙酸已用作微生物的培养基外，其他有机酸比糖类较难被微生物吸收，作为碳源的效果不如糖类。脂类物质更难被微生物作为碳源利用，但并不是不能利用，低浓度的高级脂肪酸还可刺激某些细菌的生长。少数自养型微生物以CO2或碳酸盐作为唯一或主要的碳源，因为这两者为碳的最高氧化形式，必须经过预还原才能转化为细胞有机物质的碳架，这个过程需要能量。
大多数需要有机碳源的微生物（指异氧型）也需要CO2，因为有些生物合成反应（如丙酮酸的羧化和脂肪酸的合成）需要CO2，只是需要量较少而已。虽然这些生物合成反应所需的CO2可以从有机碳源和能源的代谢中获取，但如果完全排除CO2，往往会推迟或阻止微生物在有机培养基中的生长。少数细菌和真菌需要环境中含有较多的CO2（5%～10%）才能在有机培养基中生长。
2.氮源
凡是能为微生物的生长和代谢提供氮来源的物质统称为氮源，氮是组成微生物细胞的第二大要素。氮源主要用来构成菌体细胞物质和代谢产物，即蛋白质及氨基酸之类的含氮代谢物。一般来说，一个细菌细胞中氮元素的含量约占细胞干重的12%。
发酵工业生产中的氮源有以下几种：
无机氮源：氨水、硫酸铵、尿素、硝酸钠、硝酸铵、磷酸氢二铵等。无机氮源的利用速度一般比有机氮源快，因此无机氮源又被称作速效氮源。
有机氮源：利用缓慢，包括蛋白胨、牛肉膏、花生饼粉、黄豆饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、酵母粉、麸皮水解液、鱼粉、蚕蛹粉、发酵菌丝体和酒糟等。
天然原料中的有机氮源由于产地不同，加工方法不同，其质量不稳定，常引起发酵水平波动。因此，在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。凡能利用无机氮源的微生物，一般也能利用有机氮源，但有些微生物在只含无机氮源的培养基中不能繁殖，因为它们没有将无机氮化合物转化为有机氮化合物的能力。在发酵工业上，常常需要注意氮源与菌体生长和代谢产物合成的相关性。
3.无机盐
无机盐类是微生物生命活动所不可缺少的物质，其主要功能是构成菌体的成分，作为酶的组成部分或维持酶的活性，调节渗透压、pH 值、氧化还原电位等。无机盐类中的元素可分为主要元素和微量元素两大类，主要元素有P、S、Mg、K、Ca等，微量元素有Fe、Cu、Zn、Mn等。在制备培养基时，通常加入K2HPO4（或KH2PO4）、MgSO4就可满足制备条件，但是菌种不同，需要的各种无机盐类和微量元素的浓度也不同，必须根据具体情况予以控制。
4.生长因子
生长因子一般指微生物生长所不可缺少的，能调节微生物的代谢活动，不能从一般的碳源和氮源物质合成，必须另外添加的微量有机物，一般指B族维生素，也有氨基酸、嘌呤和嘧啶。
在微生物的科研和生产中，酵母膏、玉米浆、肝脏浸出液等，通常被作为生长因子的来源物质。事实上，许多作为碳源和氮源的天然成分，如麦芽汁、牛肉膏、麸皮、米糠、土豆汁等本身就含有极为丰富的生长因子，一般在这类培养基中，无须再另外添加生长因子。
5.水分
水既是微生物细胞的重要组成成分，占细胞总量的80%～90%，又是微生物体内和体外的溶剂，营养物质只有溶解于水才能被细胞吸收；同时，一定量的水分是维持细胞渗透压的必要条件，代谢产物也只有通过水才能排出菌体外。由于水的比热容高，因此水又是热的良导体，能够有效调节细胞的温度。
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