第五章发酵机制

第五章发酵机制

Fermentationmechanism

发酵工业就是利用微生物生命活动代谢产生的物质(酶,氨基酸等有机物)生产我们生活中需要的物质或原材料的一种工业.跟我们的生活息息相关.离我们生活比较近的比如我们炒菜用的味精,喝的啤酒和白酒,酸奶,调味的醋,糖尿病人吃的木糖醇等.其他如抗生素、维生素、激素、疫苗、抗肿瘤药，生物农药，酶制剂，生物胶，氨基酸，有机酸；广泛涉及医药，农药，化工，能源，食品，饲料等诸多行业。

发酵:一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。

广义的"发酵"是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式;

狭义的"发酵"是指在无外源电子受体的条件下,微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物,同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程.

在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵.

发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律。

代谢控制发酵：人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的代谢产物过量的积累。积累的产物微生物菌体酶代谢产物厌氧发酵：酒精、甘油、乳酸、丙酮、丁醇等好氧发酵：有机酸、氨基酸、蛋白质、核苷酸、抗生素、维生素等发酵机制研究的内容：

1.微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及代谢调节机制）.

2.环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施.发酵工业按产业部门来分(1)酿酒工业(黄酒、啤酒、白酒、葡萄等)；(2)传统酿造工业(酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、酸乳等)；(3)有机酸发酵工业(柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等)；(4)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)；(5)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)；(6)功能性食品生产工业(低聚糖、真菌多糖、红曲等)；(7)食品添加剂生产工业(黄原胶、海藻糖等)；(8)菌体制造工业(单细胞蛋白、酵母等)；(9)维生素发酵工业(维生素B2、维生素B12等)；(10)核苷酸发酵工业(ATP、IMP、GMP等)。发酵工业按产品性质来分1.生物代谢产物发酵

生物细胞将外界物质吸收到体内，一面进行分解代谢(异化作用)，一面又利用分解代谢中间代谢产物及能量去合成(同化作用)体内所需成分，这一过程称为新陈代谢。在代谢过程中，生物体进行着复杂的生物合成，获得了许多重要的代谢产物。以生物体代谢产物为产品的发酵与酿造工业是该工业中数量很多、产量最大、也是最重要的部分，产品包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。2.酶制剂发酵

利用发酵法制备和生产并提取微生物产生的各种酶，已是当今发酵工业的重要组成部分。工业用酶大多来自于微生物发酵生产的酶，如：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、转化酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶，碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶，果胶酶，脂肪酶，凝乳酶，过氧化氢酶，青霉素酰化酶，胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基酰化酶等。3.生物转化发酵

生物转化是指利用生物细胞中的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位(基团)，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值化合物的生化反应。

可进行的转化反应包括脱氢、氧化、脱水、缩合、脱羧、羟化、氨化、脱氨、异构化等，

4.菌体制造

这是以获得具有特定用途的生物细胞为目的产品的一种发酵，包括单细胞蛋白，藻类，食用菌和人、畜防治疾病用的疫苗，生物杀虫剂等的生产。细胞物质发酵生产的特点是细胞的生长与产物积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，刚进入生长稳定期时细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。

第一节厌氧发酵-P111厌氧发酵：发酵时不需要供给氧气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。糖酵解途径的全过程已于1940年完全弄清楚。指葡萄糖通过一系列步骤，降解成三碳化合物（丙酮酸-pyruvate）的过程。即EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnas

Pathway）

，此过程中伴有少量ATP的生成。糖物质在细胞内进行无氧呼吸生成乳酸(lactate)称为酵解（glycolysis），糖物质经酵母菌无氧呼吸作用产生乙醇的过程称为发酵（fermentation）。在有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。

所生成的丙酮酸，在不同微生物体内，不同条件下，生成不同的代谢产物

一、糖酵解途径的特点1.糖酵解途径广泛存在各种细胞中，它的任何一个反应均不需要氧。2.糖酵解可分为四个阶段，发酵和酵解全部在胞液中进行。

第一阶段，从葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖至1，6-二磷酸果糖，再变成3-磷酸甘油醛，即有6C糖变成3C糖，以消耗2分子ATP而完成。--能耗阶段

