工业微生物的代谢调控和代谢产物课件.ppt

1、 新陈代谢新陈代谢（metabolism）简称代谢，是推动生物简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢分解代谢（catabolism）和和合成代谢合成代谢（anabolism）的总和，即：的总和，即：新陈代谢新陈代谢 分解代谢分解代谢 合成代谢合成代谢 分解代谢分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机又称异化作用，是指复杂的有机物分子通过物分子通过分解代谢酶系分解代谢酶系的催化产生的催化产生简单分子简单分子、能量能量（一般以腺苷三磷酸即（一般以腺苷三磷酸即ATPATP形式存在）和形式存在）和还原还原力力（red

2、ucing power，或称或称还原当量还原当量，一般用，一般用HH来表示）的作用。来表示）的作用。合成代谢合成代谢又称同化作用，是指在又称同化作用，是指在合成酶系合成酶系的催化下，由的催化下，由简单分子简单分子、ATPATP形式的形式的能量能量和和还原力还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATP H 一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的统一性和明显的多样性。统一性和明显的多样性。根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体根

3、据代谢过程中产生的代谢产物对生物体的作用不同，可分为：的作用不同，可分为：初级代谢初级代谢次级代谢次级代谢初级代谢初级代谢：把营养物质转变成细胞的结构物质，把营养物质转变成细胞的结构物质，或对机体具生理活性的物质，或为机体生长提供能量或对机体具生理活性的物质，或为机体生长提供能量的物质的一类代谢类型。的物质的一类代谢类型。初级代谢对生命活动是必须的，它存在于一切生物体内。初级代谢对生命活动是必须的，它存在于一切生物体内。供机体进行生物合成的各种小分子前体物、供机体进行生物合成的各种小分子前体物、单体和多聚体物质，例如丙酮酸、各种氨基酸、单体和多聚体物质，例如丙酮酸、各种氨基酸、核苷酸等。核苷酸

4、等。在能量代谢和代谢调节中起作用的各种物质，在能量代谢和代谢调节中起作用的各种物质，例如例如ATPATP。初级代谢的产物称为初级代谢的产物称为初级代谢产物初级代谢产物，具体包括：，具体包括：次级代谢次级代谢：微生物在一定的生长时期（一般是稳微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长时期），以初级代谢产物为前体，合成一些对定生长时期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。次级代谢并不普遍存在于生物界，也不存在于整次级代谢并不普遍存在于生物界，也不存在于整个生长时期，即次级代谢并非生命活动所必须的。但个生长时期，即次级代谢

5、并非生命活动所必须的。但次级代谢产物次级代谢产物对人类是很重要的，例如抗生素、对人类是很重要的，例如抗生素、生长刺激素、色素、生物碱等。生长刺激素、色素、生物碱等。一切生命活动都是耗能反应，一切生命活动都是耗能反应，能量代谢能量代谢就成了新陈代谢中的就成了新陈代谢中的核心问题核心问题。研究能量代谢的根本目的，是追踪生物体如何把外界环研究能量代谢的根本目的，是追踪生物体如何把外界环境中的多种形式的境中的多种形式的最初能源最初能源（primary energy sources）转换成对一切生命活动都能利用的转换成对一切生命活动都能利用的通用能源通用能源（universal energy sourc

6、e）-ATP。最最初初能能源源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通通用用能能源源（ATP）生生物物氧氧化化的的形形式式脱氢脱氢失去电子失去电子某物质与氧结合某物质与氧结合生生物物氧氧化化的的过过程程递氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）受氢（或电子）脱氢（或电子）脱氢（或电子）生物氧化（生物氧化（biological oxidationbiological oxidation）：）：就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。总称。生生物物氧氧化化的的

7、类类型型无氧呼吸无氧呼吸发酵发酵呼吸呼吸生生物物氧氧化化的的功功能能产还原力产还原力H H产小分子中间代谢物产小分子中间代谢物产能（产能（ATPATP）底底物物脱脱氢氢的的四四条条途途径径HMPHMP途径途径EDED途径途径TCATCA循环循环link1 以以葡萄糖葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在脱氢作为生物氧化的典型底物，它在脱氢阶段主要可通过阶段主要可通过4 4条途径条途径完成其脱氢反应，并伴随完成其脱氢反应，并伴随还原力还原力HH和和能量能量的产生。的产生。EMPEMP途径途径1.1.EMP EMP途径途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）EMP EMP途

