生物化学工程基础(第三章代谢作用与发酵)课件

第三章代谢作用与发酵fermentation:广义的讲就是利用微生物或生物化学的手段，将各种物质加以改变，然后利用由此取得的能量及代谢中间体，而得到各种有用的物质。第一节生物体内的糖类一、糖的概念糖即碳水化合物，是多羟基醛与多羟基酮及其衍生物或多聚物.它主要是由绿色植物经光合作用形成的,主要是由C、H、O构成的。二、糖的分类根据水解后产生单糖残基的多少分为四大类单糖寡糖多糖结合糖1.单糖：不能再水解的糖D-葡萄糖1234566-磷酸葡萄糖

D-果糖1234566-磷酸果糖核糖321455-磷酸核糖核酮糖321455-磷酸核酮糖核酮糖

——戊酮糖甘油醛1233-磷酸甘油醛甘油醛

——丙醛糖葡萄糖在体内的作用葡萄糖是体内糖代谢的中心（1）葡萄糖是食物中糖(如淀粉)的消化产物（2）葡萄糖在生物体内可转变成其它的糖，如核糖、果糖、半乳糖、糖原等；（3）葡萄糖是哺乳动物及胎儿的主要供能物质（4）葡萄糖可转变为氨基酸和脂肪酸的碳骨架11214α-D-葡萄糖苷-（1→2）-β-D-果糖β-D-半乳糖苷-（1→4）-β-D-葡萄糖乳糖蔗糖淀粉(starch)蓝色:α-1,4-糖苷键红色:α-1,6-糖苷键直链淀粉支链淀粉糖原(glycogen)非还原端还原端糖原在体内的作用糖原是体内糖的贮存形式

糖原贮存的主要器官是肝脏和肌肉组织肝糖原：含量可达肝重的5%(总量为90-100g)肌糖原：含量为肌肉重量的1-2%(总量为200-400g)

人体内糖原的贮存量有限，一般不超过500g.肝细胞中的糖原颗粒糖原颗粒4.结合糖糖与非糖物质的结合物常见的结合糖有：糖脂：是糖与脂类的结合物糖蛋白：是糖与蛋白质的结合物（2）厌氧性发酵(anaerobicfermentation)：在发酵过程中不需要供给无菌空气。

e.g.lacticacidbacteria--------lacticacid

Bacillusclostridium-------acetone-butanol（3）兼性发酵(facultativefermentation)：

在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧发酵，大量繁殖菌体细胞。好氧发酵罐厌氧发酵罐1.

动物、植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同途径

2.EMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果糖激酶（该酶受ATP、柠檬酸的抑制，为AMP所激活）；丙酮酸激酶；3-磷酸甘油醛脱氢酶（受碘乙酸抑制）；烯醇化酶（受氟化物抑制）。

3.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，然后沿着糖酵解途径进行降解。

4.丙酮酸的不同去路。反应中生成的NADH2不能积存，必须被重新氧化为NAD后，才能继续不断地推动全部反应。

在无氧条件下：

在乳酸菌中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酸发酵；

在酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体被还原为乙醇，即酒精发酵；

在梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧生成乙酰COA，然后经一系列变化生成丁酰COA、丁醛，两者作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、乙醇，所以称为丙酮-丁醇发酵。

在有氧条件条件下：

丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰COA，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和H2O，或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给氧生成水。另外，乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2化合物加以利用，形成脂肪等。在好氧条件下

丙酮酸进入TCA环，进行代谢，产生各种好氧代谢产物如柠檬酸、氨基酸、酶制剂、抗生素等，或完全氧化获得能量。淀粉葡萄糖丙酮酸CO2+H2OATP生物体内氧化分步骤进行