⑴葡萄糖磷酸化成为6-磷酸葡萄糖

⑵6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖（磷酸己糖异构酶

⑶6-磷酸果糖转变为1,6-二磷酸果糖

第二阶段，1，6-二磷酸果糖变成3-磷酸甘油醛，即有6C糖变成3C糖，⑷磷酸己糖裂解成2个磷酸丙糖

⑸磷酸丙糖的同分异构化

这个反应体系3-磷酸甘油醛不断被移去,最后1分子葡萄糖转变为2分子3-磷酸甘油醛。

第三阶段，(1)醛氧化成羧酸,(2)NAD+还原成NADH,(3)糖酵解中第一次产生ATP⑹3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸。

⑺1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸

第四阶段，糖酵解过程中第二次产生ATP，这一磷酸化作用是非氧化性磷酸化，是EMP途径的第三个限速反应。

⑻3-磷酸甘油酸异构转变为2-磷酸甘油酸

⑼2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸

（10）磷酸稀醇式丙酮酸转化为ATP和丙酮酸

第一步：葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖

第一阶段:激酶：催化将ATP上的磷酸基团转移到受体上的酶。激酶都需要Mg2+作为辅助因子。△G0’=-16.8kJ/mol己糖激酶催化—随于不可逆反应，消耗1ATP，第一个限速（关键）步骤第二步：6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖（磷酸己糖异构酶）

第一阶段:△G0’=--14.2kJ/mol可逆反应果糖在ATP参与下由己糖激酶催化也能生成F-6-PH-F第三步：

6-磷酸果糖转变为1,6-二磷酸果糖

磷酸果糖激酶(PFK)是EMP途径的关键酶，其活性大小控制着整个途径的进程。

第一阶段:F-6-P在ATP参与下PFK催化生成F1,6-P2-随不可逆反应是第一个限速反应△G0’=-14.2kJ/mol第一阶段：碳链不变，但两头接上了磷酸基团，为断裂作好准备，总体消耗两分子ATP。这是糖酵解的能耗阶段

第四步：磷酸己糖裂解成2个磷酸丙糖

1个己糖分裂成2个丙糖——丙酮糖和丙醛糖，它们为同分异构体。在醛缩酶催化下从C3orC4之间裂解△G0’=+24kJ/mol

第二阶段:第五步：磷酸丙糖的同分异构化1分子二磷酸已糖裂解成2分子3-磷酸甘油醛。

第二阶段:两种糖在异构酶催化下可以互变—可逆反应达到平衡时磷酸二羟丙酮占96%，3-磷酸甘油醛占4%，但3-磷酸甘油醛随分解代谢不断被消耗。

酮糖

醛糖第六步：

3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸

（1，3-DPG）糖酵解过程中第一次产生高能磷酸键，并且产生了还原剂NADH。催化此反应的酶是巯基酶，所以它可被碘乙酸(ICH2COOH)不可逆地抑制。故碘乙酸能抑制糖酵解。

第三阶段:△G0’=+6.3kJ/mol脱氢并磷酸化生成1，3-DPG第七步：

1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸糖酵解过程中第一次产生ATP

–属于底物磷酸化利用磷酸甘油醛脱氢酶与底物3-磷酸甘油醛形成的共价中间产物，并使其氧化产生的能量供ADP形成ATP.

第三阶段:△G0’=-18.9kJ/mol第三阶段:(1)醛氧化成羧酸,(2)NAD+还原成NADH,(3)糖酵解中第一次产生ATP第八步：3-磷酸甘油酸异构转变为2-磷酸甘油酸

Mg2+

第四阶段:△G0’=+4.4kJ/mol第九步：2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的生成

这一步其实是分子内的氧化还原，使分子内部能量发生重排，由2-磷酸甘油酸分子中的普通磷酯键转变为磷酸烯醇式丙酮酸分子中的高能磷酸酯键

。Mg2+

第四阶段:△G0’=+1.84kJ/mol第十步：磷酸稀醇式丙酮酸转化为ATP和丙酮酸

糖酵解过程中第二次产生ATP，这一磷酸化作用是非氧化性磷酸化，是EMP途径的第三个限速反应。

Mg2+或K+

第四阶段:△G0’=-31.4kJ/mol糖酵解的能量计算

3.