8、径途径又称又称糖酵解途径糖酵解途径（glycolysis）或或己糖二磷酸途径己糖二磷酸途径（hexose diphosphate pathway），是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。EMP途径的总反应式为：途径的总反应式为：C6H12O62NAD2NAD+2ADP2ADP2Pi2CH2Pi2CH3COCOOH2NADH2NADH 2H2H+2ATP2ATP2H2H2O在其终产物中，在其终产物中，2NADH2NADHH H+在有氧条件下在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生产生6ATP6ATP；在无氧条件下在无氧条件

9、下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物原丙酮酸的脱羧产物乙醛还原成乙醇。乙醛还原成乙醇。1、EMP途径（糖酵解）途径（糖酵解）EMPEMP途径途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但其生理功能极其能效率虽低，但其生理功能极其重要重要：供应供应ATPATP形式的能量和形式的能量和NADHNADH2 2形式的还原力；形式的还原力；是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（循环（TCATCA）、）、HMPHMP途径和途径和EDED途径等；途径等；微生物合成提供多种中

10、间代谢物；微生物合成提供多种中间代谢物；通过逆向反应进行多糖合成。通过逆向反应进行多糖合成。从微生物发酵生产的角度来看，从微生物发酵生产的角度来看，EMPEMP途径与乙醇、途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。2.2.HMP HMP途径途径（hexose monophosphate pathway）HMPHMP途径途径即即已糖已糖磷酸途径磷酸途径、己糖己糖磷酸支路磷酸支路（shunt）、戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）、磷酸葡萄糖酸途径磷酸葡萄糖酸途径（phosphogluconate

11、pathway）或或WDWD途径途径（Warburg-Dickens pathway）。HMP途径的总反应式为：途径的总反应式为：6葡糖葡糖-6-6-磷酸磷酸12NADP12NADP+6H6H2O55葡糖葡糖-6-6-磷酸磷酸12NADPH12NADPH 12H12H+12CO12CO2PiPi 2、HMP途径途径 HMPHMP途径途径在微生物生命活动中有着极其重要的在微生物生命活动中有着极其重要的意义意义，具体表现在：，具体表现在：供应合成原料：供应合成原料：为核酸、核苷酸、为核酸、核苷酸、NAD(P)NAD(P)+、FAD(FMN)FAD(FMN)和和CoACoA等的生物合成提供戊糖等的生

12、物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖磷酸；途径中的赤藓糖-4-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料；色氨酸和组氨酸）的原料；产还原力：产还原力：产生大量的产生大量的NADPHNADPH2 2形式的还原力，不仅可形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需；大量能量之需；作为固定的作为固定的COCO2 2中介：中介：是光能自养微生物和化能是光能自养微生物和化能自养微生物固定自养微生物固定COCO2 2的重要中介；的重要中

13、介；扩大碳源利用范围：扩大碳源利用范围：微生物利用微生物利用C C3 3C C7 7多种碳源多种碳源提供了必要的代谢途径；提供了必要的代谢途径；连接连接EMPEMP途径：途径：通过与通过与EMPEMP途径的连接，微生物途径的连接，微生物合成提供更多的戊糖。合成提供更多的戊糖。从微生物发酵生产的角度来看，通过从微生物发酵生产的角度来看，通过HMPHMP途径可途径可提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。3.3.ED ED途径途径（Entner-Doudoroff pathway）ED ED

14、途径途径又称又称 2 2-酮酮-3 3-脱氧脱氧-6 6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸（KDPGKDPG）裂解途径裂解途径。最早由。最早由Entner和和Doudoroff两人（两人（19521952）在）在Pseudomonas saccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，故名（嗜糖假单胞菌）中发现，故名。这是存在于某些缺乏完整。这是存在于某些缺乏完整EMPEMP途径的微生物中的一种替代途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。途径，为微生物所特有。ED ED途径特点是葡萄糖只经过途径特点是葡萄糖只经过4 4步反应即可快速步反应即可快速获得由获得由EMPEMP途径须经途径须经1010步才能

