生物化学工程基础(第三章代谢作用与发酵)

1、 第三章第三章 代谢作用与发酵代谢作用与发酵nfermentation :广广义的讲就是利用义的讲就是利用微生物或生物化微生物或生物化学学的手段，将各的手段，将各种种物质物质加以加以改变改变，然后利用由此取然后利用由此取得的得的能量能量及及代谢代谢中间体中间体，而得到，而得到各种有用的物质。各种有用的物质。一、糖的概念 糖即碳水化合物，是多羟基醛与多羟基酮及其衍生物或多聚物.它主要是由绿色植物经光合作用形成的,主要是由C、H、O构成的。二、糖的分类 根据水解后产生单糖残基的多少分为四大类单糖寡糖多糖结合糖1.单糖：不能再水解的糖D-D-葡萄糖葡萄糖CHOCCCCCH2OHHOHOHHHOHHO

2、H123456CHOCCCCCH2OPO3H2HOHOHHHOHHOH6-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖 D-D-果果糖糖CH2OHCCCCCH2OHOOHHHOHHOH123456CH2OHCCCCCH2OPO3H2OOHHHOHHOH6-6-磷酸果磷酸果糖糖CH2OHCCCCCH2OPO3H2OOHHHOHHOH核糖核糖HOHCHOCCCCH2OHHOHHOH321455-5-磷酸核糖磷酸核糖HOHCHOCCCCH2OPO3H2HOHHOH核酮糖核酮糖CH2OHCCCCH2OHOHOHHOH321455-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖CH2OHCCCCH2OPO3H2OHOHHOH核酮糖核酮糖 戊酮糖

3、戊酮糖甘油醛甘油醛OHCHOCH2OHHC1233-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛OHCHOCH2OPO3H2HC甘油醛甘油醛 丙醛糖丙醛糖二羟丙酮二羟丙酮CH2OHCH2OHC=O123磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮CH2OHCH2OPO3H2C=O二羟丙酮二羟丙酮 丙酮糖丙酮糖葡萄糖是体内糖代谢的中心（1）葡萄糖是食物中糖(如淀粉)的消化产物（2）葡萄糖在生物体内可转变成其它的糖， 如核糖、果糖、半乳糖、糖原等；（3）葡萄糖是哺乳动物及胎儿的主要供能物质（4）葡萄糖可转变为氨基酸和脂肪酸的碳骨架2.双糖双糖双糖：由两个相同或不同的单糖组成,常见的有乳糖、蔗糖、麦芽糖等.OCH2OHHHOHHHOHHO

4、HOOHOH2CHOHHOHHHOHH14麦芽糖-D-D-葡萄糖苷葡萄糖苷- -（1414）-D-D-葡萄糖葡萄糖HCH2OHHOHOHHCH2OHOOOHOH2CHOHHOHHHOHH112OOCH2OHHOHHOHHHOHHOCH2OHHHOHHHOHOHH14-D-D-葡萄糖苷葡萄糖苷- -（1212）- -D-D-果糖果糖-D-D-半乳糖苷半乳糖苷- -（1414）- -D-D-葡萄糖葡萄糖乳糖蔗糖3.多糖定义：水解产物含6个以上单糖常见的多糖淀粉、糖原、纤维素等淀粉淀粉(starch)OHHOCH2OHCH2OHOOOOCH2CH2OHOOOOHOOOO蓝色蓝色: :-1,4-1,4

5、-糖苷键糖苷键红色红色: :-1,6-1,6-糖苷键糖苷键直链淀粉直链淀粉支链淀粉支链淀粉糖原糖原(glycogen)非还原端非还原端还原端还原端糖原在体内的作用糖原是体内糖的贮存形式 糖原贮存的主要器官是肝脏和肌肉组织肝糖原： 含量可达肝重的5%(总量为90-100g)肌糖原： 含量为肌肉重量的1-2%(总量为200-400g) 人体内糖原的贮存量有限，一般不超过500g.肝细胞中的糖原颗粒糖原颗粒纤维素纤维素 作为植物的骨架作为植物的骨架-1,4-糖苷键糖苷键4.结合糖糖与非糖物质的结合物常见的结合糖有：糖脂：是糖与脂类的结合物糖蛋白：是糖与蛋白质的结合物 第二节第二节 发酵的类型发酵的类

6、型 根据微生物的种类不同，可分为好氧性根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性厌氧性发酵。发酵、厌氧性发酵和兼性厌氧性发酵。 （1）好氧性发酵）好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。满足微生物呼吸需要。 e.g. Bacillus subtilis -amylase Corynebacterium 265-inosinic acid Asp.niger Uv06-citric acid C.glutamicum As1299-glutamic acid（2） 厌氧性

7、发酵厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：在发酵过程中不需要供给无菌空气。在发酵过程中不需要供给无菌空气。 e.g. lactic acid bacteria -lactic acid Bacillus clostridium -acetone-butanol（3）兼性发酵兼性发酵 (facultative fermentation) ： 在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧发酵，大量繁殖菌体细胞。好氧发酵，大量

