乳酸发酵的代谢及

乳酸发酵的代谢及调控,组员：陈莉黄汉华李洁琼蓝丽丽,第一部分乳酸的性质及用途,1、乳酸的物理化学性质,乳酸学名是-羟基丙酸，分子式为CH3CH（OH）COOH，分子量为90.08Da。纯品为粘稠状液体、微黄色、澄明、无嗅、味微酸、有较强吸湿性，可以与水、酒精和乙醚以任意比例混合。乳酸分子结构中含有不对称碳原子，具有旋光性，分为L乳酸、D乳酸和DL乳酸，而人体内只含有L乳酸脱氢酶导致仅能消化利用L乳酸。因此L乳酸的用途较广，DL乳酸只做工业用途，D乳酸已基本不生产。,乳酸的结构式,2、乳酸在各行业中的用途,在食品行业的用途在医药方面的用途在工业中的用途在农产品及农业上的用途,2.1在食品行业的用途,1)乳酸有很强的防腐保鲜功效，可用在饮料、蔬菜腌制以及水果的贮藏等方面，具有调节pH值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用；2)乳酸独特的酸味可增加食物的美味，在调味品中加入一定量的乳酸，可保持产品中的微生物的稳定性、安全性，同时使口味更加温和；3)由于乳酸的酸味温和适中，可作为精心调配的软饮料和果汁的首选酸味剂；,2.1在食品行业的用途,4)在酿造啤酒时，加入适量乳酸既能调整pH值促进糖化，有利于酵母发酵，提高啤酒质量，又能增加啤酒风味，延长保质期；5)天然乳酸有着乳制品的口味和良好的抗微生物作用，已广泛用于调配型酸奶酸酪、冰淇淋等食品中，成为倍受青睐的乳制品酸味剂；6)乳酸粉末是用于生产荞头的直接酸味调节剂。乳酸是一种天然发酵酸，可令面包具有独特口味；乳酸作为天然的酸味调节剂，在面包、蛋糕、饼干等焙烤食品用于调味和抑菌作用，并能改进食品的品质，保持色泽，延长保质期。,2.2在医药方面的用途,1)在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸气消毒，可有效杀灭空气中的细菌，起到减少疾病，达到提高健康之目的；2)在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH调节剂等；3)乳酸聚合得到聚乳酸，聚乳酸可以抽成丝纺成线，这种线是良好的手术缝线，缝口愈合后不用拆线，能自动降解成乳酸被人体吸收。而且聚乳酸可做成粘接剂在器官移植和接骨中应用；4)乳酸可以直接配制成药物或制成乳酸盐使用；5)乳酸可起到调节肌肉活力和抗疲劳的制约作用。,2.3在工业中的用途,1)乳酸在发酵工业中用于控制pH值和提高发酵物纯度；2)在卷烟行业中可以保持烟草湿度，除去烟草中杂质，改变口味，提高烟草档次，乳酸还可中和尼古丁烟碱，减少对人体有害成份提高烟草品质；3)在纺织行业中用来处理纤维，可使纤维易于着色，增加光泽，使触感柔软；4)在涂料墨水工业中用作pH调节剂和合成剂；5)乳酸亦可作为聚乳酸的起始原料，生产新一代的全生物降解塑料；,2.3在工业中的用途,6)在制革工业中，乳酸可脱去皮革中的石灰和钙质，使皮革柔软细密，从而制成高级皮革；7)乳酸由于对镍具有独一无二的络合常数，常被用于镀镍工艺，它同时可作为电镀槽里的酸碱缓冲剂和稳定剂；8)乳酸作为pH调节剂和合成剂可应用于各种水基涂层的粘合系统。如：电积物的涂层。9)乳酸具有清洁去垢等作用，用于洗涤清洁产品比传统的有机除垢剂性能更佳，因此它可应用于众多除垢产品中。,2.4在农产品及农业上的用途,1)光学纯度高达99%以上的乳酸，在农药方面可用于生产缓释农药，例如除草剂，具有对农作物和土壤无毒无害且高效的特点；2)乳酸聚合物用于生产农用薄膜，取代塑料地膜，能被细菌分解后让土壤吸收，利于环保；3)在猪禽饲料中作为生长促进剂。乳酸可以降低胃内的PH值，起到活化消化酶、改善氨基酸消化能力的作用，并对肠道上皮的生长有好处。小猪在断乳后的几个星期喂食含有酸化剂的饲料，其在断乳期间的体重可以增加15%；,2.4在农产品及农业上的用途,4)乳酸还用于青饲料贮藏剂、牧草成熟剂；5)乳酸抑制微生物的生长。哺乳期的小猪会染上由大肠杆菌和沙门氏菌引起的疾病，在饲料中加入乳酸能防止小猪下胃肠道中病原菌生长；6)乳酸可以作为饲料的防腐剂并增进饲料、谷物和肉类加工产品副产品的微生物稳定剂；7)在家禽和小猪的饮用水中加入乳酸，可以有效地抑制病原菌的生长，动物体重增加速度提高。,另外，乳酸还具有排除致病菌、维持宿主肠道菌相平衡、营养价值、预防骨质疏松症、改善乳糖不耐症、减少血液胆固醇堆积、抑制癌症、刺激免疫反应，增加宿主抵抗能力等作用。,第二部分乳酸发酵的代谢及调控,1、乳酸的生物合成途径,乳酸代谢存在同型、异型和混合酸发酵等多种类型。1）同型乳酸发酵中乳酸是唯一的代谢产物,采用的是糖酵解途径(EMPparthway),人和大多数动植物属于此类代谢类型。2）异型乳酸发酵通过磷酸戊糖途径(hexosemonophosphatepathway,HMP)生成乳酸、CO2、乙醇(或乙酸)。3）混合乳酸发酵是在特殊情况下,如葡萄糖浓度受到限制、pH升高或温度降低而发生的乳酸发酵机制。无论哪条途径,乳酸都是经过丙酮酸转变而来的,丙酮酸也是此过程中关键的中间产物。