發(fā)酵工程原理第三章

發(fā)酵工程原理第三章1第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容第一節(jié)微生物的次級代謝第二節(jié)芳香族化合物的微生物代謝第三節(jié)H2和CO2等的微生物代謝第四節(jié)曲酒的發(fā)酵機(jī)制2第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)微生物的次級代謝次級代謝的概念次級代謝產(chǎn)物的類型次級代謝產(chǎn)物的生物合成3第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、次級代謝的概念

次級代謝：是指微生物在一定的生長時期(一般是穩(wěn)定生長期)，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對微生物的生命活動沒有明確功能的物質(zhì)的過程。微生物在這一過程產(chǎn)生的產(chǎn)物即為次級代謝產(chǎn)物。

4第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、次級代謝產(chǎn)物的類型1，根據(jù)產(chǎn)物合成途徑區(qū)分類型與糖代謝有關(guān)的類型與脂肪酸代謝有關(guān)的類型與萜烯和甾體化合物有關(guān)的類型與TCA環(huán)有關(guān)的類型與氨基酸代謝有關(guān)的類型5第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）與糖代謝有關(guān)的類型以糖或糖代謝產(chǎn)物為前體合成次級代謝產(chǎn)物有三種情況：直接由葡萄糖合成次級代謝產(chǎn)物。例如，曲霉屬(Aspergillus)產(chǎn)生的曲酸，放線菌產(chǎn)生的鏈霉素以及大環(huán)內(nèi)酯抗生素中的糖苷等。次級代謝產(chǎn)物的類型曲酸6第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月次級代謝產(chǎn)物的類型由預(yù)苯酸合成芳香族次級代謝產(chǎn)物，如放線菌產(chǎn)生的氯霉素（chloromycetin）、新霉素（neomycin）等。新霉素氯霉素7第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由磷酸戊糖合成的次級代謝產(chǎn)物。磷酸戊糖首先合成重要的初級代謝產(chǎn)物核苷類物質(zhì)，進(jìn)一步合成次級代謝產(chǎn)物，如嘌呤霉素、抗?jié)冮g型霉素、殺稻瘟菌素S以及多氧霉素等。次級代謝產(chǎn)物的類型嘌呤霉素Puromycin8第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）與脂肪酸代謝有關(guān)的類型此類型有兩種情況：以脂肪酸為前體，經(jīng)過幾次脫氫、β-氧化之后，生成比原來脂肪酸碳數(shù)少的聚乙炔(po1yacetylene)脂肪酸。這種次級代謝物多在高等植物中存在。擔(dān)子菌中也能見到。次級代謝產(chǎn)物的類型9第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月次級代謝產(chǎn)物不經(jīng)過脂肪酸，而是從丙酮酸開始生成乙酰CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰CoA。在初級代謝中由此進(jìn)一步合成脂肪酸，而在次級代謝中所生成的丙二酰CoA等鏈中的羰基不被還原，而生成聚酮或β-多酮次甲基鏈。由此進(jìn)一步生成不同的次級代謝產(chǎn)物。例如四環(huán)素抗生素類。紅霉素內(nèi)酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一個經(jīng)脫羧的甲基丙二酸的C3單位，最后由七酮形成內(nèi)酯環(huán)，再與紅霉糖、脫氧氨基已糖，以糖苷的形式結(jié)合而成為紅霉素。

次級代謝產(chǎn)物的類型10第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）與萜烯和甾體化合物有關(guān)的類型與萜烯和甾體化合物有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物，主要是由霉菌產(chǎn)生的，例如煙曲霉素(三個異戊烯單位聚合而成)、赤霉素(四個異戊烯單位聚合而成)、梭鏈孢酸(由六個異戊烯單位聚合而成)及由八個異戊二烯單位聚合成的β-胡蘿卜素等。