三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。返回丙酮酸三个二氧化碳三羧酸循环

微生物的代谢途径：

淀粉葡萄糖

丙酮酸完全氧化CO2+H2O

不完全氧化不定向代谢

产物TCAO2-O2乙醇（酵母、细菌）、甘油（酵母）乳酸（乳酸菌）、己酸（细菌）丁醇（梭状芽孢杆菌）、丙酸丁酸（细菌）控制EMP

微生物发酵过程即为生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。一、酵母菌的酒精发酵

Q：酒精酵母的呼吸作用？第一节厌氧发酵机制与代谢调控巴斯德(LouisPasteur)曲颈瓶实验

1.无生命的水浸液能产生微生物

2.产生微生物需要种子，空气才能产生微生物(一)自然发酵学说1、否定了生命“自然发生”学说；2、解决了当时工、农、医方面提出的许多难题，推动了生产的发展：3、奠定了微生物学的理论基础，4、创造了一些微生物学实验方法

水浸液烧开后不会腐败，不烧开会腐败；如果去掉瓶塞，烧开后也会腐败。

说明：无生命的水浸液不能产生微生物,产生微生物需要种子，空气才能产生微生物(二)酒精发酵是生物化学现象

酒精发酵是纯化学的现象(不同的观点)A“酵母的作用并不是由于它的生命活动，相反恰恰是由于它的分解”

B“酵母体内含有一种酶，它能使糖变成酒精和二氧化碳”

C“酒精发酵并不是非有活酵母参加不可”

巴士德试验证明酒精发酵是生物与化学相结合的现象。

巴士德试验A：将可发酵性的汁液放在烧瓶中，用棉塞塞好，加入煮沸灭菌，任何情况下没有酒精发酵。B：加入少量的酵母到汁液中，很快引起酒精发酵，而且酵母数量增加。C：将酵母烧成灰，然后加入到烧瓶的汁液中，则不起发酵现象。

说明：发酵是酵母细胞生命活动的结果。发酵现象是由微生物引起的。

结论

发酵是能量来源的过程，是在缺氧条件下新陈代谢的主要方式，是酵母菌、乳酸菌等微生物固有的呼吸作用的方式。

酒精发酵是生物与化学相结合的一种现象，也就是说生物体是化学反应的所在地，在生物体内将糖转变为酒精和二氧化碳，另一方面，这种化学反应必须有生物体酵母参加。

Q:发酵作用和呼吸作用有何区别？(三)空气对酵母菌作用的影响1.在敞口玻璃容器盛有液层很薄的可发酵性糖液

L/S＝1／4

（L—酵母的干重，S是耗糖量）2.在长颈玻璃瓶盛有半瓶可发酵性汁液L/S＝1／203.在2中将瓶的开口拉成曲颈细玻璃管L/S＝1／254.同3，将液体装满L/S＝1／755.将可发酵的汁液加热煮沸，驱逐所含的空气，见入酵母，用抽气的方式将容器装满，于侧管放一发酵栓，在无氧的条件下发酵，L/S＝1／175

酵母培养液中的空气越少，则分解的糖越多，而酵母自然繁殖的数量越少，酵母在分解糖的过程中起着向催化剂的作用。即酵母进行嫌气性生活，分解许多糖变成酒精，而它得到的能量却很少，自由繁殖的数量很少。在酿造酒的生产中，必须控制

通风，使酵母发芽繁殖，生成

的酵母细胞，能够在一定的

时间内，将

全部发酵成

。如果通风过渡，就会由于酵母的

生活而损失酒精。

(四)酒精生成机制

(1)葡萄糖（glucose）

EMP

丙酮酸（pyruvicacid）

己糖磷酸化作用

EMP六碳糖转变为三碳糖磷酸丙糖丙酮酸

(2)丙酮酸乙醇丙酮酸（pyruvicacid）脱羧乙醛（acetaldehyde）乙醛还原

乙醇（alcohol）

酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反应，1分子G生成２分子的乙醇，２分子的CO2和2分子ATP。

2CH3COCOOH4ATPMg2+2ATP2CO22CH3CHONADH+H+NAD+C6H12O62C2H5OH1.从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。

