發(fā)酵工程第六章微生物發(fā)酵機(jī)理

第六章微生物發(fā)酵機(jī)理目前一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)微生物發(fā)酵機(jī)理第一節(jié)微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝第二節(jié)厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機(jī)制第三節(jié)好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機(jī)制目前二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)第一節(jié)微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝新陳代謝（metabolism）：

生物體從環(huán)境攝取營養(yǎng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)，同時(shí)將自身原有組成轉(zhuǎn)變?yōu)閺U物排出到環(huán)境中的不斷更新的過程。

分解代謝、合成代謝物質(zhì)代謝、能量代謝初級(jí)代謝、次級(jí)代謝目前三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)初級(jí)代謝和次級(jí)代謝1.初級(jí)代謝（primarymetabolism）：微生物從外界吸收各類營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動(dòng)所需要的物質(zhì)和能量的過程。初級(jí)代謝產(chǎn)物：糖類、氨基酸、核苷酸、脂肪酸、多糖、蛋白質(zhì)、酯類、核酸特征：不同的微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物基本相同；

生命活動(dòng)所必需；初級(jí)代謝產(chǎn)物合成過程是連續(xù)不斷的。目前四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)2.次級(jí)代謝（secondary

metabolism）：微生物以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對(duì)微生物生命活動(dòng)無明確功能的物質(zhì)和能量的過程。次級(jí)代謝產(chǎn)物：抗生素、毒素、激素、色素等特征：不同的微生物初級(jí)代謝產(chǎn)物不同；

以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體；

不是生命活動(dòng)所必需；次級(jí)代謝產(chǎn)物合成過程是不連續(xù)的。目前五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)PEP丙酮酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質(zhì)淀粉、糖原核酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖物質(zhì)代謝目前六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)微生物的能量代謝

日光（光能營養(yǎng)菌）

最初能源有機(jī)物（化能異養(yǎng)菌）—ATP

還原態(tài)無機(jī)物（化能自養(yǎng)菌）中心任務(wù)是將外界環(huán)境中各種形式的最初能源轉(zhuǎn)變成能量貨幣——ATP。目前七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)第二節(jié)厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機(jī)制酒精發(fā)酵機(jī)制甘油發(fā)酵機(jī)制乳酸發(fā)酵機(jī)制沼氣發(fā)酵機(jī)制目前八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)一酒精發(fā)酵酵母菌——EMP途徑——丙酮酸——乙醛——乙醇C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O（弱酸性條件）：1分子Glu發(fā)酵生成2分子乙醇和2分子CO21G→2丙酮酸→2乙醛+CO2→2乙醇+2ATP丙酮酸脫羧酶乙醇脫氫酶酵母菌的乙醇發(fā)酵目前九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羥丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程目前十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)酵母菌酒精發(fā)酵主產(chǎn)物：乙醇、CO2副產(chǎn)物40多種醇（雜醇油）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酯甲醇酒精發(fā)酵中的副產(chǎn)物目前十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

酵母菌中的乙醇脫氫酶活性很強(qiáng)，乙醛作為氫受體被還原成乙醇的反應(yīng)進(jìn)行得很徹底，因此，在乙醇發(fā)酵中甘油的生成量很少。如果采取某些手段阻止乙醛作為氫受體時(shí)，磷酸二羥丙酮?jiǎng)t替代乙醛作為氫受體形成甘油，這樣發(fā)酵轉(zhuǎn)為甘油發(fā)酵。NaHSO3可作為抑制劑：乙醛+NaHSO3

乙醛亞硫酸氫鈉↓二甘油發(fā)酵目前十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi甘油發(fā)酵葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油目前十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

乳酸菌在厭氧條件下利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸的過程。菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，可分為：同型乳酸發(fā)酵：（EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（HMP途徑、PK途徑）三乳酸發(fā)酵目前十四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

進(jìn)行乳酸發(fā)酵的主要是乳酸菌（乳鏈球菌、乳酪鏈球菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌等）利用糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸，丙酮酸還原產(chǎn)生乳酸。C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHOHCOOH

特點(diǎn)：1molGlu產(chǎn)生2mol乳酸，理論轉(zhuǎn)化率為100%EMP乳酸脫氫酶1.同型乳酸發(fā)酵——產(chǎn)物只有乳酸目前十五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羥丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾+2H+⑿2NAD+2(NADH+H+)+2H+目前十六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外同時(shí)還有比例較高的乙酸、乙醇、CO2等。合成途徑：6-磷酸葡萄糖酸途徑、雙歧途徑2.異型乳酸發(fā)酵目前十七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖ATPADP6－磷酸葡萄糖1NADNADH＋H＋6－磷酸葡萄糖酸2NADNADH＋H＋5－磷酸核酮糖35－磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADH＋H＋NAD乙醛NADH＋H＋NAD乙醇3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADH＋H＋NADNADH＋H＋485766－磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇己糖激酶6－磷酸葡萄糖脫氫酶6－磷酸葡萄糖酸脫氫酶4.5－磷酸核酮糖－3－差向異構(gòu)酶5.磷酸解酮酶6.磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶7.乙醛脫氫酶8.醇脫氫酶目前十八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖ATPADP6－磷酸果糖6－磷酸果糖ADPPi4－磷酸赤蘚糖3－磷酸甘油醛7－磷酸景天庚酮糖5－磷酸木酮糖5－磷酸核糖乙酰磷酸ATP乙酰5－磷酸木酮糖5－磷酸核酮糖乙酰磷酸2分子3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNAD＋NADH＋H＋NAD＋NADH＋H＋ADPATP3分子乙酸葡萄糖經(jīng)雙歧途徑發(fā)酵生成乳酸和乙酸13245676-磷酸果糖解酮酶轉(zhuǎn)二羥基丙酮基酶轉(zhuǎn)羥乙醛基酶5－磷酸核糖異構(gòu)酶5－磷酸核酮糖－3－差向異構(gòu)酶5－磷酸木酮糖磷酸酮解酶乙酸激酶目前十九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)不同點(diǎn)同型乳酸發(fā)酵