糖酵解过程有十多步反应，每一步都有酶催化进行，这些酶除稀醇化酶和丙酮酸脱羧酶外，可分为4类：激酶、变位酶、异构酶、脱氢酶。

4.

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，这时从葡萄糖合成细胞基体的标准反应序列同样有效。（从小肠吸收的甘露糖，果糖，半乳糖在各种酶的催化下转化成6-P-G）

5.

辅酶之均衡——丙酮酸的不同去路。

在不同的机体和不同条件下，H2的受体不同，因此丙酮酸的去路也不同。

无氧条件下：乳酸菌中，丙酮酸被还原为乳酸，即为同型乳酸发酵；酵母中，丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛被还原成乙醇，即酒精发酵；梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧成乙酰CoA，然后经一系列变化生成丁醇、丙酮、乙醇，称为丙酮丁醇发酵。

二、糖酵解的调节机制

糖酵解的调节点主要在三个激酶，即己糖激酶（1步）、磷酸果糖激酶（3步）和丙酮酸激酶（10步）。它们是糖酵解途径中的关键酶，是糖酵解途径的三个不可逆步骤。

糖代谢的调节主要是能荷的控制，就是受细胞内能量水平的控制。

1.ATP含量高：ATP抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活性，使酵解减少。

在好氧条件下，糖代谢进入TCA产生柠檬酸等，并通过氧化磷酸化生成大量ATP。腺苷酸库中可供利用能量的量度，是指细胞内ATP-ADP-AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度={[ATP]+1/2[ADP]}/[AMP]+[ADP]+[ATP]二、糖酵解的调节机制(续)2.如当需能反应加强，ATP分解为ADP和AMP;

ATP含量低，ADP、AMP增加即能荷低，当体内ATP高，ADP和AMP低，能荷高时，就会抑制燃料分子的分解，促进燃料分子的合成。ATP的抑制作用被解除，同时ADP、AMP激活己糖激酶和磷酸果糖激酶，使6-磷酸葡萄糖、1，6-二磷酸果糖、3-磷酸甘油醛浓度增加，它们都是丙酮酸激酶的

激活剂，使糖酵解加快。自丙酮酸开始的各种发酵的最终产物三：酒精发酵机制（一）酵母酒精发酵酒精发酵过程主要经过下述4个阶段：第一阶段：葡萄糖磷酸化，生成活泼的1，6—二磷酸果糖。第二阶段：1，6二磷酸果糖裂解成为两个分子的磷酸丙糖。第三阶段：3—磷酸甘油醛经氧化(脱氢)，并磷酸化，生成1，3—二磷酸甘油酸。然后将高能磷酸键转移给ADP，以产生ATP，再经磷酸基变位，和分子内重新排列。再给出一个高能磷酸键，而后生成丙酮酸。第四阶段：酒精的生成。糖酵解途径（EMP）副产物的生成酒精发酵中主要产物是乙醇及二氧化碳，并伴随40多种副产物产生。主要是醇（杂醇油）、醛（糠醛）、酸（琥珀酸）、酯、甲醇等。

1．杂醇油的生成 碳原子数大于2的脂肪族醇类的统称，主要是：异戊醇（≥45%）、活性戊醇、正丙醇、异丁醇组成。形成途径：氨基酸氧化脱氨作用-P113,实验证明转氨基是在α

–酮戊二酸间进行：缬氨酸—异丁醇；异亮氨酸--活性戊醇；酪氨酸—酪醇；苯丙氨酸—苯乙醇。由葡萄糖直接产生：先生成低碳数的α-酮酸，再与活性乙醛缩合、还原、异构等反应生成高碳数的α-酮酸，脱羧还原的到相应的醇。影响杂醇油产生的因素：菌种、培养基组成（氮含量高，高级醇含量低）、发酵条件（温度偏高、通风）2、

甘油的生成酵母在一定条件下，可以转化糖分为甘油。但是，在正常酒精发酵条件下，发酵醪中只有少量的甘油生成，其含量约为发酵醪量的0.3~0.5%。、3、琥珀酸的生成当发酵液中含有谷氨酸时，可增加琥珀酸的含量，同时也产生甘油。4、因杂菌感染而产的杂酸5、酯类、糠醛甲醇等的生成

