sp02第二章微生物的营养和代谢2食品微生物学VIP

第三节微生物的酶,一、酶的一般性质1、酶是生物催化剂酶是由活细胞产生的以蛋白质为主要成分的生物催化剂，它能催化各种生物化学反应。2、酶具有高度催化效率酶的催化效率一般为无机催化剂的1061013倍。3、酶具有高度的专一性这是指酶对作用的底物有严格的选择性。某一种酶往往只对某一种物质起催化作用。这是酶最重要的特性。,4、酶的化学本质是蛋白质按照酶的化学组成，可把酶分为两大类：一类酶仅由简单蛋白质组成，如蛋白酶；另一类酶由酶蛋白和辅助因子组成，辅助因子又可分辅酶和辅基两种，它们是酶催化的必要条件。只有当酶蛋白和辅助因子同时存在时才起催化作用。5、酶作用受到温度、pH、酶浓度、激活剂、抑制剂等因素的影响。每种酶在一定条件下，都有表现出最大活力的最适温度和最适pH；酶浓度在一定条件下，与反应速度成正比；激活剂和抑制剂对酶的活力产生很大的影响。,二、酶的分类根据各种酶所催化反应的类型，国际生物化学联合会酶学委员会1979年将酶分为六大类1、氧化还原酶类这是一类催化氧化还原反应的酶。包括脱氢酶、氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。这类酶系在微生物的吸收过程中起重要作用。如乙醇脱氢酶能催化乙醛转变为乙醇。2、转移酶类这类酶能催化化合物中某些基团的转移。如谷丙转氨酶把丙氨酸的氨基转移到酮戊二酸上，形成谷氨酸。3、水解酶类这类酶催化的是加水分解作用，将有机大分子水解为简单的小分子化合物。水解酶类大都属于胞外酶。目前生产上应用的酶大多数属于这一类。例如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等。,4、裂解酶类这类酶能催化一种化合物分裂为几种化合物。如天冬氨酸酶能使天冬氨酸脱氨生产延胡索酸。5、异构酶类这类酶催化同分异构化合物之间的相互转化，即分子内部基团的重新排列。例如葡萄糖异构酶能催化葡萄糖转变为果糖。6、合成酶类合成酶类能催化两个化合物结合，形成新的物质。这类酶关系着许多重要生命物质的合成。如柠檬酸缩合酶催化草酰乙酸和乙酸缩合形成柠檬酸。,三、微生物产生的酶及其在食品工业上的应用微生物制取酶制剂，其基本过程如下：微生物选育（细菌、放线菌、酵母、霉菌）培养分离（离心、过滤、研磨、自溶等）提纯（盐析、溶液抽提、离子交换法）酶制剂,微生物生产的酶及其在食品工业上的应用,第四节微生物的能量代谢,微生物的代谢包括两个方面：合成代谢和分解代谢。微生物在生命活动中需要能量，主要是通过生物氧化而获得能量。一、生物氧化的过程分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换贮存在高能化合物(如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。,生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种。生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力、产小分子中间代谢物生物氧化的类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵,二、生物氧化链,1.定义：即呼吸链。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“连接”，如同链条一样，故称呼吸链。2.存在：在真核生物中，它主要存在于线粒体中；在原核生物中，则和细胞膜、中体结合在一起。3.功能：传递H和电子，同时将电子传递过程中的能量合成ATP。4.组成：脱氢酶、辅酶Q和细胞色素等组分组成。,电子传递链（呼吸链）,三、生物氧化的类型,类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵作用概念：呼吸：呼吸是指微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出较多能量的过程。其中，以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸，以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸称为无氧呼吸。呼吸是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。,发酵：广义的“发酵”：利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式；狭义的“发酵”：在无外源电子受体的条件下，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代谢产物的过程。