培养基是人工配制的供微生物生长、繁殖、代谢，产生人们所需产物的营养物质和原料。同时，培养基还应提供微生物生长所必需的环境条件，如一定的pH。培养基的组成和配比是否恰当对微生物的生长、产物的形成、提取工艺的选择、产品的质量和产量都有很大的影响。各种发酵过程所使用的最适培养基都是预先经过详尽的研究确定下来的，有些基本要求任何发酵过程都是一样的。所有的微生物都需要水、能源、碳、氮、无机盐、维生素等。需氧菌还需供氧。对某一种微生物和产品来讲，究竟用哪些原料做培养基则需要经过实验摸索，确定一种既有利于微生物生长，又能保证产品优质高产的培养基配方。小型实验中，培养基的有些组分可以使用纯净的化合物，但工业生产所用培养基应考虑经济效益，原材料必须来源丰富、价格低廉、质量稳定。培养基的配方应随着菌种的改良、发酵控制条件（pH、溶解氧、中间补料）和发酵设备的变化而作相应的调整。
一、碳源
凡能提供微生物营养所需的碳元素（碳架）的营养源，称为碳源。碳源分为有机碳源和无机碳源两大类，利用有机碳源的微生物是为数众多的异养微生物，利用无机碳源的微生物是自养微生物。
对异养微生物来说，最适碳源为C？H？O型。糖类是最广泛使用的碳源，其次是醇类、有机酸类和脂类。在糖类中，单糖胜于双糖和多糖，己糖胜于戊糖，葡萄糖、果糖胜于甘露糖、半乳糖；在多糖中，淀粉明显地优于纤维素、几丁质等纯多糖，纯多糖优于琼脂等杂多糖和其他聚合物（如木素）。
不同的微生物可利用的碳源范围悬殊很大。例如，洋葱假单孢菌的碳源有90种之多，而产甲烷菌的碳源则只有CO2和少数几种1C和2C化合物。
异养微生物的碳源同时又是能源，所以碳源是一种双功能的营养物质。
异养菌虽然必须利用各种有机碳源，但不少生长在动物血液、组织和肠道中的致病微生物，还需要少量的二氧化碳才能正常生长。
常用的碳源有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、淀粉、葡萄糖、蔗糖和乳糖。在抗生素生产中，除了利用碳水化合物作为碳源外，还可以利用油脂和有机酸作为碳源。
糖蜜是制糖厂生产糖时的结晶母液，是蔗糖厂的副产物。糖蜜含有较丰富的糖、氮化合物、无机盐和维生素，是微生物工业物美价廉的原料。糖蜜主要含蔗糖，占总糖量的61%以上，总糖占糖蜜的50%～55%。糖蜜分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，前者转化糖含量高，pH呈酸性；后者转化糖含量低，pH呈碱性，使用时应注意。糖蜜常用于酵母、丙酮、丁醇、抗生素等微生物工业作为碳源。实际上，糖蜜除了含有较丰富的糖外，几乎包含了所有的营养要素，只是其中各要素的比例不一定适合各种微生物的要求而已。
淀粉、糊精也是常用的碳源。常用的淀粉有玉米淀粉、小麦淀粉、甘薯淀粉，有些微生物可直接利用玉米粉、甘薯粉、土豆粉作为碳源。糊精是α-淀粉酶降解淀粉的产物经喷干而成。多糖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。淀粉在发酵工业中广泛使用，因为利用淀粉可以克服葡萄糖代谢过快的弊病，同时淀粉来源丰富，价格比较低廉。纤维素和一些野生的含淀粉较多的植物（如橡子、菊芋等）也是今后开发碳源的广阔天地。
葡萄糖是碳源中最易利用的糖，几乎所有的微生物都能利用葡萄糖。它可以由玉米淀粉、马铃薯淀粉经酸或酶的水解制得。葡萄糖常作为培养基的一种主要成分，并且作为加速微生物生长的一种有效的糖，但是过多的葡萄糖会引起葡萄糖效应，抑制微生物的生长和产物的合成。
蔗糖多数以糖蜜的形式利用。乳糖在青霉素生产中广泛应用，因为乳糖被利用较为缓慢，对抗生素生物合成很少有抑制或阻遏作用，因此能在高浓度下应用，以延长发酵周期，提高产量。