次級代謝產(chǎn)物的類型煙曲霉素梭鏈孢酸11第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）與TCA環(huán)有關(guān)的類型一類是從TCA環(huán)得到的中間產(chǎn)物進(jìn)一步合成次級產(chǎn)物，例如由α-酮戊二酸還原生成戊烯酸，由烏頭酸脫羧生成衣康酸。另一類是由乙酸得到的有機(jī)酸與TCA環(huán)上的中間產(chǎn)物縮合生成次級產(chǎn)物，例如，脂肪酸α-亞甲基與草酰乙酸或α-酮戊二酸羧基或羰基縮合。擔(dān)子菌產(chǎn)生的松覃(三)酸(α-十六烷基檸檬酸)就是由十八烷酸(C17H33·COOH)的α-亞甲基與草酰乙酸的羰基縮合而成。次級代謝產(chǎn)物的類型衣康酸松蕈(三)酸12第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）與氨基酸代謝有關(guān)的類型由一個氨基酸形成的次級代謝產(chǎn)物，如放線菌產(chǎn)生的環(huán)絲氨酸、氮絲氨酸；擔(dān)子菌由色氨酸合成口磨氨酸。

次級代謝產(chǎn)物的類型氮絲氨酸口蘑氨酸13第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由二個氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。是由二個氨基酸先以肽鍵結(jié)合，閉環(huán)生成二酮吡嗪(diketopiperazine)進(jìn)一步形成的。次級代謝產(chǎn)物的類型14第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由三個以上氨基酸縮合而成的次級產(chǎn)物，氨基酸之間多以肽鍵結(jié)合成直鏈狀，例如鐮刀菌(Fusarium)產(chǎn)生的恩鐮孢菌素(enniatine)。放線菌產(chǎn)生的很多次生物質(zhì)屬于此類型。例如短桿菌A、放線菌素、短桿菌酪素、多粘菌素、桿菌肽及紫霉素等。此外，還有二個以上氨基酸經(jīng)過復(fù)雜的縮合后形成含氮芳香環(huán)如麥角生物堿。次級代謝產(chǎn)物的類型15第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2，根據(jù)產(chǎn)物的作用區(qū)分類型抗生素激素生物堿毒素維生素色素次級代謝產(chǎn)物的類型16第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月抗生素：這是微生物所產(chǎn)生的，具有特異抗菌作用的一類次級產(chǎn)物。日前發(fā)現(xiàn)的抗生素已有2500-3000種，青霉素、鏈霉素、四環(huán)素類、紅霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、利福平、放線菌素(更生霉素)、博萊霉家(爭光霉素)等幾十種抗生素已進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。次級代謝產(chǎn)物的類型17第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月激素：微生物產(chǎn)生的一些可以刺激動、植物生長或性器官發(fā)育的一類次級物質(zhì)。例如赤霉菌(Gibberellafujikuroi)產(chǎn)生的赤霉素。生物堿：大部分生物堿是由植物產(chǎn)生的。麥角菌(Clavicepspurpurea)可以產(chǎn)生麥角生物堿。次級代謝產(chǎn)物的類型18第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月毒素：大部分細(xì)菌產(chǎn)生的毒素是蛋白質(zhì)類的物質(zhì)。如破傷風(fēng)梭菌(Clostridiumtetani)產(chǎn)生的破傷風(fēng)毒素，白喉桿菌(Corynebacteriumdiphtheriae)產(chǎn)生的白喉毒素，肉毒梭菌(C．botulinum)產(chǎn)生的肉毒素及蘇云金桿菌(Bacillusthuringiensis)產(chǎn)生的伴孢晶體等。放線菌，真菌也產(chǎn)生毒素。例如黃曲霉(Aspergillusflavus)產(chǎn)生的黃曲霉毒素。擔(dān)子菌產(chǎn)生的各種蘑菇毒素等。次級代謝產(chǎn)物的類型19第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月色素：不少微生物在代謝過程中產(chǎn)生各種有色的產(chǎn)物。例如由粘質(zhì)賽氏桿菌(Serratiamarcescens)產(chǎn)生靈菌紅素，在細(xì)胞內(nèi)積累，使菌落呈紅色。有的微生物將產(chǎn)生的色素分泌到細(xì)胞外，使培養(yǎng)基呈現(xiàn)顏色。次級代謝產(chǎn)物的類型20第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月維生素：作為次生物質(zhì)，是指在特定條件下，微生物產(chǎn)生的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自身需要量的那些維生素，例如丙酸細(xì)菌(Propionibacteriumsp．)產(chǎn)生維生素B12，分枝桿菌(Mycobacterium)產(chǎn)生吡哆素和煙酰胺，假單胞菌產(chǎn)生生物素，以及霉菌產(chǎn)生的核黃素和β-胡蘿卜素等。次級代謝產(chǎn)物的類型21第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、次級代謝產(chǎn)物的生物合成次級代謝產(chǎn)物的合成過程可以概括為如下模式：22第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月次級代謝產(chǎn)物的合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體，進(jìn)入次級代謝產(chǎn)物合成途徑后，大約經(jīng)過三個步驟，合成次級代謝產(chǎn)物。前體聚合：前體單元在合成酶催化下進(jìn)行聚合。結(jié)構(gòu)修飾：聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過修飾反應(yīng)如環(huán)化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用RH+O2+NADPH2→ROH+H2O十NADP氯化反應(yīng)RH+H2O2+Cl-+H+→RCl+2H2O次級代謝產(chǎn)物的生物合成23第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月次級代謝產(chǎn)物的生物合成不同組分的裝配：如新生霉素24第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月諾卡霉素A(nocardicinA)分子裝配次級代謝產(chǎn)物的生物合成25第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)芳香族化合物的微生物代謝芳香烴的分解甲苯的分解鄰苯二酚的降解原兒茶酸的降解

