微生物的代谢调控理论及其在食品发酵中的应用

第三章微生物的代谢调控实际及其在食品发酵中的运用微生物代谢调理的根本概念和相关的酶微生物的代谢调控作用代谢调控在食品发酵中的运用本章内容微生物代谢调理的根本概念和相关的酶第一节一、新陈代谢

二、与代谢调理有关的酶一、新陈代谢新陈代谢：简称代谢，是营养物质在生物体内所阅历的一切化学变化的总称。新陈代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子〔有机物〕分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]++分解代谢：指复杂的有机物分子经过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸〔ATP〕方式的能量和复原力的作用，即异化作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP方式的能量和复原力一同合成复杂的大分子的过程，即同化作用。同一种物质，其分解代谢和合成代谢途径普通是不一样的。他们并不是简单的可逆反响，而往往是经过不同的中间反响或不同的酶来实现的。这样可以使生物体添加体内化学反响的数量，并使其对代谢活动的调控具有更大的灵敏性和应变才干。生物机体的分解代谢和合成代谢不只是采取不同的途径，甚至同一种物质的两种过程是在细胞的不同部位进展〔蛋白质、核酸等〕。按代谢产物在机体中作用不同分类初级代谢：提供能量、前体、构造物质等生命活动所必需的代谢物的代谢类型；合成的产物称为初级代谢产物，包括：氨基酸、核苷酸等。次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；合成的产物称为次级代谢产物，包括：抗生素、色素、激素、生物碱等。初级代谢产物和次级代谢产物的不同初级代谢产物次级代谢产物生长繁殖是否必需

