發(fā)酵工程第六章微生物發(fā)酵機理

1、第六章第六章 微生物發(fā)酵機理微生物發(fā)酵機理微生物發(fā)酵機理微生物發(fā)酵機理p第一節(jié)第一節(jié) 微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝p第二節(jié)第二節(jié) 厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制p第三節(jié)第三節(jié) 好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制第一節(jié)第一節(jié) 微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝微生物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝l新陳代謝（新陳代謝（metabolism）： 生物體從環(huán)境攝取營養(yǎng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)，同時生物體從環(huán)境攝取營養(yǎng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)，同時將自身原有組成轉(zhuǎn)變?yōu)閺U物排出到環(huán)境中的不將自身原有組成轉(zhuǎn)變?yōu)閺U物排出到環(huán)境中的不斷更新的過程。斷更新的過程。 u 分解代謝、合成代謝分解代謝、合成代謝u 物質(zhì)代謝、能量代謝物質(zhì)

2、代謝、能量代謝u 初級代謝、次級代謝初級代謝、次級代謝初級代謝和次級代謝初級代謝和次級代謝1. 初級代謝（初級代謝（primary metabolism）：）：微生物從外界微生物從外界吸收各類營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生吸收各類營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所需要的物質(zhì)和能量的過程。成維持生命活動所需要的物質(zhì)和能量的過程。u 初級代謝產(chǎn)物：初級代謝產(chǎn)物：糖類、氨基酸、核苷酸、脂肪酸糖類、氨基酸、核苷酸、脂肪酸、多糖、蛋白質(zhì)、酯類、核酸、多糖、蛋白質(zhì)、酯類、核酸u 特征：特征：不同的微生物初級代謝產(chǎn)物基本相同；不同的微生物初級代謝產(chǎn)物基本相同； 生命活動所必需；生命活

3、動所必需； 初級代謝產(chǎn)物合成過程是連續(xù)不斷的。初級代謝產(chǎn)物合成過程是連續(xù)不斷的。2. 次級代謝（次級代謝（secondary metabolism）：）：微生物以微生物以初級代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對微生物初級代謝產(chǎn)物為前體物質(zhì)，合成一些對微生物生命活動無明確功能的物質(zhì)和能量的過程。生命活動無明確功能的物質(zhì)和能量的過程。u次級代謝產(chǎn)物：次級代謝產(chǎn)物：抗生素、毒素、激素、色素等抗生素、毒素、激素、色素等u特征：特征：不同的微生物初級代謝產(chǎn)物不同；不同的微生物初級代謝產(chǎn)物不同； 以初級代謝產(chǎn)物為前體；以初級代謝產(chǎn)物為前體； 不是生命活動所必需；不是生命活動所必需； 次級代謝產(chǎn)物合成過程是不連續(xù)

4、的。次級代謝產(chǎn)物合成過程是不連續(xù)的。微生物的能量代謝微生物的能量代謝 日光日光 （光能營養(yǎng)菌）（光能營養(yǎng)菌） 最初能源最初能源 有機物（化能異養(yǎng)菌）有機物（化能異養(yǎng)菌） ATPATP 還原態(tài)無機物（化能自養(yǎng)菌）還原態(tài)無機物（化能自養(yǎng)菌） 中心任務(wù)是將外界環(huán)境中各種形式的中心任務(wù)是將外界環(huán)境中各種形式的最初能源最初能源轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成能量貨幣能量貨幣ATPATP。第二節(jié)第二節(jié) 厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制p酒精發(fā)酵機制酒精發(fā)酵機制p甘油發(fā)酵機制甘油發(fā)酵機制p乳酸發(fā)酵機制乳酸發(fā)酵機制p沼氣發(fā)酵沼氣發(fā)酵機制機制一一 酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵p酵母菌酵母菌EMP途徑途徑丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙醇乙醇

5、pC6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2ATP+2CO2 +2H2O（弱酸性條件）：（弱酸性條件）：1分子分子Glu發(fā)酵生成發(fā)酵生成2分子乙醇和分子乙醇和2分子分子CO2p1 G2丙酮酸丙酮酸2乙醛乙醛 + CO2 2乙醇乙醇 + 2ATP p丙酮酸脫羧酶丙酮酸脫羧酶p乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶p酵母菌的乙醇發(fā)酵酵母菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羥丙酮二羥丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸