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。呼吸与发酵的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。,1.有氧呼吸（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。呼吸基质有有机物或无机物两种情况。最普遍、最重要的生物氧化或产能方式除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应。在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环（TCA）被彻底氧化成水和CO2，同时释放出大量能量。产能量多，一分子葡萄糖净产38个ATP。,2.无氧呼吸（厌氧呼吸）：是在无氧的条件下，以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等外源无机氧化物或有机氧化物（延胡索酸等）作为最终电子受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。无氧呼吸有以下类型：（1）硝酸盐呼吸；（2）硫酸盐呼吸；（3）硫呼吸；（4）铁呼吸；（5）碳酸盐呼吸；（6）延胡索酸呼吸,以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称为：硝酸盐呼吸：NO3-+2H+2e-=NO2-+H2O反应生成的NO2-可以被分泌到胞外，也可以进一步被还原成N2，这个过程称为反硝化作用。反硝化作用利和弊：反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮(NO3-)的消失，从而降低了土壤肥力，对农业生产不利。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。,3、发酵作用：如果电子供体是有机物，而最终电子受体也是有机物的生物氧化过程，称为发酵。在发酵过程中，有机物既是被氧化的基质，又是最终的电子受体。发酵途径：发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。发酵类型：在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。根据发酵产物不同，发酵的类型主要有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵等。,在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。,发酵（fermentation）,四、微生物细胞ATP的生成和利用,1.ATP的生成（1）光合磷酸化：利用光能合成ATP的反应，将光能转变为化学能。光合磷酸化又可分为环式光合磷酸化和非环式光合磷酸化。（2）氧化磷酸化：生物体内氧化磷酸化是普遍存在的，利用化合物氧化过程释放的能量，将ADP磷酸化生成ATP的过程。有两种方式：底物水平磷酸化和电子传递水平磷酸化。2.ATP的利用主要应用于供应合成细胞的物质所需的能量。,第五节微生物的合成代谢与分解代谢,微生物的代谢包括合成代谢和分解代谢。合成代谢是分解代谢的基础，分解代谢又为合成代谢提供了动力，它们同能量的转移紧密相连，构成了新陈代谢，决定了微生物的生存和发展。,一、合成代谢,微生物从体外吸收各种营养物质，在细胞内各种酶的催化下，通过复杂的转化与组成，合成各种分子结构复杂的有机物质，用以构成细胞的各个部分，为个体生长、发育、繁殖提供物质基础，这个过程就是微生物的合成代谢。合成的物质：碳水化合物、脂类物质、氨基酸和蛋白质、核酸和核苷酸以及次生代谢产物。还有细胞壁肽聚糖的合成。次生代谢产物：是在微生物的合成代谢过程中形成的，积累于细胞内或细胞外，主要有：抗生素、生长激素、毒素和色素等。（见下页）,次生代谢产物,1抗生素某些微生物产生的对本身无害，但对其他微生物有杀害或抑制生长作用的物质。如放线菌中的链霉菌产生的链霉素；产黄青霉产生的青霉素，除医用、农用外，抗生素在食品工业防腐上也常常采用。2生长刺激素一类少量就可以提高生物生理活性的物质。如赤霉菌产生的赤霉素少量就那可以刺激作物的生长。3毒素微生物产生的对生物细胞具有杀害作用的物质。如黄曲霉产生的有致癌性的黄曲霉素，肉毒杆菌分泌的肉毒毒素，毒蕈产生的毒蕈毒素。4色素微生物代谢过程中产生的有色物质。色素分水溶性色素和脂溶性色素两种。水溶性色素常分泌出细胞使培养基着上紫、红、黄、绿、褐、灰、黑等颜色。