2.有脱氢反应，脱下的氢有辅酶１携带。还原型

NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。

3.从Ｇ－－乙醇，净得２ATP。

4.发酵过程的某些反应需辅酶和辅助因子。返

(五)酒精发酵中付产物的形成

主产物（product）：酒精（alcohol）副产物（byproduct）：二氧化碳（carbondioxide）甘油（glycerol）乙醛（acetaldehyde）瑚珀酸（succinicacid）乙酸（aceticacid）酯（ester）高级醇（higheralcohol）

双乙酰（diacetyl）(1)双乙酰（diacetyl）合成途径直接由乙酰辅酶Ａ和活性乙醛缩合而成。由-乙酰乳酸的非酶分解产生双乙酰CH3CHO-TPP+CH3SCOA

CH3COCOCH3+COA

双乙酰是酵母合成缬氨酸时派生出来的，双乙酰是啤酒的重要风味指标，啤酒中的双乙酰的含量取决于生成量与排除量之间的平衡（风味阈值为为0.1ppm

）CH3CHO-TPPCH3COCOOH-乙酰乳酸缬氨酸双乙酰2,3-丁二醇非酶氧化酵母还原降低啤酒中双乙酰的措施:１.提高麦汁中氨基氮的含量；２.利用酵母的还原作用，将双乙酰转变成2,3-丁二醇；３.利用二氧化碳的洗涤作用，排除双乙酰。+4.加入-乙酰乳酸脱羧酶;5.使用基因工程构建的含有-乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株（2）酯类物质啤酒的香味果酒的香味酒花香麦芽香发酵过程形成的各种酯类的香味果香发酵香陈酿香形成途径：通式：R-CO-SCOA+ROHRCOOR+COA-SHR-CO-SCOA脂肪酸的激活作用酮酸的氧化作用在ATP的作用下，使脂肪酸活化酮酸的氧化作用R-COOH+ATP+COA-SH

RCO－SCOA+AMP+PPi

RCOCOOH+NAD+COASHRCO-SCOA+NADH2+CO2

影响因素:不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；发酵温度高，有利于酯类的形成；接种量大，酯类的形成量低。

（3）含硫化合物

麦芽制造、麦汁制备都能生成挥发性的含硫化合物，但这些物质在煮沸时被消除掉了，因此，啤酒中的含硫化合物大都是在发酵过程中形成的。非挥发性的，挥发性含硫化合物的来源含硫化合物挥发性的（硫醇）：影响啤酒的风味含量低时（8-10ppb），对啤酒的风味起加成作用；含量高时，构成啤酒的生青味和氧化味。一般含硫化合物的阈值很低，如H2S,为５ppb。

二甲基硫是啤酒中重要的含硫化合物，它的含量因啤酒的类型不同而不同，它超过一定量，啤酒的风味就失去了典型性。英国上面啤酒（Ale）DMS

14ppb

英国底面啤酒DMS

60~27ppb欧洲大陆底面啤酒DMS

44~114ppb

Q：含硫化合物的来源?二、细菌的酒精发酵（alcoholicfermentationofbacteria)

菌种为运动发酵单孢菌（ZymomonasMobilis），少数假单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）也能利用G经ED途径进行酒精发酵。总反应式为

C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。

在末端假单胞菌中能使2分子丙酮酸脱羧，然后还原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2；而在其他假单胞菌中氢载体再氧化后，生成1分子的乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。

ED途径------脱氧酮糖酸途径由部分EMP途径、部分HMP途径组成。

ED途径的三个阶段

1、G氧化分解

6--磷酸葡萄糖酸+NADP·H（HMP）

2、6--磷酸葡萄糖酸三碳糖

6---P--葡萄糖酸脱水酶

6---P--葡萄糖酸2--酮--3--脱氧--6--P--葡萄糖酸

2--酮--3--脱氧--6--P--葡萄糖酸丙酮酸+3--P--甘油醛

3、氧化产能阶段

3--P--甘油醛EMP丙酮酸

总反应式C6H12O6+NADP++NAD++ADP+Pi2CH3COCOOH+NAD·2H++NADP·2H+ATP

转

细菌酒精发酵的特点代谢速度快；发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；厌氧且耐高温；能利用多种糖类发酵工艺技术要求高优点：缺点：三、乳酸发酵机制

1.

