发酵工程 第六章 微生物发酵机理

1、第六章第六章 微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理p第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢p第二节第二节 厌氧发酵产物的合成机制厌氧发酵产物的合成机制p第三节第三节 好氧发酵产物的合成机制好氧发酵产物的合成机制第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢l新陈代谢（新陈代谢（metabolism）： 生物体从环境摄取营养物转变为自身物质，同时生物体从环境摄取营养物转变为自身物质，同时将自身原有组成转变为废物排出到环境中的不将自身原有组成转变为废物排出到环境中的不断更新的过程。断更新的过程。 u 分解代谢、合成代谢分解代谢、合成代谢u 物质代谢、能量代谢物质

2、代谢、能量代谢u 初级代谢、次级代谢初级代谢、次级代谢初级代谢和次级代谢初级代谢和次级代谢1. 初级代谢（初级代谢（primary metabolism）：）：微生物从外界微生物从外界吸收各类营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生吸收各类营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。u 初级代谢产物：初级代谢产物：糖类、氨基酸、核苷酸、脂肪酸糖类、氨基酸、核苷酸、脂肪酸、多糖、蛋白质、酯类、核酸、多糖、蛋白质、酯类、核酸u 特征：特征：不同的微生物初级代谢产物基本相同；不同的微生物初级代谢产物基本相同； 生命活动所必需；生命活

3、动所必需； 初级代谢产物合成过程是连续不断的。初级代谢产物合成过程是连续不断的。2. 次级代谢（次级代谢（secondary metabolism）：）：微生物以微生物以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物生命活动无明确功能的物质和能量的过程。生命活动无明确功能的物质和能量的过程。u次级代谢产物：次级代谢产物：抗生素、毒素、激素、色素等抗生素、毒素、激素、色素等u特征：特征：不同的微生物初级代谢产物不同；不同的微生物初级代谢产物不同； 以初级代谢产物为前体；以初级代谢产物为前体； 不是生命活动所必需；不是生命活动所必需； 次级代谢产物合成过程是不连续

4、的。次级代谢产物合成过程是不连续的。微生物的能量代谢微生物的能量代谢 日光日光 （光能营养菌）（光能营养菌） 最初能源最初能源 有机物（化能异养菌）有机物（化能异养菌） ATPATP 还原态无机物（化能自养菌）还原态无机物（化能自养菌） 中心任务是将外界环境中各种形式的中心任务是将外界环境中各种形式的最初能源最初能源转变成转变成能量货币能量货币ATPATP。第二节第二节 厌氧发酵产物的合成机制厌氧发酵产物的合成机制p酒精发酵机制酒精发酵机制p甘油发酵机制甘油发酵机制p乳酸发酵机制乳酸发酵机制p沼气发酵沼气发酵机制机制一一 酒精发酵酒精发酵p酵母菌酵母菌EMP途径途径丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙醇乙醇

5、pC6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2ATP+2CO2 +2H2O（弱酸性条件）：（弱酸性条件）：1分子分子Glu发酵生成发酵生成2分子乙醇和分子乙醇和2分子分子CO2p1 G2丙酮酸丙酮酸2乙醛乙醛 + CO2 2乙醇乙醇 + 2ATP p丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶p乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶p酵母菌的乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸

6、甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸2CO2乙醛乙醛+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇乙醇糖酵解和酒精发酵的全过程糖酵解和酒精发酵的全过程酵母菌酒精酵母菌酒精发酵发酵主产物：乙醇、主产物：乙醇、COCO2 2副产物副产物4040多种多种醇（杂醇油）醇（杂醇油）醛（糠醛）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酸（琥珀酸）酯酯甲醇甲醇酒精发酵中的副产物酒精发酵中的副产物 酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发

7、酵中甘油的生成量乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。很少。如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵。代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵。NaHSO3可作为抑制剂：可作为抑制剂：乙醛乙醛 + NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠乙醛亚硫酸氢钠二二 甘油发酵甘油发酵2ATP2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPCOCO2 2NaHSONaHSO3 3NADNADNADH+HNADH+HNADH+HNADH+HNADNADH H2 2O OP

