食品微生物课件8.ppt

第四章微生物的代谢 本次课程内容 1 微生物的能量代谢2 微生物的分解代谢3 微生物发酵的代谢途径4 微生物独特的合成代谢 代谢的概念 代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称 分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质 并在这个过程中产生能量 合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程 并在这个过程中消耗能量 合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质 代谢的概念 新陈代谢 Metabolism 一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程 生物小分子合成生物大分子合成代谢 同化 耗能新陈代谢能量代谢物质代谢产能分解代谢 异化 生物大分子分解为生物小分子 复杂分子 有机物 分解代谢 合成代谢 简单小分子 ATP H 代谢的概念 初级代谢是指能使营养物质转换成细胞结构物质 维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢 次级代谢是指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢 第一节微生物的能量代谢 生物氧化是指细胞内一切代谢物所进行的氧化作用 它们在氧化过程中能产生大量的能量 分段释放 并以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内 供需要时用 一切生命活动都是耗能反应 因此 能量代谢是一切生物代谢的核心问题 能量代谢的中心任务 是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源 ATP 这就是产能代谢 最初能源 有机物 还原态无机物 日光 化能异养微生物 化能自养微生物 光能营养微生物 通用能源 ATP 生物氧化与燃烧的比较 一 微生物的呼吸 生物氧化 类型 微生物氧化有机物脱下的电子经呼吸链中一系列电子载体的传递交给最终电子受体的过程有氧呼吸 分子氧为最终电子受体丙酮酸脱羧并形成乙酰CoA后进入TCA循环 脱下的电子进入呼吸链 最终被彻底氧化无氧呼吸 氧以外的其他物质作为最终电子受体 微生物的能量代谢 一 好氧呼吸以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程 称为好氧呼吸 许多异养微生物在有氧条件下 以有机物作为呼吸底物 通过呼吸而获得能量 以葡萄糖为例 通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水 生成38个ATP 化学反应式为 C6H12O6 6O2 38ADP 38Pi 6CO2 6H2O 38ATP 二 厌氧呼吸 anaerobicspiration 以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程 称为厌氧呼吸 能起这种作用的化合物有硫酸盐 硝酸盐和碳酸盐 这是少数微生物的呼吸过程 例如脱氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水 而把硝酸盐还原成亚硝酸盐 故称反硝化作用 反应式如下 C6H12O6 12NO3 6CO2 6H2O 12NO2 1 8 103KJ 三 发酵作用 如果电子供体是有机化合物 而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程称为发酵作用 在发酵过程中 有机物既是被氧化了基质 又是最终的电子受体 但是由于氧化不彻底 所以产能比较少 酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵 只释放2 26 105J热量 其中只有9 6 104J贮存于ATP中 其余又以热的形式丧失 反应式如下 C6H12O6 2ADP 2Pi 2C2H5OH 2CO2 2ATP 发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物 同时释放能量并产生各种不同的代谢产物 发酵 fermentation 二 生物氧化链 微生物从呼吸底物脱下的氢和电子向最终电子受体的传递过程中 要经过一系列的中间传递体 并有顺序地进行 它们相互 连控 如同链条一样 故称为呼吸链 生物氧化链 它主要由脱氢酶 辅酶Q和细胞色素等组分组成 它主要存在于真核生物的线粒体中 在原核生物中 则和细胞膜 中间体结合在一起 它的功能是传递氢和电子 同时将电子传递过程中释放的能量合成ATP 三 ATP的产生 ATP的产生就是电子从起始的电子供体经过呼吸链至最终电子受体的结果 ATP是生物体内能量的主要传递者 当微生物获得能量后 