糠醛：淀粉原料在高温高压蒸煮时，由糖脱水生成的。甲醇：原料中的果胶质受果胶酯酶的水解生成的（二）细菌酒精发酵P114图A图B

20世纪70年代出现的，目前处于实验阶段利用少数的假单胞杆菌如林氏假单胞菌等细菌以生产酒精，比传统的酵母酒精发酵有许多优点：（1）代谢速率高，发酵周期短（2）产物转化率高（生成2分子的丙酮酸）（3）菌体生成少（4）代谢副产物少（5）发酵温度较高（6）不必定期供氧等。细菌酒精发酵也有其缺点：生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为pH3)细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为7.0％，后者则为8～10％）。

二、甘油发酵-p115：甘油（

glycerol），又名丙三醇，

无色粘稠液体,无气味,有暖甜味,能吸潮。每克甘油完全氧化可产生4千卡热量，经人体吸收后不会改变血糖和胰岛素水平。甘油是食品加工业中通常使用的甜味剂和保湿剂，大多出现在运动食品和代乳品中。由于甘油可以增加人体组织中的水分含量，所以可以增加高热环境下人体的运动能力。可适用于化妆品、牙膏、卷烟、香精、水性油墨、印染纺织、化工涂料、造纸等。

如果改变发酵条件，例如往发酵液中添加亚硫酸氢钠，或使酒精发酵在碱件条件下进行，则糖的转化方向会偏向甘油产生方面。1）在酒精发酵过程中，如往发酵液中添加亚硫酸氢钠，则它会与乙醛起加成作用．生成难溶的结晶状亚硫酸钠加成物：这样就会迫使乙醛不能作为受氢体，而只能由磷酸二经丙酮代替它作为受氢体。2）如果使酒精发酵保持碱性条件(pH7.6)，则发酵产生的乙醛也不能作为正常的受氢体，而2分子乙醛起歧化反应，相互氧化还原，生成甘油及乙醇、乙酸。三、乳酸发酵同型乳酸发酵：产物只有乳酸

异型乳酸发酵：产物除了乳酸，还有乙醇和二氧化碳

1、同型乳酸发酵乳酸菌利用糖酵解途径生成丙酮酸，在缺乏丙酮酸脱氢酶，在乳酸脱氢酶的作用下，生成乳酸一种产物。

C6H12O6

+

2ADP

+

2H3PO4

→2CH3CHOHCOOH

+

2ATP

理论转化率：（90×2/180）×100%=100%

菌种主要有：乳酸链球菌、乳酸杆菌、德氏乳杆菌等

异型乳酸发酵2、异型乳酸发酵见书P-115葡萄糖ATPADP6－磷酸葡萄糖1NADNADH＋H＋6－磷酸葡萄糖酸2NADNADH＋H＋5－磷酸核酮糖35－磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADH＋H＋NAD乙醛NADH＋H＋NAD乙醇3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADH＋H＋NADNADH＋H＋485766－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.醇脱氢酶见书P-115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ADPATPNAD＋NADH＋H＋NAD＋NADH＋H＋ADPATP3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（1）1，6-磷酸葡萄糖酸途径（磷酸酮解途径-HMP）生成乳酸及乙醇，乳酸对葡萄糖的转化率为50%。主要为明串球菌属（肠膜明串珠菌、葡聚糖明川珠菌）还有一些乳酸杆菌。（2）双歧途径（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径），也称磷酸酮解途径生成乳酸及乙酸，乳酸对葡萄糖的转化率为50%。主要为双歧杆菌、短乳杆菌等。

酸奶生产工艺流程图发酵破乳（果汁）、稳定剂混合高压均质（灭菌）原料鲜奶检测净化脂肪含量标准化配料过滤预热、均质、杀菌、冷却蔗糖脱脂奶粉接种分装发酵冷却（灭菌）后熟凝固型酸奶（灭菌）搅拌型酸奶（灭菌）（果汁）饮料型酸奶（灭菌）快速冷冻冷冻型酸奶类型发酵温度发酵时间发酵终了酸度凝固型