8、繁殖菌体细胞。好氧发酵罐厌氧发酵罐 糖酵解途径及特点糖酵解途径及特点EMPEMP途径大致可分途径大致可分 1 1，6-6-二磷酸果二磷酸果糖的生成；糖的生成； 1 1，6-6-二磷酸果二磷酸果糖分解为两个磷酸糖分解为两个磷酸丙糖；丙糖； 磷酸丙糖转化为磷酸丙糖转化为丙酮酸；丙酮酸；glycolysis 1. 动物、植物、微生物细胞中动物、植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同途分解产生能量的共同途径径 2. EMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果糖激酶（该酶受糖激酶（该酶受ATP、柠檬酸的抑制，为、柠檬酸的抑制，为AMP所激活）所激活）；丙酮酸激

9、酶；丙酮酸激酶；3-磷酸甘油醛脱氢酶（受碘乙酸抑制）磷酸甘油醛脱氢酶（受碘乙酸抑制）；烯醇化酶（受氟化物抑制）。；烯醇化酶（受氟化物抑制）。 3. 当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几步反当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数几步反应转化为糖酵解途径的中间产物，应转化为糖酵解途径的中间产物，然后沿着糖酵解途径然后沿着糖酵解途径进行降解。进行降解。 4. 丙酮酸的不同去路。反应中生成的丙酮酸的不同去路。反应中生成的NADH2不能积存，不能积存，必须被重新氧化为必须被重新氧化为NAD后，才能继续不断地推动全部反后，才能继续不断地推动全部反应应。 在无氧在无氧条件下条件下： 在在乳酸菌乳酸菌

10、中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作为受氢体而被还原为乳酸，即同型为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酸发酵；乳酸发酵； 在在酵母菌酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体被还原为乙醇，即被还原为乙醇，即酒精发酵酒精发酵； 在在梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧生成乙酰中，丙酮酸脱羧生成乙酰COACOA，然后经一系列变化生成丁酰，然后经一系列变化生成丁酰COACOA、丁醛，两者、丁醛，两者作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、作为受氢体被还原生成丁醇，

11、生成物中还有丙酮、乙醇，所以称为乙醇，所以称为丙酮丙酮- -丁醇发酵丁醇发酵。 在有氧条件条件下：在有氧条件条件下： 丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰COACOA，在，在TCATCA循环中脱氢，并氧化形成循环中脱氢，并氧化形成CO2和和 H H2 2O O，或者各种代谢物，或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给经呼吸链将氢传递给氧生成水。氧生成水。 另外，乙酰辅酶另外，乙酰辅酶A A在生物合成过程中作为在生物合成过程中作为C2化合物加以利用，形成脂肪等。化合物加以利用，形成脂肪等。在好氧条件下在好氧条件下 丙酮酸丙酮酸进入进入TCA环，进行代环，进

12、行代谢，产生各种谢，产生各种好好氧代谢产物氧代谢产物如柠如柠檬酸、氨基酸、檬酸、氨基酸、酶制剂、抗生素酶制剂、抗生素等等 ，或完全氧化，或完全氧化获得能量。获得能量。淀粉葡萄糖丙酮酸CO2+H2OATP生物体内氧化分步骤进行生物体内氧化分步骤进行 三羧酸循环一定需要三羧酸循环一定需要氧氧才能才能进行。在三羧酸循环中脱下的进行。在三羧酸循环中脱下的氢氢，形成，形成NADH 和和 FADH2，然后，然后再逐步传递给再逐步传递给氧。氧。丙酮酸三个二氧化碳三个二氧化碳三羧酸循环 微生物的代谢途径微生物的代谢途径： 淀粉淀粉 葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸完全氧化完全氧化 CO2+H2O 不完全氧化不完全氧

13、化 不定向代谢不定向代谢 产物产物TCAO2-O2乙醇（酵母、细菌）、甘油（酵母）乙醇（酵母、细菌）、甘油（酵母）乳酸（乳酸菌）、己酸（细菌乳酸（乳酸菌）、己酸（细菌 ）丁醇（梭状芽孢杆菌）、丙酸丁酸（细菌）丁醇（梭状芽孢杆菌）、丙酸丁酸（细菌）控制控制EMP 微生物发酵过程即为微生物发酵过程即为生生物反应过程物反应过程，是指由微生物，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。生化反应过程。 一、酵母菌的酒精发酵一、酵母菌的酒精发酵 Q： 酒精酵母的呼吸作酒精酵母的呼吸作用用？第一节第一节 厌氧发酵机制与代谢调控厌氧发酵机制与代谢调控巴斯德 (Louis Pas