油和脂肪也能被许多微生物用做碳源和能源。这些微生物都具有比较活跃的脂肪酶。在脂肪酶的作用下，油或脂肪被水解成甘油和脂肪酸，在溶解氧的参与下，进一步氧化成二氧化碳和水，并释放大量的能量。所以，当微生物利用脂肪作为碳源时，要提供比糖代谢更多的氧，否则会有大量的脂肪酸和有机酸的积累，引起发酵液pH下降，影响微生物酶系统的作用。脂肪酸氧化形成的短链产物也可直接参与微生物目的产物的合成。常用的油有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油等。
有些微生物对许多有机酸（如琥珀酸、柠檬酸、乳酸、乙酸等）有很强的氧化能力，所以有机酸或它们的盐也能作为微生物的碳源。但有机酸被利用常会使pH上升，特别是有机酸盐被氧化时，常伴随着碱性物质的产生，使pH进一步上升。
由此可见，不同的碳源和浓度，不仅对微生物碳代谢有影响，而且对整个发酵过程中pH的调节和控制也有影响。
不同的微生物由于酶系统不一样，所以对碳源的利用速率和效率也不一样。碳源的种类很多，各种碳源物质组成差异很大，即使同一种碳源，产地不同其组成也有差别。
石油工业的发展，使正烷烃（石油裂解中得到的十四碳至十八碳的直链烷烃混合物）已用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和酶制剂的工业发酵中作为碳源。甲醇可作为生产单细胞蛋白的主要碳源。自然界中能同化乙醇的微生物和能同化糖的微生物一样普遍，所以，国外用乙醇代粮发酵工艺发展迅速。
二、氮源
凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，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）和含氮的目的产物。常用的氮源可分为有机氮源和无机氮源两大类。
1.有机氮源
常用的有机氮源有花生饼粉、黄豆饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉（玉米麸质粉）、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟等。它们在微生物分泌的蛋白酶作用下，水解成氨基酸，被菌体吸收后再进行分解代谢，最终用于合成菌体细胞物质和含氮的目的产物。
有机氮源除含有丰富的蛋白质、多肽和游离的氨基酸外，还含有少量的糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子。所以，微生物在含有机氮源的培养基中常表现出生长旺盛，菌丝浓度增长迅速。有些微生物对氨基酸有特殊需要。例如，在合成培养基中加入缬氨酸可以提高红霉素的发酵单位，因为缬氨酸既为菌体提供氮源，又可供红霉素合成之用。在赖氨酸的生产中，甲硫氨酸和苏氨酸的存在可提高赖氨酸的产量。因价格昂贵，工业生产中一般不直接加入氨基酸，而是用有机氮源如黄豆水解液来代替。只有当生产某些用于人类的疫苗时，才用化学纯氨基酸作为氮源。
黄豆饼粉是发酵工业中首选的一种氮源，黄豆的产地和加工方法不同对发酵的影响很大。黄豆饼粉的制作一般采用黄豆压榨法，压榨的温度可以是低温（小于70），也可是高温（大于100）。两者的差别主要在于低温压榨豆饼粉水分和油含量较高。黄豆饼粉的加工方式对抗生素发酵工业的影响很大，如红霉素的生产应该用热榨的黄豆饼粉，而链霉素应该用冷榨的黄豆饼粉。