40--43℃3—6hr滴定酸度为65—70oT杀菌型PH为4.5以下搅拌、饮料、果汁型PH为4.7—5.0冷冻型43℃6—7hrPH为4.7-5.0配料：脱脂奶粉1%--3%；蔗糖4%--8%；稳定剂3%（人工合成的海藻酸丙二醇酯，天然的明胶、琼脂、海藻酸钠、果胶，用于除凝固型酸奶外的其他酸奶。）四、丙酸、丁酸发酵机制-P1161、丙酸（propionicacid

）：无色液体，有刺激性气味。易造成水体污染。丙酸杆菌属革兰氏阳性菌，厌氧或耐氧，二氧化碳能促进生长；发酵糖产生二氧化碳、丙酸和乙酸等。丙酸与乙酸的比例以菌种、培养条件的不同而变化，以葡萄糖、乳酸为基质发酵所得的丙酸及乳酸生成比例大多在2：1左右。除此外还有白喉棒杆菌、丙酸梭菌等可生产。但是微生物发酵法至今仍不能完全取代化学合成法，主要是前者收率低而且经济效益差。丙酮酸草酰乙酸富马酸琥珀酸丙酸+CO2重视丙酸生产思路的改革：

1)可以将丙酸发酵与维生素B12发酵合理整合。维生素B12价格昂贵，如果能在维生素B12发酵中获取副产物丙酸，将大大降低丙酸的生产成本；

2)可以从维生素B12发酵废液中分离提取丙酸。这样既能变废为宝，又有利于生态环境保护。应用：用作酯化剂、硝酸纤维素的溶剂、增塑剂、化学试剂和配制食品原料等。在饲料中丙酸及其盐丙酸通过以下途径发挥防腐防霉作用：1)非解离的丙酸活性分子在霉菌或细菌等细胞外形成高渗透压，使霉菌细胞内脱水而失去繁殖能力；2)丙酸活性分子可以穿透霉菌等的细胞壁，抑制细胞内的酶活性，进而阻止霉菌的繁殖。

研究表明，丙酸对黄曲霉、某些好气性芽孢杆菌、沙门氏菌以及酵母菌均有较好的抑制作用(Kwon和Panda，1999)。目前，市售的露保丝、克霉霸、万路保等的主要成分均为丙酸。2、丁酸（ethylaceticacid）发酵-P116

是梭状芽孢杆菌进行的专性嫌气性发酵。根据所生成的产物不同可分为：丙酮-丁醇发酵、丁醇-异丙酮发酵、丙酮-乙醇发酵等。主要用途是制造丁酸纤维素，用于制造热成型标志牌，眼镜，汽车驾驶盘，黑色电话机部件等，在防老化；耐水性；收缩性等方面均比乙酸纤维素强，丁酸也广泛用于制造清漆和模塑粉。丁酸用于制造乙酸纤维素，能与多种树脂溶混，多用于配漆；抽丝与棉混纺。

丁酸酯类具有愉快的水果香味，如丁酸甲酯有苹果香味，丁酸乙酯有菠萝香味，丁酸异戊酯有雪梨香味，丁酸异丙酯也具有菠萝香味。日用香精中的丁酸芳樟酯是丁酸的衍生物。

。五、己酸发酵-P117在发酵过程中，乙醇与乙酸结合生成丁酸，丁酸再与乙醇结合生成己酸。进而己酸与乙醇结合缓慢生成己酸乙酯。或通过芽孢杆菌利用乙酸乙酯与乙醇生成丁酸乙酯，进而再与乙醇反应生成己酸乙酯。己酸乙酯为浓香型大曲白酒中的主要香味物质。六、甲烷（沼气）的发酵P-117甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷发酵时有机物厌氧发酵过程中的主要过程，有机物的甲烷发酵不是单一的甲烷生产菌所能完成的，甲烷发酵至少有三个阶段组成。（1）有机聚合物水解生成单体化合物，进而分解成各种脂肪酸、二氧化碳、氢气；（2）各类脂肪酸进行分解，生成乙酸、二氧化碳、氢气；（3）由乙酸和二氧化碳、氢气反应生成甲烷。三个阶段是相互依赖和连续进行的。图6-1见书P118甲烷菌是严格嫌气菌，不产孢子，具有相识的RNA的排列顺序，具有嗜盐性，较耐温、耐酸。可分离到20种以上的甲烷产生菌。1797年，Balch将甲烷菌分成三类：第一类甲烷杆菌目：包括甲烷杆菌属和甲烷短杆菌属；第二类甲烷球菌目：包括甲烷球菌属；第三类：甲烷微菌目：甲烷微菌属、产甲烷菌属、甲烷螺菌属、巴氏甲烷八叠球菌等图6-2

