乳酸发酵的代谢及专家讲座

第一部分

乳酸性质及用途乳酸发酵的代谢及专家讲座第1页1、乳酸物理化学性质

乳酸学名是α-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，能够与水、酒精和乙醚以任意百分比混合。乳酸分子结构中含有不对称碳原子，含有旋光性，分为L–乳酸、D–乳酸和DL–乳酸，而人体内只含有L–乳酸脱氢酶造成仅能消化利用L–乳酸。所以L–乳酸用途较广，DL–乳酸只做工业用途，D–乳酸已基本不生产。乳酸发酵的代谢及专家讲座第2页乳酸结构式乳酸发酵的代谢及专家讲座第3页2、乳酸在各行业中用途在食品行业用途在医药方面用途在工业中用途在农产品及农业上用途乳酸发酵的代谢及专家讲座第4页2.1在食品行业用途1)乳酸有很强防腐保鲜功效，可用在饮料、蔬菜腌制以及水果贮藏等方面，含有调整pH值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提升产品质量等作用；2)乳酸独特酸味可增加食物美味，在调味品中加入一定量乳酸，可保持产品中微生物稳定性、安全性，同时使口味愈加温和；3)因为乳酸酸味温和适中，可作为精心调配软饮料和果汁首选酸味剂；乳酸发酵的代谢及专家讲座第5页2.1在食品行业用途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，提升啤酒质量，又能增加啤酒风味，延长保质期；5)天然乳酸有着乳制品口味和良好抗微生物作用，已广泛用于调配型酸奶酸酪、冰淇淋等食品中，成为倍受青睐乳制品酸味剂；6)乳酸粉末是用于生产荞头直接酸味调整剂。乳酸是一个天然发酵酸，可令面包含有独特口味；乳酸作为天然酸味调整剂，在面包、蛋糕、饼干等焙烤食品用于调味和抑菌作用，并能改进食品品质，保持色泽，延长保质期。乳酸发酵的代谢及专家讲座第6页2.2在医药方面用途1)在病房、手术室、试验室等场所中采取乳酸蒸气消毒，可有效杀灭空气中细菌，起到降低疾病，到达提升健康之目标；2)在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药品制剂、pH调整剂等；3)乳酸聚合得到聚乳酸，聚乳酸能够抽成丝纺成线，这种线是良好手术缝线，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)乳酸能够直接配制成药品或制成乳酸盐使用；5)乳酸可起到调整肌肉活力和抗疲劳制约作用。乳酸发酵的代谢及专家讲座第7页2.3在工业中用途1)乳酸在发酵工业中用于控制pH值和提升发酵物纯度；2)在卷烟行业中能够保持烟草湿度，除去烟草中杂质，改变口味，提升烟草档次，乳酸还可中和尼古丁烟碱，降低对人体有害成份提升烟草品质；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调整剂和合成剂；5)乳酸亦可作为聚乳酸起始原料，生产新一代全生物降解塑料；

乳酸发酵的代谢及专家讲座第8页2.3在工业中用途6)在制革工业中，乳酸可脱去皮革中石灰和钙质，使皮革柔软细密，从而制成高级皮革；7)乳酸因为对镍含有独一无二络合常数，常被用于镀镍工艺，它同时可作为电镀槽里酸碱缓冲剂和稳定剂；8)乳酸作为pH调整剂和合成剂可应用于各种水基涂层粘合系统。如：电积物涂层。9)乳酸含有清洁去垢等作用，用于洗涤清洁产品比传统有机除垢剂性能更佳，所以它可应用于众多除垢产品中。乳酸发酵的代谢及专家讲座第9页2.4在农产品及农业上用途1)光学纯度高达99%以上乳酸，在农药方面可用于生产缓释农药，比如除草剂，含有对农作物和土壤无毒无害且高效特点；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，利于环境保护；3)在猪禽饲料中作为生长促进剂。乳酸能够降低胃内PH值，起到活化消化酶、改进氨基酸消化能力作用，并对肠道上皮生长有好处。小猪在断乳后几个星期喂食含有酸化剂饲料，其在断乳期间体重能够增加15%；乳酸发酵的代谢及专家讲座第10页2.4在农产品及农业上用途4)乳酸还用于青饲料贮藏剂、牧草成熟剂；5)乳酸抑制微生物生长。哺乳期小猪会染上由大肠杆菌和沙门氏菌引发疾病，在饲料中加入乳酸能预防小猪下胃肠道中病原菌生长；6)乳酸能够作为饲料防腐剂并促进饲料、谷物和肉类加工产品副产品微生物稳定剂；7)在家禽和小猪饮用水中加入乳酸，能够有效地抑制病原菌生长，动物体重增加速度提升。乳酸发酵的代谢及专家讲座第11页另外，乳酸还含有排除致病菌、维持宿主肠道菌相平衡、营养价值、预防骨质疏松症、改进乳糖不耐症、降低血液胆固醇堆积、抑制癌症、刺激免疫反应，增加宿主抵抗能力等作用。

