一、培养基的类型
微生物培养基配方浩如烟海，新的种类层出不穷。今天，其数目至少有数万种。
（一）按培养基成分分类
按培养基成分可分为三类。
1.天然培养基
是利用动物、植物、微生物或其提取物制成的培养基。例如培养细菌所用的肉汤蛋白胨培养基，培养酵母所用的麦芽汁培养基等。天然培养基的优点是取材方便、营养丰富、种类多样、配制方便；缺点是成分不稳定也不甚清楚，因此在做精细的科学实验时，数据不稳定。天然培养基适用于实验室用的各种基本培养基及大生产中的种子培养基或发酵培养基。
2.合成培养基（组合培养基或综合培养基）
是一类用多种高纯化学试剂配制成的，各成分的量都明确知道的培养基。例如培养细菌的葡萄糖铵盐培养基，培养放线菌的淀粉硝酸盐培养基（高氏一号培养基），培养真菌的蔗糖硝酸盐培养基（察氏培养基）等。合成培养基的优点是成分精确，重现性高；缺点是价格昂贵，配制麻烦。合成培养基适用于营养、代谢、生理、生化、遗传、育种、菌种鉴定和生物测定等定量要求较高的研究工作。
3.半合成培养基
既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基称之为半合成培养基。例如，培养真菌的马铃薯蔗糖培养基等。严格地讲，含未经特殊处理的琼脂的任何合成培养基，实际上都是半合成培养基。
（二）按培养基的物理状态分类
按培养基的物理状态可分为三类：
1.固体培养基
外观呈固体状态的培养基，称为固体培养基。根据固体的性质，固体培养基有以下4种类型。
（1）凝固培养基 即遇热可融化，冷却后则凝固的固体培养基。例如，在液体培养基中加入1%～2%琼脂或5%～12%明胶作为凝固剂，就可制成凝固培养基。
（2）非可逆性凝固培养基 指由血清凝固成的固体培养基或由无机硅胶配成的凝固后就不能再融化的固体培养基。
（3）天然固体培养基 由天然固体状基质直接制成的培养基。例如培养真菌用的由麸皮、米糠、木屑、纤维、稻草粉等配制成的固体培养基。
（4）滤膜 是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维薄膜，把它制成圆片状覆盖在营养琼脂或浸有培养液的纤维素衬垫上，就形成了具有固体培养基性质的培养条件。滤膜主要用于对含菌量很少的水中微生物的过滤、浓缩，然后把它放在含适量营养液的衬垫上进行培养，待长出菌落后，可计算出单位水样中的含菌量。
固体培养基在科学研究和生产实践上有着广泛的用途。例如，它可用于菌种的分离、鉴定、菌落计数，检验杂菌，选种、育种、菌种保藏，抗生素等生物活性物质的生物测定，以及用于微生物产品的生产（如制曲）等。
2.半固体培养基
在配制好的液体培养基中加入0.5%左右的琼脂作为凝固剂，形成的培养基称之为半固体培养基。半固体培养基在容器倒置时不会流出，但剧烈的震荡会使状态改变。
半固体培养基主要用于鉴定菌种，观察细菌运动特征及噬菌体的效价测定等。
3.液体培养基
是指呈液体状态的培养基。液体培养基中80%～90%是水。液体培养基有着极其广泛的应用，在实验室中主要作各种生理、代谢研究和菌种扩大培养之用；在生产实践上，绝大多数发酵培养基都采用液体培养基，因为它有利于氧和物质的传递。
（三）按培养基的用途分类
按培养基的用途可分为十类。
1.孢子培养基
是供菌种繁殖孢子用的一种常用的固体培养基。这种培养基既能使菌体迅速生长，产生较多优质的孢子，又不易引起菌体发生变异。配制孢子培养基的基本要求是：
第一，营养不要太丰富（特别是有机氮源），否则不易产孢子。
第二，所用无机盐的浓度要适当，不然会影响孢子量和孢子颜色。
第三，要注意孢子培养基的pH和湿度。
生产上常用的孢子培养基有：麸皮培养基、小米培养基、大米培养基、玉米碎屑培养基和用葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏和食盐等配制成的琼脂斜面培养基。大米和小米常用做霉菌孢子培养基。大米培养基的水分需控制在21%～25%较为适宜。制曲的曲料水分含量需控制在48%～50%，而曲房空气湿度需控制在90%～100%。