玉米浆是一种很容易被微生物利用的良好氮源。玉米浆是生产玉米淀粉的副产品，其中固体含量在50%左右。它含有丰富的氨基酸（丙氨酸、赖氨酸、谷氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸）、还原糖、磷、微量元素和生长素。玉米浆中含有的磷酸肌醇对促进红霉素、链霉素、青霉素和土霉素等的生产有积极作用。玉米浆中还含有较多的有机酸（如乳酸），玉米浆的pH在4左右。由于玉米的来源和加工条件不同，所以玉米浆的成分常有较大波动，在使用时应注意适当调配。
蛋白胨是由动、植物蛋白质经酶、酸、碱水解而获得的□、胨、肽、氨基酸组成的水溶性混合物，经真空干燥或喷雾干燥后制得的产品。不同的原料来源，不同的生产方法，产物组成是不同的。酵母膏、蛋白胨、鱼粉等作为氮源使用时，对不同的微生物有不同的生物效应。有些有机氮源对某些微生物合成菌体和目的产物不仅有量的影响，而且有质的影响。
尿素也是一种常用的有机氮源，但其成分单一，不具有上述有机氮源的特点。但在青霉素和谷氨酸生产中常被采用。尤其是在谷氨酸生产中，尿素可使α-酮戊二酸还原并氨基化，从而提高谷氨酸的生产率。
有机氮源除作为菌体生长繁殖所需的氮素和合成目的产物的氮素外，有的还存在着目的产物所需的调节物、前体物等。例如，缬氨酸、半胱氨酸和α-氨基己二酸是合成青霉素和头孢菌素的主要前体，甘氨酸可作为L-丝氨酸的前体。所以，能否选择一种或几种合适的有机氮源是能否成功配制工业发酵培养基的关键。
2.无机氮源
常用的无机氮源有铵盐（如氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵）、硝酸盐（如硝酸钠、硝酸钾）和氨水等。微生物对它们的吸收利用一般比有机氮源快。这种氮源在发酵工业中也会出现类似于葡萄糖效应的现象，即过量存在使目的产物产率大幅度下降。
无机氮源被微生物迅速利用常会引起pH的变化，如：
（NH4）2SO4→2NH3+H2 SO4
NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH
反应中产生的氨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。经过微生物生理作用后形成酸性物质的无机氮源（如硫酸铵）被称之为生理酸性物质，经过微生物生理作用后形成碱性物质的无机氮源（如硝酸钠）被称之为生理碱性物质。正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。例如制液体曲用硝酸钠作氮源，硝酸钠代谢产生的NaOH可以中和曲霉生长中所释放的酸，将pH稳定在工艺要求的范围内。又如，黑曲霉发酵过程用硫酸铵作氮源，产生的硫酸使pH下降，这对提高糖化型淀粉酶的活力是有利的，而且还能抑制杂菌的生长，防止污染。
氨水在发酵过程中常作为pH调节剂，它也是一种容易被利用的氮源，在许多抗生素发酵中都采用通氨工艺。例如，合成1mol链霉素需要消耗7mol的氨气，红霉素生产中通氨可以提高红霉素的产率和有效成分的比例。采用通氨工艺应注意两个问题：一是氨水碱性较强，要防止局部过碱，应加强搅拌，并少量多次地添加；二是氨水中含有多种嗜碱性微生物，使用前应用石棉等过滤介质进行除菌过滤，避免因通氨而引起污染。也可将氨水储存一段时间，使用时吸取清液部分，因为大多数微生物吸附在尘埃上面而沉积在容器的底部。
异养微生物对氮源的利用顺序是：“N？C？H？O”或“N？C？H？O？X”类优于“N？H”类，更优于“N？O”类，而最不易被利用的则是“N”类。
从微生物所能利用的氮源种类来看，事实上，一部分微生物是不需要氨基酸作为氮源的，它们能把非氨基酸类的简单氮源（如尿素、铵盐、硝酸盐和氮气）自行合成所需要的一切氨基酸，称之为“氨基酸自养型微生物”；凡需要从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物，则称之为“氨基酸异养型微生物”。所有的动物和大量的异养微生物是氨基酸异养型生物；而所有的绿色植物和很多的微生物都是氨基酸自养型生物。