15、获得的丙酮酸。步才能获得的丙酮酸。ED途径的总反应式为：途径的总反应式为：C6H12O6ADPADPPiPiNADPNADP+NADNAD+2CH2CH3COCOOHATP ATP NADPHNADPHH H+NADHNADHH H+4.4.TCA TCA循环循环（tricarboxylic acid cycle）三羧酸循环三羧酸循环又称又称TCATCA循环循环、KrebsKrebs循环循环或或柠檬酸循环柠檬酸循环（citric acid cycle），这是一个广泛，这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。好氧微

16、生物中普遍存在。是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧、形成底氧化、脱羧、形成COCO2 2、H H2 2O O和和NADHNADH2 2的过的过程。程。真核微生物真核微生物，TCATCA循环的反应在线粒体内进行，其循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；中的大多数酶定位在线粒体的基质中；原核微生物，原核微生物，例如细菌中，大多数酶都存在于细例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。或细菌中都是结合在膜上的。整个整个TCA循环

17、循环的总反应式为：的总反应式为：丙酮酸丙酮酸4NAD4NAD+FADFADGDPGDPPiPi3H3H2 2O3O3CO2 FADHFADH2 2 GTPGTP 4(NADH4(NADHH H+)TCATCA循环的特点有循环的特点有：氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（转（NADNAD+和和 FADFAD 再生时需氧再生时需氧）；）；每分子丙酮酸可产每分子丙酮酸可产4 4个个NADHNADHH H+、1个个FADHFADH2 2 和和GTPGTP，总共相当于总共相当于1515个个ATPATP，因此产能效率极高；，因此产能效率极高；TCA

18、TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发酵生产紧密相关。的发酵生产紧密相关。（二）递氢和受氢（二）递氢和受氢 贮存在生物体内贮存在生物体内葡萄糖葡萄糖等有机物中的化学能，经上等有机物中的化学能，经上述的述的4 4条途径脱氢后，经过条途径脱氢后，经过呼吸链呼吸链（或称（或称电子传递链电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体氢受体（hydrogen acceptor或或receptor）相结合而释放出

19、其中相结合而释放出其中的能量。的能量。发酵发酵根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化区分成生物氧化区分成3 3种类型种类型 。呼吸呼吸无氧呼吸无氧呼吸生生物物氧氧化化有氧呼吸有氧呼吸1.呼吸作用呼吸作用（respiration）微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或或FMN等电子载体，再经电子传递等电子载体，再经电子传递系统传给系统传给外源电子受体外源电子受体，从而生成水或其它还原型产物，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。并释放出能量的过程，称为

20、呼吸作用。（1 1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADNAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPNADP）（2 2）黄素腺嘌呤二核苷酸（）黄素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD）和黄素单核苷酸（和黄素单核苷酸（FMNFMN）（3 3）铁硫蛋白（）铁硫蛋白（Fe-SFe-S）（4 4）泛醌（辅酶）泛醌（辅酶Q Q）（5 5）细胞色素系统）细胞色素系统 递氢体或递电子体递氢体或递电子体以以氧化型化合物氧化型化合物作为最终电子受体作为最终电子受体有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）：）：无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic resp

21、iration）：）：以以分子氧分子氧作为最终电子受体作为最终电子受体 是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力 H 形式存在）经完整的形式存在）经完整的呼吸链呼吸链传递，最终被传递，最终被外源分子氧外源分子氧接接受，产生了水并释放出受，产生了水并释放出ATPATP形式的能量。形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。的生物氧化作用，是一种高效产能方式。（1）好氧呼吸

22、好氧呼吸（aerobic respiration）（2）无氧呼吸无氧呼吸（anaerobic respiration）又称又称厌氧呼吸厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。（少数为有机氧化物）的生物氧化。特点特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。酸化产能反应。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。的特殊

23、呼吸。硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸（nitrate respiration）又称反硝化）又称反硝化作用（作用（denitrification）硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸（sulfate respiration）硫呼吸硫呼吸（sulphur respiration）铁呼吸铁呼吸（iron respiration）碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸（carbonate respiration）延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸（fumarate respiration）link2 2.发酵发酵（fermentation）（1）定义）定义 泛指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用泛指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的

