发酵工程第六章微生物发酵机理

1、第六章 微生物发酵机理第一页，共三十九页。微生物发酵机理第一节 微生物基础物质代谢第二节 厌氧发酵产物的合成机制第三节 好氧发酵产物的合成机制第二页，共三十九页。第一节 微生物基础物质代谢新陈代谢（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。 分解代谢、合成代谢 物质代谢、能量代谢 初级代谢、次级代谢第三页，共三十九页。初级代谢和次级代谢1. 初级代谢（primary metabolism）：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，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。 初级代谢产物：糖类、氨基酸、

2、核苷酸、脂肪酸、多糖、蛋白质、酯类、核酸 特征：不同的微生物初级代谢产物基本相同； 生命活动所必需； 初级代谢产物合成过程是连续不断的。第四页，共三十九页。2. 次级代谢（secondary metabolism）：微生物以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。次级代谢产物：抗生素、毒素、激素、色素等特征：不同的微生物初级代谢产物不同； 以初级代谢产物为前体； 不是生命活动所必需； 次级代谢产物合成过程是不连续的。第五页，共三十九页。PEP丙酮酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸 甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸 甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸 氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二

3、羟丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸胆固醇亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸异亮氨酸甲硫酰氨苏氨酸缬氨酸琥珀酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸乙醛酸蛋白质淀粉、糖原核酸谷氨酰氨组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖物质代谢第六页，共三十九页。微生物的能量代谢 日光 （光能营养菌） 最初能源 有机物（化能异养菌） ATP 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最初能源转变成能量货币ATP。第七页，共三十九页。第二节 厌氧发酵产物的合成机制酒精发酵机制甘油发酵机制乳酸发酵机制沼

4、气发酵机制第八页，共三十九页。一 酒精发酵酵母菌EMP途径丙酮酸乙醛乙醇C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2ATP+2CO2 +2H2O（弱酸性条件）：1分子Glu发酵生成2分子乙醇和2分子CO21 G2丙酮酸2乙醛 + CO2 2乙醇 + 2ATP 丙酮酸脱羧酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵第九页，共三十九页。葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP果糖-6-磷酸ATPADPMg2+果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸2CO2乙醛+

5、2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇糖酵解和酒精发酵的全过程第十页，共三十九页。酵母菌酒精发酵主产物：乙醇、CO2副产物40多种醇（杂醇油）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酯甲醇酒精发酵中的副产物第十一页，共三十九页。 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，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。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：乙醛 + NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠二 甘油发酵第十二页，共三十九页。2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NADNADH+

6、HNADH+HNADH2OPi甘油发酵葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3-磷酸甘油甘油第十三页，共三十九页。 乳酸菌在厌氧条件下利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸的过程。菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，可分为： 同型乳酸发酵：（EMP途径） 异型乳酸发酵：（HMP途径、PK途径）三 乳酸发酵第十四页，共三十九页。 进行乳酸发酵的主要是乳酸菌（乳链球菌、乳酪链球菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌等） 利用糖经EMP途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。 C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH 特点：1mol Glu产生2m

7、ol乳酸，理论转化率为100% EMP乳酸脱氢酶1. 同型乳酸发酵产物只有乳酸第十五页，共三十九页。葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP果糖-6-磷酸ATPADPMg2+果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+第十六页，共三十九页。 发酵产物中除乳酸外同时还有比例较高的乙酸、乙醇、CO2等。 合成途径：6-磷酸葡萄糖酸途径、 双歧途径2. 异型乳酸发酵第十七页，共三十九页。葡萄糖ATPADP6磷酸葡萄糖1

8、NADNADHH6磷酸葡萄糖酸2NADNADHH5磷酸核酮糖35磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADHHNAD乙醛NADHHNAD乙醇3磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHH485766磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇己糖激酶6磷酸葡萄糖脱氢酶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. 醇脱氢酶第十八页，共三十九页。葡萄糖ATPADP6磷酸果糖6磷酸果糖ADPPi4磷酸赤藓糖3磷酸甘油醛7磷酸景天庚酮糖5磷酸木酮糖5磷酸核糖乙酰磷酸ATP乙酰5磷酸木酮糖5磷酸核酮糖乙酰磷酸2 分子3磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADN

9、ADHHNADNADHHADPATP3分子乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸13245676-磷酸果糖解酮酶转二羟基丙酮基酶转羟乙醛基酶5磷酸核糖异构酶5磷酸核酮糖3差向异构酶5磷酸木酮糖磷酸酮解酶乙酸激酶 第十九页，共三十九页。不同点同型乳酸发酵异型乳酸发酵参与发酵的微生物类群乳酸菌（双球菌、链球菌、乳杆菌等兼性微生物）肠膜状明串珠菌、番茄乳杆菌、短乳杆菌、甘露醇乳杆菌、双歧杆菌及真菌中的根霉关键酶磷酸果糖激酶、乳酸脱氢酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶发酵途径EMP途径HMP、PK途径途径中参与的辅酶类型NADH（辅酶）NADPH（辅酶）过程途径葡萄糖丙酮酸产物只有乳酸葡萄糖乳酸、乙醇等产物只

10、含乳酸乳酸、乙醇、CO2等理论发酵率100%（高）50%（低）总反应式C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2ATPC6H12O6+2ADP+2PiCH3COCOOH+CH3CH2OH+CO2+2ATP第二十页，共三十九页。第一阶段是复杂有机物，如纤维素、蛋白质、脂肪等，在微生物作用下降解至其基本结构单位-分解成各种脂肪酸、二氧化碳和氢气；第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸、二氧化碳和氢气；第三阶段是在甲烷产生菌的作用下由醋酸和二氧化碳及氢气反应生成甲烷。 四 甲烷发酵第二十一页，共三十九页。第三节 好氧发酵产物的合成机制柠檬酸的发酵机制氨基酸的发酵机制抗生素的发酵机制第二

11、十二页，共三十九页。一 柠檬酸的发酵机制柠檬酸的应用：饮料与冰淇淋果酱与酿造酒腌制品罐头食品豆制品及调味品其它：医药、化学工业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。我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约50万吨第二十三页，共三十九页。柠檬酸发酵微生物黑曲霉分生孢子头第二十四页，共三十九页。三羧酸循环（糖的最后氧化途径）第二十五页，共三十九页。柠檬酸发酵机理TCA循环与乙醛酸循环柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累机理第二十六页，共三十九页。葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2柠檬酸的生物合成途径实现柠檬酸积累：一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸的积

12、累二、代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制CO2ATPADPCO2ADPATP磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶顺乌头酸酶抑制剂阻断第二十七页，共三十九页。柠檬酸积累的代谢调节 1. 糖酵解及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，抑制了蛋白质的合成，可提高NH4+浓度，高浓度NH4+ 可有效解除ATP、 柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。第二十八页，共三十九页。葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP果糖-6-磷酸ATPADPMg2+果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸

13、2ATP2ADP烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸2CO2乙醛+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇糖酵解和酒精发酵的全过程磷酸果糖激酶AMP无机磷NH4+活化抑制解除柠檬酸第二十九页，共三十九页。柠檬酸积累的代谢调节2. 三羧酸循环的调节柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸顺乌头酸酶含铁的非血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。且反应需要Fe+适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与Fe+ 生成络合物，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或活力很低，同样积累柠檬酸。第三十页，共三十九页。磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶A柠檬酸顺乌头酸衣康酸异柠檬酸草酰琥珀酸酮戊二酸谷氨酸琥珀酰辅

14、酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖苹果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰辅酶A123316451567891012111413TCA循环与乙醛酸循环Fe2+Fe2+亚铁氰化钾顺乌头酸酶第三十一页，共三十九页。葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA柠檬酸积累的代谢调节3. 及时补加草酰乙酸外加草酰乙酸回补途径旺盛的菌种组成型的丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶回补途径顺乌头酸酶抑制剂阻断第三十二页，共三十九页。二 氨基酸发酵机制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。氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。发酵所生成的产物氨基酸，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

15、常代谢的抑制。氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。第三十三页，共三十九页。氨基酸发酵的代谢控制控制发酵的环境条件控制细胞渗透性控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度消除终产物的反馈抑制与阻遏促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成第三十四页，共三十九页。氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷氨酸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。1 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第三十五页，共三十九页。环境因子发 酵 产 物 转 换溶解氧谷氨酸乳酸和琥珀酸酮戊二酸（通气不足）（适中）（通风过量，转速过快）NH4+酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺（适量）（缺乏）（过量）pH值谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺谷氨酸（pH值58，NH4+过多）（中性或微碱性）磷酸缬 氨 酸谷氨酸（高浓度磷酸盐）（磷酸盐适中）生物素乳