同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌。它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵，如乳链球菌（Streptococcuslactics）、乳酪链球菌（Streptococcuscremoris）、干酪乳杆菌（lactobacilluscasei）、保加利亚乳杆菌（Lac.bulgaricus）等。同型乳酸发酵的特点：1mol的G产生2mol乳酸，理论转化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。2.异型乳酸发酵

发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二氧化碳等，称为异型乳酸发酵。如一些明串菌株（Leuconostoc）及乳酸杆菌（Lactobacillus）。6-磷酸葡萄糖酸途径：

1mol的G产生1mol的乳酸，理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。

C6H12O6PK-OH2C-CHOH-CHOEMPCH3CHOHCOOHpBifidus途径（双歧途径）：

双歧杆菌（Bifidobacterium

）进行的乳酸发酵有两个磷酸酮解酶参与。在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子G分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛，转化为乳酸，转化率为50%。苹果酸－乳酸发酵也是由乳酸菌引起的，它是一种生物降酸作用。

在水果酒的生产中，除进行酒精发酵外，还必须进行苹果酸－乳酸发酵作用，只有在这种情况下，葡萄酒才能获得成熟。四、甘油合成机制1.亚硫酸盐法甘油发酵

酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等盐类，它能与乙醛起加成作用，生成难溶的结晶状亚硫酸纳加成物，这样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在α-磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）催化下生成α-磷酸甘油，后者在α-磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α-甘油。

CH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+CH3-

C-HOSO2Na+CO2

CH2OH

1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐不能加得太多，否则会使酵母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以使获得一些能量，供生命活动所需。

2ATPCO2NaHSO33-磷酸甘油醛→→丙酮酸→乙醛→乙醛亚硫酸钠加成物葡萄糖→1.6-二磷酸果糖Pi2H

磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油→甘油该过程也称酵母菌的II型发酵。Pi

Q:为什么果酒中的甘油含量较高？2.碱法甘油发酵

酒精酵母的发酵液在保持碱性（pH7.6以上）的条件下，乙醛不能作为正常的受氢体，乙醛在碱性溶液里２分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。此时，由３－磷酸甘油醛脱氢生成的NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油．

CH2OH2C6H12O6+H2O2CHOH+C2H5OH+CH3COOH+2CO2CH2OH

碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生ATP，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。五、丙酸丁酸发酵1.丙酸发酵机制自1923年以来，微生物发酵生产丙酸的专利很多，所用的微生物集中在丙酸杆菌属(Propionibacterium)。丙酸生产的代谢途径一般认为经EMP途径：葡萄糖

↓EMP

↓乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→苹果酸→富马酸→琥珀酸→丙酸乙酸+CO2丙酸和乙酸的生成比例，以菌种、培养条件而变化。

以葡萄糖为基质发酵丙酸和乙酸的生成比大多在2：1左右。问题：（1）丙酸杆菌生产丙酸受终产物（丙酸和乙酸）抑制，故难以使产物积累到较高程度，是一条较难进行的代谢途径。（2）同时由于发酵液中丙酸浓度低，大量副产物存在使产物分离提取较困难。由于近年来丙酸供不应求，石油价格原因，合成法成本上升，人们对发酵法备受重视，如乳清渗透液、纤维素水解液和其他廉价原料。一批新型有效的发酵工艺和反应器的出现使人们对在不久将来发酵法大规模生产丙酸充满信心。2.丁酸发酵机制丁酸发酵是丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutylricum）所进行的一类发酵，是专性厌氧性发酵。丁酸是其特征性发酵产物。丁酸型发酵的产物有：丁醇、丙酮、乙醇、CO2、H2、乙酸和丁酸等。它们利用糖经糖酵解途径产生丙酮酸，由丙酮酸产生乙酰辅酶Ａ缩合进而还原成丁酸。２分子的丙酮酸产生２分子的乙酰CoA，缩合成乙酰乙酰辅酶Ａ，后者被还原成－羟丁酰CoA，脱水生成乙烯基乙酰CoA，再还原成丁酰CoA，最后生成丁酸。

丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌（Clostridiumacetobutylicum）的发酵产物中除丁酸外，有丁醇、丙酮、乙酸、CO2与H2等。发酵产物丙酮由乙酰乙酸脱羧而生成。丁醇则由丁酸还原而成。根据发酵产物的不同有丙酮-丁醇发酵；丁醇-异丙醇发酵；丁酸发酵；丙酮-乙醇；丙酮-丁醇发酵化学反应式如下2CH3COCOOH2CH3COSCoACH3COCH2COSCoACH3COCH2COSCoA

CH3COCH2COOHCH3COCH3

CH3CH2CH2COOH+2HCH3CH2CH2CHO+H2OCH3CH2CH2CHO+2HCH3CH2CH2CHOH（丁醇）六、己酸的发酵机制浓香型：己酸乙酯和丁酸乙酯；清香型：乙酸乙酯和乳酸乙酯；酱香型：一般认为是4--乙基愈疮木酚；兼香型：如西凤酒。

己酸乙酯是浓香型大曲酒的主体香气成分，是由已酸和乙醇酯化形成的。己酸的形成属于合成发酵。在发酵过程中，乙醇和乙酸结合生成丁酸，丁酸再与乙醇结合生成己酸。若乙醇和乙酸的比率不同，则丁酸和已酸形成的比率也不同。

乙酸多时主要产物为丁酸：

CH3CH2OH+CH3COOH→

CH3CH2CH2COOH+H2O

乙醇多时主要产物为己酸：

2CH3CH2OH+CH3COOH→

CH3CH2CH2CH2CH2COOH+2H2O在乙醇含量远高于乙酸的酒醅（fermentinggrains）中，这个过程实际上是及其复杂的代谢过程。

酒醅（fermentinggrains）：固体发酵法酿造白酒时在窖内发酵的固体物料。从配料、入窖温度来控制其发酵条件。

在大曲酒发酵过程中，淀粉质原料首先被糖化，然后有己酸菌将糖转化成己酸、乙酸、CO2和H2O

。己酸与乙醇酯化主要通过酰基辅酶A的形式进行，如下：

CH3CH2CH2CH2CH2COOH+ATP+CoASH→CH3CH2CH2CH2CH2COSCoA+AMP+Pi+H2OCH3CH2CH2CH2CH2COSCoA+CH3CH2OH→

CH3CH2CH2CH2CH2COOC2H5+CoASH己酸乙酯

但在大曲发酵中，通过上述途径生成的己酸乙酯只是一部分，另一部分则是通过芽孢杆菌利用乙酸乙酯为接受体，加入乙醇生成丁酸乙酯，然后再与乙醇反应生成己酸乙酯：

CH3COOC2H5+CH3CH2OH→

CH3CH2CH2COOC2H5+H2OCH3CH2CH2COOC2H5+CH3CH2OH→CH3CH2CH2CH2CH2COOC2H5+H2O

可以看出，乙醇、乙酸和乙酸乙酯是成香的前体物质，其含量变化会导致酒质量的波动。

七、沼气发酵机制

沼气（biogas）(甲烷，methane)

甲烷发酵属于厌氧消化(anaerobicdigestion)处理，是有机物厌氧分解过程中的主要过程。利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。它可以作为好氧处理的前阶段处理。甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员

（一）甲烷发酵机理

甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂的有机物最分解成甲烷和CO2，其反应机理可分以下两个阶段：

第一个阶段：是有机聚合物先被一群产酸菌分解成各种脂肪酸。第二个阶段：是在甲烷菌的作用下的产气过程称为甲烷发酵。

有机物的甲烷发酵是许多厌氧菌同时进行产酸和产气的复合发酵。

复杂有机物

←发酵细菌

可溶性简单有机物

←产酸菌

挥发性脂肪酸（丙酸，异丁酸，异戊酸）专性质子还原菌醋酸H2+HCO3

纯醋酸菌

CH4

甲烷菌CH4

HCO3H+HCO3H2CO3H2O+CO2