1、主讲：鲍成满第六章第六章 微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活：是指微生物通过其代谢活动，动，利用基质利用基质合成人们所合成人们所需要的产物需要的产物的内的内在规律。在规律。代谢控制发酵代谢控制发酵：人为人为地改变微生物的代谢调地改变微生物的代谢调控机制，使有用控机制，使有用中间代谢产物过量积累中间代谢产物过量积累。第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢第二节第二节 厌氧发酵产物的合成机制厌氧发酵产物的合成机制 第三节第三节 好氧发酵产物的合成机制好氧发酵产物的合成机制第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢l淀粉、纤维素等，最
2、重要的葡萄糖。淀粉、纤维素等，最重要的葡萄糖。l不同类型的微生物对葡萄糖分解方式和途径也不同类型的微生物对葡萄糖分解方式和途径也不一样：不一样：厌氧分解：酒精、乳酸、丙酮和丁醇等厌氧分解：酒精、乳酸、丙酮和丁醇等好氧分解：柠檬酸、谷氨酸和抗生素等好氧分解：柠檬酸、谷氨酸和抗生素等一一 微生物对培养基中碳源的代谢微生物对培养基中碳源的代谢l氮源：蛋白质及其分解产物，无机含氮物，分氮源：蛋白质及其分解产物，无机含氮物，分子态氮。子态氮。l过程：蛋白质被肽酶分解生成氨基酸，经脱氨过程：蛋白质被肽酶分解生成氨基酸，经脱氨作用生成有机酸，脱羧作用生成氨类。作用生成有机酸，脱羧作用生成氨类。二二 微生物对
3、培养基中氮源的代谢微生物对培养基中氮源的代谢PEPPEPPEPPEP丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖核糖核糖-5-5-5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸 甘氨甘氨甘氨甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰酸谷氨酰酸谷氨酰酸谷氨酰氨氨氨氨丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸6-6-6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoA甘油甘油甘油甘油脂肪酸脂肪酸脂肪
4、酸脂肪酸胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoA脂肪脂肪脂肪脂肪核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸
5、琥珀酰琥珀酰琥珀酰琥珀酰CoACoACoACoA苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质淀粉淀粉淀粉淀粉、糖原、糖原、糖原、糖原核酸核酸核酸核酸谷氨酰氨谷氨酰氨谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰丙二单酰丙二单酰CoACoACoACoA1-1-1-1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖物物质质代代谢谢l微生物能量代谢：把最初
6、能源转换成生命活动微生物能量代谢：把最初能源转换成生命活动能使用的通用能源能使用的通用能源ATPATP。三、微生物的能量代谢三、微生物的能量代谢 日光日光 （光能营养菌）（光能营养菌）最初能源最初能源 有机物（化能异养菌）有机物（化能异养菌）ATPATP 还原态无机物（化能自养菌）还原态无机物（化能自养菌）l微生物能量的获取方式微生物能量的获取方式1 1 微生物的厌氧发酵微生物的厌氧发酵 ATPATP生成靠生成靠底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化：物质在生物氧化过程中生成的一些物质在生物氧化过程中生成的一些含有高能键的化合物，它们可以不经电子传递链，而含有高能键的化合物，
7、它们可以不经电子传递链，而直接偶联直接偶联ATPATP或或GTPGTP的合成，这种反应称为底物水平磷的合成，这种反应称为底物水平磷酸化。酸化。lEMPEMP途径将途径将一分子葡萄糖一分子葡萄糖转变成转变成两分子丙酮酸两分子丙酮酸；产生产生2 2分子分子ATPATP和和2 2分子分子NADHNADH。lHMPHMP途径将途径将一分子一分子6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖转变为转变为1 1分子分子3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛，3 3分子分子COCO2 2和和6 6分子分子NADPHNADPH。lEDED途径将途径将1 1分子葡萄糖转变为分子葡萄糖转变为2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分分子子ATP