14、teur)曲颈瓶实验 1.1.无生命的无生命的水浸液能产生水浸液能产生微生物微生物 2. 2. 产生微产生微生物需要种子生物需要种子，空气才能产，空气才能产生微生物生微生物( (一一) ) 自然发酵学说自然发酵学说1 1、否定了生命、否定了生命“自然发生自然发生”学说；学说；2 2、解决了当时工、农、医方面提出的许多、解决了当时工、农、医方面提出的许多难题，推动了生产的发展：难题，推动了生产的发展：3 3、奠定了微生物学的理论基础，、奠定了微生物学的理论基础，4 4、创造了一些微生物学实验方法、创造了一些微生物学实验方法 水浸液烧开后不会腐败，不烧开会腐败；水浸液烧开后不会腐败，不烧开会腐败；

15、如果去掉瓶塞，烧开后也会腐败。如果去掉瓶塞，烧开后也会腐败。 说明：无生命的水浸液不能产生微生物说明：无生命的水浸液不能产生微生物, ,产产生微生物需要种子，空气才能产生微生物生微生物需要种子，空气才能产生微生物( (二二) ) 酒精发酵是生物化学现象酒精发酵是生物化学现象 酒精发酵是纯化学的现象酒精发酵是纯化学的现象(不同的观点不同的观点) A “酵母的作用并不是由于它的生命活动，相反酵母的作用并不是由于它的生命活动，相反恰恰是由于它的分解恰恰是由于它的分解” B “酵母体内含有一种酶，它能使糖变成酒精和酵母体内含有一种酶，它能使糖变成酒精和二氧化碳二氧化碳” C “酒精发酵并不是非有活酵母

16、参加不可酒精发酵并不是非有活酵母参加不可” 巴士德试验证明巴士德试验证明酒精发酵是生物与化学相结合的酒精发酵是生物与化学相结合的现象。现象。 巴士德试验巴士德试验nA A： 将可发酵性的汁液放在烧瓶中，用棉塞塞好，将可发酵性的汁液放在烧瓶中，用棉塞塞好，加入煮沸灭菌，任何情况下没有酒精发酵。加入煮沸灭菌，任何情况下没有酒精发酵。nB B：加入少量的酵母到汁液中，很快引起酒精发：加入少量的酵母到汁液中，很快引起酒精发酵，而且酵母数量增加。酵，而且酵母数量增加。nC C：将酵母烧成灰，然后加入到烧瓶的汁液中，：将酵母烧成灰，然后加入到烧瓶的汁液中，则不起发酵现象。则不起发酵现象。 说明：发酵是酵母

17、细胞生命活动的结果。说明：发酵是酵母细胞生命活动的结果。 发酵现象是由微生物引起的。发酵现象是由微生物引起的。 结论结论 发酵是能量来源的过程，是在缺氧条件下新发酵是能量来源的过程，是在缺氧条件下新陈代谢的主要方式，是酵母菌、乳酸菌等微生物固陈代谢的主要方式，是酵母菌、乳酸菌等微生物固有的呼吸作用的方式。有的呼吸作用的方式。 酒精发酵是生物与化学相结合的一种现象，也酒精发酵是生物与化学相结合的一种现象，也就是说生物体是化学反应的所在地，在生物体内将就是说生物体是化学反应的所在地，在生物体内将糖转变为酒精和二氧化碳，另一方面，这种化学反糖转变为酒精和二氧化碳，另一方面，这种化学反应必须有生物体酵

18、母参加。应必须有生物体酵母参加。 Q: Q: 发酵作用和呼吸作用有何区别？发酵作用和呼吸作用有何区别？(三三)空气对酵母菌作用的影响空气对酵母菌作用的影响n1.1.在敞口玻璃容器盛有液层很薄的可发酵性糖液在敞口玻璃容器盛有液层很薄的可发酵性糖液 L/SL/S1 14 4 （ LL酵母的干重，酵母的干重，S S是耗糖量）是耗糖量）n2.2.在长颈玻璃瓶盛有半瓶可发酵性汁液在长颈玻璃瓶盛有半瓶可发酵性汁液 L/SL/S1 12020n3.3.在在2 2中将瓶的开口拉成曲颈细玻璃管中将瓶的开口拉成曲颈细玻璃管 L/SL/S1 12525n4.4.同同3 3，将液体装满，将液体装满 L/SL/S1 1

19、7575n5.5.将可发酵的汁液加热煮沸，驱逐所含的空气，见入酵将可发酵的汁液加热煮沸，驱逐所含的空气，见入酵母，用抽气的方式将容器装满，于侧管放一发酵栓，在母，用抽气的方式将容器装满，于侧管放一发酵栓，在无氧的条件下发酵，无氧的条件下发酵， L/SL/S1 1175175n 酵母培养液中的空气越少，则分解的糖越多，酵母培养液中的空气越少，则分解的糖越多，而酵母自然繁殖的数量越少，酵母在分解糖的过而酵母自然繁殖的数量越少，酵母在分解糖的过程中起着向催化剂的作用。即酵母进行嫌气性生程中起着向催化剂的作用。即酵母进行嫌气性生活，分解许多糖变成酒精，而它得到的能量却很活，分解许多糖变成酒精，而它得到