8、iPi甘油发酵甘油发酵葡葡萄萄糖糖1.6-1.6-二磷二磷酸果酸果糖糖3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羟丙磷酸二羟丙酮酮丙酮酸丙酮酸乙乙醛醛乙醛乙醛HSO3HSO3-磷酸甘磷酸甘油油甘甘油油u 乳酸菌乳酸菌在在厌氧条件厌氧条件下利用葡萄糖及其他相应的下利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸的过程。可发酵的糖产生乳酸的过程。u菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，可分为：同，可分为： 同型乳酸发酵：（同型乳酸发酵：（EMP途径）途径） 异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（HMP途径、途径、PK途径）途径）三三 乳酸发酵乳酸发酵u 进行乳酸发酵的主要是进行

9、乳酸发酵的主要是乳酸菌乳酸菌（乳链球菌、乳酪链（乳链球菌、乳酪链球菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌等）球菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌等）u 利用糖经利用糖经EMP途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。酸。 C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH u 特点：特点：1mol Glu产生产生2mol乳酸，理论转化率为乳酸，理论转化率为100%p EMP乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶1. 同型乳酸发酵同型乳酸发酵产物只有乳产物只有乳酸酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘

10、油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+u 发酵产物中除发酵产物中除乳酸乳酸外同时还有比例较高的外同时还有比例较高的乙酸、乙酸、乙醇、乙醇、CO2等。等。u 合成途径：合成途径：6-磷酸葡萄糖酸途径、磷酸葡萄糖酸途径、 双歧途径双歧途径2. 异型乳酸发酵异型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1NADNADHH6磷酸

11、葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2NADNADHH5磷酸核酮糖磷酸核酮糖35磷酸木酮糖磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoANADHHNAD乙醛乙醛NADHHNAD乙醇乙醇3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHH485766磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇p己糖激酶己糖激酶p6磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶p6磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶4. 5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向异构酶差向异构酶5. 磷酸解酮酶磷酸解酮酶6. 磷酸转乙酰酶磷酸转乙酰酶7. 乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶8. 醇脱氢酶醇脱氢酶葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸果糖磷酸果糖6

12、磷酸果糖磷酸果糖ADPPi4磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛7磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核糖磷酸核糖乙酰磷酸乙酰磷酸ATP乙酰乙酰5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核酮糖磷酸核酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸2 分子分子3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHHADPATP3分子乙酸分子乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸1324567p6-磷酸果糖解酮酶磷酸果糖解酮酶p转二羟基丙酮基酶转二羟基丙酮基酶p转羟乙醛基酶转羟乙醛基酶p5磷酸核糖异构酶磷酸核糖异构酶p5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向异构差向异构酶酶

13、p5磷酸木酮糖磷酸酮解酶磷酸木酮糖磷酸酮解酶p乙酸激酶乙酸激酶 不同点不同点同型乳酸发酵同型乳酸发酵 异型乳酸发酵异型乳酸发酵 参与发酵的微参与发酵的微生物类群生物类群乳酸菌（双球菌、链球菌、乳酸菌（双球菌、链球菌、乳杆菌等兼性微生物）乳杆菌等兼性微生物）肠膜状明串珠菌、番茄乳杆菌、短肠膜状明串珠菌、番茄乳杆菌、短乳杆菌、甘露醇乳杆菌、双歧杆菌乳杆菌、甘露醇乳杆菌、双歧杆菌及真菌中的根霉及真菌中的根霉关键酶关键酶磷酸果糖激酶、乳酸脱氢磷酸果糖激酶、乳酸脱氢酶酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶 发酵途径发酵途径 EMP途径途径HMP、PK途径途径 途径中参与途径中参与的辅酶类型的

14、辅酶类型 NADH（辅酶（辅酶） NADPH（辅酶（辅酶） 过程途径过程途径 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸产物只有乳酸产物只有乳酸 葡萄糖葡萄糖乳酸、乙醇等乳酸、乙醇等 产物产物 只含乳酸只含乳酸 乳酸、乙醇、乳酸、乙醇、CO2等等 理论发酵率理论发酵率100% （高）（高） 50%（低）（低）总反应式总反应式C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2ATPC6H12O6+2ADP+2PiCH3COCOOH+CH3CH2OH+CO2+2ATPp第一阶段是复杂有机物，第一阶段是复杂有机物，如纤维素、蛋白质、脂如纤维素、蛋白质、脂肪等，在微生物作用下肪等，在微生物作用下降解至其基本结构单