8、ATP，1 1分子分子NADPHNADPH和和1 1分子分子NADHNADH。lPKPK途径将途径将1 1分子葡萄糖转变为分子葡萄糖转变为1 1分子乳酸、分子乳酸、1 1分子分子COCO2 2和一分子乙醇或乙酸。和一分子乙醇或乙酸。葡萄糖的分解途径主要有：葡萄糖的分解途径主要有：EMPEMP途径途径、HMPHMP途径、途径、EDED途径和途径和PKPK途径等四种。途径等四种。葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP(1)果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+(2)果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸(3)甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸(4)(5)2Pi(6)1，3-
9、二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP(7)3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸(8)2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+(9)磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP(10)烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸(11)2CO2乙醛乙醛+2H+(12)(13)2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇乙醇(14)糖酵解全过程（糖酵解全过程（EMP途径）途径）己糖激酶己糖激酶磷酸果磷酸果糖激酶糖激酶丙酮酸丙酮酸激酶激酶EMPEMP途径途径GTP三三羧羧酸酸循循环环反反应应过过程程磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径(HMP)5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 C55-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 C57-磷酸景天糖
10、磷酸景天糖 C73-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 C34-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖 C46-磷酸果糖磷酸果糖 C66-磷酸果糖磷酸果糖 C63-磷酸甘磷酸甘油醛油醛 C36-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖(C6)3 6-磷酸葡萄糖酸内酯磷酸葡萄糖酸内酯(C6)3 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸(C6)3 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖(C5)3 5-磷酸核糖磷酸核糖 C53NADP+3NADP+3H+6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶 3NADP+3NADP+3H+6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶 3CO2电子载体：电子载体：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH(nicotinamide NADH(n
11、icotinamide adenine dinucleotide)adenine dinucleotide)，又称辅酶，又称辅酶(Co (Co)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)phosphate)，又称辅酶，又称辅酶(Co)(Co)黄素单核苷酸黄素单核苷酸 FMNFMNFADFAD(黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸)的生物化学功能：的生物化学功能：主要使饱和酰基衍生物脱氢形成主要使饱和酰基衍生物脱
12、氢形成,-,-不饱和不饱和酰基衍生物。酰基衍生物。辅酶辅酶 A A用用HSCoAHSCoA表示；其乙酰表示；其乙酰 化产物：化产物：CH3COSCoACH3COSCoA，是一个新陈代谢的调节者，也可是一个新陈代谢的调节者，也可以看作是以看作是新陈代谢的钥匙新陈代谢的钥匙，在生物化学中占有，在生物化学中占有重要的位置。重要的位置。2 2 微生物的呼吸微生物的呼吸 将电子交给将电子交给NADNAD（P P）或）或FADFAD（或（或FMNFMN）等点子载体，通过电子传递链，经逐）等点子载体，通过电子传递链，经逐步释放出能量后再交给最终电子受体。步释放出能量后再交给最终电子受体。电子传递链电子传递链