2.种子培养基
一般指一、二级种子罐的培养基和摇瓶培养基。种子培养基供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌体生长得粗壮，成为活力强的“种子”。种子培养基的营养成分要比较丰富和完全，氮源和维生素的含量要高些，但总固形物含量较低为好，这样可提高溶氧含量，为菌体生长繁殖提供充足的氧。种子培养基的成分还要考虑在微生物代谢过程中能维持稳定的pH。种子培养基中常包括有机及无机氮源，因为有些氨基酸能刺激孢子发芽；而无机氮源容易利用，有利于菌体迅速生长。最后一级的种子培养基的成分应接近发酵培养基，这样可使种子进入发酵培养基后能适应新的环境，快速生长。
3.发酵培养基
是供菌体生长、繁殖和合成产物之用。它既要使种子能迅速生长，达到一定的菌体浓度，又要使菌体能迅速合成所需产物。因此，发酵培养基的组成既要有菌体生长所必需的元素和化合物，还要有产物所需的特定元素、前体和促进剂等。
4.补料培养基
为了使工艺条件稳定，有利于菌体生长和代谢，延长发酵周期，提高生产水平，常采用前期培养基稀薄一些，过一段时间，开始间歇或连续补加各种必要的营养物质，如碳源、氮源、前体等。补料培养基一般按单一成分分别配制，在发酵中各自独立控制加入，也可以按一定的比例配制成复合补料培养基。
5.加富培养基
是指在普通培养基里加入血、血清、动物（或植物）组织提取液或其他营养物质（或生长因子）的一类营养丰富的培养基。加富培养基主要用于培养某种或某类营养要求苛刻的异养微生物。
6.选择培养基
是根据某一种或某一类微生物的特殊营养要求或对一些物理、化学条件的抗性而设计的培养基。利用选择性培养基可以把所需要的微生物从混杂的微生物中分离出来。例如以纤维素作唯一碳源的培养基，可以分离到分解纤维素的微生物；以蛋白质作唯一氮源的培养基可以分离到产生蛋白酶的微生物；缺氮培养基可以分离到固氮微生物等。
根据某些微生物对一些物理、化学因素的抗性而设计的培养基，最常用的是在培养基中加入某种化学物质，以抑制不需要的微生物的生长繁殖。例如在分离放线菌时，培养基中添加10%的酚数滴可以抑制细菌和霉菌的生长；在分离酵母和霉菌时可添加青霉素、四环素、链霉素，抑制细菌和放线菌的生长。
7.鉴别培养基
是在培养基中加入某种试剂和化学药品，使培养后发生某种变化，从而区别不同类型的微生物。例如，在不含糖的肉汤中加入各种糖类及指示剂，由于细菌对于各种糖所产生的发酵作用不同，有的利用某些糖产酸产气，有的只产酸不产气，有的不产酸也不产气，利用微生物发酵糖类的特点，可以鉴定菌种。例如大肠杆菌接种到葡萄糖肉汤、乳糖肉汤、麦芽糖肉汤中，它可以分解以上各种糖而产酸产气；如果接种伤寒杆菌，则只能发酵葡萄糖、麦芽糖，不发酵乳糖，而且只能产酸不产气。产气可以由产生的气泡观察到，产酸可由指示剂颜色变化观察到。又如用以检查饮水和乳品中是否含有肠道致病菌的伊红-美蓝（EMB）培养基常用于区别大肠杆菌和产气杆菌。当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红与美蓝结合成黑色化合物，所以在这个培养基上生长的大肠杆菌菌落呈紫黑色并带有金属光泽，菌落较小；产气杆菌菌落较大呈棕色。
此外，属于鉴别培养基的还有明胶培养基，可以试验是否液化明胶；硝酸盐肉汤培养基可以检查是否有硝酸盐还原作用；醋酸铅培养基可检查H2S产生量等。
8.增殖和保存培养基
增殖培养基一般营养比较丰富，适合微生物生长的特点，使微生物生长快速、多产又性状典型。
菌种保存培养基成分不同于生长培养基。为了更好地保存微生物的活力和生理学特征，在培养基中应不加葡萄糖。
9.富集培养基
根据要分离的微生物对营养物的要求来调整培养基配方，使其更适合这类微生物的特殊营养要求。
