微生物发酵机理课件

第6章微生物发酵机理微生物发酵机理第一节微生物基础物质代谢第二节厌氧发酵产物的合成机制第三节好氧发酵产物的合成机制第一节微生物基础物质代谢物质代谢能量代谢微生物的能量代谢

日光（光能营养菌）

最初能源有机物（化能异养菌）—ATP

还原态无机物（化能自养菌）中心任务是将外界环境中各种形式的最初能源转变成能量货币——ATP。化能异养微生物的能量代谢

底物失氢（电子）传递体递氢（电子）受体受氢（电子）没有电子传递链内源性有机物发酵

有机物有电子传递链O2

有氧（好氧）呼吸

除O2外的无机物或延胡索酸无氧呼吸

呼吸葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精发酵的全过程呼吸链1NADH----3ATP1FADH----2ATPFADH2化能自养菌的能量代谢以无机物氧化获得能量，无机物作为氢供体化能无机营养型以无机物氧化获得能量，CO2作为唯一碳源化能自养菌

氧化过程底物失氢传递体递氢受体得氢

无机物一般呼吸链一般O2（无氧NO3-、CO32-）化能自养菌的底物和呼吸链底物有NH4+

、H2S、S、NO2-、SO32-、

S2O32-、

Fe、

H2等NADFeQCytcc1Cyta1Cytaa3O2(NO3-)H2NH4+、SO32-、S2-Fe、S2O32-NO2-

ATPATPATPATPNADH循环光合磷酸化（环式光合磷酸化）一般光合细菌细菌叶绿素特点可在厌氧条件下进行,只一个光反应系统产物ATP，无NAD（P）H，也不产生分子氧。返回非循环光合磷酸化绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产ATP方式。特点：两个光系统水光解提供电子产物除ATP外，产生NADPH和O2。返回细菌视紫红质的光合作用Bacteriorhodopsin返回葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精发酵的全过程酵母菌酒精发酵主产物：乙醇、CO2副产物40多种醇（杂醇油）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酯甲醇酒精发酵中的副产物酒精发酵中的主要副产物杂醇油的生成琥珀酸的生成酯类的生成糠醛、甲醇等的生成2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi甘油发酵葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油乳酸发酵乳酸菌的同型乳酸发酵（产物中只有乳酸）明串珠菌等的异型乳酸发酵（产物除乳酸外尚有乙醇，CO2）乳酸发酵机制葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾+2H+⑿2NAD+2(NADH+H+)+2H+同型乳酸发酵葡萄糖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柠檬酸的发酵机制柠檬酸在食品中的应用柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵机理1)

饮料与冰淇淋柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软饮料柠檬酸本身是果汁的天然成分之一，不仅赋于饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分交融协调，形成适宜的口味和风味；添加柠檬酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性，防止氧化作用。2)

果酱与酿造酒柠檬酸在果酱与果冻中同样可以增进风味，并使产品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一定范围的pH值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一要求。当葡萄或其它酿酒原料成熟过度而酸度不足时，可以用柠檬酸调节，以防止所酿造的酒口味单薄。柠檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用，以保护果汁的新鲜感和防止变色。3)

腌制品

各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。4)

罐头食品

加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类似的作用。5)

豆制品及调味品用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。6)

其它柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。柠檬酸的消费领域：饮料行业占40～45％食品添加剂等占15～20％洗涤剂占20～30％医药占5％其它占10％2004年全球柠檬酸产量约120万吨，欧盟和美国为最大消费市场。柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有机酸。我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约50万吨欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约30万吨美国柠檬酸年产量约25万吨

柠檬酸发酵微生物

黑曲霉分生孢子头柠檬酸发酵机理TCA循环与乙醛酸循环柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累机理磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶A柠檬酸顺乌头酸衣康酸异柠檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖苹果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰辅酶A123316451567891012111413TCA循环与乙醛酸循环柠檬酸合成酶ATP降低限速反应延胡索酸酶关键酶α-酮戊二酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶A柠檬酸顺乌头酸衣康酸异柠檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖苹果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰辅酶A123316451567891012111413TCA循环与乙醛酸循环反馈抑制苹果酸脱氢酶CO2参与嘌呤和嘧啶的合成脂肪酸天冬氨酸参与蛋白质合成参与蛋白质合成丙酮酸脱氢酶葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2柠檬酸的生物合成途径实现柠檬酸积累：一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸的积累二、代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制CO2ATPADPCO2ADPATP磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶顺乌头酸酶抑制剂阻断柠檬酸发酵机理葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2柠檬酸的生物合成途径顺乌头酸酶抑制剂阻断柠檬酸积累的代谢调节