20、的能量却很少，自由繁殖的数量很少。少，自由繁殖的数量很少。n 在酿造酒的生产中，必须控制在酿造酒的生产中，必须控制 通风，通风，使酵母发芽繁殖，生成使酵母发芽繁殖，生成 的酵母细胞，的酵母细胞，能够在一定的能够在一定的 时间内，将时间内，将 全部全部发酵成发酵成 。如果通风过渡，就会由于。如果通风过渡，就会由于酵母的酵母的 生活而损失酒精。生活而损失酒精。 ( 四四) 酒精生成机制酒精生成机制(1 ) 葡萄糖葡萄糖（glucose） EMP 丙酮酸（丙酮酸（pyruvic acid） 己糖磷酸化作用己糖磷酸化作用 EMP 六碳糖转变为三碳糖六碳糖转变为三碳糖磷酸丙糖磷酸丙糖 丙酮酸丙酮酸 (2

21、) 丙酮酸乙醇丙酮酸乙醇 丙酮酸（丙酮酸（pyruvic acid ）脱羧脱羧乙醛（乙醛（acetaldehyde） 乙醛乙醛 还原还原 乙醇乙醇 （alcohol） 酵母菌在无氧的条件下，通过以上酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反应，步反应，1分子分子G生成生成分子的乙醇，分子的乙醇，分子的分子的CO2和和 2分子分子ATP。 2CH3COCOOH 4ATP Mg2+ 2ATP 2CO2 2CH3CHO NADH+H+ NAD+ C6H12O6 2C2H5OH 1. 从乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。从乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。 2. 有脱氢反应，脱下的氢有辅酶携带。还原型有脱

22、氢反应，脱下的氢有辅酶携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。通过与乙醛反应而重新被氧化的。 3. 从乙醇，净得从乙醇，净得ATP 。 4. 发酵过程的某些反应需辅酶和辅助因子。发酵过程的某些反应需辅酶和辅助因子。返 (五五) 酒精发酵中付产物的形成酒精发酵中付产物的形成 主产物（主产物（product） ：酒精（：酒精（alcohol） 副产物（副产物（by product ）：）： 二氧化碳（二氧化碳（carbon dioxide） 甘油（甘油（glycerol） 乙醛（乙醛（acetaldehyde） 瑚珀酸（瑚珀酸（ succinic acid ） 乙酸（乙酸（ace

23、tic acid） 酯（酯（ester） 高级醇（高级醇（higher alcohol） 双乙酰（双乙酰（diacetyl）(1)双乙酰（双乙酰（diacetyl）合成途径）合成途径n直接由乙酰辅酶和活性乙醛缩合而成。直接由乙酰辅酶和活性乙醛缩合而成。n由由 -乙酰乳酸的非酶分解产生双乙酰乙酰乳酸的非酶分解产生双乙酰CH3CHO-TPP + CH3SCOA CH3COCOCH3 + COA双乙酰是酵母合成缬氨酸时派生出来的，双乙酰是啤酒双乙酰是酵母合成缬氨酸时派生出来的，双乙酰是啤酒的重要风味指标，啤酒中的双乙酰的含量取决于生成量的重要风味指标，啤酒中的双乙酰的含量取决于生成量与排除量之间的平

24、衡（与排除量之间的平衡（风味阈值为风味阈值为为为0.1ppm ）CH3CHO-TPPCH3COCOOH -乙酰乳酸乙酰乳酸 缬氨酸缬氨酸双乙酰双乙酰2,3-丁二醇非酶氧化酵母还原降低啤酒中双乙酰的措施降低啤酒中双乙酰的措施:.提高麦汁中氨基氮的含量；提高麦汁中氨基氮的含量；.利用酵母的还原作用，将双利用酵母的还原作用，将双乙酰转变成乙酰转变成2,3-丁二醇；丁二醇；.利用二氧化碳的洗涤作用，利用二氧化碳的洗涤作用，排除双乙酰。排除双乙酰。+4. 加入加入 -乙酰乳酸脱羧酶乙酰乳酸脱羧酶;5. 使用基因工程构建的含有使用基因工程构建的含有 -乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株株（2）

25、 酯类物质酯类物质n啤酒的香味啤酒的香味n果酒的香味果酒的香味酒花香酒花香麦芽香麦芽香发酵过程形成的各种酯类的香味发酵过程形成的各种酯类的香味果香果香发酵香发酵香陈酿香陈酿香形成途径：形成途径：通式：通式：R-CO-SCOA +R OH RCOOR +COA-SHR-CO-SCOA脂肪酸的激活作用脂肪酸的激活作用酮酸的氧化作用酮酸的氧化作用n在在ATP的作用下，使脂肪酸活化的作用下，使脂肪酸活化n酮酸的氧化作用酮酸的氧化作用R-COOH + ATP + COA-SH RCOSCOA + AMP + PPi RCOCOOH + NAD +COASH RCO-SCOA + NADH2 + CO2

