乳酸发酵的代谢及

1、乳酸发酵的代谢及调控,组员：陈莉,第一部分乳酸的性质及用途,1、乳酸的物理化学性质,乳酸学名是-羟基丙酸，分子式为ch3ch（oh）cooh，分子量为90.08da。纯品为粘稠状液体、微黄色、澄明、无嗅、味微酸、有较强吸湿性，可以与水、酒精和乙醚以任意比例混合。 乳酸分子结构中含有不对称碳原子，具有旋光性，分为l乳酸、d乳酸和dl乳酸，而人体内只含有l乳酸脱氢酶导致仅能消化利用l乳酸。因此l乳酸的用途较广，dl乳酸只做工业用途，d乳酸已基本不生产。,乳酸的结构式,2、乳酸在各行业中的用途,在食品行业的用途 在医药方面的用途 在工业中的用途 在农产品及农业上的用途,2.1在食品行业的用途,1)

2、乳酸有很强的防腐保鲜功效，可用在饮 料、蔬菜 腌制以及水果的贮藏等方面，具有调节 ph 值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用； 2) 乳酸独特的酸味可增加食物的美味，在调味品中加入一定量的乳酸，可保持产品中的微生物的稳定性、安全性，同时使口味更加温和； 3) 由于乳酸的酸味温和适中，可作为精心调配的软饮料和果汁的首选酸味剂；,2.1在食品行业的用途,4) 在酿造啤酒时，加入适量乳酸既能调整 ph 值促进糖化，有利于酵母发酵，提高啤酒质量，又能增加啤酒风味，延长保质期； 5) 天然乳酸有着乳制品的口味和良好的抗微生物作用，已广泛用于调配型酸奶酸酪、冰淇淋等食品中，成为倍受

3、青睐的乳制品酸味剂； 6) 乳酸粉末是用于生产荞头的直接酸味调节剂。乳酸是一种天然发酵酸，可令面包具有独特口味；乳酸作为天然的酸味调节剂，在面包、蛋糕、饼干等焙烤食品用于调味和抑菌作用，并能改进食品的品质，保持色泽，延长保质期。,2.2在医药方面的用途,1) 在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸气消毒，可有效杀灭空气中的细菌，起到减少疾病，达到提高健康之目的； 2) 在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、 ph 调节剂等； 3) 乳酸聚合得到聚乳酸，聚乳酸可以抽成丝纺成线，这种线是良好的手术缝线，缝口愈合后不用拆线，能自动降解成乳酸被人体吸收。而且聚乳酸可做成粘接剂在器官移植

4、和接骨中应用； 4) 乳酸可以直接配制成药物或制成乳酸盐使用； 5) 乳酸可起到调节肌肉活力和抗疲劳的制约作用。,2.3在工业中的用途,1) 乳酸在发酵工业中用于控制 ph 值和提高发酵物纯度； 2) 在卷烟行业中可以保持烟草湿度，除去烟草中杂质，改变口味，提高烟草档次，乳酸还可中和尼古丁烟碱，减少对人体有害成份提高烟草品质； 3) 在纺织行业中用来处理纤维，可使纤维易于着色，增加光泽，使触感柔软； 4) 在涂料墨水工业中用作 ph 调节剂和合成剂； 5) 乳酸亦可作为聚乳酸的起始原料，生产新一代的全生物降解塑料；,2.3在工业中的用途,6) 在制革工业中，乳酸可脱去皮革中的石灰和钙质，使皮革

5、柔软细密，从而制成高级皮革； 7) 乳酸由于对镍具有独一无二的络合常数，常被用于镀镍工艺，它同时可作为电镀槽里的酸碱缓冲剂和稳定剂； 8) 乳酸作为 ph 调节剂和合成剂可应用于各种水基涂层的粘合系统。如：电积物的涂层。 9) 乳酸具有清洁去垢等作用，用于洗涤清洁产品比传统的有机除垢剂性能更佳，因此它可应用于众多除垢产品中。,2.4在农产品及农业上的用途,1) 光学纯度高达 99% 以上的乳酸，在农药方面可用于生产缓释农药，例如除草剂，具有对农作物和土壤无毒无害且高效的特点； 2) 乳酸聚合物用于生产农用薄膜，取代塑料地膜，能被细菌分解后让土壤吸收，利于环保； 3) 在猪禽饲料中作为生长促进剂

6、。乳酸可以降低胃内的 ph 值，起到活化消化酶、改善氨基酸消化能力的作用，并对肠道上皮的生长有好处。小猪在断乳后的几个星期喂食含有酸化剂的饲料，其在断乳期间的体重可以增加 15%；,2.4在农产品及农业上的用途,4) 乳酸还用于青饲料贮藏剂、牧草成熟剂； 5) 乳酸抑制微生物的生长。哺乳期的小猪会染上由大肠杆菌和沙门氏菌引起的疾病，在饲料中加入乳酸能防止小猪下胃肠道中病原菌生长； 6) 乳酸可以作为饲料的防腐剂并增进饲料、谷物和肉类加工产品副产品的微生物稳定剂； 7) 在家禽和小猪的饮用水中加入乳酸，可以有效地抑制病原菌的生长，动物体重增加速度提高。,另外，乳酸还具有排除致病菌、维持宿主肠道菌

7、相平衡、营养价值、预防骨质疏松症、改善乳糖不耐症、减少血液胆固醇堆积、抑制癌症、刺激免疫反应，增加宿主抵抗能力等作用。,第二部分乳酸发酵的代谢及调控,1、乳酸的生物合成途径,乳酸代谢存在同型、异型和混合酸发酵等多种类型。 1）同型乳酸发酵中乳酸是唯一的代谢产物, 采用的是糖酵解途径( emp parthway) ,人和大多数动植物属于此类代谢类型。 2）异型乳酸发酵通过磷酸戊糖途径( hexosemonophosphate pathway, hmp) 生成乳酸、co2、乙醇(或乙酸) 。 3）混合乳酸发酵是在特殊情况下,如葡萄糖浓度受到限制、ph升高或温度降低而发生的乳酸发酵机制。 无论哪条途