“十一五”期间，农业部将沼气技术列入了积极发展循环农业的１０大节约技术之一。根据农业部中长期发展规划纲要，我国到２０１０年在一般适应地区发展农村沼气要达到总农户的１０％，到２０２０年要达到总农户的２５％。

甲烷（沼气）的发展信息厌氧发酵结束第二节好氧发酵机制—P118一：TCA、乙醛酸循环该途径是由H.A.Kerbs提出的，在大多数的动植物体内的有氧呼吸下进行，最终生成二氧化碳、水、并释放出大量能量的过程。

①丙酮酸脱氢酶②柠檬酸合酶③顺乌头酸酶④⑤异柠檬酸脱氢酶⑥

α-酮戊二酸脱氢酶复合体⑦琥珀酰CoA合成酶⑧琥珀酸脱氢酶（9）延胡索酸酶（10）苹果酸脱氢酶。（11）异柠檬酸裂解酶（12）苹果酸合成酶（13）丙酮酸羧化酶（14）苹果酸酶（15）谷氨酸脱氢酶（16）乌头酸脱氢酶羧化氧化脱羧三羧酸循环的特点和生理意义：1.三羧酸循环是机体主要的产能途径。三羧酸循环是在有氧的条件下，在线粒体内进行的循环反应过程。在TCA循环中底物(含丙酮酸)脱下5对氢原子：其中4对氢在丙酮酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸氧化脱羧和苹果酸氧化时用以还原NAD+，一对氢在琥珀酸氧化时用以还原FAD。生成的NADH和FADH2，经呼吸链将H+和电子传给O2生成H2O,同时偶联氧化磷酸化生成ATP。此外，由琥珀酰CoA形成琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成ATP。

因而，TCA循环是生物体利用糖或其它物质氧化获得大量能量（38个ATP）的有效途径。2.三羧酸循环是单向反应体系。三羧酸循环中的柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是该代谢途径的限速酶，所催化的是单向不可逆反应，所以三羧酸循环是不能逆转的。

3.三羧酸循环必须不断补充中间产物。为了维持三羧酸循环中间产物的一定浓度，保证三羧酸循环的正常运转，就必须补充消耗的中间产物，称为回补反应。草酰乙酸的浓度，直接与乙酰辅酶A进入三羧酸循环的速度有关，因此不断补充草酰乙酸是使三羧酸循环得以顺利进行的关键，因而由丙酮酸形成草酰乙酸是最重要的回补反应。、

4.

该循环既是糖、脂肪、蛋白彻底氧化分解的共同途径；又可通过代谢中间产物与其他代谢途径发生联系和相互转变，是连接各类物质代谢的枢纽。5.柠檬酸合成酶是TCA循环的关键酶，其活性受ATP抑制，为AMP激活，ATP降低此酶对乙酰CoA的亲和力催化的反应称为ATP中的限速步骤。

二、有机酸的发酵（一）柠檬酸发酵柠檬酸（citricacid）又名枸橼酸，学名2－羟基丙烷三羧酸，2－羟基丙烷－1，2，3－三羧酸。第四章柠檬酸发酵机理柠檬酸合成途径：丙乙酰COA葡萄糖酮→柠檬酸酸草酰乙酸氧化脱羧羧化EMP此反应是整个柠檬酸生物合成中最后一步的关键反应葡萄糖丙酮酸柠檬酸草酰乙酸EMP途径氧化脱羧羧化乙酰-CoA在TCA循环中要让柠檬酸大量积累，需解决两方面的问题：（1）、阻断柠檬酸的代谢途径，实现积累。（2）、对代谢阻断部位后的产物，须有适当的补充以满足代谢活动的最低要求，维持细胞的生长，以维持发酵的正常进行。1、发酵机制柠檬酸发酵反应目前生产上最常用的碳源为葡萄糖、蔗糖和淀粉。假设全部经EMP途径合成，则反应式分别为：C6H12O6+3/2O2C6H8O7+2H2O葡萄糖理论转化率为106.7％C12H22O11+3O22C6H8O7+3H2O蔗糖理论转化率为112.3％（C6H10O5）n+3/2nO2nC6H8O7+nH2O淀粉理论转化率为118.5％