26、影响因素影响因素:不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；发酵温度高，有利于酯类的形成；发酵温度高，有利于酯类的形成；接种量大，酯类的形成量低。接种量大，酯类的形成量低。 （3） 含硫化合物含硫化合物 麦芽制造、麦汁制备都能生成挥发性的含硫化合麦芽制造、麦汁制备都能生成挥发性的含硫化合物，但这些物质在煮沸时被消除掉了，因此，啤酒中物，但这些物质在煮沸时被消除掉了，因此，啤酒中的含硫化合物大都是在发酵过程中形成的。的含硫化合物大都是在发酵过程中形成的。 非挥发性的，挥发性含硫化合物的来源非挥发性的，挥发性含硫化合物的来源含硫化合物含硫化合物 挥发性的（

27、硫醇）挥发性的（硫醇） ：影响啤酒的风味：影响啤酒的风味 含量低时（含量低时（8-10ppb ），对啤酒的风味起加成作），对啤酒的风味起加成作用；含量高时，构成啤酒的生青味和氧化味。用；含量高时，构成啤酒的生青味和氧化味。 一般含硫化合物的阈值很低，如一般含硫化合物的阈值很低，如H2S ,为为ppb 。 二甲基硫是啤酒中重要的含硫化合物，它的含量二甲基硫是啤酒中重要的含硫化合物，它的含量因啤酒的类型不同而不同，它超过一定量，啤酒的风因啤酒的类型不同而不同，它超过一定量，啤酒的风味就失去了典型性。味就失去了典型性。 英国上面啤酒（英国上面啤酒（Ale） DMS 14 ppb 英国底面啤酒英国底面

28、啤酒 DMS 6027 ppb 欧洲大陆底面啤酒欧洲大陆底面啤酒 DMS 44114 ppb Q：含硫化合物的来源：含硫化合物的来源?二、二、 细菌的酒精发酵细菌的酒精发酵（alcoholic fermentation of bacteria) 菌种为运动发酵单孢菌（菌种为运动发酵单孢菌（Zymomonas Mobilis），少），少数假单胞杆菌（数假单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌（），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）也能利用）也能利用G经经ED途径进行酒精发酵。途径进行酒精发酵。总反应式为总反应式为 C6H12O6+ADP+H3PO4 2C2H5OH+2CO2+A

29、TP产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。 在末端假单胞菌中能使在末端假单胞菌中能使2分子丙酮酸脱羧分子丙酮酸脱羧，然后还原乙醛生成，然后还原乙醛生成2分子乙醇和分子乙醇和2分子分子CO2；而在其他假单胞菌中氢载体再氧化后，生；而在其他假单胞菌中氢载体再氧化后，生成成1分子的乙醇、分子的乙醇、1分子乳酸和分子乳酸和1分子分子CO2。 ED途径途径-脱氧酮糖酸途径脱氧酮糖酸途径 由部分由部分EMP途径、部分途径、部分HMP途径组成。途径组成。 ED途径的途径的 三个阶段三个阶段 1、G 氧化分解氧化分解 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 +NADPH

30、（HMP） 2、6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 三碳糖三碳糖 6-P-葡萄糖酸脱水酶葡萄糖酸脱水酶 6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6- P-葡萄糖酸葡萄糖酸 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6- P-葡萄糖酸葡萄糖酸 丙酮酸丙酮酸+3-P-甘油醛甘油醛 3、氧化产能阶段、氧化产能阶段 3-P-甘油醛甘油醛 EMP 丙酮酸丙酮酸 总反应式总反应式 C6H12O6+NADP+ NAD+ ADP+ Pi 2CH3COCOOH+ NAD 2H+ NADP 2H +ATP 转细菌酒精发酵的特点细菌酒精发酵的特点n代谢速度快；代谢速度快；n发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；发酵周期短，比酵母菌的

31、酒精产率高；n厌氧且耐高温；厌氧且耐高温；n能利用多种糖类能利用多种糖类n发酵工艺技术要求高发酵工艺技术要求高优点：优点：缺点：缺点：三、三、 乳酸发酵机制乳酸发酵机制 1. 同型乳酸发酵同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌。进行乳酸发酵的主要是细菌。 它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发原产生乳酸。发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵，如乳链球菌（酵，如乳链球菌（Streptococcus lactics）、乳酪链球）、乳酪链球菌（菌（ Streptococcus cremoris）、）、干酪乳杆

32、菌（干酪乳杆菌（lactobacillus casei）、保加利亚乳杆菌（）、保加利亚乳杆菌（Lac. bulgaricus）等。）等。 同型乳酸发酵的特点：同型乳酸发酵的特点：1mol的的G产生产生2mol乳酸，理乳酸，理论转化率是论转化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。氧化碳等。 2. 异型乳酸发酵异型乳酸发酵 发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二氧化碳等，称为异型乳酸发酵。如一些明串菌株（氧化碳等，称为异型乳酸发酵。如一些明串菌株（Leuconostoc）及乳酸杆菌（）及乳酸杆菌（Lactobac