13、 O O2 2 有氧（好氧）呼吸有氧（好氧）呼吸 除除O O2 2外的无机物或延胡外的无机物或延胡索酸索酸 无氧无氧 呼吸呼吸1NADH-3ATP1FADH-2ATP1FADH-2ATPFADH2根据代谢物脱下的氢的最初受体不同，分为根据代谢物脱下的氢的最初受体不同，分为NADHNADH呼吸链和呼吸链和FADHFADH2 2呼吸链呼吸链3 3 光能微生物的能量代谢光能微生物的能量代谢 光合细菌中存在菌绿素光合细菌中存在菌绿素 通过环式光合磷酸化作用产生通过环式光合磷酸化作用产生ATPATP。4 4 化能自养微生物的能量代谢化能自养微生物的能量代谢 无机物氧化获得无机物氧化获得ATPATP和和N
14、ADHNADH或或NADPHNADPH第二节厌氧发酵产物的合成机制第二节厌氧发酵产物的合成机制葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸1,3 二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3磷酸甘油酸磷酸甘油酸2磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸HexokinasePhosphoglucoseisomerasePhosphofructokinaseAldolaseTriosephosphateisomeraseGlyceraldehyde3-phosphatedehyd
15、rogenasePhosphoglyceratekinasePhosphoglyceratemutaseEnolasePyruvate kinaseLactate dehydrogenaseNADH NADNADH NADATPATPATPATPADPADPADPADP2PiC6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD+2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2己糖激酶己糖激酶变构抑制变构抑制磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶抑制抑制丙酮酸激酶丙酮酸激酶分解分解ADPAMP激活激活ATP抑制解除抑制解除ATP产物激活产物激活糖代谢的调节糖代谢的调节1.1.酵母菌酵母菌的乙醇发酵：的乙醇发酵：一一 乙醇、
16、甘油发酵乙醇、甘油发酵C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶乙醇脱乙醇脱氢酶氢酶C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH+2ATP+2CO2葡萄糖生产乙醇的总反应式：葡萄糖生产乙醇的总反应式：概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。象（或氧对发酵的抑制现象）。通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）缺氧（发酵）酒精生成量酒精生成量耗糖量耗糖量/单位时间单位时间细胞的繁殖细胞的繁殖低（接
17、近零）低（接近零）少少旺盛旺盛高高多多很弱至消失很弱至消失巴斯德效应巴斯德效应现象：现象：酵母菌乙醇发酵中的副产物酵母菌乙醇发酵中的副产物影响：消耗糖分，带来杂质，提高或降低产品质量。影响：消耗糖分，带来杂质，提高或降低产品质量。酵母酒精发酵酵母酒精发酵主产物：乙醇、主产物：乙醇、CO2副产物副产物醇类（杂醇油）醇类（杂醇油）醛类（糠醛）醛类（糠醛）酸类（琥珀酸）酸类（琥珀酸）酯类酯类杂醇油：杂醇油：C C原子数大于原子数大于2 2的脂肪族醇类的统称；高沸的脂肪族醇类的统称；高沸点、颜色呈黄色或棕色，具有特殊气味。酒类风味点、颜色呈黄色或棕色，具有特殊气味。酒类风味物质，质量指标。杂醇油的产量
18、一般为物质，质量指标。杂醇油的产量一般为0.30.3一一0.70.7 。2 2.细菌的乙醇发酵：细菌的乙醇发酵：葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等菌种：运动发酵单胞菌等途径：途径：EDED 酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙乙醇醇 通过通过EMP途径途径产生乙醇，总反应式为：产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2P
19、i 2C2H5OH+2CO2+2ATP 细菌（在细菌（在pH5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵通过通过ED途径途径产生乙醇，总反应如下：产生乙醇，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATP3 3.甘油发酵甘油发酵别名：丙三醇别名：丙三醇,分子分子式式:C CH H2 2OHCHOHCHOHCHOHCH2 2OHOH用途：用途：1 1 医学方面，用以制取各种制剂、溶剂、吸医学方面，用以制取各种制剂、溶剂、吸湿剂、防冻剂湿剂、防冻剂2 2 食品中用作甜味剂、烟草剂的保湿剂食品中用作甜味剂、烟草剂的保湿剂3 3 工业汽车和飞机燃料以及油田的防冻剂工业汽车和飞机燃料以及油田的防冻