利用富集培养基可以将某一特定的微生物从混杂的微生物群体中分离出来，如分离化能自养菌氧化硫杆菌采用的培养基即为富集培养基。
10.测定培养基
此类培养基用于测定微生物的数量及抗生素、维生素的含量等。
由于各种培养基的用途不同，其组成差异也很大。在实际应用时，选择培养基和鉴别培养基两种功能常结合在一种培养基中。例如，上述EMB培养基除有鉴别不同菌落的作用外，同时还有抑制革兰氏阳性细菌、选择革兰氏阴性细菌的作用。
二、发酵培养基的设计
（一）配制培养基的原则
1.根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基
微生物有自养型和异养型，根据他们营养要求的特点，培养自养微生物所用的培养基应完全是简单的无机物，因为他们有较强的合成能力，可将简单的物质及CO2合成为糖、脂肪、蛋白质、核酸、维生素等复杂物质。例如，培养氧化硫杆菌的培养基组成：
粉状硫10g、（NH4）2SO4 0.4g、MgSO4？7H2O 0.5g、FeSO4 0.01g、KH2PO4 4.0g、H2O1000mL、CaCl2 9.25g
培养异养微生物所用的培养基至少要有一种有机物。例如培养大肠杆菌的一种培养基的组成：
NH4H2PO4 1g、MgSO4？7H2O 0.2g、葡萄糖5g、K2HPO4 1g、NaCl 5g、H2O 1000mL
就微生物的主要类群来说，有细菌、放线菌、酵母菌、霉菌之分，它们所需要的培养基组分也是不同的。
细菌（肉汁蛋白胨培养基）：
牛肉膏5g、NaCl 5g、蛋白胨10g、水1000mL
放线菌（高氏一号合成培养基）：
KNO3 1g、H2O1000mL、K2HPO4 0.5g、NaCl 0.5g、FeSO4 0.01g、MgSO4？7H2O0.5g、可溶性淀粉20g
酵母菌（麦汁培养基）：
干麦芽粉加4倍水，在58～65下保温3～4h，碘液试验至糖化完全为止，调糖度为10°Bx，煮沸后纱布过滤，调pH6.0.
霉菌（察氏合成培养基）：
NaNO3 3g、FeSO4 0.01g、蔗糖30g、K2HPO4 1g、KCl 0.5g、MgSO4？7H2O 0.5g、H2O 1000mL
以上是培养四种主要类群的微生物可采用的一般培养基，对于某些需要另外添加生长因子才能生长的微生物，还必须在培养基中加入它们所需要的生长因子。
2.注意各营养物质的浓度和配比
例如蔗糖，在浓度合适时是良好的营养物质，而高浓度的蔗糖则成为抑菌因子。培养基中各营养物质之间的浓度配比，直接影响菌体的生长繁殖和代谢产物的积累，特别是C/N（碳氮比）的影响更为明显。例如谷氨酸发酵时，C/N为4/1时，菌体大量繁殖，积累少量谷氨酸；而当C/N为3/1时产生大量谷氨酸，菌体繁殖受到抑制。生产上可以控制碳源、氮源的比例以满足菌体大量繁殖的需要，同时又能满足谷氨酸的生产需要。考虑碳、氮源时，要注意快速利用的碳（氮）源和慢速利用的碳（氮）源的相互配合，发挥各自的优势，避其所短。碳源同时兼做能源，因此用量要比氮多。
3.调节适宜的物理化学条件
（1）pH 各类微生物生长繁殖的最适pH是不同的。一般来讲，大多数细菌、放线菌的最适pH为中性至微碱性（pH在7.0～7.5之间），而酵母和霉菌则偏酸性（pH4.5～6.0）。微生物的生长和代谢可引起培养基酸碱度的变化，这种变化会抑制它们的生长。例如，含葡萄糖的培养基，发酵会产生有机酸；而蛋白质和氨基酸的分解会产生氨。为了维持培养基较恒定的pH，一般在配制培养基时应加入一些缓冲剂或不溶性碳酸盐。
由K2HPO4和KH2PO4混合组成的磷酸缓冲剂是常用的一种。这两种物质的等浓度溶液的pH为6.8.如果少量的强酸加入，那么弱碱性的盐就会形成弱酸盐：
K2 HPO4+HCl→KH2PO4+KCl
如果少量的强碱加进去，则弱酸性盐就会形成弱碱性盐：
KH2PO4+KOH→K2 HPO4+H2O