6、甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸2CO2乙醛乙醛+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇乙醇糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程酵母菌酒精酵母菌酒精發(fā)酵發(fā)酵主產(chǎn)物：乙醇、主產(chǎn)物：乙醇、COCO2 2副產(chǎn)物副產(chǎn)物4040多種多種醇（雜醇油）醇（雜醇油）醛（糠醛）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酸（琥珀酸）酯酯甲醇甲醇酒精發(fā)酵中的副產(chǎn)物酒精發(fā)酵中的副產(chǎn)物 酵母菌中的乙醇脫氫酶活性很強，乙醛作為氫受體被還原成酵母菌中的乙醇脫氫酶活性很強，乙醛作為氫受體被還原成乙醇的反應(yīng)進行得很徹底，因此，在乙醇發(fā)

7、酵中甘油的生成量乙醇的反應(yīng)進行得很徹底，因此，在乙醇發(fā)酵中甘油的生成量很少。很少。如果采取某些手段阻止乙醛作為氫受體時，磷酸二羥丙酮則替如果采取某些手段阻止乙醛作為氫受體時，磷酸二羥丙酮則替代乙醛作為氫受體形成甘油，這樣發(fā)酵轉(zhuǎn)為甘油發(fā)酵。代乙醛作為氫受體形成甘油，這樣發(fā)酵轉(zhuǎn)為甘油發(fā)酵。NaHSO3可作為抑制劑：可作為抑制劑：乙醛乙醛 + NaHSO3 乙醛亞硫酸氫鈉乙醛亞硫酸氫鈉二二 甘油發(fā)酵甘油發(fā)酵2ATP2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPCOCO2 2NaHSONaHSO3 3NADNADNADH+HNADH+HNADH+HNADH+HNADNADH H2 2O OP

8、iPi甘油發(fā)酵甘油發(fā)酵葡葡萄萄糖糖1.6-1.6-二磷二磷酸果酸果糖糖3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羥丙磷酸二羥丙酮酮丙酮酸丙酮酸乙乙醛醛乙醛乙醛HSO3HSO3-磷酸甘磷酸甘油油甘甘油油u 乳酸菌乳酸菌在在厭氧條件厭氧條件下利用葡萄糖及其他相應(yīng)的下利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸的過程?？砂l(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸的過程。u菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，可分為：同，可分為： 同型乳酸發(fā)酵：（同型乳酸發(fā)酵：（EMP途徑）途徑） 異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：（HMP途徑、途徑、PK途徑）途徑）三三 乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵u 進行乳酸發(fā)酵的主要是進行

9、乳酸發(fā)酵的主要是乳酸菌乳酸菌（乳鏈球菌、乳酪鏈（乳鏈球菌、乳酪鏈球菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌等）球菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌等）u 利用糖經(jīng)利用糖經(jīng)EMP途徑生成丙酮酸，丙酮酸還原產(chǎn)生乳途徑生成丙酮酸，丙酮酸還原產(chǎn)生乳酸。酸。 C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH u 特點：特點：1mol Glu產(chǎn)生產(chǎn)生2mol乳酸，理論轉(zhuǎn)化率為乳酸，理論轉(zhuǎn)化率為100%p EMP乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶1. 同型乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物只有乳產(chǎn)物只有乳酸酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘

10、油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羥丙酮二羥丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+u 發(fā)酵產(chǎn)物中除發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸乳酸外同時還有比例較高的外同時還有比例較高的乙酸、乙酸、乙醇、乙醇、CO2等。等。u 合成途徑：合成途徑：6-磷酸葡萄糖酸途徑、磷酸葡萄糖酸途徑、 雙歧途徑雙歧途徑2. 異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1NADNADHH6磷酸

11、葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2NADNADHH5磷酸核酮糖磷酸核酮糖35磷酸木酮糖磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoANADHHNAD乙醛乙醛NADHHNAD乙醇乙醇3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHH485766磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇p己糖激酶己糖激酶p6磷酸葡萄糖脫氫酶磷酸葡萄糖脫氫酶p6磷酸葡萄糖酸脫氫酶磷酸葡萄糖酸脫氫酶4. 5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向異構(gòu)酶差向異構(gòu)酶5. 磷酸解酮酶磷酸解酮酶6. 磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶7. 乙醛脫氫酶乙醛脫氫酶8. 醇脫氫酶醇脫氫酶葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸果糖磷酸果糖6

12、磷酸果糖磷酸果糖ADPPi4磷酸赤蘚糖磷酸赤蘚糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛7磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核糖磷酸核糖乙酰磷酸乙酰磷酸ATP乙酰乙酰5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核酮糖磷酸核酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸2 分子分子3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHHADPATP3分子乙酸分子乙酸葡萄糖經(jīng)雙歧途徑發(fā)酵生成乳酸和乙酸葡萄糖經(jīng)雙歧途徑發(fā)酵生成乳酸和乙酸1324567p6-磷酸果糖解酮酶磷酸果糖解酮酶p轉(zhuǎn)二羥基丙酮基酶轉(zhuǎn)二羥基丙酮基酶p轉(zhuǎn)羥乙醛基酶轉(zhuǎn)羥乙醛基酶p5磷酸核糖異構(gòu)酶磷酸核糖異構(gòu)酶p5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向異構(gòu)差向異構(gòu)酶酶