都是先将它们转换成ATP 当需要能量时 ATP分子上的高能键水解 重新释放出能量 利用光能合成ATP的反应 称为光合磷酸化 利用生物氧化过程中释放的能量 合成ATP的反应 称为氧化磷酸化 一 底物水平磷酸化 在底物水平磷酸化中 异化作用的中间产物的高能磷酸转移给ADP 形成ATP 如下述反应 磷酸烯醇丙酮酸 ADP丙酮酸 ATP 二 电子传递磷酸化 在电子传递磷酸化中 通过呼吸链传递电子 将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来 形成ATP 三 光合磷酸化的能量转换 光合色素是光合生物所特有的物质 它在光能转换过程中起着重要作用 光合色素由主要色素和辅助色素构成 主要色素是叶绿素或细菌叶绿素 辅助色素是类胡萝卜素和藻胆素 光反应中心的叶绿素通过吸收光能逐出电子而使自己处于氧化态 逐出的电子通过铁氧还蛋白 泛醌 细胞色素b与细胞色素c组成的电子传递链再返回叶绿素本身 使叶绿素分子回复到原来的状态 在电子传递过程中产生能量转化 光能 化学能 第二节微生物的分解代谢 地球上最丰富的有机物是纤维素 半纤维素 淀粉等糖类物质 自然界中微生物赖以生存的主要也是糖类物质 人们培养微生物 进行食品加工和工业发酵等也是以糖类物质为主要的碳源和能源物质 因此 微生物的糖代谢是微生物代谢的一个重要方面 掌握这方面的知识 对于认识自然界不同的微生物类群 以及搞好微生物的培养利用都是重要的基础知识 一 微生物糖代谢途径 1 EMP途径又称糖酵解途径单糖的激化阶段降解的起始点氧化与产能阶段 总反应式为 C6H12O6 2NAD 2 ADP Pi 2CH3COCOOH 2ATP 2NADH2总计起来 每分子葡萄糖通过EMP途径净合成2分子ATP 产能水平较低 EMP途径意义 为细胞生命活动提供ATP和NADH 三羧酸循环 简称TCA环 它除了产生大量能量 作为微生物生命活动的主要能量来源以外 还有许多生理功能 特别是循环中的某些中间代谢产物是一些重要的细胞物质 如各种氨基酸 嘌呤 嘧啶及脂类等生物合成前体物 TCA环实际上是微生物细胞内各类物质的合成和分解代谢的中心枢纽 由于EMP途径和TCA环研究得比较清楚 在发酵工业中得到了广泛地应用 用一种方法来阻止某一阶段的进行 就必然积累某些中间产物 根据这一原理 工业上已筛选出一些优良菌株 进行工业发酵 生产柠檬酸 异柠檬酸 酮戊二酸 苹果酸等 例如利用黑曲霉生产柠檬酸时 由于菌体内顺乌头酸水解酶的活力特别低 使柠檬酸大量积累 二 HMP途径 HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化 并能产生大量NADPH H 形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径1 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖 5 磷酸和CO22 核酮糖 5 磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖 5 磷酸和木酮糖 5 磷酸3 上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排 产生己糖磷酸和丙糖磷酸 单糖的激化阶段降解的起始点氧化与产能阶段 HMP途径的生理意义 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖 磷酸产生大量的NADPH2 一方面参与脂肪酸 固醇等细胞物质的合成 另一方面可通过呼吸链产生大量的能量四碳糖 赤藓糖 可用于芳香族氨基酸的合成在反应中存在3 7碳糖 使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛通过该途径可产生许多发酵产物 如核苷酸 氨基酸 辅酶 乳酸等 三 ED途径 ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的 ED途径结果 一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸 1分子ATP 1分子NADPH 1分NADH ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在ED途径不如EMP途径经济 四 PK途径 也称磷酸解酮酶途径 这个途径的特点是降解1分子葡萄糖只产生1分子ATP 相当于EMP途径的一半 另一特点是几乎产生等量的乳酸 乙醇和CO2 戊糖磷酸解酮途径的关键酶系是磷酸木酮糖解酮酶 它催化5 磷酸木酮糖裂解为3 磷酸甘油醛和乙酰磷酸的反应 二 多糖的分解 一 淀粉的水解淀粉由各种胞外淀粉酶分解成葡萄糖 麦芽糖 后被吸收利用淀粉是多种微生物用作碳源的原料 它是葡萄糖的多聚物 有直链淀粉和支链淀粉之分 1 液化型淀粉酶 又称 淀粉酶 这种酶可以任意分解淀粉的 1 4糖苷键 而不能分解 1 6糖苷键 淀粉经该酶作用以后 粘度很快下降 液化后变为糊精 