20、剂甘油发酵机制：甘油发酵机制：酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。发酵中甘油的生成量很少。如果如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母发酵转为甘油发酵（酵母型发酵）。型发酵）。亚硫酸盐法亚硫酸盐法甘油发酵甘油发酵 NaHSONaHSO3 3可作为抑制剂：可作为抑制剂：乙醛乙醛+NaHSO3
21、乙醛亚硫酸氢钠乙醛亚硫酸氢钠2ATP2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPCOCO2 2NaHSONaHSO3 3NADNADNADH+HNADH+HNADH+HNADH+HNADNADH H2 2O OPiPi葡葡萄萄糖糖1.6-1.6-二磷二磷酸果酸果糖糖3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羟丙磷酸二羟丙酮酮丙酮酸丙酮酸乙乙醛醛乙醛乙醛HSO3HSO3-磷酸甘磷酸甘油油甘甘油油碱法甘油发酵碱法甘油发酵酒精酵母在碱性（酒精酵母在碱性（pH7.6pH7.6以上）的条件下，发酵以上）的条件下，发酵产生的乙醛不能作为受氢体，而是产生的乙醛不能作为受氢体，而是分子乙醛分子乙醛之间发生
22、歧化反应之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量，相互氧化还原，生成等量的的乙醇乙醇和和乙酸乙酸。此时，由磷酸甘油醛脱氢。此时，由磷酸甘油醛脱氢生成的生成的 NADH+HNADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油而生成甘油2C6H12O6+H2OCH2OHCHOHCH2OH2+C2H5OH+CH3COOH+2CO2碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，不产不产生生ATP ATP，所以此法只能在酵母的非生长情况下进，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。行发酵。二二 乳酸发酵乳酸发酵2-2-羟基丙酸；羟基丙酸；-羟基丙酸
23、丙醇酸羟基丙酸；丙醇酸分子分子式式:CH3CH(OH)COOH CH3CH(OH)COOH 用途：用途：1 1 食品工业保鲜、调味剂食品工业保鲜、调味剂2 2 医学方面，乳酸蒸汽消毒、防腐剂、聚乳医学方面，乳酸蒸汽消毒、防腐剂、聚乳酸手术缝线酸手术缝线3 3 其它工业，控制发酵其它工业，控制发酵PHPH、清洁去垢等。、清洁去垢等。乳酸菌乳酸菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。产生乳酸，称为乳酸发酵。同型乳酸发酵：在乳酸发酵过程中，发酵产物同型乳酸发酵：在乳酸发酵过程中，发酵产物中只有乳酸；中只有乳酸；（经（经EMP途径）途径）异型乳酸
24、发酵：发酵产物中除乳酸外，还有乙异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外，还有乙醇、乙酸及醇、乙酸及COCO2 2等其它产物的。等其它产物的。（磷酸酮解途径（磷酸酮解途径）葡萄糖葡萄糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸2NAD+2NADH24ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactis（乳酸乳球菌）乳酸乳球菌）Lactobacillus plantarum（植物乳杆菌）（植物乳杆菌）EMP途径途径2NAD+2NADH21 1 同型同型乳酸发酵：乳酸发酵：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶6-磷酸葡磷酸葡萄糖萄糖
25、6-磷酸葡萄磷酸葡萄糖酸糖酸5-磷酸木磷酸木酮糖酮糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADPH2NAD+NADPH2ATP ADP乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2乙醇乙醇Leuconostoc mesenteroides（肠膜明串珠菌）（肠膜明串珠菌）NAD+NADPH2NAD+NADPH22 2 异型乳酸发酵：异型乳酸发酵：葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸葡糖酸途径磷酸葡糖酸途径1 1分子乳酸，一份子乙醇分子乳酸，一份子乙醇2 2 葡萄糖葡萄糖ATPATPADPADP6 6磷酸果糖磷酸果糖6 6磷酸果糖磷酸果糖ADPADPPi Pi4 4磷酸赤藓糖磷酸