33、illus）。）。 6-磷酸葡萄糖酸途径：磷酸葡萄糖酸途径： 1mol的的G产生产生1mol的乳酸，理论转化率是的乳酸，理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。 C6H12O6 PK -OH2C-CHOH-CHO EMP CH3CHOHCOOH p Bifidus 途径（双歧途径）：途径（双歧途径）： 双歧杆菌（双歧杆菌（Bifidobacterium ）进行的进行的乳酸发乳酸发酵酵有两个磷酸酮解酶参与。有两个磷酸酮解酶参与。 在没有氧化作用和脱氢作用下，在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子分子G分解为分解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子

34、分子3-磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率为为50%。 苹果酸乳酸发酵也是由乳酸菌引起的，它是一种生苹果酸乳酸发酵也是由乳酸菌引起的，它是一种生物降酸作用。物降酸作用。 在水果酒的生产中，除进行酒精发酵外，还必须进行苹果在水果酒的生产中，除进行酒精发酵外，还必须进行苹果酸乳酸发酵作用，只有在这种情况下，葡萄酒才能获得成熟。酸乳酸发酵作用，只有在这种情况下，葡萄酒才能获得成熟。四、四、 甘油合成机制甘油合成机制1. 亚硫酸盐法甘油发酵亚硫酸盐法甘油发酵 酵母菌在酵母菌在酒精发酵酒精发酵时，如加入时，如加入亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠等盐类，等盐类，它能与它能与乙醛起加成乙醛起加

35、成作用，生成难溶的结晶状作用，生成难溶的结晶状亚硫酸纳加亚硫酸纳加成物成物，这样就使，这样就使乙醛不能作为受氢体乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在丙酮作为受氢体，在- 磷酸甘油脱氢酶（磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）为辅酶）催化下生成催化下生成- 磷酸甘油，后者在磷酸甘油，后者在- 磷酸甘油磷酸酯酶磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成催化下生成- 甘油甘油。 CH2OH OH C6H12O6+NaHSO 3 CHOH +CH3- C -H OSO2Na+CO2 CH2 OH 1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐

36、不能加得太多亚硫酸盐不能加得太多，否则会使酵母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵必须留一部分酒精发酵，以使获得一些能量，供生命活动所需。 2ATP CO2 NaHSO 3 3-磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醛亚硫酸钠加成物葡萄糖1.6-二磷酸果糖 Pi 2H 磷酸二羟丙酮 - 磷酸甘油甘油 该过程也称酵母菌的II型发酵。 Pi Q:为什么果酒中的甘油含量较高？为什么果酒中的甘油含量较高？2. 碱法甘油发酵碱法甘油发酵 酒精酵母的酒精酵母的发酵液在保持碱性（发酵液在保持碱性（pH7.6以上）以上）的条件的条件下，下，乙醛不能作为正常的受氢体乙醛不能作为正常的受氢体，乙醛在碱性溶液里，乙醛在碱

37、性溶液里分分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成生成等量的乙等量的乙醇和乙酸醇和乙酸。此时，由磷酸甘油醛脱氢生成的。此时，由磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油 CH2OH 2C6H12O6+H2O 2CHOH +C2H5OH+CH3COOH+2CO2 CH2 OH 碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生ATP ，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。五、五、 丙酸丁酸发酵丙酸丁

38、酸发酵1. 丙酸发酵机制丙酸发酵机制 自自1923年以来，微生物发酵生产丙酸的专利很多，所用的微年以来，微生物发酵生产丙酸的专利很多，所用的微生物集中在丙酸杆菌属生物集中在丙酸杆菌属(Propionibacterium)。丙酸生产的代谢途。丙酸生产的代谢途径一般认为经径一般认为经EMP途径：途径： 葡萄糖葡萄糖 EMPEMP 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸富马酸富马酸琥珀酸琥珀酸丙酸丙酸 乙酸乙酸+ CO2丙酸和乙酸的生成比例，以菌种、培养条件而变化。丙酸和乙酸的生成比例，以菌种、培养条件而变化。 以葡萄糖为基质发酵丙酸和乙酸的生成比大多在以葡萄糖为基质发酵丙酸和乙酸的生成

39、比大多在2：1左右。左右。问题：问题： （1）丙酸杆菌生产丙酸受终产物（丙酸和乙酸）抑制，故）丙酸杆菌生产丙酸受终产物（丙酸和乙酸）抑制，故难以使产物积累到较高程度，是一条较难进行的代谢途径。难以使产物积累到较高程度，是一条较难进行的代谢途径。（2）同时由于发酵液中丙酸浓度低，大量副产物存在使产）同时由于发酵液中丙酸浓度低，大量副产物存在使产物分离提取较困难。物分离提取较困难。 由于近年来丙酸供不应求，石油价格原因，合成法成本上升由于近年来丙酸供不应求，石油价格原因，合成法成本上升，人们对发酵法备受重视，如乳清渗透液、纤维素水解液和其，人们对发酵法备受重视，如乳清渗透液、纤维素水解液和其他廉价