24、一类生产方式。代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。广义的发酵广义的发酵 指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力产生的还原力 H 未经呼吸链传递而直接交某一未经呼吸链传递而直接交某一内源内源性中间代谢物性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应，即：类生物氧化反应，即：狭义的发酵狭义的发酵 不同的微生物通过发酵作用，积累的代谢产物是不同的微生物通过发酵作用，积累的代谢产物是不一样的。根据主要代谢产物将微生物发酵分为以下不一样的。根据主要代谢产物将微生物发酵分为以下几个类型。几个类型。（2

25、）微生物的发酵类型）微生物的发酵类型 乙醇发酵乙醇发酵 乳酸发酵乳酸发酵 丙酸发酵丙酸发酵 混合酸发酵混合酸发酵 丁二醇发酵丁二醇发酵 丁酸型发酵丁酸型发酵 乙醇发酵乙醇发酵 酒精发酵是最古老的一种发酵，它在化工、酒精发酵是最古老的一种发酵，它在化工、医药及食品行业的用途广泛。医药及食品行业的用途广泛。酵母菌的第一型发酵酵母菌的第一型发酵 酵母菌只有在酵母菌只有在pH3.5pH3.54.54.5（弱酸性弱酸性）和厌氧和厌氧条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为酵母菌酵母菌的第一型发酵的第一型发酵。葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙丙酮酮酸酸脱

26、脱羧羧酶酶2 2乙醛乙醛2 2COCO2 2乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶2 2乙醇乙醇NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+关键酶关键酶1 1分子分子2 2分子分子乙醇发酵对环境条件的变化十分敏感乙醇发酵对环境条件的变化十分敏感 乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度减慢的速度减慢巴斯德效应巴斯德效应。A.OA.O2 2的作用的作用巴斯德效应产生的原因巴斯德效应产生的原因在好氧条件下在好氧条件下:(1)(1)丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，丙酮酸脱羧酶

27、失活，丙酮酸脱氢酶系作用，进入进入TCA循环。循环。(2)(2)高含量的高含量的ATP及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激酶活性，减慢葡萄糖酵解速度酶活性，减慢葡萄糖酵解速度。如果将发酵过程的如果将发酵过程的pHpH值控制在值控制在微碱性微碱性（pH7.6pH7.6左右）左右）和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵甘油发酵，得到的产甘油发酵，得到的产物主要是物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和甘油、少量的乙醇、乙酸和COCO2 2 酵母菌的第三型发酵。酵母菌的第三型发酵。乙醇发酵所需的乙醇发酵所需的pHpH是是弱酸性弱酸性的，的，pH3.5pH3.54.54.5。

28、B.pHB.pH的作用的作用葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛COCO2 2磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶乙醇乙醇NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酸乙酸3 3P P甘油甘油甘油甘油EMPEMP途径途径NADNAD+NADHNADH2 2 在在酵母菌的第三型发酵酵母菌的第三型发酵中没有中没有ATPATP产生，所以产生，所以这种发酵是在静息细胞中进行的。这种发酵是在静息细胞中进行的。乙酸的产生会降低培养基的乙酸的产生会降低培养基的pHpH值，使值，使酵母菌的酵母菌的第三型发酵第三型发酵重新回到

29、正常的乙醇发酵，所以，如果重新回到正常的乙醇发酵，所以，如果产品需要的是甘油，一定要产品需要的是甘油，一定要控制好控制好pHpH。酵母菌在酵母菌在亚适量的亚适量的NaHSONaHSO3 3（3 3）作用下可作用下可进行进行酵母菌的第二型发酵酵母菌的第二型发酵生成生成甘油和少量乙醇甘油和少量乙醇。C.C.培养基成分的作用培养基成分的作用葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛COCO2 2磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3 3P P甘油甘油甘油甘油EMPEMP途径途径N

30、ADNAD+NADHNADH2 2复合物复合物NaHSONaHSO3 3 这里有少量的乙醇产生是为了维持菌体正常生这里有少量的乙醇产生是为了维持菌体正常生长提供能量。长提供能量。如果要利用如果要利用酵母菌的第二型发酵酵母菌的第二型发酵来生产甘油，来生产甘油，则培养基中的一定要则培养基中的一定要亚适量亚适量NaHSONaHSO3 3（3 3），大，大量的量的NaHSONaHSO3 3对酵母有毒害作用。对酵母有毒害作用。酵母菌的酒精发酵酵母菌的酒精发酵（均在厌氧条件下均在厌氧条件下）第三型发酵第三型发酵pH7.6pH7.6左右（微碱性）左右（微碱性）第一型发酵第一型发酵pH3.5pH3.54.54