26、赤藓糖3 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛7 7磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖5 5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5 5磷酸核糖磷酸核糖乙酰磷酸乙酰磷酸ATPATP乙酰乙酰5 5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5 5磷酸核酮糖磷酸核酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸2 2 分子分子3 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPADPATPATPNADNADNADHNADHH HNADNADNADHNADHH HADPADPATPATP3 3分子乙酸分子乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸1 13 32 24 45 56 67 71.1.6-6-磷酸果糖解酮酶磷酸果糖解酮酶2.2.转二羟基丙酮基酶转二羟基丙酮基酶
27、3.3.转羟乙醛基酶转羟乙醛基酶4.4.5 5磷酸核糖异构酶磷酸核糖异构酶5.5.5 5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3 3差向异构酶差向异构酶6.6.5 5磷酸木酮糖磷酸酮解酶磷酸木酮糖磷酸酮解酶7.7.乙酸激酶乙酸激酶 双歧双歧途径途径：两两歧双歧杆菌歧双歧杆菌第三节第三节 好氧发酵产物合成机制好氧发酵产物合成机制柠檬酸发酵机制柠檬酸发酵机制氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制GTPTCA循循环环磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶A A柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸顺乌头酸顺乌头酸衣康酸衣康酸衣康酸衣康酸异柠檬酸
28、异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸 酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A A琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶A A A A1 12 23 33 316164 45 515156 67 78 89 910101212111114141313反馈抑制反馈抑制反馈抑制反馈抑制苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶COCO2 2参与嘌呤和嘧啶的
29、合成参与嘌呤和嘧啶的合成参与嘌呤和嘧啶的合成参与嘌呤和嘧啶的合成脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸参与蛋白参与蛋白参与蛋白参与蛋白质合成质合成质合成质合成参与蛋白参与蛋白参与蛋白参与蛋白质合成质合成质合成质合成丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶PEPPEPPEPPEP丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖核糖核糖-5-5-5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸 甘氨甘氨甘氨甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰酸谷氨酰酸谷氨酰酸谷氨酰氨氨氨氨丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨
30、酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸6-6-6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoA甘油甘油甘油甘油脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoA脂肪脂肪脂肪脂肪核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬
31、氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰琥珀酰琥珀酰CoACoACoACoA苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质淀粉淀粉淀粉淀粉、糖原、糖原、糖原、糖原核酸核酸核酸核酸谷氨酰氨谷氨酰氨谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精
32、氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰丙二单酰丙二单酰CoACoACoACoA1-1-1-1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖物物质质代代谢谢l柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有机酸。量最大的有机酸。l我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约5050万吨万吨l欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约3030万吨万吨l 美国柠檬酸年产量约美国柠檬酸年产量约2525万吨万吨柠檬酸发酵柠檬酸发酵l用途用途1 1