为了充实人和动物的氨基酸营养，除了向绿色植物索取外，更多的要利用氨基酸自养型微生物，让它们将人和动物无法利用的廉价的尿素、铵盐、硝酸盐或大气中的氮转化成菌体蛋白（SCP及食用菌等）或含氮的代谢产物（如谷氨酸和其他氨基酸等），以丰富人类的食物资源。
三、无机盐
无机盐为微生物提供碳源、氮源以外的各种重要元素，可分为大量元素（浓度在10-3～10-4mol/L范围）和微量元素（浓度在10-6～10-8mol/L范围）。例如，P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe为大量元素，Cu、Zn、Mn、Mo、Co为微量元素。实际上铁是介于两者之间的，放在两处均可。这种区分对不同的微生物来说会有很大差别，例如，革兰氏阴性细菌所需的镁就比革兰氏阳性细菌高十倍。
微生物在生长繁殖和合成目的产物的过程中，需要某些无机盐和微量元素作为生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。这些物质一般在低浓度时，对微生物的生长和目的产物的合成有促进作用，在高浓度时常表现出明显的抑制作用。而各种不同的微生物及同一微生物在不同的生长阶段对这些物质的最适浓度需求均不相同，所以，在生产中要通过试验了解菌种对无机盐和微量元素的最适需求量。
磷是核酸和蛋白质等重要细胞物质的组成成分，也是重要的能量传递者――三磷酸腺苷（ATP）的成分。在代谢途径的调节方面，磷也起着很重要的作用。磷有利于糖代谢的进行，因此它能促进微生物的生长繁殖。但磷过量时，许多产物的合成常受到抑制。例如，在谷氨酸的合成中，磷浓度过高就会抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性，使菌体生长旺盛，而谷氨酸的产量却很低，代谢向缬氨酸方向转化。再比如，在链霉素发酵过程中可溶性无机磷的用量超过0.05%到0.08%，就会降低链霉素的发酵单位。还有许多产品如土霉素、新生霉素等都受到磷浓度的影响。据报道，许多次级代谢过程对磷酸盐浓度的承受限度比生长繁殖过程低，所以必须严格控制。但也有些产物要求磷酸盐浓度高些，据报道用地衣芽孢杆菌生产α-淀粉酶时，添加超过菌体生长所需的磷酸盐浓度，则能显著增加α-淀粉酶的产量。
硫存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨基酸的组成成分和某些辅酶的活性基团，如辅酶A、硫辛酸和谷胱甘肽等都含有硫。硫也是某些抗生素（如青霉素、头孢菌素等）分子的组成元素，所以在生产这些产物的发酵培养基中需要加入足够量的含硫化合物（如硫酸钠、硫代硫酸钠），以满足产物合成的需要。
镁是许多重要酶（如己糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶、羧化酶等）的激活剂。镁离子不但影响基质的氧化，还影响蛋白质的合成。镁离子对一些氨基糖苷类抗生素（如卡那霉素、链霉素、新生霉素）的产生菌，能提高菌体对自身所产生的抗生素的耐受能力，促使抗生素向培养液中释放。硫酸镁在碱性溶液中会生成氢氧化镁沉淀，配料时应注意。
铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的组成成分，因此它是菌体有氧氧化必不可少的元素。使用铁制发酵罐，再加上天然培养基中的原料含铁，所以一般发酵培养基中不需加含铁化合物。有些发酵产品对铁很敏感，如青霉素发酵要求的最适铁含量在20μg/mL以下，否则青霉素的发酵单位将大幅度降低。又如在柠檬酸生产中，无铁培养基中产酸率比含铁培养基提高近三倍。生产啤酒的糖化用水中，若铁离子含量高，会使啤酒带有铁腥味，易发生浑浊，应控制铁离子含量在0.3mg/L以下。