異型乳酸發(fā)酵

參與發(fā)酵的微生物類群乳酸菌（雙球菌、鏈球菌、乳桿菌等兼性微生物）腸膜狀明串珠菌、番茄乳桿菌、短乳桿菌、甘露醇乳桿菌、雙歧桿菌及真菌中的根霉關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶、乳酸脫氫酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶

發(fā)酵途徑

EMP途徑HMP、PK途徑

途徑中參與的輔酶類型

NADH（輔酶Ⅰ）

NADPH（輔酶Ⅱ）

過程途徑

葡萄糖——丙酮酸——產(chǎn)物只有乳酸

葡萄糖——乳酸、乙醇等

產(chǎn)物

只含乳酸

乳酸、乙醇、CO2等

理論發(fā)酵率100%

（高）

50%（低）總反應(yīng)式C6H12O6+2ADP+2Pi——2CH3COCOOH+2ATPC6H12O6+2ADP+2Pi——CH3COCOOH+CH3CH2OH+CO2+2ATP目前二十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)第一階段是復(fù)雜有機(jī)物，如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等，在微生物作用下降解至其基本結(jié)構(gòu)單位-分解成各種脂肪酸、二氧化碳和氫氣；第二階段是各類脂肪酸進(jìn)行分解，生成乙酸、二氧化碳和氫氣；第三階段是在甲烷產(chǎn)生菌的作用下由醋酸和二氧化碳及氫氣反應(yīng)生成甲烷。四甲烷發(fā)酵目前二十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)第三節(jié)好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機(jī)制檸檬酸的發(fā)酵機(jī)制氨基酸的發(fā)酵機(jī)制抗生素的發(fā)酵機(jī)制目前二十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)一檸檬酸的發(fā)酵機(jī)制檸檬酸的應(yīng)用：飲料與冰淇淋果醬與釀造酒腌制品

罐頭食品豆制品及調(diào)味品其它：醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)檸檬酸是目前世界上以生物化學(xué)方法生產(chǎn)，產(chǎn)量最大的有機(jī)酸。我國是檸檬酸的第一大生產(chǎn)國，估計(jì)年產(chǎn)約50萬噸目前二十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

檸檬酸發(fā)酵微生物

黑曲霉分生孢子頭目前二十四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)三羧酸循環(huán)（糖的最后氧化途徑）目前二十五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)檸檬酸發(fā)酵機(jī)理TCA循環(huán)與乙醛酸循環(huán)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累機(jī)理目前二十六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2檸檬酸的生物合成途徑實(shí)現(xiàn)檸檬酸積累：一、設(shè)法阻斷代謝途徑，實(shí)現(xiàn)檸檬酸的積累二、代謝途徑被阻斷部位之后的產(chǎn)物，必須有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充機(jī)制CO2ATPADPCO2ADPATP磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶順烏頭酸酶抑制劑阻斷目前二十七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)

1.糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)黑曲霉在缺錳的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)，抑制了蛋白質(zhì)的合成，可提高NH4+濃度，高濃度NH4+

可有效解除ATP、檸檬酸對(duì)磷酸果糖激酶的抑制。目前二十八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羥丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程磷酸果糖激酶AMP無機(jī)磷NH4+活化抑制解除檸檬酸目前二十九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)2.三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)檸檬酸×順烏頭酸×異檸檬酸∵順烏頭酸酶含鐵的非血紅蛋白，以Fe4S4作為輔基。且反應(yīng)需要Fe++∴１適量加入亞鐵氰化鉀（黃血鹽），與Fe++

生成絡(luò)合物，則酶失活或活性減少，而積累檸檬酸?！啵舱T變或其他方法，造成生產(chǎn)菌種順烏頭酸酶的缺損或活力很低，同樣積累檸檬酸。目前三十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰輔酶A檸檬酸順烏頭酸衣康酸異檸檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖蘋果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰輔酶A123316451567891012111413TCA循環(huán)與乙醛酸循環(huán)Fe2+Fe2+亞鐵氰化鉀順烏頭酸酶目前三十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)3.及時(shí)補(bǔ)加草酰乙酸外加草酰乙酸回補(bǔ)途徑旺盛的菌種組成型的丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶回補(bǔ)途徑順烏頭酸酶抑制劑阻斷目前三十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)二氨基酸發(fā)酵機(jī)制氨基酸發(fā)酵工業(yè)是利用微生物的生長和代謝活動(dòng)生產(chǎn)各種氨基酸的現(xiàn)代工業(yè)。氨基酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵。發(fā)酵所生成的產(chǎn)物——氨基酸，都是微生物的中間代謝產(chǎn)物，它的積累是建立于對(duì)微生物正常代謝的抑制。氨基酸發(fā)酵的關(guān)鍵是取決于其控制機(jī)制是否能夠被解除，是否能打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)，人為地控制微生物的代謝。目前三十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)氨基酸發(fā)酵的代謝控制控制發(fā)酵的環(huán)境條件控制細(xì)胞滲透性控制旁路代謝降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛认K產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏促進(jìn)ATP的積累，以利于氨基