,1）同型乳酸发酵,同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖酵解途径生成丙酮酸。由于大多数乳酸菌不具有脱羧酶，因此，丙酮酸不能脱羧生成乙醛，而在乳酸脱氢酶的催化下（需要还原型辅酶）,丙酮酸作为受氢体被还原为乳酸。,同型乳酸发酵过程,葡萄糖2ATP2ADP3-磷酸甘油醛2NAD-2NADH+H+-1,3二磷酸甘油酸4ADP4ATP丙酮酸NADH+H+-NAD-乳酸,2）异型乳酸发酵,异型乳酸发酵除生成乳酸外，还生成CO2和乙醇或乙酸，其生物合成途径有两种，即6磷酸葡萄糖途径和双歧途径。,2.1）6磷酸葡萄糖途径,这是一条磷酸酮解途径，1mol葡萄糖生成1mol乳酸和1mol乙醇。乳酸对糖的理论转化率是50%。肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等通过该途径进行异型乳酸发酵。,图：6-磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇,1.己糖激酶；2.6-磷磷酸葡萄糖脱氢酶；3.6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶；4.5-磷酸核酮糖-3-差向异构酶；5.磷酸解酮酶；6.磷酸转乙酰酶；7.乙醛脱氢酶；8.醇脱氢酶,2.2）双歧途径,该途径也是一条磷酸酮解途径。该途径的特点是：有两个磷酸酮解酶参与；在没有氧化作用和脱氢作用的反应参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3磷酸甘油醛。接着，在3磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下，3磷酸甘油醛转变为乳酸。,图：葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸,2、乳酸代谢调控机制,代谢调控的目的就是通过控制物质代谢的流向和通量来经济、高效地满足系统在特定环境和状态下的需要。而细胞中绝大部分反应是由酶来催化完成的,所以系统对代谢通量的控制其实就是通过调控这些酶的活性来实现的。其基本手段有两种:(1)通过磷酸化、去磷酸化等化学修饰改变酶分子的结构来实现对酶活性的调节,这种方式适用于变构酶,能够快速地完成响应。(2)通过调节酶的合成和降解速度来控制酶的浓度,这种方式发挥作用慢,但是效果持久。两种方式通常是被联合采用的。,第三部分米根霉发酵产L-乳酸的代谢调控研究,1、米根霉,微生物中具有代表性的乳酸发酵是米根霉（Rhizopusoryzae）等霉菌类。米根霉属真菌中的接台菌门(Zygomycota)接台菌纲(Zygomycetes)毛霉目(Mueorales)毛霉科(Mucoraceae)根霉属(RAeopus)，其发酵生产L-乳酸具有产物光学纯度高、营养需求简单、产物易提纯、可直接利用淀粉发酵等优点，是目前国内外从事L-乳酸发酵研究的科技人员关注的热点。,2、本实验研究内容,本研究以米根霉碳代谢关键酶LDH及ADH入手，较系统地研究了LDH及ADH的分离纯化与催化特性，摇瓶发酵和罐发酵条件下Mg2+和Zn2+离子对米根霉发酵的调控模式，以及不同通气条件下的米根霉发酵调控模式，并在代谢理论指导下选育出米根霉高产L-乳酸的突变菌株。,米根霉产L-乳酸的代谢网络,该网络表明，葡萄糖进入细胞内，通过糖酵解途径(EMP)生成丙酮酸。丙酮酸在细胞内主要有四种去向：一.是通过丙酮酸脱羧酶(PDC)、乙醇脱氢酶(ADH)进入产乙醇的途径；二.是通过丙酮酸羧化酶(PC)形成草酰乙酸，再通过苹果酸脱氢酶和富马酸酶生成苹果酸和富马酸三.是通过L乳酸脱氢酶(LDH)直接生成k乳酸，这是目标产物形成途径；四.是通过丙酮酸脱氢酶系(PDH)将丙酮酸转化成乙酰CoA后进入三羧酸循环(TcA)以维持生物量平衡后的基本代谢。,实验研究的思路,米根霉发酵产L-乳酸的代谢流程中，葡萄糖经过EMP途径转化为丙酮酸，丙酮酸可以经LDH催化转化为乳酸，也可以经过丙酮酸脱氢酶转化为乙醛，再经过ADH转化为乙醇。已有的研究证明，米根霉的乳酸产生量与LDH活力，以及乙醇产生量与乙醇脱氢酶(ADH)活力都成正相关性。这表明。为了提高乳酸的转化率，降低乙醇的转化率。可以考虑通过提高发酵过程中LDH活力，抑制ADH活力来实现。,3、该实验中重要的酶,乳酸脱氢酶(LDH)与乙醇脱氢酶(ADH)米根霉LDH粗酶液在30一50C条件下有较高的稳定性，最适pH75，容易被Mg2+、Ca2+激活，被K+、Zn2+抑制：LDH对NADH的米氏常数Km为722x104mol/L，对丙酮酸的米氏常数Km为124x10-3mol/L。ADH粗酶液的最适催化温度为25C，最适反应pH值75，EDTA，Mg2+和Ca2+对该酶活力的影响较小，但较大的Zn2+浓度对该酶有一定的抑制作用，该酶对乙醛的米氏常数Km为6896610-4mol/L。,根据两个酶的特性,可以把温度控制在30一50C，加入Mg2+、Ca2+。抑制ADH，激活LDH.,乳酸脱氢酶(LDH