氯离子对于一般微生物不具有营养作用，但对一些嗜盐菌是需要的。在一些产生含氯代谢物（如金霉素和灰黄霉素等）的发酵中，除了从其他原料和水中带入的氯离子外，还需加入一定量的氯化物以补充氯离子。啤酒糖化用水中，要求氯离子含量在20～60mg/L范围内，啤酒口味柔和圆润，对酶和酵母的活性有一定的促进作用；但氯离子的含量过高会引起酵母早衰，使啤酒带有咸味。
钠、钾、钙等离子虽不参与细胞的合成，但仍为微生物发酵培养基的必要成分。
钠离子与维持细胞渗透压有关，在培养基中，常加入少量钠盐，但用量不能过多，否则会影响微生物的生长。
钾离子也与细胞渗透压和透性有关，并且还是许多酶的激活剂，它能促进糖代谢。在谷氨酸发酵时，菌体生长需要钾离子约0.1g/L，产谷氨酸时需要量为0.2～1g/L（以K2SO4计）。
钙离子也是某些酶的激活剂，还能控制细胞透性，它不能逆转高浓度无机磷对某些产品如链霉素等的抑制作用。常用的碳酸钙能与代谢过程中产生的酸起反应，形成中性化合物和二氧化碳，后者逸出，所以碳酸钙对培养液的pH有一定的调节作用。在配制培养基时应注意两点：一是由于培养基中钙盐过多会形成磷酸钙沉淀而降低培养基中可溶性磷的含量，因此当培养基中磷和钙均要求较高浓度时，可将两者分别消毒或补加（国外有些实验室将碳酸钙制成各种量的片剂，消毒后分别加到发酵摇瓶中）；二是先将配好的培养基（碳酸钙除外）用碱调pH近中性，再将碳酸钙加入培养基中，这样可防止碳酸钙在酸性培养基中被分解而失去其在发酵过程中的缓冲能力。另外，要严格控制所使用的碳酸钙中氧化钙等杂质的含量。
锌、钴、锰、铜等微量元素大部分作为酶的辅基和激活剂，一般只在合成培养基中才需要加入这些元素。
在制备培养基时，镁、磷、钾、硫、钙和氯等常以盐的形式（如MgSO4、KH2PO4、K2HPO4、CaCO3、KCl等）加入，而钴、铜、铁、锰、钼等金属离子，因需要量很少，除了合成培养基外，一般在复合培养基中不再另外单独加入。因为复合培养基中的许多动、植物原料如花生饼粉、黄豆饼粉、蛋白胨等都含有这些微量元素。但有些发酵工业中也有单独加入微量元素的，例如生产维生素B12，因为钴是维生素B12的组成成分，所以在培养基中，需要加入氯化钴以补充钴。
在配制细菌培养基时，对于大量元素来说，可以加入有关的化学试剂，其中首选的是K2HPO4和MgSO4，它们可提供四种需要量最大的元素（K、P、Mg、S）。对其他需要量少些的元素来说，因为一般的化学试剂、天然水、玻璃器皿或是其他天然成分中都有杂质的存在，所以在配制一般培养基时就不必另行加入了。但如果要配制研究营养代谢等的精细培养基，所用的玻璃器皿是硬质的，试剂是高纯度的，这时就必须根据需求一一加入必要的微量元素。
四、生长因子
生长因子是对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。广义的生长因子包括维生素、碱基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6的分枝或直链脂肪酸，以及需要量较大的氨基酸；狭义的生长因子一般仅指维生素。
生长因子虽是一种重要的营养要素，但它与碳源、氮源不同，并非任何一种微生物都需从外界吸收。各种微生物与生长因子的关系可分为三类：
①生长因子自养型微生物：多数真菌、放线菌和不少细菌等不需要外界提供生长因子，属于生长因子自养型微生物。
②生长因子异养型微生物：例如，一般乳酸菌都需要多种维生素；许多微生物及营养缺陷型都需要不同的嘌呤、嘧啶碱基；流感嗜血杆菌需要卟啉及其衍生物；支原体常需要甾醇；副溶血嗜血菌需要胺类；一些瘤胃微生物需要C4～C6分枝或直链脂肪酸；某些厌氧菌（如产黑素拟杆菌）需要维生素K和氯高铁血红素等。