40、原料。一批新型有效的发酵工艺和反应器的出现使人们他廉价原料。一批新型有效的发酵工艺和反应器的出现使人们对在不久将来发酵法大规模生产丙酸充满信心。对在不久将来发酵法大规模生产丙酸充满信心。 2. 2.丁酸发酵机制丁酸发酵机制 丁酸发酵是丁酸梭状芽孢杆菌（丁酸发酵是丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridium butylricum）所进行的一类发酵，是专性）所进行的一类发酵，是专性厌氧厌氧性发酵。性发酵。丁酸是其特征性发酵产物。丁酸是其特征性发酵产物。 丁酸型发酵的产物有：丁醇、丙酮、乙醇、丁酸型发酵的产物有：丁醇、丙酮、乙醇、CO2、H2、乙酸和丁酸等。、乙酸和丁酸等。 它们利用糖经糖酵解途径产生丙

41、酮酸，由丙酮酸它们利用糖经糖酵解途径产生丙酮酸，由丙酮酸产生乙酰辅酶缩合进而还原成丁酸。产生乙酰辅酶缩合进而还原成丁酸。 分子的丙酮酸产生分子的乙酰分子的丙酮酸产生分子的乙酰CoA，缩合成乙，缩合成乙酰乙酰辅酶，后者被还原成酰乙酰辅酶，后者被还原成 羟丁酰羟丁酰CoA，脱水生，脱水生成乙烯基乙酰成乙烯基乙酰CoA，再还原成丁酰，再还原成丁酰CoA，最后生成丁酸，最后生成丁酸。 丙酮丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌（丁醇梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylicum）的）的发酵产物中除丁酸外，有丁醇、丙酮、乙酸、发酵产物中除丁酸外，有丁醇、丙酮、乙酸、CO2与与H2等。等。 发酵产物丙

42、酮由乙酰乙酸脱羧而生成。丁醇则由丁酸还原发酵产物丙酮由乙酰乙酸脱羧而生成。丁醇则由丁酸还原而成。而成。 根据发酵产物的不同有丙酮根据发酵产物的不同有丙酮-丁醇发酵；丁醇丁醇发酵；丁醇-异丙醇发酵异丙醇发酵；丁酸发酵；丙酮；丁酸发酵；丙酮-乙醇；乙醇； 丙酮丙酮-丁醇发酵化学反应式如下丁醇发酵化学反应式如下2CH3COCOOH 2CH3COSCoA CH3COCH2COSCoA CH3COCH2COSCoACH3COCH2COOH CH3COCH3 CH3CH2CH2COOH + 2H CH3CH2CH2CHO+H2O CH3CH2CH2CHO + 2H CH3CH2CH2CHOH（丁醇）（丁醇

43、）六、己酸的发酵机制六、己酸的发酵机制浓香型：己酸乙酯和丁酸乙酯；浓香型：己酸乙酯和丁酸乙酯；清香型：乙酸乙酯和乳清香型：乙酸乙酯和乳 酸乙酯；酸乙酯；酱香型：一般认为是酱香型：一般认为是4-乙基愈疮木酚；乙基愈疮木酚；兼香型：如西凤酒。兼香型：如西凤酒。 己酸乙酯是浓香型大曲酒的主体香气成分己酸乙酯是浓香型大曲酒的主体香气成分，是，是由已酸和乙醇酯化形成的。己酸的形成属于合成发由已酸和乙醇酯化形成的。己酸的形成属于合成发酵。在发酵过程中，乙醇和乙酸结合生成丁酸，丁酵。在发酵过程中，乙醇和乙酸结合生成丁酸，丁酸再与乙醇结合生成己酸。若乙醇和乙酸的比率不酸再与乙醇结合生成己酸。若乙醇和乙酸的比率

44、不同，则丁酸和已酸形成的比率也不同。同，则丁酸和已酸形成的比率也不同。 乙酸多时主要产物为丁酸：乙酸多时主要产物为丁酸： CH3CH2 OH+ CH3COOHCH3CH2CH2 COOH+ H2O 乙醇多时主要产物为己酸：乙醇多时主要产物为己酸： 2CH3CH2 OH+ CH3COOH CH3CH2CH2 CH2CH2 COOH+2 H2O在乙醇含量远高于乙酸的酒醅（在乙醇含量远高于乙酸的酒醅（fermenting grains）中，这个过程实际上是及其复杂的代谢过程。中，这个过程实际上是及其复杂的代谢过程。 酒醅（酒醅（fermenting grains）：固体发酵法酿造白酒时）：固体发酵法