26第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、芳香烴的分解微生物對芳香烴的分解是在有氧條件下進(jìn)行的，首先以形成二元酚如鄰苯二酚、原兒茶酸等作為環(huán)裂解底物，再進(jìn)一步氧化分解。苯的氧化首先是生成二羥基已二烯，再轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚。27第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、甲苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚的途徑Kitagawa用(P．a(chǎn)eruiginosa)試驗指出該菌分解甲苯是將甲基氧化成羧基，再將苯甲酸轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，甲苯與苯甲酸之間的中間產(chǎn)物是苯甲醇和苯甲醛，Walker用Pseudomonas菌試驗證明甲苯分解存在另一條途徑，即二羥化反應(yīng)將甲苯轉(zhuǎn)化成3-甲基鄰苯二酚作為裂解底物。28第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鄰苯二酚環(huán)裂解及其降解鄰苯二酚通過兩種途徑之一進(jìn)行降解在兩個羥基之間裂解(鄰位裂解)在羥基旁裂解(間位裂解)。鄰苯二酚酶變鄰苯二酚酶29第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月原兒茶酸的降解鄰位裂解，終產(chǎn)物是琥珀酸間位裂解，終產(chǎn)物是兩分子丙酮酸。30第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)H2和CO2的微生物代謝H2的微生物代謝CO2的微生物代謝31第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、H2的微生物代謝1，分解代謝氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。它們能利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同化CO2，也能利用其它有機(jī)物進(jìn)行生長。32第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月在有分子氫和氧的條件下，氫細(xì)菌在生長過程中實際上包括兩個過程：分子氫氧化成水，放出能量；分子氫還原CO2成為細(xì)胞物質(zhì)，總的結(jié)果是以6：2：l的比例消耗H2，O2和CO2，四分子氫氧化成水所放出的能量可產(chǎn)生一分子ATP，用于還原CO2構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)和維持細(xì)菌的生長。H2的微生物代謝33第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氫化酶氫化酶是氫細(xì)菌進(jìn)行無機(jī)化能營養(yǎng)方式生長的關(guān)鍵酶，在多數(shù)氫細(xì)菌中，有兩種氫化酶，其結(jié)構(gòu)和功能各不相同顆粒狀氫化酶(particulatehydrogenase)結(jié)構(gòu)：結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜上，直接與呼吸鏈偶聯(lián)。功能：不經(jīng)過依賴于NAD+的脫氫酶作中間體，催化氫的氧化，并把電子直接傳給呼吸鏈產(chǎn)生ATP。H2的微生物代謝34第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月可溶性氫化酶(so1ublehydrogenase)結(jié)構(gòu)：存在于細(xì)胞質(zhì)中，由四聚體復(fù)合組成，還含有黃素單核苷酸和FeS中心。功能：可溶性氫化酶催化氫的氧化，它的主要功能是為菌體生長提供固定CO2的還原力。另外，它可直接運送電子進(jìn)入呼吸鏈。H2的微生物代謝35第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氫細(xì)菌是一類兼性化能自養(yǎng)菌，在有O2無H2時，可利用糖或有機(jī)酸或氨基酸而生長。有的還可利用嘌呤和嘧啶進(jìn)行生長。H2的微生物代謝36第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氫效應(yīng)當(dāng)氫細(xì)菌以無機(jī)化能營養(yǎng)方式生長時，H2的存在能阻抑菌體對有機(jī)物(如對果糖)的利用，這種現(xiàn)象稱為氫效應(yīng)。其原因有兩方面：果糖的利用是通過ED途徑進(jìn)行的。當(dāng)有氫存在時，分子氫使ED途徑中酶合成的誘導(dǎo)受到抑制，因而不能利用ED途徑分解有機(jī)物，包括果糖。果糖經(jīng)ED途徑分解的關(guān)鍵是進(jìn)行脫氫氧化。在氫細(xì)菌體內(nèi)NAD(P)+是有限的，當(dāng)有O2和H2時，氫化酶催化生成NAD(P)H，菌體內(nèi)NAD(P)+減少。由于果糖分解脫下的氫不能交給NAD(P)+(因消耗于環(huán)境中氫的還原)故在這種情況下不能利用果糖等有機(jī)物。其實質(zhì)是氫細(xì)菌中的氫化酶與ED途徑的關(guān)鍵酶，脫氫酶爭奪體內(nèi)有限的NAD(P)+，而使生長停止。H2的微生物代謝37第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2，合成代謝I.DarkfermentativebacteriaH2asessugarsH2+organicacidsN2asesorganicacidsH2+CO2lightII.PhotosyntheticanoxygenicbacteriaIII.PhotosyntheticoxygenicgreenalgaeH2OH2+O2lightIV.PhotosyntheticoxygeniccyanobacteriaH2+O2H2OlightN2asesH2ases38第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月CO2的微生物代謝

CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為補(bǔ)助的碳源。將空氣中的CO2同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程稱為CO2固定作用。CO2的固定方式有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種。39第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月自養(yǎng)型CO2固定

自養(yǎng)微生物（包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)）固定CO2的途徑：二磷酸核酮糖環(huán)這個途徑最初是由卡爾文(Calvin)等研究綠藻的光合作用時查明的，所以又稱為卡爾文環(huán)。二磷酸核酮糖環(huán)是所有光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)微生物所共有的途徑。經(jīng)卡爾文循環(huán)固定CO2的過程可分為三個階段：羧化、還原、再生。CO2的微生物代謝40第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月CO2的微生物代謝41第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月異養(yǎng)型CO2固定異養(yǎng)型C02的固定主要是合成TCA環(huán)的中間產(chǎn)物。從理論上來講，利用1分子草酰乙酸就可以不斷地推動TCA環(huán)的運行(因為草酰乙酸可通過TCA環(huán)再生)。異養(yǎng)微生物依靠固定C02生成四碳二羧酸，補(bǔ)充TCA環(huán)的中間產(chǎn)物。催化這類反應(yīng)的酶有以下幾種：42第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月①磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸并產(chǎn)生無機(jī)磷酸．43第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月②磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸，同時使ADP轉(zhuǎn)為ATP44第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月③磷酸烯醇式丙酮酸羧基轉(zhuǎn)磷酸化酶它所催化的反應(yīng)與②相同，但需要二碳酸和無機(jī)磷酸，后者本身能變成焦磷酸．45第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月④丙酮酸羧化酶它催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，并使ATP轉(zhuǎn)化成ADP和Pi，反應(yīng)中還需要生物素。