13、p5磷酸木酮糖磷酸酮解酶磷酸木酮糖磷酸酮解酶p乙酸激酶乙酸激酶 不同點不同點同型乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵 異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵 參與發(fā)酵的微參與發(fā)酵的微生物類群生物類群乳酸菌（雙球菌、鏈球菌、乳酸菌（雙球菌、鏈球菌、乳桿菌等兼性微生物）乳桿菌等兼性微生物）腸膜狀明串珠菌、番茄乳桿菌、短腸膜狀明串珠菌、番茄乳桿菌、短乳桿菌、甘露醇乳桿菌、雙歧桿菌乳桿菌、甘露醇乳桿菌、雙歧桿菌及真菌中的根霉及真菌中的根霉關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶、乳酸脫氫磷酸果糖激酶、乳酸脫氫酶酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶磷酸戊糖（或己糖）解酮酶 發(fā)酵途徑發(fā)酵途徑 EMP途徑途徑HMP、PK途徑途徑 途徑中參與途徑中參與的輔酶類型的

14、輔酶類型 NADH（輔酶（輔酶） NADPH（輔酶（輔酶） 過程途徑過程途徑 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸產(chǎn)物只有乳酸產(chǎn)物只有乳酸 葡萄糖葡萄糖乳酸、乙醇等乳酸、乙醇等 產(chǎn)物產(chǎn)物 只含乳酸只含乳酸 乳酸、乙醇、乳酸、乙醇、CO2等等 理論發(fā)酵率理論發(fā)酵率100% （高）（高） 50%（低）（低）總反應(yīng)式總反應(yīng)式C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2ATPC6H12O6+2ADP+2PiCH3COCOOH+CH3CH2OH+CO2+2ATPp第一階段是復(fù)雜有機物，第一階段是復(fù)雜有機物，如纖維素、蛋白質(zhì)、脂如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等，在微生物作用下肪等，在微生物作用下降解至其基本結(jié)構(gòu)單

15、位降解至其基本結(jié)構(gòu)單位- -分解成各種脂肪酸、二分解成各種脂肪酸、二氧化碳和氫氣；氧化碳和氫氣；p第二階段是各類脂肪酸第二階段是各類脂肪酸進行分解，生成乙酸、進行分解，生成乙酸、二氧化碳和氫氣；二氧化碳和氫氣；p第三階段是在甲烷產(chǎn)生第三階段是在甲烷產(chǎn)生菌的作用下由醋酸和二菌的作用下由醋酸和二氧化碳及氫氣反應(yīng)生成氧化碳及氫氣反應(yīng)生成甲烷。甲烷。 四四 甲烷發(fā)酵甲烷發(fā)酵第三節(jié)第三節(jié) 好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成機制p檸檬酸的發(fā)酵機制檸檬酸的發(fā)酵機制p氨基酸的發(fā)酵機制氨基酸的發(fā)酵機制p抗生素的發(fā)酵機制抗生素的發(fā)酵機制一一 檸檬酸的發(fā)酵機制檸檬酸的發(fā)酵機制檸檬酸的應(yīng)用：檸檬酸的應(yīng)用：p飲料

16、與冰淇淋飲料與冰淇淋p果醬與釀造酒果醬與釀造酒p腌制品腌制品 p罐頭食品罐頭食品p豆制品及調(diào)味品豆制品及調(diào)味品p其它：醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)其它：醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)p檸檬酸是目前世界上以生物化學(xué)方法生產(chǎn)，產(chǎn)量最大的有檸檬酸是目前世界上以生物化學(xué)方法生產(chǎn)，產(chǎn)量最大的有機酸。機酸。p我國是檸檬酸的第一大生產(chǎn)國，估計年產(chǎn)約我國是檸檬酸的第一大生產(chǎn)國，估計年產(chǎn)約50萬噸萬噸 檸檬酸發(fā)酵微生物檸檬酸發(fā)酵微生物 p 黑曲霉黑曲霉分生孢子頭分生孢子頭三羧酸循環(huán)（糖的最后氧化途徑）三羧酸循環(huán)（糖的最后氧化途徑）檸檬酸發(fā)酵機理檸檬酸發(fā)酵機理p檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)p檸檬酸積累機理檸檬酸積累機理檸檬酸積累的