最终产物为糊精 麦芽糖和少量葡萄糖 由于这种酶能使淀粉表现为液化 淀粉粘度急速下降 故称液化酶 又由于生成的麦芽糖在光学上是 型 所以又称为 淀粉酶 产生 淀粉酶的微生物很多 细菌 霉菌 放线菌中的许多种都能产生 2 糖化型淀粉酶 这类酶又可细分为好几种 其共同特点将淀粉水解为麦芽糖或葡萄糖 故称为糖化型淀粉酶 二 纤维素的分解 纤维素的葡萄糖由 1 4糖苷键组成的大分子化合物 它广泛存在于自然界 是植物细胞壁的主要组成成分 人和动物均不能消化纤维素 但是很多微生物 例如木霉 青霉 某些放线菌和细菌均能分解利用纤维素 原因是它们能产生纤维素酶 纤维素酶是一类纤维素水解酶的总称 它由c1酶 cx酶和解成纤维二糖 再经过 葡萄糖苷酶作用 最终变为葡萄糖 其水解过程如下 C1酶Cx1Cx2酶纤维二糖酶天然纤维素水合纤维素分子纤维二糖葡萄糖生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉 康氏木霉 某些放线菌和细菌 我国采用绿色木霉 木素木霉为菌种 进行了研究 试制 纤维素酶在为开辟食品及发酵工业原料新来源 提高饲料的营养价值 综合利用农村的农付产品方面将会起着积极的作用 具有重要的经济意义 三 果胶质的分解 果胶是植物细胞的间隙物质 使邻近的细胞壁相连 是半乳糖醛酸以 1 4糖苷键结合成直链状分子化合物 其羧基大部分形成甲基酯 而不含甲基酯的称为果胶酸 果胶在浆果中最丰富 它的一个重要特点是在酸和糖存在下 可以形成果冻 食品厂利用这一性质来制造果浆 果冻等食品 但对果汁加工 葡萄酒生产引起榨汁困难 果胶酶含有不同的酶系 在果胶分解中起着不同的作用 主要有果胶酯酶和半乳糖醛酸酶两种 引起的反应式如下 果胶酯酶聚半乳糖醛酸酶果胶甲醇 果胶酸半乳糖醛酸果胶酶广泛存在于植物 霉菌 细菌和酵母中 其中以霉菌产的果胶酶产量高 澄清果汁力强 因此工业上常用的菌种几乎都是霉菌 例如文氏曲霉 黑曲霉等 果胶酶大多属于诱导酶 故生产时必须添加含果胶的物质 才会提高产量 三 蛋白质的分解 一 蛋白质的分解蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大 结构复杂的化合物 它们不能直接进入细胞 微生物利用蛋白质 首先分泌蛋白酶至体外 将其分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再进入细胞 通式如下 蛋白酶蛋白质多肽 氨基酸 产生蛋白酶的菌种很多 细菌 放线菌 霉菌等中均有 不同的菌种可以产生不同的蛋白酶 例如黑曲霉主要生产酸性蛋白酶 短小芽孢杆菌用于生产碱性蛋白酶 不同的菌种也可生产功能相同的蛋白酶 同一个菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶 二 氨基酸的分解 1 脱氨作用 氧化脱氨 在酶催化下 氨基酸在氧化脱氢的同时释放游离氨 这一过程即氧化脱氨 一类是氨基氧化酶 以FAD或FMN为辅基 另一类是氨基酸脱氢酶 以NAD或NADP作为氢的载体 交给分子态氧 还原脱氨 还原脱氨在无氧条件下进行 生成饱和脂肪酸 能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌 腐败的蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成 水解脱氨 不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物 同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物 减饱和脱氨 直接脱氨 氨基酸在脱氨的同时 其 键减饱和 结果生成不饱和酸 例如天门冬氨酸减饱和脱氨生成延胡索酸 氧化 还原偶联脱氨 Stickland反应 Stickland发现在某些梭菌中存在由两种氨基酸参与的脱氨基反应 一种氨基酸被氧化 在脱氨的同时脱下氢和电子 同时另一种氨基酸被还原 得到氢和电子的同时脱下氨基 2 脱羧作用 氨基酸脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中 不同的氨基酸由相应的氨基酸脱羧酶催化脱羧 生成减少一个碳原子的胺和二氧化碳 脱羧酶具有高度专一性 需要磷酸吡哆醛为辅酶 大多数是诱导酶 一元氨基酸脱羧后变成一元胺 二元氨基酸脱羧后变成二元胺 这类物质统称为尸碱 有毒性 肉类蛋白质腐败后常生成二元胺 故不能食用 四 脂肪和脂肪酸的分解 一 脂肪的分解脂肪是脂肪酸的甘油三酯 在脂肪酶作用下 可水解生成甘油和脂肪酸 脂肪酶成分较为复杂 作用对象也不完全一样 不同的微生物产生的脂肪酶作用也不一样 能产生脂肪酶的微生物很多 有根霉 圆柱形假丝酵母 小放线菌 白地霉等 脂肪酶目前主要用于油脂工业 食品工业 纺织工业上 常用作消化剂 乳品增香 制造脂肪酸 绢丝的脱脂等 三 脂肪酸的分解 微生物分解脂肪酸主要是通过 氧化途径 氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在 