脂溶性色素积累在细胞内使菌体或孢子带上各种颜色。如霉菌的菌丝，孢子常呈现各种不同的颜色。,二、分解代谢,分解代谢是细胞内碳水化合物、脂肪、蛋白质经过氧化分解释放出能量的过程。1、碳水化合物的分解（1）淀粉的分解（2）纤维素的分解（3）果质的分解2、蛋白质、氨基酸的分解3、脂肪的分解,第六节微生物的发酵,发酵是广义上的发酵，即工业上所说的发酵。它一般泛指微生物利用有机物质，在有氧、无氧或兼性好氧条件下，进行合成各类化工产品的过程。微生物的发酵过程包含着物质分解和合成新物质的过程，通常可以分为二个阶段：分解利用营养物质，合成细胞物质，菌体大量繁殖累积代谢产物。微生物的发酵类型很多，我们根据代谢途径来介绍。,一、由EMP途径进行的发酵,微生物利用葡萄糖发酵产生各种有机酸、醇和CO2等物质。葡萄糖经1，6-二磷酸果糖分解为二分子丙酮酸。以后从丙酮酸出发，随微生物种类不同，其最终发酵产物也不一样，主要有以下几种：1、同型酒精发酵酵母菌利用葡萄糖发酵为丙酮酸后，再由脱羧酶催化脱羧乙醛，乙醛再被还原成乙醇。C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2C2H5OH+2CO22、同型乳酸发酵在发酵产物中只有乳酸。主要有乳酸杆菌属和链球属的一些微生物发酵产业。工业上常用的菌种有德氏乳杆菌和保加利亚杆菌、干酪乳杆菌等。+2HCH3COCOOHCH3CHOHCOOH,3、丙酸发酵丙酸细菌能将丙酮酸发酵成为丙酸。生化途径如下：COOHCOOHCOOHCOCOOHCHOHCH2CH2+CO2+2H-H2O+2H-CO2COCH2COOHCH2CH2CH2COOHCOOHCOOHCOOH草酰乙酸苹果酸琥珀酸丙酸发酵产物中，还常有乙酸与CO2存在。丙酸细菌多见于动物肠道和乳制品中，工业上常用傅氏丙酸杆菌和薛氏丙酸杆菌等发酵产生丙酸。丙酸细菌除利用葡萄糖外，也可利用甘油和乳酸进行丙酸发酵。,4、混合酸发酵进行此类发酵的主要是肠道细菌，如大肠杆菌等。由于其发酵产物含有甲酸、乙酸、乳酸等有机酸，故称为混合酸发酵，又称甲酸型发酵。除有机酸外，还有CO2和H2，有的还有2，3丁二醇。所有上述产物的种类及含量都因菌种不同而变化，故可用来鉴定菌种。,5、2,3-丁二醇发酵产气气杆菌也可进行混合酸发酵，不同葡萄糖而来的丙酮酸又可缩合、脱羧成乙酰甲基甲醇。它可还原成2,3-丁二醇。V-P反应：2,3-丁二醇在碱性条件下易被氧气氧化成二乙酰。二乙酰可与蛋白质中含胍基物质发生化学反应，生成红色化合物。若加入萘酚和肌酸可促使此反应进行。此反应称为V-P反应。大肠杆菌无此反应，故可与产气杆菌区别。甲基红试验：产气杆菌发酵葡萄糖将二分子丙酮酸转化成一分子中性的二乙酰，故产酸量少，pH值升高，而大肠杆菌产酸较多，使pH值将到4.2以下，所以若往发酵液中加入甲基红指示剂，则产气杆菌发酵液为橙黄色，大肠杆菌的为红色，这就是甲基红试验。,6、丁酸型发酵丁酸发酵的代表菌主要是专性厌氧的梭状芽孢杆菌。发酵产物中，除丁酸外，还有乙酸、CO2和H2等。工业上的丙酮丁醇发酵便是丁酸发酵的一种。发酵产物除乙酸、丁酸、CO2、H2外，还有丙酮、丁醇。丙酮来自乙酰乙酸的脱羧；丁醇来自丁酸的还原。进行丙酮丁醇发酵的菌种是丙酮丁醇梭菌。在丙酮丁醇发酵过程中，发酵前期主要产酸，后期酸量下降，大量积累丙酮、丁醇。另一类丁醇、异丙醇的发酵产生菌是丁醇梭菌。主要产物是丁醇、异丙醇、丁酸、乙酸、CO2和H2等。异丙醇由丙酮还原而成。,二、由HMP途径进行的发酵,由HMP途径进行发酵的典型例子是异型乳酸发酵。所谓异型乳酸发酵，就是发酵产物中除乳酸外，还有乙酸、乙醇和CO2。能进行异型乳酸发酵的微生物主要有肠膜状明串珠菌、短乳杆菌、根霉等。这些菌之所以不能进行同型乳酸发酵，主要是缺乏裂解磷酸糖的关键性酶果糖二磷酸醛缩酶。异、同型乳酸发酵的途径如图。,三、由ED途径进行的发酵,这条途径是Entner和Doudoroff在研究嗜糖假单胞菌的代谢时发现的。这个途径的关键步骤是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的3，3裂解，典型的例子是细菌的乙醇发酵。途径如图：,葡萄糖经HMP途径的前部分生产6-磷酸葡萄糖酸后，不氧化脱羧，而是在脱水酶的催化下进行脱水，生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸，再由脱氧酮糖酸醛缩酶催化裂解为二个三碳物。,比较二式，可知细菌乙醇发酵ATP少产生一个，这是由于只有一分子丙酮酸来自3-磷酸甘油醛，便只能产生2个ATP，扣除激活葡萄糖所消耗的1个ATP，所以净得只有一个ATP。在微生物细胞中，有的同时存在EMP、HMP、ED等途径来降解葡萄糖，有的只有一种，例如嗜糖假单胞菌只有一