乳酸发酵的代谢及专家讲座第12页第二部分

乳酸发酵代谢及调控乳酸发酵的代谢及专家讲座第13页1、乳酸生物合成路径乳酸代谢存在同型、异型和混合酸发酵等各种类型。1）同型乳酸发酵中乳酸是唯一代谢产物,采取是糖酵解路径(EMPparthway),人和大多数动植物属于这类代谢类型。2）异型乳酸发酵经过磷酸戊糖路径(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乳酸发酵机制。不论哪条路径,乳酸都是经过丙酮酸转变而来,丙酮酸也是此过程中关键中间产物。乳酸发酵的代谢及专家讲座第14页1）同型乳酸发酵

同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖酵解路径生成丙酮酸。因为大多数乳酸菌不含有脱羧酶，所以，丙酮酸不能脱羧生成乙醛，而在乳酸脱氢酶催化下（需要还原型辅酶Ⅰ）,丙酮酸作为受氢体被还原为乳酸。乳酸发酵的代谢及专家讲座第15页同型乳酸发酵过程

葡萄糖

↓2ATP↓2ADP3-磷酸甘油醛↓2NAD←----------↓2NADH+H+--1,3–二磷酸甘油酸↓4ADP↓4ATP丙酮酸↓NADH+H+------↓NAD-----------------乳酸乳酸发酵的代谢及专家讲座第16页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，其生物合成路径有两种，即6–磷酸葡萄糖路径和双歧路径。乳酸发酵的代谢及专家讲座第17页2.1）6–磷酸葡萄糖路径这是一条磷酸酮解路径，1mol葡萄糖生成1mol乳酸和1mol乙醇。乳酸对糖理论转化率是50%。肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等经过该路径进行异型乳酸发酵。乳酸发酵的代谢及专家讲座第18页图：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.醇脱氢酶乳酸发酵的代谢及专家讲座第19页2.2）双歧路径该路径也是一条磷酸酮解路径。该路径特点是：①有两个磷酸酮解酶参加；②在没有氧化作用和脱氢作用反应参加下，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参加下，3–磷酸甘油醛转变为乳酸。乳酸发酵的代谢及专家讲座第20页图：葡萄糖经双歧路径发酵生成乳酸和乙酸乳酸发酵的代谢及专家讲座第21页2、乳酸代谢调控机制

代谢调控目标就是经过控制物质代谢流向和通量来经济、高效地满足系统在特定环境和状态下需要。而细胞中绝大部分反应是由酶来催化完成,所以系统对代谢通量控制其实就是经过调控这些酶活性来实现。其基本伎俩有两种:(1)经过磷酸化、去磷酸化等化学修饰改变酶分子结构来实现对酶活性调整,这种方式适合用于变构酶,能够快速地完成响应。(2)经过调整酶合成和降解速度来控制酶浓度,这种方式发挥作用慢,不过效果持久。两种方式通常是被联合采取。乳酸发酵的代谢及专家讲座第22页第三部分

米根霉发酵产L-乳酸代谢调控研究乳酸发酵的代谢及专家讲座第23页1、米根霉微生物中含有代表性乳酸发酵是米根霉（Rhizopusoryzae）等霉菌类。米根霉属真菌中接台菌门(Zygomycota)接台菌纲(Zygomycetes)毛霉目(Mueorales)毛霉科(Mucoraceae)根霉属(RAeopus)，其发酵生产L-乳酸含有产物光学纯度高、营养需求简单、产物易提纯、可直接利用淀粉发酵等优点，是当前国内外从事L-乳酸发酵研究科技人员关注热点。乳酸发酵的代谢及专家讲座第24页2、本试验研究内容

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分离纯化与催化特征，摇瓶发酵和罐发酵条件下Mg2+和Zn2+离子对米根霉发酵调控模式，以及不一样通气条件下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-乳酸突变菌株。乳酸发酵的代谢及专家讲座第25页米根霉产L-乳酸代谢网络乳酸发酵的代谢及专家讲座第26页该网络表明，葡萄糖进入细胞内，经过糖酵解路径(EMP)生成丙酮酸。丙酮酸在细胞内主要有四种去向：

一.是经过丙酮酸脱羧酶(PDC)、乙醇脱氢酶(ADH)进入产乙醇路径；

二.是经过丙酮酸羧化酶(PC)形成草酰乙酸，再经过苹果酸脱氢酶和富马酸酶生成苹果酸和富马酸

三.是经过L乳酸脱氢酶(LDH)直接生成k乳酸，这是目标产物形成路径；

四.是经过丙酮酸脱氢酶系(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基本代谢。

乳酸发酵的代谢及专家讲座第27页试验研究思绪

米根霉发酵产L-乳酸代谢流程中，葡萄糖经过EMP路径转化为丙酮酸，丙酮酸能够经LDH催化转化为乳酸，也能够经过丙酮酸脱氢酶转化为乙醛，再经过ADH转化为乙醇。已经有研究证实，米根霉乳酸产生量与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。为了提升乳酸转化率，降低乙醇转化率。能够考虑经过提升发酵过程中LDH活力，抑制ADH活力来实现。乳酸发酵的代谢及专家讲座第28页3、该试验中主要酶乳酸脱氢酶(LDH)与乙醇脱氢酶(ADH)米根霉LDH粗酶液在30一50°C条件下有