③生长因子过量合成微生物：有些微生物在其代谢活动中，会分泌出大量的维生素等生长因子，因此，它们可以作为维生素的生产菌。例如，生产维生素B2的阿舒假囊酵母，其维生素B2产量可达20g/L发酵液。
维生素是所发现的第一类生长因子，大多数维生素是辅酶的组成成分。例如，烟酸经胺化生成烟酰胺，烟酰胺是辅酶I（NAD）和辅酶II（NADP）的组成成分，通过烟酰胺的氧化还原催化微生物的生物氧化作用。
有些氨基酸是多种微生物的生长因子，这与它们缺乏合成这些氨基酸的酶有关。嘌呤和嘧啶也是许多微生物所需要的生长因子，它们的主要功能是构成核酸和辅酶。
在配制微生物培养基时，如果配制的是天然培养基，则可加入富含生长因子的原料，如酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁或其他新鲜的动植物组织浸液；如果配制的是合成培养基，则可加入复合维生素溶液。
五、发酵促进剂与抑制剂
发酵培养基中某些成分的加入有利于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长，这些物质包括前体、促进剂和抑制剂。
①前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，而其自身的结构没有多大的变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。例如，在青霉素生产中，加入玉米浆后，青霉素单位可从20u/mL增加到100u/mL，研究发现玉米浆中的苯乙胺被优先结合到青霉素分子中，从而提高青霉素G的产量。应该指出，有些前体物质，例如苯乙酸、丙酸等浓度过高时对菌体会产生毒性，另外菌体还具有将前体氧化分解的能力。因此在生产中为了减少毒性和提高前体的利用率，常采用少量多次的流加工艺。
②促进剂：指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂。当在微生物发酵过程中添加这些物质后，能够使那些缺乏这些物质而不能合成其目的产物的阻断突变株恢复其生产能力，或是添加这些物质后，生产菌株能大幅度提高其生产能力。某些物质能够刺激抗生素等次级代谢物的生物合成。例如，甲硫氨酸或亮氨酸对头孢菌素C生物合成的促进作用，认为是诱导产生参与头孢菌素C生物合成的酶。再比如加巴比妥盐能使福霉素单位增加；加酵母甘露聚糖可诱导α-甘露糖苷酶的产生，促使甘露糖链霉素转化为链霉素；控制生物素的加入量，可以促进谷氨酸从细胞内分泌到细胞外；加聚乙烯醇衍生物可防止菌丝结球，提高糖化酶的产量；添加表面活性剂，可以增加底物和产物的渗透性，促使固体物分散，强化传质和传氧的作用。
③抑制剂：在发酵过程中加入抑制剂会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另外一些代谢途径活跃，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。例如，微生物发酵生产甘油，在发酵液中加入亚硫酸氢钠，它与代谢过程中产生的乙醛生成加成物。反应式如下：
这样使乙醇代谢途径中的乙醛不能成为NADH2（还原型辅酶I）的受氢体，而使NADH2在细胞中积累，从而激活α-磷酸甘油脱氢酶的活性，使磷酸二羟基丙酮取代乙醛作为NADH2的受氢体还原为α-磷酸甘油，其水解后即形成甘油。亚硫酸钠也是乙醇代谢的抑制剂，也能促进甘油的生物合成。在四环素的生产中加入溴化钠，能抑制金霉素形成的代谢途径，促进四环素的生成。