在发酵过程中实际转化率总是低于理论转化率，原因如下：(1)原料中存在少量非发酵性糖，这些糖具有还原性，能与斐林试剂反应，因此测定出的数值是发酵性糖和非发酵性糖的总量。(2)部分糖由于用于合成菌体，因而被消耗掉。(3)微生物通过呼吸作用，消耗糖产生ATP，用于生物合成。(4)部分糖被用于合成副产物。丙酮酸乙酰CoA草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸CO2FeCO2CO2存在两个CO2固定系统（需Mg2＋、K＋）：1）丙酮酸（PYR）在PYR羧化酶作用下，生成草酰乙酸，此作用更强2）磷酸烯醇丙酮酸（PEP）在PEP激酶的作用下，生成草酰乙酸磷酸稀醇式丙酮酸柠檬酸的代谢控制柠檬酸的积累：①Mn2+缺乏→抑制蛋白合成→NH4↑有一条呼吸活动强的不产生ATP的侧呼吸链；（使糖酵解途径畅通，如缺氧会导致此呼吸链不可逆失活）②由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2的固定两个反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。③由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡：柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。④随着柠檬酸积累，pH降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，更有利于柠檬酸的积累及排出细胞外。2、柠檬酸的用途：柠檬酸具有令人愉快的酸味，它入口爽快、安全无毒，是发酵法生产的最重要的有机酸。它在水中的溶解度极高，能被生物体直接吸收代谢。柠檬酸被称为第一食用酸味剂，主要作用是调节pH值、增加产品的酸味，加强抗氧化剂的作用，提高产品稳定性，螯合微量元素。在食品工业上及广泛的用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、螯合剂等等。应用于饮料、果酱、果冻、糖果、冷冻食品、酿造酒、冰淇淋、酸奶、脂肪、油、腌制品、罐头食品、水果加工、豆制品与调味品等等之中。

在药物、美容品、化妆品上的应用：柠檬酸与碳酸钠或碳酸氢钠水溶液共同反应产生大量CO2(即泡腾)和柠檬酸钠，可使药物中活性配料迅速溶解并增强味觉能力。在工业上的应用：金属净化、去垢剂、无土栽培农艺、矿物和颜料方面应用、电镀、治理工业废气、废水、回收金属、纺织品、混凝土、胶粘剂等等（二）、醋酸发酵--P122是指乙醇在醋酸菌的作用下氧化成醋酸的过程。1、人类对食醋的制作和利用已有很长的历史了，然而对醋酸菌的发现却只是前一个世纪的事情，是1863年巴斯德（L．Pasteur）发现的。乙醇氧化过程由如下二阶段组成。（1）CH3CH2OHCH3CHO（2）CH3CHOCH3COOH

（1）、（2）分别在乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的作用下进行的。醋杆菌发酵酒精为醋酸，醋杆菌为革兰氏阴性好氧菌，理论的转化率为130%，1mol乙醇转化为1mol醋酸

乙醛脱氢酶乙醇氧化酶或乙醇脱氢酶NADNADH2、热醋酸梭菌生产醋酸C6H12O6+2H2O2CH3COOH+2CO2+8H++8e-

2CO2+8H++8e-CH3COOH+2H2OCO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类咕啉蛋白形成醋酸的。热醋酸梭菌是产芽孢的革兰氏阳性菌，严格厌氧，最佳生长温度为55~60℃。也可以利用戊糖生产。3生产：醋是日常生活中常用的调味剂，它约含3%——5%的乙酸。食醋可以划分为酿造醋、合成醋、再制醋三大类，其中产量最大，与我们关系最为密切的是酿造醋。合成醋，是用化学方法合成的醋酸配制而成，缺乏发酵调味品的风味，质量不佳。再制醋是以酿造醋为基料，经进—步加工制成，如五香醋、蒜醋、姜醋、固体醋等。四大名醋：镇江香醋以“酸而不涩，香而微甜，色浓味鲜，愈存愈醇”等特色而闻名。

