微生物工程工艺原理第四章柠檬酸发酵机制.ppt

第四章柠檬酸发酵机制,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,柠檬酸又名枸橼酸，学名-羟基丙烷三羧酸，是生物体主要代谢产物之一。1874年首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶成固体；1913年首次实现利用黑曲霉发酵生成柠檬酸。柠檬酸及其盐类、酯类和衍生物是食品工业、药物、美容化妆品等生产的重要原料；在工业生产中有着广泛的用途。我国柠檬酸发酵技术处于世界领先水平。如安徽丰原生化公司，柠檬酸生产能力达18万吨，居世界第一位，占世界柠檬酸生产额的17。,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,1.黑曲霉中80%的糖代谢走EMP途径；,2.菌体中存在TCA的酶系，故存在TCA；,3.由于不存在苹果酸脱氢酶,草酰乙酸的来源不是由TCA供应；,对黑曲霉进行柠檬酸发酵已有的研究表明：,4.草酰乙酸主要来自于丙酮酸固定CO2；,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,葡萄糖,乙酰-CoA,草酰乙酸,柠檬酸,丙酮酸,EMP途径,脱羧,羧化,一、合成途径,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,葡萄糖,6-P-葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,丙酮酸,乙酰CoA,淀粉,磷酸丙糖,磷酸烯醇丙糖,草酰乙酸,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,-酮戊二酸,琥珀酸,富马酸,苹果酸,CO2,Fe2+,CO2,CO2,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,二、柠檬酸生物合成的代谢调节,（一）糖酵解及丙酮酸代谢的调节,1.铵离子能够解除柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶的抑制作用，对该酶表现出激活作用；铵离子的浓度与柠檬酸生成速度、积累有密切关系，故生产上通过添加铵盐来提高柠檬酸产量；,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,葡萄糖,6-P-葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,丙酮酸,乙酰CoA,磷酸丙糖,磷酸烯醇丙糖,草酰乙酸,柠檬酸,CO2,CO2,CO2,ATP,AMP,Pi,NH4+,K+,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,2.培养基中锰缺乏时，黑曲霉的合成代谢受损伤，菌体结构不完整，但铵和氨基酸水平升高（锰缺乏时，蛋白质、核酸合成受阻，导致铵离子升高）。,3.在某些真菌中，丙酮酸激酶是EMP途径的第2个调节点，但黑曲霉未被证实；,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,（二）TCA环的调节,1.柠檬酸合成酶：柠檬酸合成酶是一种调节酶。但在黑曲霉中，柠檬酸合成酶没有调节作用，这是黑曲霉TCA环的第一个特点。,柠檬酸发酵菌的柠檬酸合成酶对乙酰COA的亲和力随草酰乙酸浓度的提高而增大；,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,2.顺乌头酸水合酶：理论上此酶失活TCA环阻断积累柠檬酸,顺乌头酸水合酶需要Fe2+，故在发酵液中添加黄血盐络合Fe2+，顺乌头酸水合酶活性降低；,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,顺乌头酸酶、异柠檬酸酶在pH2.0时失活。,黑曲霉乌头酸水合酶催化的反应存在着柠檬酸：异柠檬酸：顺式乌头酸=90：7：3的平衡关系；黑曲霉对NAD+专一性的异柠檬酸脱氢酶活力很低，却有三种依赖于辅酶NADP+的异柠檬酸脱氢酶，其中的两种与TCA循环有关，它们受到生理浓度柠檬酸的抑制。,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,3.-酮戊二酸脱氢酶：黑曲霉-酮戊二酸脱氢酶缺失或活力很低（TCA环被阻断）。,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,丙酮酸,乙酰CoA,磷酸烯醇丙糖,草酰乙酸,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,-酮戊二酸,琥珀酸,富马酸,苹果酸,CO2,Fe2+,CO2,CO2,-酮戊二酸脱氢酶,抑制,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,3.氧对柠檬酸发酵的影响很大。,标准呼吸链产生ATP积累，侧呼吸链不产生ATP，缺氧导致侧呼吸链失活，使ATP积累，柠檬酸积累减少。,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,归纳：,由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2的固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。,Mn2+缺乏抑制蛋白合成NH4+；有一条呼吸活动强的不产生ATP的侧呼吸链；由此，解除磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径畅通。,第二篇发酵机制,第四章柠檬酸发酵机制,由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡：,柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7,同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。,随着