15、位降解至其基本结构单位- -分解成各种脂肪酸、二分解成各种脂肪酸、二氧化碳和氢气；氧化碳和氢气；p第二阶段是各类脂肪酸第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸、进行分解，生成乙酸、二氧化碳和氢气；二氧化碳和氢气；p第三阶段是在甲烷产生第三阶段是在甲烷产生菌的作用下由醋酸和二菌的作用下由醋酸和二氧化碳及氢气反应生成氧化碳及氢气反应生成甲烷。甲烷。 四四 甲烷发酵甲烷发酵第三节第三节 好氧发酵产物的合成机制好氧发酵产物的合成机制p柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制p氨基酸的发酵机制氨基酸的发酵机制p抗生素的发酵机制抗生素的发酵机制一一 柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制柠檬酸的应用：柠檬酸的应用：p饮料

16、与冰淇淋饮料与冰淇淋p果酱与酿造酒果酱与酿造酒p腌制品腌制品 p罐头食品罐头食品p豆制品及调味品豆制品及调味品p其它：医药、化学工业其它：医药、化学工业p柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有机酸。机酸。p我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约50万吨万吨 柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵微生物 p 黑曲霉黑曲霉分生孢子头分生孢子头三羧酸循环（糖的最后氧化途径）三羧酸循环（糖的最后氧化途径）柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理p柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理柠檬酸积累的

17、代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p 1. 1. 糖酵解糖酵解及丙酮酸代谢的调节及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，抑制了黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，抑制了蛋白质的合成，可提高蛋白质的合成，可提高NHNH4 4+ +浓度，高浓度浓度，高浓度NHNH4 4+ + 可有效解除可有效解除ATPATP、 柠檬酸对磷酸果糖柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。激酶的抑制。柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p2. 2. 三羧酸循环三羧酸循环的调节的调节柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶含含铁铁的非血红蛋白，以的非血红蛋白，以FeFe4 4S S4 4作为辅基。作为辅基。

18、且反应需要且反应需要FeFe+适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与FeFe+ 生成络合生成络合物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低，同样积累柠檬酸或活力很低，同样积累柠檬酸。柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p3. 3. 及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸外加草酰乙酸外加草酰乙酸回补途径旺盛的菌种回补途径旺盛的菌种 组成型的丙酮酸羧化酶组成型的丙酮酸羧化酶回补途径回补途径二二 氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制p氨基酸发酵工业是利用

19、微生物的生长和代谢活氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。动生产各种氨基酸的现代工业。p氨基酸发酵是典型的氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵代谢控制发酵。发酵所生成的产物发酵所生成的产物氨基酸，都是微生物的中间氨基酸，都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。抑制。氨基酸发酵的关键是取决于其氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被控制机制是否能够被解除解除，是否能，是否能打破微生物的正常代谢调节打破微生物的正常代谢调节，人为地，人为地控制微生物的代谢控制微生物的代谢。氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵

20、的代谢控制p控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件p控制细胞渗透性控制细胞渗透性p控制旁路代谢控制旁路代谢p降低反馈作用物的浓度降低反馈作用物的浓度p消除终产物的反馈抑制与阻遏消除终产物的反馈抑制与阻遏p促进促进ATPATP的积累，以利于氨基酸的生物合成的积累，以利于氨基酸的生物合成氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。影响。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷氨酸谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则就几乎不积累谷氨酸。件，否则就几乎不积累谷氨酸。1 控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换环境因子环境因子发发 酵酵 产产 物物 转转 换换溶解氧溶解氧谷氨酸谷氨酸乳酸和琥珀酸乳酸和琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸（通气不足）（通气不足）（适中）（适中） （通风过量，转速过快）（通风过量，转速过快）NHNH4 4+ +酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺（适量）（适量）（缺乏）（缺乏）（过量）（过量）pHpH值值谷氨酰胺，谷氨酰胺，N-N-乙