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對于微生物的生長及發(fā)酵，其培養(yǎng)基成份非常復雜，特別是有關微生物發(fā)酵的培養(yǎng)基，各營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子之間的配比，以及它們之間的相互作用是非常微妙的。面對特定的微生物，人們希望找到一種其生長及發(fā)酵的培養(yǎng)基，在原來的基礎上提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量，以期達到生產(chǎn)zui大發(fā)酵產(chǎn)物的目的。發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化在微生物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中舉足輕重，是從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。能否設計出一個好的發(fā)酵培養(yǎng)基，是一個發(fā)酵產(chǎn)品工業(yè)化成功中非常重要的一步[2]。以工業(yè)微生物為例，選育或構建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個開始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過程，以獲得較高的產(chǎn)物濃度（便于下游處理），較高的底物轉化率（降低原料成本）和較高的生產(chǎn)強度（縮短發(fā)酵周期）[7]。設計發(fā)酵培養(yǎng)基時還應時刻把工業(yè)應用的目的留在腦海里[22]。
1 發(fā)酵培養(yǎng)基的成分
現(xiàn)代分離的微生物絕大部分是異養(yǎng)型微生物，它需要碳水化合物、蛋白質(zhì)和前體等物質(zhì)提供能量和構成特定產(chǎn)物的需要[2]。其營養(yǎng)物質(zhì)一般包括碳源、氮源（有機氮源、無機氮源）、無機鹽及微量元素、生長因子、前體、產(chǎn)物促進和抑制劑等。另外，在設計培養(yǎng)基時還必須把經(jīng)濟問題和原材料的供應問題等因素一起考慮在內(nèi)[6]。
此外，還要考慮所篩選的菌種來源的地點環(huán)境，比如本實驗室長期從事紅樹林微生物的分離及其研究工作，紅樹林的環(huán)境處于海洋與陸地之間，所以配制培養(yǎng)基所用的水除了一般的去離子水外還包括陳海水。
如果在知道產(chǎn)物結構或者產(chǎn)物合成途徑的情況下，我們可以有意識地加入構成產(chǎn)物和合成途徑中所需的特定結構物質(zhì)。我們也可以結合某一菌株的特定代謝途徑，加入阻遏或者促進物質(zhì)，使目的產(chǎn)物過量合成。例如青霉素的合成會受到賴氨酸的強烈抑制，而賴氨酸合成的前體α-氨基已二酸可以緩解賴氨酸的抑制作用，并能刺激賴氨酸的合成。這是因為α-氨基已二酸是合成青霉素和賴氨酸的共同前體。如果賴氨酸過量，它就會抑制這個反應途徑中的*個酶，減少α-氨基已二酸的產(chǎn)量，從而進一步影響青霉素的合成。
２ 發(fā)酵培養(yǎng)基的設計和優(yōu)化
由于發(fā)酵培養(yǎng)基成份眾多，且各因素常存在交互作用，很難建立理論模型；另外，由于測量數(shù)據(jù)常包含較大的誤差，也影響了培養(yǎng)基優(yōu)化過程的準確評估，因此培養(yǎng)基優(yōu)化工作的量大且復雜[8]。許多實驗技術和方法都在發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化上得到應用，如：生物模型（Biologicalmimicry）、單次試驗（One at a time）、全因子法（Full factorial）、部分因子法（Partialfactorial）、Plackett andBurman法等。但每一種實驗設計都有它的優(yōu)點和缺點，不可能只用一種試驗設計來完成所有的工作[22]。
2.1 單次單因子法
實驗室zui常用的優(yōu)化方法是單次單因子（one-variable-at-a-time）法，這種方法是在假設因素間不存在交互作用的前提下，通過一次改變一個因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后逐個因素進行考察的優(yōu)化方法。但是由于考察的因素間經(jīng)常存在交互作用，使得該方法并非總能獲得*的優(yōu)化條件。另外，當考察的因素較多時，需要太多的實驗次數(shù)和較長的實驗周期[3]。所以現(xiàn)在的培養(yǎng)基優(yōu)化實驗中一般不采用或不單獨采用這種方法，而采用多因子試驗。
2.2 多因子試驗
多因子試驗需要解決的兩個問題1）哪些因子對響應具有zui大（或zui?。┑男?，哪些因子間具有交互作用。（2）感興趣區(qū)域的因子組合情況，并對獨立變量進行優(yōu)化[8]。
2.2.1 正交實驗設計