33、食品食品：配制各种水果型的饮料以及软饮料配制各种水果型的饮料以及软饮料,各种各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化；以改善风味，除腥去臭，抗氧化；2 2 化工纺织：可作化学分析用试剂，用作实验试化工纺织：可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂；剂、色谱分析试剂及生化试剂；3 3 化妆品：用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、化妆品：用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、抗老化用品。抗老化用品。l黑曲霉黑曲霉分生孢子头分生孢子头葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草
34、酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸顺乌头酸顺乌头酸顺乌头酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACOCO2 2柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸的生物合成途径的生物合成途径的生物合成途径的生物合成途径实现柠檬酸积实现柠檬酸积实现柠檬酸积实现柠檬酸积累：累：累：累：一、设法阻断代谢一、设法阻断代谢一、设法阻断代谢一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸途径，实现柠檬酸途径，实现柠檬酸途径，实现柠檬酸的积累的积累的积累的积累二二二二、代谢途径被阻、代谢途径被阻、代谢途径被阻、代谢途径被阻断部位之后的产物，断部位之后的产物，断部位之后的产物，断
35、部位之后的产物，必须有适当的补充必须有适当的补充必须有适当的补充必须有适当的补充机制机制机制机制COCO2 2ATPATPADPADPCOCO2 2ADPADPATPATP磷酸烯醇磷酸烯醇磷酸烯醇磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸式丙酮酸式丙酮酸羧化酶羧化酶羧化酶羧化酶丙酮丙酮丙酮丙酮酸羧酸羧酸羧酸羧化酶化酶化酶化酶顺乌顺乌顺乌顺乌头酸头酸头酸头酸酶酶酶酶抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂阻断阻断阻断阻断柠柠檬檬酸酸的的发发酵酵机机制制总反应式：总反应式：2C6H12O6+3O2 2C6H8OH+4H2O 柠檬酸合成的代谢调节柠檬酸合成的代谢调节第一个调节酶是磷酸果糖激酶第一个调节酶是磷酸果糖激酶柠檬酸和柠檬酸和
36、ATP对该酶有抑制对该酶有抑制 生产菌需要解除该抑制作用生产菌需要解除该抑制作用AMP、无机磷以及、无机磷以及NH4+对该酶有活化作用对该酶有活化作用NH4+有效解除柠檬酸和有效解除柠檬酸和ATP对该酶对该酶抑制抑制，故生产上通过，故生产上通过添加铵盐添加铵盐来来提高柠檬酸产量提高柠檬酸产量Mn2+的影响：的影响：Mn2+缺乏缺乏可能干扰蛋白质合成，可能干扰蛋白质合成，导致蛋白质分解导致蛋白质分解NH4+水平升高水平升高减少柠檬酸对减少柠檬酸对该酶的抑制该酶的抑制第二个调节点：第二个调节点：COCO2 2固定的酶活力高，保证草酰乙酸的固定的酶活力高，保证草酰乙酸的供应供应第三个调节点：第三个调
37、节点：TCATCA环上调节环上调节顺乌头酸酶：顺乌头酸酶：理论上此酶失活理论上此酶失活TCA环阻断环阻断积累柠檬酸积累柠檬酸顺乌头酸酶需要顺乌头酸酶需要Fe2+故在发酵液中故在发酵液中添加黄血盐络合添加黄血盐络合Fe2+阻断阻断TCA环，积累柠檬酸环，积累柠檬酸通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低，同样积累柠檬酸。活力很低，同样积累柠檬酸。及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸氨基酸发酵氨基酸发酵l氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。动生产各种氨基酸的现代工
38、业。l氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。发酵所生成的产物发酵所生成的产物氨基酸，都是微生物的中氨基酸，都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。代谢的抑制。氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。人为地控制微生物的代谢。氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制l控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件l控制细胞渗透性控制细胞渗透性l