8、径,乳酸都是经过丙酮酸转变而来的,丙酮酸也是此过程中关键的中间产物。,1）同型乳酸发酵,同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖酵解途径生成丙酮酸。由于大多数乳酸菌不具有脱羧酶，因此，丙酮酸不能脱羧生成乙醛，而在乳酸脱氢酶的催化下（需要还原型辅酶）,丙酮酸作为受氢体被还原为乳酸。,同型乳酸发酵过程,葡萄糖 2atp 2adp 3 - 磷酸甘油醛 2nad - - - - - - - - - - 2nadh + h+ - - 1,3 二磷酸甘油酸 4adp 4atp 丙酮酸 nadh + h+ - - - - - - nad - - - - - - - - - - - - - - - - - 乳酸,2）异

9、型乳酸发酵,异型乳酸发酵除生成乳酸外，还生成co2和乙醇或乙酸，其生物合成途径有两种，即6 磷酸葡萄糖途径和双歧途径。,2.1）6 磷酸葡萄糖途径,这是一条磷酸酮解途径，1mol葡萄糖生成1mol乳酸和1mol乙醇。乳酸对糖的理论转化率是50%。 肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等通过该途径进行异型乳酸发酵。,图：6-磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇,1.己糖激酶；2.6-磷磷酸葡萄糖脱氢酶；3.6-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,2.2）双歧途径,该途径也是一条磷酸酮解途径。 该途径的特点是：有两个磷酸酮解酶参与；

10、在没有氧化作用和脱氢作用的反应参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3 磷酸甘油醛。接着，在3 磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下， 3 磷酸甘油醛转变为乳酸。,图 ： 葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸,2、乳酸代谢调控机制,代谢调控的目的就是通过控制物质代谢的流向和通量来经济、高效地满足系统在特定环境和状态下的需要。而细胞中绝大部分反应是由酶来催化完成的,所以系统对代谢通量的控制其实就是通过调控这些酶 的活性来实现的。 其基本手段有两种: ( 1)通过磷酸化、去磷酸化等化学修饰改变酶分子的结构来实现对酶活性的调节,这种方式适用于变构酶,能够快速地完成响应。(2)通过调节酶的合成和降

11、解速度来控制酶的浓度,这种方式发挥作用慢,但是效果持久。两种方式通常是被联合采用的。,第三部分 米根霉发酵产l-乳酸的代谢调控研究,1、米根霉,微生物中具有代表性的乳酸发酵是米根霉（rhizopus oryzae）等霉菌类。 米根霉属真菌中的接台菌门(zygomycota)接台菌纲(zygomycetes)毛霉目(mueorales)毛霉科(mucoraceae)根霉属(raeopus)，其发酵生产l-乳酸具有产物光学纯度高、营养需求简单、产物易提纯、可直接利用淀粉发酵等优点，是目前国内外从事l-乳酸发酵研究的科技人员关注的热点。,2、本实验研究内容,本研究以米根霉碳代谢关键酶ldh及adh入

12、手，较系统地研究了ldh及adh的分离纯化与催化特性，摇瓶发酵和罐发酵条件下mg2+和zn2+离子对米根霉发酵的调控模式，以及不同通气条件下的米根霉发酵调控模式，并在代谢理论指导下选育出米根霉高产l-乳酸的突变菌株。,米根霉产l-乳酸的代谢网络,该网络表明，葡萄糖进入细胞内，通过糖酵解途径(emp)生成丙酮酸。丙酮酸在细胞内主要有四种去向：一.是通过丙酮酸脱羧酶(pdc)、乙醇脱氢酶(adh)进入产乙醇的途径；二.是通过丙酮酸羧化酶(pc)形成草酰乙酸，再通过苹果酸脱氢酶和富马酸酶生成苹果酸和富马酸三.是通过l乳酸脱氢酶(ldh)直接生成k乳酸，这是目标产物形成途径；四.是通过丙酮酸脱氢酶系(

13、pdh)将丙酮酸转化成乙酰coa后进入三羧酸循环(tca)以维持生物量平衡后的基本代谢。,实验研究的思路,米根霉发酵产l-乳酸的代谢流程中，葡萄糖经过emp途径转化为丙酮酸，丙酮酸可以经ldh催化转化为乳酸，也可以经过丙酮酸脱氢酶转化为乙醛，再经过adh转化为乙醇。已有的研究证明，米根霉的乳酸产生量与ldh活力，以及乙醇产生量与乙醇脱氢酶(adh)活力都成正相关性。这表明。为了提高乳酸的转化率，降低乙醇的转化率。可以考虑通过提高发酵过程中ldh活力，抑制adh活力来实现。,3、该实验中重要的酶,乳酸脱氢酶(ldh)与乙醇脱氢酶(adh) 米根霉ldh粗酶液在30一50c条件下有较高的稳定性，最适ph 75，容易被mg2+、ca2+激活，被k+、zn2+抑制：ldh对nadh的米氏常数km为722x104mol/l，对丙酮酸的米氏常数km为124x10-3 mol /l 。 adh粗酶液的最适催化温度为25c，最适反应ph值75，edta，mg2+和ca2+对该酶活力的影响较小，但较大的zn2+浓度对该酶有一定的抑制作用，该酶对乙醛的米氏常数km为68966 10-4mol/l。,根据两个酶的特性,可以把温度控制在30一50c ，加入mg2+、ca2+。抑制adh，激活ldh.,乳酸