正交實驗設計是安排多因子的一種常用方法，通過合理的實驗設計，可用少量的具有代表性的試驗來代替全面試驗，較快地取得實驗結果。正交實驗的實質(zhì)就是選擇適當?shù)恼槐?，合理安排實驗的分析實驗結果的一種實驗方法。具體可以分為下面四步：（1）根據(jù)問題的要求和客觀的條件確定因子和水平，列出因子水平表；（2）根據(jù)因子和水平數(shù)選用合適的正交表，設計正交表頭，并安排實驗；（3）根據(jù)正交表給出的實驗方案，進行實驗；（4）對實驗結果進行分析，選出較優(yōu)的“試驗”條件以及對結果有顯著影響的因子[2]。
正交試驗設計注重如何科學合理地安排試驗，可同時考慮幾種因素，尋找*因素水平結合，但它不能在給出的整個區(qū)域上找到因素和響應值之間的一個明確的函數(shù)表達式即回歸方程，從而無法找到整個區(qū)域上因素的*組合和響應面值的*值[4]。
正交方法可以用來分析因素之間的交叉效應，但需要提前考慮那些因素之間存在交互作用，再根據(jù)考慮來設計實驗。因此，沒有預先考慮的兩因素之間即使存在交互作用，在結果中也得不到顯示。
對于多因素、多水平的科學試驗來說，正交法需要進行的次數(shù)仍嫌太多，在實際工作中常常無法安排，應用范圍受到限制[20]。
2.2.2 均勻實驗設計
如果僅考慮“均勻分散”，而不考慮“整齊可比”，*從“均勻分散”的角度出發(fā)的實驗設計，叫做均勻設計。均勻設計按均勻設計表來安排實驗，均勻設計表在使用時zui值得注意的是均勻設計表中各列的因素水平不能像正交表那樣任意改變次序，而只能按照原來的次序進行平滑，即把原來的zui后一個水平與*個水平銜接起來，組成一個封閉圈，然后從任一處開始定為*個水平，按圈的原方向和相反方向依次排出第二、第三水平[9,13]。均勻設計只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻分布，因而可使所需試驗次數(shù)大大減少。例如一項５因素10水平的試驗，若用正交設計需要做102次試驗，而用均勻設計只需做10次，隨著水平數(shù)的增多，均勻設計的*性就愈加突出。這就大大減少了多因素多水平試驗中的試驗次數(shù)[19]。
2.2.3 Plackett-Burman法
Plackett-Bunnan設計法是一種兩水平的實驗優(yōu)化方法[22]，它試圖用zui少的實驗次數(shù)達到使因子的主效果得到盡可能的估計，適用于從眾多的考察因子中快速有效地篩選出zui為重要的幾個因子，供進一步優(yōu)化研究用。理論上Plackett-Bunnan設計法可以達到99個因子僅做100次試驗，但該法不能考察各因子的相互交互作用[22]。因此，它通常作為過程優(yōu)化的初步實驗，用于確定影響過程的重要因子[14]。許多文獻都對此有報道[28]。Castro PML報道用此法設計20種培養(yǎng)基，做24次試驗，把gamma干擾素（gammainterferon）的產(chǎn)量提高了45%[23]。
2.2.4 部分因子設計法
部分因子設計法與P1ackett-Burman設計法一樣是一種兩水平的實驗優(yōu)化方法，能夠用比全因子實驗次數(shù)少得多的實驗，從大量影響因子中篩選出重要的因子。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出一次多項式，并以此利用zui陡爬坡法確定zui大響應區(qū)域，以便利用響應面法進一步優(yōu)化。部分因子設計法與Plaekett-Burman設計法相比實驗次數(shù)稍多，如6因子的26-2部分因子設法需要進行20次實驗，而Plackett-Burman設計法只需要7次實驗[14]。
2.2.5 響應面分析法
響應面分析（response surfaceanalysis，RSM）方法是數(shù)學與統(tǒng)計學相結合的產(chǎn)物，和其他統(tǒng)計方法一樣，由于采用了合理的實驗設計，能以的方式，用很少的實驗數(shù)量和時間對實驗進行全面研究，科學地提供局部與整體的關系，從而取得明確的、有目的的結論。它與“正交設計法”不同，響應面分析方法以回歸方法作為函數(shù)估算的工具，將多因子實驗中，因子與實驗結果的相互關系，用多項式近似，把因子與實驗結果（響應值）的關系函數(shù)化，依此可對函數(shù)的面進行分析，研究因子與響應值之間，因子與因子之間的相互關系，并進行優(yōu)化[2]。近年來較多的報道都是用響應面分析法來優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基，并取得比較好的成果[24,25,26,27]。
RSM有許多方面的優(yōu)點，但它仍有一定的局限性。首先，如果將因素水平選的太寬，或選的關鍵因素不全，將會導致響應面出現(xiàn)吊兜和鞍點。因此事先必須進行調(diào)研，查詢和充分的論證或者通過其它試驗設計得出主要影響因子；其次，通過回歸分析得到的結果只能對該類實驗作估計；第三，當回歸數(shù)據(jù)用于預測時，只能在因素所限的范圍內(nèi)進行預測[4]。響應面擬合方程只在考察的緊接鄰域里才充分近似真實情形，在其他區(qū)域，擬合方程與被近似的函數(shù)方程毫無相似之處，幾乎無意義[15]。
中心組合設計是一種上較為常用的響應面法，是一種5水平的實驗設計法。采用該法能夠在有限的實驗次數(shù)下，對影響生物過程的因子及其交互作用進行評價，而且還能對各因子進行優(yōu)化，以獲得影響過程的*條件[14,18]。
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