45、酿造白酒时在窖内发酵的固体物料。在窖内发酵的固体物料。 从配料、入窖温度来控制其发从配料、入窖温度来控制其发酵条件。酵条件。在大曲酒发酵过程中，淀粉质原料首先被糖化，然在大曲酒发酵过程中，淀粉质原料首先被糖化，然后有己酸菌将糖转化成己酸、乙酸、后有己酸菌将糖转化成己酸、乙酸、CO2和和H2O 。 己酸与乙醇酯化主要通过酰基辅酶己酸与乙醇酯化主要通过酰基辅酶A的形式进行，的形式进行，如下：如下：CH3CH2CH2 CH2CH2 COOH+ATP+CoASH CH3CH2CH2 CH2CH2 COSCoA+AMP+Pi + H2O CH3CH2CH2CH2CH2COSCoA+CH3CH2OH CH

46、3CH2CH2CH2CH2 COO C2H5+CoASH己酸乙酯己酸乙酯 但在大曲发酵中，通过上述途径生成的己酸乙酯但在大曲发酵中，通过上述途径生成的己酸乙酯只是一部分，另一部分则是通过芽孢杆菌利用乙酸乙只是一部分，另一部分则是通过芽孢杆菌利用乙酸乙酯为接受体，加入乙醇生成丁酸乙酯，然后再与乙醇酯为接受体，加入乙醇生成丁酸乙酯，然后再与乙醇反应生成己酸乙酯：反应生成己酸乙酯： CH3 COO C2H5 +CH3CH2 OH CH3CH2CH2 COO C2H5+ H2O CH3CH2CH2COOC2H5+CH3CH2OH CH3CH2CH2CH2CH2COO C2H5+ H2O 可以看出，乙醇

47、、乙酸和乙酸乙酯是成香的前体可以看出，乙醇、乙酸和乙酸乙酯是成香的前体物质，其含量变化会导致酒质量的波动。物质，其含量变化会导致酒质量的波动。 七、七、 沼气发酵机制沼气发酵机制 沼气（沼气（biogas） (甲烷，甲烷，methane) 甲烷发酵属于厌氧消化甲烷发酵属于厌氧消化(anaerobic digestion)处理，处理，是有机物厌氧分解过程中的主要过程。是有机物厌氧分解过程中的主要过程。 利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。它可以

48、作为好氧处理的前阶段处理。操作。它可以作为好氧处理的前阶段处理。甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员 （一）一） 甲烷发酵机理甲烷发酵机理 甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质等甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂的有机物最分解成甲烷和复杂的有机物最分解成甲烷和CO2，其反应机理可分，其反应机理可分以下两个阶段：以下两个阶段：第一个阶段第一个阶段：是有机聚合物先被一群产酸菌分解是有机聚合物先被一群产酸菌分解成各种脂肪酸。成各种脂肪酸。第二个阶段：是在甲烷菌的作用下的产气过程称第二个阶段：是在甲烷菌的作用下的产气过程称为甲烷发酵为甲烷发酵。有

49、机物的甲烷发酵是许多厌氧菌同时进行产酸和有机物的甲烷发酵是许多厌氧菌同时进行产酸和产气的复合发酵。产气的复合发酵。 复杂有机物复杂有机物 发酵细菌发酵细菌 可溶性简单有机物可溶性简单有机物 产酸菌产酸菌 挥发性脂肪酸挥发性脂肪酸 （丙酸，异丁酸，异戊酸）（丙酸，异丁酸，异戊酸） 专性质子还原菌专性质子还原菌 醋酸醋酸 H2+HCO3 纯醋酸菌纯醋酸菌C H4 甲烷菌甲烷菌 CH4 HCO3 H + HCO3 H2CO3 H2O+CO2 H2O复杂的有机物受到各类微生物复杂的有机物受到各类微生物(biogas producing bacteria)的作用，生成简单的可溶性有机物，可溶的作用，生成

50、简单的可溶性有机物，可溶性有机物经产酸菌的代谢生性有机物经产酸菌的代谢生H2 、醋酸和其它脂肪酸、醋酸和其它脂肪酸（35碳），丙酸等碳），丙酸等35个碳的脂肪酸，不能直接被个碳的脂肪酸，不能直接被甲烷菌转化生成甲烷，而先要有一种专性质子还原甲烷菌转化生成甲烷，而先要有一种专性质子还原菌或醋酸菌将它们转化为醋酸和氢。菌或醋酸菌将它们转化为醋酸和氢。甲烷菌将甲烷菌将H2 、HCO3 （生成碳酸盐）或醋酸转（生成碳酸盐）或醋酸转化为甲烷（化为甲烷（CH4），并产生），并产生ATP。生成碳酸盐在溶液中和碳酸相平衡，后者生成碳酸盐在溶液中和碳酸相平衡，后者与溶解态的与溶解态的CO2 相平衡，液相相平衡，液相CO2 又与气相又与气相CO2相平衡。相平衡。最终的产物是生物气体（最终的