39、控制代谢旁路控制代谢旁路l降低反馈作用物的浓度降低反馈作用物的浓度l消除终产物的反馈抑制与阻遏作用消除终产物的反馈抑制与阻遏作用l促进促进ATPATP的积累，以利于氨基酸的生物合成的积累，以利于氨基酸的生物合成氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制1 1 控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换氨基酸氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷氨酸谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否
40、则发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则就几乎不积累谷氨酸。就几乎不积累谷氨酸。环环 境境 因因 子子发发 酵酵 产产 物物 转转 换换溶解氧溶解氧谷氨酸谷氨酸乳酸和琥珀酸乳酸和琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸（通气不足）（通气不足）（适中）（适中）（通风过量，转速过快）（通风过量，转速过快）NHNH4 4+酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺（适量）（适量）（缺乏）（缺乏）（过量）（过量）pHpH值值谷氨酰胺，谷氨酰胺，N-N-乙酰谷酰胺乙酰谷酰胺谷氨酸谷氨酸（pHpH值值5 58 8，NHNH4 4+过多）过多）（中性或微碱性）（中性或微碱性）磷酸磷酸缬缬 氨氨 酸酸谷氨酸谷氨酸（高浓度磷
41、酸盐）（高浓度磷酸盐）（磷酸盐适中）（磷酸盐适中）生物素生物素乳酸或琥珀酸乳酸或琥珀酸谷氨酸谷氨酸（过量）（过量）（限量）（限量）谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换2 2 控制细胞渗控制细胞渗透性透性谷谷氨氨酸酸的的生生物物合合成成途途径径 影响细胞膜通透性，有利于代谢产物分泌出影响细胞膜通透性，有利于代谢产物分泌出来，避免了末端产物的反馈调节，有利于提高发来，避免了末端产物的反馈调节，有利于提高发酵产量。酵产量。生物素生物素油酸油酸表面活性剂表面活性剂其作用是引起细胞膜的脂肪其作用是引起细胞膜的脂肪成分的改变，尤其是改变油成分的改变，尤其是改
42、变油酸的含量，从而改变细胞膜酸的含量，从而改变细胞膜通透性通透性一一二：二：青霉素青霉素：抑制细胞壁的合成：抑制细胞壁的合成影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质3 3 控制旁路代谢控制旁路代谢D-D-苏氨酸苏氨酸L-L-苏氨酸苏氨酸-酮基丁酸酮基丁酸L-L-异亮氨酸异亮氨酸L-L-苏氨酸苏氨酸脱氢酶脱氢酶反馈抑制反馈抑制D-D-苏氨酸苏氨酸脱氢酶脱氢酶4 4 降低反馈作用物的浓度降低反馈作用物的浓度谷氨酸谷氨酸N-N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸N-N-乙酰乙酰-谷氨酰磷酸谷氨酰磷酸N-N-乙酰谷氨酸半缩醛乙酰谷氨酸半缩醛N-N-乙酰鸟氨酸乙酰鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸鸟
43、氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸反馈抑制反馈抑制瓜氨酸营养缺陷型瓜氨酸营养缺陷型通过使用抗氨基酸结构通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法来类似物突变株的方法来进行进行S-S-（氨基乙基）氨基乙基）-L-L半半胱氨酸胱氨酸 (AEC)(AEC)赖氨酸结赖氨酸结构类似物构类似物5 5 消除终产物的反馈抑制与阻遏消除终产物的反馈抑制与阻遏天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰胺磷酸天冬氨酰胺磷酸天冬氨酸半缩醛天冬氨酸半缩醛高丝氨酸高丝氨酸苏氨酸苏氨酸赖氨酸赖氨酸天冬氨天冬氨酸激酶酸激酶协同反协同反馈抑制馈抑制AECAEC6 6 促进促进ATPATP的积累，以利于氨基酸的生物合成的积累，以利于氨基酸的生物合成谷氨酸生
44、物合成途径谷氨酸生物合成途径 包括：包括：EMP EMP、HMPHMP、TCATCA、乙醛酸循环、乙醛酸循环、COCO2 2固定反固定反应应 谷氨酸生产菌在谷氨酸生产菌在10%10%高浓葡萄糖中产生高浓葡萄糖中产生5%5%高浓高浓谷氨酸，是非正常代谢，所以要从菌体自身、外谷氨酸，是非正常代谢，所以要从菌体自身、外界来控制完成，即控制代谢。界来控制完成，即控制代谢。NADPH2乙酰辅酶乙酰辅酶A6-磷酸果糖磷酸果糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核糖磷酸核糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸苹果酸苹果酸丙酮丙酮酸酸CO2异柠檬酸异柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸顺乌头酸顺乌头酸乳酸