糖酵解及丙酮酸代谢的调节黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高NH4+浓度，高浓度NH4+可有效解除ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精发酵的全过程磷酸果糖激酶AMP无机磷NH4+活化抑制解除柠檬酸柠檬酸积累的代谢调节三羧酸循环的调节柠檬酸×顺乌头酸×异柠檬酸∵顺乌头酸酶含铁的非血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。且反应需要Fe++∴１适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与Fe++生成络合物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。∴２诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低，同样积累柠檬酸。磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶A柠檬酸顺乌头酸衣康酸异柠檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖苹果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰辅酶A123316451567891012111413TCA循环与乙醛酸循环CO2柠檬酸合成酶高能硫酯键能量Fe2+Fe2+亚铁氰化钾顺乌头酸酶葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA柠檬酸积累的代谢调节及时补加草酰乙酸外加草酰乙酸回补途径旺盛的菌种组成型的丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶回补途径顺乌头酸酶抑制剂阻断柠檬酸积累的代谢调节糖酵解及丙酮酸代谢的调节三羧酸循环的调节及时补加草酰乙酸葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸乙酰CoA丙酮酸羧化酶回补途径丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸顺乌头酸酶抑制剂阻断

1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而导致细胞内的NH4+浓度升高，促进了EMP途径的畅通。2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。

柠檬酸积累机理黑曲霉柠檬酸积累机理3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活性低，从而使柠檬酸积累。顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90：3：74、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶Ａ和丙酮酸固定CO２反应相平衡柠檬酸合成酶不被抑制，增强了合成柠檬酸的能力。

柠檬酸积累机理葡萄糖苹果酸柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA丙酮酸羧化酶回补途径柠檬酸积累机理5、柠檬酸积累增加，pH降低，在低pH条件下，顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。柠檬酸×顺乌头酸×异柠檬酸×草酰琥珀酸氨基酸发酵机制氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。发酵所生成的产物——氨基酸，都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。氨基酸发酵机制氨基酸发酵的代谢控制谷氨酸发酵机制氨基酸发酵的代谢控制控制发酵的环境条件控制细胞渗透性控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度消除终产物的反馈抑制与阻遏促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则就几乎不积累谷氨酸。控制发酵的环境条件氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换环境因子发酵产物转换溶解氧谷氨酸乳酸和琥珀酸α－酮戊二酸（通气不足）（适中）（通风过量，转速过快）NH4+α－酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺（适量）（缺乏）（过量）pH值谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺谷氨酸（pH值5～8，NH4+过多）（中性或微碱性）磷酸缬氨酸谷氨酸（高浓度磷酸盐）（磷酸盐适中）生物素乳酸或琥珀酸谷氨酸（过量）（限量）谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换控制细胞渗透性谷氨酸的生物合成途径控制细胞渗透性谷氨酸的生物合成途径控制细胞渗透性影响细胞膜通透性，有利于代谢产物分泌出来，避免了末端产物的反馈调节，有利于提高发酵产量。控制细胞渗透性生物素油酸表面活性剂其作用是引起细胞膜的脂肪成分的改变，尤其是改变油酸的含量，从而改变细胞膜通透性一二：青霉素：抑制细胞壁的合成影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质生物素是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶,参与了脂肪酸的合成,特别是不饱和脂肪酸的合成,进而影响脂肪酸的合成.进而影响磷脂合成，当磷脂合成量少到正常的1/2左右时,细胞膜结构不完全，细胞变形,Glu向膜外泄漏.表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的生物合成，导致形成磷脂含量不足的不完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外其作用是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联，由于细胞膜失去细胞壁的保护，细胞膜受到物理损伤，从而使渗透性增强。控制旁路代谢D-苏氨酸L-苏氨酸α-酮基丁酸L-异亮氨酸L-苏氨酸脱氢酶反馈抑制D-苏氨酸脱氢酶降低反馈作用物的浓度谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸半缩醛N-乙酰鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸反馈抑制瓜氨酸营养缺陷型通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法来进行S-（β－氨基乙基）-L半胱氨酸(AEC)赖氨酸结构类似物AEC＋苏氨酸平板？消除终产物的反馈抑制与阻遏天冬氨酸天冬氨酰胺磷酸天冬氨酸半缩醛高丝氨酸苏氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶协同反馈抑制AEC谷氨酸发酵机制生物素营养缺陷型α-酮戊二酸脱氢酶活性微弱或丧失具有CO2固定反应的酶系有强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性NADPH氧化能力欠缺或丧失α-酮戊二酸+NH3+NADＰHL-谷氨酸+H2O+NAD+L-谷氨酸脱氢酶生物素营养缺陷型使用该