31、.5（弱酸性）（弱酸性）第二型发酵第二型发酵亚适量亚适量NaHSONaHSO3 3（3 3）甘油、少量的乙醇、乙酸和甘油、少量的乙醇、乙酸和COCO2 2甘油和少量乙醇甘油和少量乙醇乙醇乙醇通过酵母菌的三个类型发酵的分析，通过酵母菌的三个类型发酵的分析，可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。工艺条件不同，工艺条件不同，发酵的产品性质和数量不同，发酵的产品性质和数量不同，其他类型的发酵也是如此。其他类型的发酵也是如此。例如，味精的生产，即是谷氨酸发酵，例如，味精的生产，即是谷氨酸发酵，在生产中，在生产中，NHNH4 4+的浓度直接影响谷氨酸的产量。的浓度直接影响

32、谷氨酸的产量。NHNH4 4+浓度过高，产生的谷氨酸进一步转变成谷氨酰胺；浓度过高，产生的谷氨酸进一步转变成谷氨酰胺；NHNH4 4+浓度过低，发酵产物不是谷氨酸而是它的前体浓度过低，发酵产物不是谷氨酸而是它的前体酮酮戊二酸。戊二酸。工艺条件一定要控制在最佳状态才能获得高产量工艺条件一定要控制在最佳状态才能获得高产量！乳酸发酵乳酸发酵 乳酸发酵在工业上用于生产乳酸，在农业上用乳酸发酵在工业上用于生产乳酸，在农业上用于青贮饲料的发酵，在食品加工业上也有广泛的应于青贮饲料的发酵，在食品加工业上也有广泛的应用。因此，乳酸是一种需求量很大的发酵产品。全用。因此，乳酸是一种需求量很大的发酵产品。全世界每

33、年乳酸的消费量为世界每年乳酸的消费量为13131515万吨，我国的乳酸万吨，我国的乳酸生产量生产量1100011000吨。吨。乳酸生产现在主要是化学合成，但化学合成法生乳酸生产现在主要是化学合成，但化学合成法生产的乳酸是产的乳酸是DLDL乳酸乳酸，发酵法生产的是，发酵法生产的是L-L-乳酸乳酸。目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在9 91010，中试报道也达到中试报道也达到12121414，国外的产酸水平是，国外的产酸水平是1818。乳酸发酵是由乳酸发酵是由乳酸菌乳酸菌在在严格厌氧严格厌氧的条件下进行的。的条件下进行的。乳酸菌是耐氧型的厌氧菌，乳酸菌是耐氧型的厌

34、氧菌，G G+，无芽孢，有杆菌、球菌等。，无芽孢，有杆菌、球菌等。乳酸菌生长过程中需要多种生长因子，可分解葡萄糖产生乳酸菌生长过程中需要多种生长因子，可分解葡萄糖产生大量的乳酸。大量的乳酸。葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶2 2乳酸乳酸NADNAD+NADHNADH2 2NADNAD+A.A.同型乳酸发酵同型乳酸发酵 凡葡萄糖发酵后只产生凡葡萄糖发酵后只产生2 2分子乳酸的发酵，称分子乳酸的发酵，称同型乳酸发酵同型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖乙酰磷酸乙酰磷酸PKPK途径途径乙醛乙醛乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸乳酸NADHNADH2 2NADNAD+3 3P P甘油醛甘

35、油醛NADNAD+丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇乙酸乙酸COCO2 2B.B.异型乳酸发酵异型乳酸发酵 凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和COCO2 2等多种产物的发酵称异等多种产物的发酵称异型乳酸发酵型乳酸发酵 这是一条在这是一条在19601960年代中后期才发现的年代中后期才发现的双歧杆菌双歧杆菌（Bifidobacteria）通过通过HMPHMP发酵葡萄糖的新途径。发酵葡萄糖的新途径。C.C.双歧杆菌途径双歧杆菌途径特点：特点：2 2分子葡萄糖分子葡萄糖33分子乙酸分子乙酸2 2分子乳酸分子乳酸5 5分子分子ATPATP 乳酸发酵对我们食品工业和酿酒工