46第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤蘋果酸酶它催化丙酮酸還原羧化成蘋果酸，以NAD(P)H2為供氫體。47第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥異檸檬酸脫氫酶它催化α-酮戊二酸還原羧化成異檸檬酸，需要NAD(P)H2。48第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月此外，在脂肪酸合成中也有固定CO2的反應(yīng)，如乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶的催化下生成丙二酰-CoA，此反應(yīng)得要生物素和ATP。49第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)曲酒的發(fā)酵機(jī)制固態(tài)混菌發(fā)酵邊糖化，邊發(fā)酵主要由曲中的霉菌進(jìn)行糖化，酵母進(jìn)行發(fā)酵。50第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、原料與白酒風(fēng)格高梁：香含有較多單寧，分解為丁香酸等酚類物質(zhì)玉米：甜植酸較多，分解為環(huán)己六醇（肌醇），支鏈淀粉液較多大米：凈脂肪含量少，質(zhì)地純凈大麥：沖蛋白質(zhì)、木質(zhì)素含量較高，產(chǎn)生較多糠醛、雜醇油、阿魏酸等51第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)酵機(jī)制酒精的發(fā)酵機(jī)制高級醇的產(chǎn)生機(jī)制有機(jī)酸的產(chǎn)生機(jī)制酯類物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制羰基類物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制芳香族化合物的合成機(jī)制52第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一）酒精發(fā)酵機(jī)制酵母的酒精發(fā)酵（EMP途徑，酵母菌的Ⅰ型發(fā)酵）葡萄糖+2ADP+2磷酸→2酒精+2二氧化碳+2ATP2.細(xì)菌的酒精發(fā)酵(假單胞菌，ED途徑）葡萄糖+ADP+磷酸→2酒精+二氧化碳+ATP

兩者途徑不同，產(chǎn)能水平也不同同型發(fā)酵53第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月主要是乳酸菌經(jīng)過戊糖磷酸（PPP）途徑葡萄糖→酒精+乳酸異型發(fā)酵54第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二）高級醇的產(chǎn)生機(jī)制

高級醇是酒類中最主要的風(fēng)味物質(zhì)之一。

在小曲酒中表現(xiàn)得非常突出。與酵母增殖有關(guān)。

與多元醇不同。55第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

1907年，德國化學(xué)家伊里希(FelixEhrlish)提出由氨基酸形成高級醇的途徑，可歸納為：有十種氨基酸，在發(fā)酵時酵母將其氨基轉(zhuǎn)移到α-酮戊二酸上，形成谷氨酸和α-酮酸，后者經(jīng)脫羧、還原，形成比原氨基酸少一個碳的高級醇。

1953年，哈里斯(Harris)研究提出高級醇由糖代謝通過丙酮酸的合成的途徑。56第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月酵母在發(fā)酵中形成主要高級醇途徑綜合如下：葡萄糖

正丙醇丙酮酸氨基酸反饋控制α-酮基-β-甲基戊酸α-酮基異戊酸α-酮基異乙酸轉(zhuǎn)氨轉(zhuǎn)氨轉(zhuǎn)氨

CO2

異亮氨酸CO2纈氨酸CO2亮氨酸甲基丁醛異丁醛異戊醛

NADH2NADH2NADH2NADNADNAD活性異戊醇

異丁醇

異戊醇

57第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三）有機(jī)酸的產(chǎn)生機(jī)制1）乙酸醋酸菌乙醇氧化葡萄糖+水→乙醇+醋酸+甘油+CO2

乙醛+水→乙醇+醋酸岐化反應(yīng)2）乳酸（乳酸菌）同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵（如酸，酒精和CO2）真菌（毛霉、根霉）產(chǎn)生L-型乳酸58第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3）丁酸葡萄糖→丁酸+CO2+H24）由低級酸合成高級酸乙醇+乙酸→丁酸+水丁酸+乙醇→己酸+水5）其他酸蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生氨基酸，脂肪水解產(chǎn)生脂肪酸59第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月四）酯類物質(zhì)的產(chǎn)生機(jī)制1）一般為酸與醇作用生成2）己酸菌生成己酸乙酯