45、乳酸NAD+NADH2柠檬酸柠檬酸NADP+NADH2NAD+草酰琥珀酸草酰琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸谷氨酸谷氨酸乙醛酸乙醛酸CO2CO2葡葡萄萄糖糖生生物物合合成成谷谷氨氨酸酸的的代代谢谢途途径径EMP途径途径HMP途径途径TCA循环循环CO2CO2固定反应固定反应a-a-酮戊二酮戊二酸脱氢酶酸脱氢酶谷氨酸谷氨酸脱氢酶脱氢酶葡萄糖葡萄糖外在环境：溶解氧、氨离子、外在环境：溶解氧、氨离子、PH值、磷酸、生物素值、磷酸、生物素 谷氨酸生产菌有利于谷氨酸积累的条件：不分解利谷氨酸生产菌有利于谷氨酸积累的条件：不分解利用谷氨酸；耐高浓度谷氨酸；谷氨酸膜透性好；用谷氨酸；耐高浓
46、度谷氨酸；谷氨酸膜透性好；-酮戊二酸脱氢酶要弱；保证酮戊二酸脱氢酶要弱；保证TCA环中间体的补环中间体的补充。充。内在因子内在因子选育菌种选育菌种增加膜通透性增加膜通透性生物素缺陷（膜）生物素缺陷（膜）加青霉素（壁）加青霉素（壁）2 2、影响、影响GAGA积累的因素积累的因素谷氨酸谷氨酸N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸N-乙酰乙酰-谷氨酰磷酸谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸-半醛半醛N-乙酰鸟氨酸乙酰鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精胺琥珀酸精胺琥珀酸精氨酸精氨酸负负反反馈馈控控制制N-乙酰谷乙酰谷氨酸激酶氨酸激酶Arg-Cit-鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制核苷酸发酵核
47、苷酸发酵全合成途径全合成途径补救途径补救途径 嘌呤核苷酸的代谢调节嘌呤核苷酸的代谢调节核酸由众多的单体核苷酸通过核酸由众多的单体核苷酸通过3 3，5 5磷磷酸二酯键聚合而成。酸二酯键聚合而成。核苷酸由碱基、核糖、磷酸组成。核苷酸由碱基、核糖、磷酸组成。核苷酸类中的肌苷酸（核苷酸类中的肌苷酸（IMPIMP）、鸟苷酸（）、鸟苷酸（GMPGMP）、）、黄苷酸（黄苷酸（XMPXMP）呈强鲜味。）呈强鲜味。当核苷酸与氨基酸类物质混合使用时，鲜味不当核苷酸与氨基酸类物质混合使用时，鲜味不是简单的叠加，而是成倍地提高。是简单的叠加，而是成倍地提高。（一）（一）生物合成途径生物合成途径1.1.从头合成途径（从
48、头合成途径（de novo synthesisde novo synthesis）由氨基酸、磷酸戊糖、由氨基酸、磷酸戊糖、COCO2 2和和NHNH3 3合成核苷酸。合成核苷酸。嘌呤核苷酸：直接生成次黄嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸：直接生成次黄嘌呤核苷酸（IMPIMP）,然后转然后转 变为其它嘌呤核苷酸。变为其它嘌呤核苷酸。葡萄糖葡萄糖 HMPHMP 5 5磷酸核糖磷酸核糖 磷酸核糖焦磷酸（磷酸核糖焦磷酸（PRPPPRPP）PRPPPRPP转酰胺酶转酰胺酶 5 5-IMP-IMP AMP SAMP XMP GMP AMP SAMP XMP GMP天冬氨酸天冬氨酸，MgMg2+2+，GTPGTP腺苷酸代
49、琥珀酸腺苷酸代琥珀酸 合成酶合成酶延胡索酸延胡索酸腺苷酸代琥珀腺苷酸代琥珀 酸裂解酶酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸腺苷酸代琥珀酸AMPIMPIMPIMP脱氢酶脱氢酶NAD+H2ONADH+H+XMPGMPGMP合成酶合成酶谷氨酰氨谷氨酰氨 Mg Mg2+2+,ATP,ATP谷氨酸谷氨酸GMP由由IMPIMP合成合成AMPAMP及及GMPGMPIMPIMP合成途径的代谢调控合成途径的代谢调控2.2.补救合成途径（补救合成途径（salvage synthesissalvage synthesis）微生物从培养基中取得完整的嘌呤、戊糖、微生物从培养基中取得完整的嘌呤、戊糖、磷酸，直接合成单核苷酸。磷酸，直接
50、合成单核苷酸。当全生物合成途径受阻时，微生物可通过当全生物合成途径受阻时，微生物可通过此途径合成核苷酸。此途径合成核苷酸。狭义抗生素狭义抗生素:由微生物（包括细菌、放线菌、真菌等）由微生物（包括细菌、放线菌、真菌等）产生的在低浓度条件下，对特异微生物（包括细菌、产生的在低浓度条件下，对特异微生物（包括细菌、真菌、立克次体、支原体、衣原体等）的生长有抑真菌、立克次体、支原体、衣原体等）的生长有抑制作用的次级代谢产物或化学半合成法制造的相同制作用的次级代谢产物或化学半合成法制造的相同的和类似的化合物。的和类似的化合物。现代抗生素定义：一切由某些微生物产生的，能抑现代抗生素定义：一切由某些微生物产生
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