山西老陈醋：老陈醋产于清徐县，为我国四大名醋之一。老陈醋色泽黑紫，食而绵酸，香味醇厚，回味绵长。

“保宁醋”有近400年历史，是中国四大名醋之一，但在中国四大名醋中，“保宁醋”的生产规模和经济效益却被远远抛在后面。

及福建红曲米醋并列为清代流传至今的“四大名醋”。醋的生产方法有固态发酵法和液态发酵法，传统的醋主要以固态发酵法。固态发酵食醋香味成份的数量和种类，比液态发酵食醋高数倍至数十倍

老陈醋是以高粱、大麦、豌豆为制作主料，辅料麸皮与谷糠，用固态发酵法经过磨、蒸、熏、淋等复杂的手工酿造过程之后，再辅之以“夏伏晒，冬捞冰”的陈放过程。使醋中的杂质沉淀，水分通过蒸发或结冰析出，使醋的浓度越来越高。同时醋中的物质充分地进行生化作用。在经过至少1年的陈放后，才可以称为“老陈醋”。老陈醋色泽黑紫、体态清亮，闻之香酸、宜气扑息，食之口味醇厚、绵甜、柔和。固态发酵醋的工艺流程液体深层发酵法（三）、衣康酸（Itaconic

acid）-P-122

1、简介化学名称：亚甲基琥珀酸

分子式：C5O4H6

分子量：130.1

结构式：

性状：

类白色晶体，易溶于水和乙醇，极微溶于苯、醚、氯仿和二硫化碳等有机溶剂。

衣康酸应用领域极其广泛，被誉为有机酸领域中皇冠上的宝石。衣康酸是不饱和聚酯的单体，可以与多种烯烃共聚，生成带有羧基功能的高聚物。广泛应用于制造合成纤维、合成树脂、塑料、橡胶、离子交换剂、涂料、表面活性剂、锅炉除垢剂、润滑油添加剂、土壤调节剂、粘度改良剂等领域。

衣康酸目前全世界衣康酸消费量在35000～40000吨/年，国内的衣康酸生产总产量大约为15000-20000吨，极大部分出口。微生物发酵最早由日本人发现的，利用土曲霉表面培养70年代后，用酵母液态发酵法生产。发酵水平：7.8～8.3%；发酵周期：52～56小时

糖酸转化率：60～64%；提取收率：80～85%

2、发酵机制至今尚无统一的看法，目前有两种主要的学说：（1）Bently学说：葡萄糖经过EMP、TCA途径后生成柠檬酸，再生成顺乌头酸，最后生成衣康酸。（2）Shimi学说：

1.5葡萄糖3乙醇EMP乙酸琥珀酸缩合衣康酸其理论转化率为48%。见书P-123图（四）、葡萄糖酸（Gluconicacid）-P-123别名： 葡糖酸分子式： C6H12O7用途： 用作蛋白凝固剂和食品防腐剂合成机制：1、真菌葡萄糖酸发酵黑曲霉、青霉菌可将葡萄糖发酵为葡萄糖酸。葡萄糖（环式）葡萄糖氧化酶葡萄糖酸-δ-内酯+H2O自发水解葡萄糖酸2、细菌葡萄糖酸发酵葡萄糖酸杆菌，数种假单胞菌、芽生菌、微球菌等均可产生。葡萄糖（醛式）葡萄糖酸葡萄糖氧化酶葡萄糖（环式）自发葡萄糖（醛式）葡萄糖酸葡萄糖氧化酶理论上1mol葡萄糖可生成1mol葡萄糖酸或它的内酯，转化率为108.8%二：氨基酸发酵（一）氨基酸的用途食品工业一般在主要食物如小麦中缺少赖氨酸、苏氨酸和色氨酸，适量添加这些氨基酸可强化食品，提高食品的营养价值；另外常用作调味剂。增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸甜味剂：苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此产品1981年获FDA批准,现在每年产量已达数万吨。甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显着提高食品的风味。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。

医药工业氨基酸参与体内代谢和各种生理机能活动，因此可用来治疗各种疾病