是

否产生阶段

始终产生

生长到一定阶段后产生菌种特异性

无

有分布

位置

细胞内细胞内或细胞外

种类

氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等

激素、毒素、色素、抗生素生物体内的新陈代谢是靠生物催化剂——酶来催化。酶是推进生物体内全部代谢活动的工具。由于酶作用的专注性，每一种化学反响都有特殊的酶参与反响。每种特殊的酶都有其调理机制。它们使错综复杂的新陈代谢过程成为高度协调的、高度整合在一同的化学反响网络。二、与代谢调理有关的酶1、同工酶能催化同一种化学反响，但酶蛋白的分子构造不同的一组酶，存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中，甚至是同一组织或细胞中。2、别构酶又称变构酶，具有变构作用〔别构作用〕的酶称为别构酶。迄今一切知的别构酶都是寡聚酶，即含有两个或两个以上的亚基。特点：多亚基、两中心〔活性中心、调理中心〕。调理中心——结合调理因子或效应物。活性中心——结合底物。活性中心和调理中心是经过构象的变化而相互联络的。蛋白激酶A的激活3、多功能酶指在构造上只需一个多肽链，但具有两种或两种以上的催化活力或结合功能的蛋白质。第二节微生物的代谢调控作用一、诱导作用二、分解代谢物调理三、反响调理四、能荷调理酶的调理酶合成的调理酶活性的调理微生物细胞中的酶组成酶——细胞中一直存在的酶诱导酶——环境中某种物质诱导下产生的酶1、酶合成的调理：大肠杆菌对葡萄糖和乳糖的利用差别。基因处于翻开形状基因有条件的表达2、酶活性的调理经过改动已有酶的催化活性来调理代谢的速率。代谢产物和酶结合，致使酶的构造发生改动。但这种变化是可逆的，当代谢产物和酶脱离后，酶构培育会复原，又恢复原有活性。意义：微生物细胞内普通不会积累大量的代谢产物。酶合成的调理和酶活性的调理的比较酶合成的调节酶活性的调节调节对象调节机制特点意义诱导酶的合成酶的活性对基因表达的调控以反响的方式调理反响过程较慢快速、精细防止物质和能量的浪费防止代谢产物的积累一、诱导作用微生物在诱导物的作用下，产生诱导酶从而实现对某些物质的分解和利用的景象称为诱导作用。乳糖支配子模型。二、分解代谢物调理分解代谢物阻遏作用细胞内同时有两种分解底物〔碳源或氮源〕存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的景象。大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁衍。当培育基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先运用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停顿生长，经过短时间的顺应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁衍生长，从而出现二次生长曲线。三、反响调理反响调理是指代谢过程的中间产物或终产物对代谢过程早期阶段的关键酶的反响抑制造用。抑制酶的活性称为反响抑制；抑制酶的合成称为反响阻遏。〔一〕反馈阻遏乳糖支配子——酶合成的诱导色氨酸支配子——酶合成的阻遏——经过辅阻遏物来进展调理〔二〕反馈抑制分类：——协同反响抑制——协作反响抑制——积累反响抑制——顺序反响抑制1、协同反响抑制是指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才干抑制共同途径中的第一个酶的一种反响调理方式。2、协作反响抑制又称增效反响抑制，是指两种末端产物同时存在时可以起到比一种末端产物大得多的反响抑制造用。90%3、积累反响抑制每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制造用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。4、顺序反响抑制一种终产物的积累，导致前面一中间产物的积累，经过后者反响抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。四、能荷调理细胞内ATP、ADP、AMP之间的比例实践上是在不断的变动的，细胞经过改动这三者的比例来调理其代谢活动，称为能荷调理或腺苷酸调理。调理构成ATP的分解代谢酶类活性，也调理利用ATP的生物合成酶类的活性。第三节代谢调控在食品发酵中的运用一、发酵工艺条件的控制二、菌种遗传特性的调控三、控制细胞膜的浸透性代谢控制发酵：就是人为地在DNA分子程度上改动和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。方法：——物理化学诱变——抗反响调理突变法——控制发酵条件，改动细胞的浸透性一、发酵工艺条件的控制目的：为消费菌发明一个最适的环境，使我们需求的代谢活动得以最充分的表达。温度pH培育基溶氧泡沫控制因子发酵产品的转换氧气乳酸或琥珀酸（通气不足）←→谷氨酸（通气充足）NH4+α-酮戊二酸（缺乏）←→谷氨酸（适量）←→谷氨酰胺（过量）pHN-乙酰谷氨酰胺（酸性）←→谷氨酸（中性或微碱性）磷酸缬氨酸（高浓度）←→谷氨酸生物素乳酸或琥珀酸（丰富）←→谷氨酸（缺乏）表3-2谷氨酸产生菌的发酵条件与产物之间的关系表3-3培育条件对黑曲霉柠檬酸发酵的影响控制条件发酵效果通气量通气量大有利于柠檬酸形成，通气量小不利于柠檬酸形成温度28~30℃或较低，适于柠檬酸形成，温度高适于机体生长NH4NO3浓度低于1g/L，适于柠檬酸形成；大于1g/L，适于菌丝生长HPO42-浓度低于0.1g/L，适于柠檬酸形成；大于0.1g/L，适于菌丝生长pH2~3，适于柠檬酸形成；大于3，适于菌丝生长Zn2+,Fe2+,Mg2+各低于1mg/L时，适于柠檬酸形成Cu2+0.1~1.0mg/L，适于柠檬酸形成温度pH变化缘由：基质代谢、产物构成、菌体自溶。对发酵的影响：影响酶活性、影响代谢方向、影响培育基某些成分和中间代谢物的解离。控制方法：①在根底培育基中参与维持pH的物质；②经过补料调理pH；③当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。培养基要求：——满足机体生长的需求；——利于代谢产物的构成；——防止运用容易引起分解代谢产物阻遏的成分或防止运用高量的这种物质。二、菌种遗传特性的调控反响抑制造用的解除，其本质是使代谢途径中的关键酶的调理亚基的构造基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别构中心结合，从而解除反响抑制，积累末端产物。反响阻遏作用的解除，其本质是使调理基因或支配基因发生突变，使调理蛋白改动或不发生，调理蛋白不再与末端产物相结合，或结合后的复合物不能同支配基因结合，从而解除了末端产物对酶合成的阻遏作用。利用基因重组技术挑选新菌种——人胰岛素。三、控制细胞膜的浸透性1、经过生理学手段控制细胞膜的浸透性——直接抑制膜的合成或使膜受缺损。在谷氨酸发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌谷氨酸；控制生物素含量可改动细胞膜的成分，进而改动膜透性；当培育液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法。2、经过细胞膜缺损突变控制其浸透性——油酸缺陷型、甘油缺陷型用谷氨酸消费菌的油酸缺陷型，培育过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸的产