因此，它们的作用是当培养基中产酸或产碱时起中和作用。但是这种中和作用只能在一定的pH范围内（pH6.4～7.2）才有效。
当培养物产生大量酸的时候，磷酸缓冲剂就不能维持恒定的pH。在这种情况下，可在配制培养基时加入不溶性的碳酸盐（如CaCO3），因为它本身不溶解，所以不会使培养基的碱度提高很大，但却能不断地中和培养菌所产生的酸，反应过程如下：
反应中所产生的CO2可以从培养基中逸出，因此阻止了pH的降低。因为CaCO3是不溶性的，而且是沉淀性的，所以在配成的培养基中分布很不均匀，也可以用NaHCO3来调节。
以上讲的是内源的调节，也可以外源调节，即按实际需要不断流加酸液或碱液到培养基中。
（2）渗透压和Aw（水分活度）等渗溶液适宜微生物的生长，高渗溶液会使细胞发生质壁分离，而低渗溶液则会使细胞吸水膨胀。
Aw表示微生物在天然环境中可实际利用的自由水或游离水的含量。可以定量地表示为Aw=p/p0，即某溶液的蒸汽压（p）与纯水蒸汽压（p0）之比。
各种微生物的生长繁殖范围的Aw值在0.998～0.6之间。设计培养基时，应考虑不同微生物的生长Aw值。
（3）氧化还原电势 各种微生物对培养基的氧化还原电势也有不同的要求。一般地说，好氧微生物生长的Eh值为+0.3～+0.4V；兼性厌氧微生物在+0.1V以上时进行好氧呼吸，在+0.1V以下时则进行发酵；厌氧微生物只能在+0.1V以下才能生长。
对微生物生长繁殖影响最大的是分子氧和分子氢的浓度，它们对严格厌氧菌的影响尤为重大。要培养它们，在配制培养基、灭菌接种和培养期间等一切操作过程中必须采用严格的厌氧技术，还要在培养基中加一定量的还原剂，如巯基乙酸、抗坏血酸、硫化钠、铁屑、谷胱甘肽等。
除测定电极电位外，培养基中的Eh值还可用氧化还原指示剂如刃天青等来测定。它在无氧条件下呈无色状态；在有氧条件下，其颜色与溶液的pH有关（中性呈紫色、碱性呈蓝色、酸性呈红色）；在微量氧时，它呈粉红色。
不论是好氧微生物还是厌氧微生物，随着它们的生长和代谢活动的进行，培养基的最初氧化还原电势会逐渐下降，是因为溶解氧和氧化型氢受体的消耗以及还原性代谢产物的形成和积累所致。
4.根据培养微生物的目的配制
培养微生物的目的是为了得到菌体还是其代谢产物，是实验室用还是大生产用。如果是为了得到菌体，培养基成分中一般氮源含量比较高，以有利于菌体蛋白质的合成。如果是为了得到代谢产物，则需考虑该产物产生菌的生理及遗传学特性，以及该代谢产物的化学组成。如果是生产主流代谢产物（指通过主要代谢途径产生的结构较简单、产量较高、价值较低的降解物），如生产不含氮的有机酸或醇类时，培养基中所含的碳源比例要高些；要生产含氮量高的氨基酸类代谢产物时，氮源的比例就应高些；如果是生产次生代谢产物，如抗生素、维生素或赤霉素等，则还要考虑在其中加入特殊元素（如生产维生素B12时加入Co）或特定的前体物质（如生产苄青霉素时加入苯乙酸）。如果生产菌株是营养缺陷型，即丧失了合成某种营养成分的能力，则必须在培养基中加入该种成分，而且必须是亚适量的。例如肌苷产生菌是腺嘌呤、硫胺素等多种营养缺陷型突变株，因此必须在培养基中加入适量的腺嘌呤、硫胺素等才能生长，加得过多或过少都不利于肌苷的积累。
5.尽量使用价廉易得的原料
①以粗代精；
②以“野”代“家”；
③以废代好；
④以简代繁；
⑤以烃代粮；
⑥以纤代粮；
⑦以氮代朊：即以非蛋白质或非氨基酸原料作为氮源；
⑧以“国”代“进”：即以国产原料代替进口原料。
（二）配制培养基的方法
1.生态模拟
在自然条件下，凡有某种微生物大量繁殖的环境，则该处一定具备该微生物生长繁殖所必需的营养和其他条件。因此，可以模拟该天然基质或直接取用该天然基质（经过灭菌）来培养相应的微生物。
2.查阅文献
多查阅、多分析，利用一切文献资料上的直接或间接有关的信息。
3.借助优选法或正交试验法
借助优选法或正交试验法精心设计培养基配方。
4.实验比较
实验的规模一般由定性到定量，由小到大。