17、代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)p 1. 1. 糖酵解糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié) 黑曲霉在缺錳的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，抑制了黑曲霉在缺錳的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，抑制了蛋白質(zhì)的合成，可提高蛋白質(zhì)的合成，可提高NHNH4 4+ +濃度，高濃度濃度，高濃度NHNH4 4+ + 可有效解除可有效解除ATPATP、 檸檬酸對磷酸果糖檸檬酸對磷酸果糖激酶的抑制。激酶的抑制。檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)p2. 2. 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)檸檬酸檸檬酸順烏頭酸順烏頭酸異檸檬酸異檸檬酸順烏頭酸酶順烏頭酸酶含含鐵鐵的非血紅蛋白，以的非血紅蛋白，以FeFe4 4S S4 4作為輔基。作為輔基。

18、且反應(yīng)需要且反應(yīng)需要FeFe+適量加入亞鐵氰化鉀（黃血鹽），與適量加入亞鐵氰化鉀（黃血鹽），與FeFe+ 生成絡(luò)合生成絡(luò)合物，則酶失活或活性減少，而積累檸檬酸。物，則酶失活或活性減少，而積累檸檬酸。誘變或其他方法，造成生產(chǎn)菌種順烏頭酸酶的缺損誘變或其他方法，造成生產(chǎn)菌種順烏頭酸酶的缺損或活力很低，同樣積累檸檬酸或活力很低，同樣積累檸檬酸。檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)p3. 3. 及時補加草酰乙酸及時補加草酰乙酸外加草酰乙酸外加草酰乙酸回補途徑旺盛的菌種回補途徑旺盛的菌種 組成型的丙酮酸羧化酶組成型的丙酮酸羧化酶回補途徑回補途徑二二 氨基酸發(fā)酵機制氨基酸發(fā)酵機制p氨基酸發(fā)酵工業(yè)是利用

19、微生物的生長和代謝活氨基酸發(fā)酵工業(yè)是利用微生物的生長和代謝活動生產(chǎn)各種氨基酸的現(xiàn)代工業(yè)。動生產(chǎn)各種氨基酸的現(xiàn)代工業(yè)。p氨基酸發(fā)酵是典型的氨基酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵代謝控制發(fā)酵。發(fā)酵所生成的產(chǎn)物發(fā)酵所生成的產(chǎn)物氨基酸，都是微生物的中間氨基酸，都是微生物的中間代謝產(chǎn)物，它的積累是建立于對微生物正常代謝的代謝產(chǎn)物，它的積累是建立于對微生物正常代謝的抑制。抑制。氨基酸發(fā)酵的關(guān)鍵是取決于其氨基酸發(fā)酵的關(guān)鍵是取決于其控制機制是否能夠被控制機制是否能夠被解除解除，是否能，是否能打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)，人為地，人為地控制微生物的代謝控制微生物的代謝。氨基酸發(fā)酵的代謝控制氨基酸發(fā)酵

20、的代謝控制p控制發(fā)酵的環(huán)境條件控制發(fā)酵的環(huán)境條件p控制細胞滲透性控制細胞滲透性p控制旁路代謝控制旁路代謝p降低反饋作用物的濃度降低反饋作用物的濃度p消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏p促進促進ATPATP的積累，以利于氨基酸的生物合成的積累，以利于氨基酸的生物合成氨基酸發(fā)酵受菌種的生理特征和環(huán)境條件的氨基酸發(fā)酵受菌種的生理特征和環(huán)境條件的影響。影響。對專性好氧菌來說，環(huán)境條件的影響更大。對專性好氧菌來說，環(huán)境條件的影響更大。谷氨酸谷氨酸發(fā)酵必須嚴格控制菌體生長的環(huán)境條發(fā)酵必須嚴格控制菌體生長的環(huán)境條件，否則就幾乎不積累谷氨酸。件，否則就幾乎不積累谷氨酸。1 控制發(fā)酵的環(huán)境條件控制發(fā)酵的環(huán)境條件氨基酸發(fā)酵是人為地控制環(huán)境條件而使發(fā)酵發(fā)生轉(zhuǎn)換氨基酸發(fā)酵是人為地控制環(huán)境條件而使發(fā)酵發(fā)生轉(zhuǎn)換環(huán)境因子環(huán)境因子發(fā)發(fā) 酵酵 產(chǎn)產(chǎn) 物物 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換溶解氧溶解氧谷氨酸谷氨酸乳酸和琥珀酸乳酸和琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸（通氣不足）（通氣不足）（適中）（適中） （通風(fēng)過量，轉(zhuǎn)速過快）（通風(fēng)過量，轉(zhuǎn)速過快）NHNH4 4+ +酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺（適量）（適量）（缺乏）（缺乏）（過量）（過量）pHpH值值谷氨酰胺，谷氨酰胺，N-N-乙