碳原子上而得名 在氧化过程中 能产生大量的能量 最终产物是乙酰辅酶 而乙酰辅酶A是进入三羧酸循环的基本分子单元 第三节微生物发酵的代谢途径 由于微生物种类繁多 能在不同条件下对不同物质或对基本相同的物质进行不同的发酵 而不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物 不同的微生物对同一种物质进行发酵 或同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物 这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件 现将食品工业中常见的微生物及其发酵途径介绍如下 一 醋酸发酵 参与醋酸发酵的微生物主要是细菌 统称为醋酸细菌 它们之中既有好氧性的醋酸细菌 例如纹膜醋酸杆菌 Acetobacteraceti 氧化醋酸杆菌 Acetobacteroxydans 巴氏醋酸杆菌 Acetobacerpasteurianus 氧化醋酸单胞菌 Acetomonasoxydans 等 也有厌氧性的醋酸细菌 例如热醋酸梭菌 Clostrioliumthemoacidophilus 胶醋酸杆菌 Acetobacterxylinum 等 好氧性的醋酸细菌 进行的是好氧性的醋酸发酵 在有氧条件下 能将乙醇直接氧化为醋酸 是醋酸细菌的好氧性呼吸 其氧化过程是一个脱氢加水的过程 好氧性的醋酸发酵是制醋工业的基础 制醋原料或酒精接种醋酸细菌后 即可发酵生成醋酸发酵液供食用 醋酸发酵液还可以经提纯制成一种重要的化工原料 冰醋酸 厌氧性的醋酸发酵是我国用于酿造糖醋的主要途径 厌氧性的醋酸细菌 进行的是厌氧性的醋酸发酵 其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖 产生3 醋酸 研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和COM 能利用CO2作为受氢体生成乙酸 二 柠檬酸发酵 关于柠檬酸发酵途径曾有多种论点 但目前大多数学者认为柠檬酸并非单纯由TCA循环所积累 而是由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸 再由两分子丙酮酸之间发生羧基转移 形成草酰乙酸和乙酰CoA 草酰乙酸和乙酰CoA再缩和成柠檬酸 能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属 Aspergillus 青霉属 Penicillium 和桔霉属 Citromyces 为主 其中以黑曲霉 Asp niger 米曲霉 Asp oryzae 灰绿青霉 Pen glaucum 淡黄青霉 Pen luteum 光桔霉 Citromycesglaber 等产酸量最高 柠檬酸发酵广泛被用于制造柠檬酸盐 香精 饮料 糖果 发泡缓冲剂等 在食品工业中起重要的作用 三 酒精发酵 酵母菌 在pH3 5 4 5时 的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇细菌 Zymomonasmobilis 的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇 总反应如下 葡萄糖 ADP Pi2乙醇 2CO2 ATP同型酒精发酵 产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乳酸发酵 除主产物乙醇外 还存在有其它有机物分子的发酵 酒精发酵是酿酒工业的基础 它与酿造白酒 果酒 啤酒以及酒精的生产等有密切关系 进行酒精发酵的微生物主要是酵母菌 如啤酒酵母 Saccharomycescerevisiae 等 此外还有少数细菌如发酵单胞菌 Zymononasmobilis 嗜糖假单胞菌 PseudomonasSaccharophila 解淀粉欧文氏菌 Eruiniaamylovora 等也能进行酒精发酵 酵母菌在无氧条件下 将葡萄糖经EMP途径分解为2分子丙酮酸 然后在酒精发酵的关键酶 丙酮酸脱羧酶的作用下脱羧生成乙醛和CO2 最后乙醛被还原为乙醇 酒精发酵是酵母菌正常的发酵形式 又称第一型发酵 如果改变正常的发酵条件 可使酵母进行第二型和第三型发酵而产生甘油 第二型发酵是在有亚硫酸氢钠的存在的情况下发生的 亚硫酸氢钠和乙醛起加成作用 生成难溶的结晶状亚硫酸氢钠加成物 磺化羟乙醛 第三型发酵是在碱性条件下进行的 碱性条件可促使乙醛不能作为正常的受氢体 而是两分子乙醛之间发生歧化反应 即相互进行氧化还原反应 一分子乙醛被氧化成乙酸 另一分子乙醛被还原为乙醇 四 乳酸发酵 乳酸是细菌发酵最常见的最终产物 一些能够产生大量乳酸的细菌称为乳酸细菌 同型乳酸发酵 通过EMP途径仅产生乳酸的发酵异型乳酸发酵 通过HMP PK 途径产生乳酸 乙醇 乙酸等有机化合物的发酵 同型乳酸发酵途径 2 葡萄糖2ATP2ADP果糖 6 磷