36、业来说十分乳酸发酵对我们食品工业和酿酒工业来说十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生产重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生产均通过乳酸发酵。甚至在香肠的制作中也需乳酸菌均通过乳酸发酵。甚至在香肠的制作中也需乳酸菌的参与。但在酿酒工业中乳酸菌是一重大污染菌。的参与。但在酿酒工业中乳酸菌是一重大污染菌。以以大肠杆菌大肠杆菌为代表的一类肠道菌，例如，为代表的一类肠道菌，例如，埃希埃希氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌等，发酵产物主要是等，发酵产物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和COCO2 2、H H2 2，所以，所以称为称为混合酸

37、发酵混合酸发酵。产气杆菌、枯草杆菌产气杆菌、枯草杆菌等发酵产物主要是丁二醇等发酵产物主要是丁二醇，所以称之为，所以称之为丁二醇发酵丁二醇发酵。混合酸发酵与丁二醇发酵混合酸发酵与丁二醇发酵 进行这类发酵的是肠道菌，不同的肠道菌具有不进行这类发酵的是肠道菌，不同的肠道菌具有不同的酶系来作用于丙酮酸，所以终产物是不同的。同的酶系来作用于丙酮酸，所以终产物是不同的。丁酸发酵与丙酮、丁醇发酵丁酸发酵与丙酮、丁醇发酵 这类发酵是由专性厌氧菌这类发酵是由专性厌氧菌梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌分解分解葡萄糖进行的。这类型发酵的终产物主要是丁酸、葡萄糖进行的。这类型发酵的终产物主要是丁酸、丙酮和丁醇。丙酮和丁醇。葡

38、萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸EMPEMP途径途径丙酮酸铁氧还蛋白氧化酶丙酮酸铁氧还蛋白氧化酶2 2乙酰乙酰CoACoA丁醛脱氢酶丁醛脱氢酶NADNAD+NADHNADH2 2NADHNADH2 2NADNAD+丁酰丁酰CoACoA丙酮丙酮丁醛丁醛丁醇丁醇COCO2 2NADHNADH2 2NADNAD+丁丁醇醇脱脱氢氢酶酶丁酸丁酸CoACoA转转移移酶酶乙酸乙酸乙酰乙酰CoACoA 在丙酮、丁醇生发酵过程中，在丙酮、丁醇生发酵过程中，pHpH要控制在要控制在4.54.5以下。以下。与丁酸发酵相类似的是己酸发酵，丁酰与丁酸发酵相类似的是己酸发酵，丁酰CoACoA经过经过类似脂肪酸合成途径合成己酰

39、类似脂肪酸合成途径合成己酰CoACoA，再生成己酸。己，再生成己酸。己酸是一种香型物质，例如，白酒中大曲、特曲四溢的酸是一种香型物质，例如，白酒中大曲、特曲四溢的香气。乙酸还可作为食品添加剂。香气。乙酸还可作为食品添加剂。呼吸作用与发酵作用的根本区别：呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。能量后再交给最终电子受体。二、自养微生物产二、自养微生物产ATPATP和产还原力和产还原力化能无机自养型微生物（无机物）化能无机自养

40、型微生物（无机物）光能自养型微生物（日光辐射能）光能自养型微生物（日光辐射能）生物合成起点是建立在对氧化程度极高的生物合成起点是建立在对氧化程度极高的COCO2 2进行还原（即进行还原（即COCO2 2的固定）的基础上。的固定）的基础上。异养微生物异养微生物 生物合成起点是建立在对氧化还原水平适中的生物合成起点是建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。有机碳源直接利用的基础上。分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联进行的，它们之间的关系是对立统一的。进行的，它们之间的关系是对立统一的。分解代谢与合成代谢的关系图分解代谢与合成代谢的关系图中间代谢产物的重

41、要性中间代谢产物的重要性 如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2O和CO2，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。相反，如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有1212种种。一、两用代谢途径一、两用代谢途径 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为称为两用代谢途径两用代谢途径（amphibolic pathway）。）。EMP

42、EMP、HMPHMP和和TCATCA循环等都是重要的两用途径。循环等都是重要的两用途径。Eg.Eg.葡糖异生作用（葡糖异生作用（gluconeogenesis）。）。在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。全逆转。在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，包含了完全不同的中间代谢物。包含了完全不同的中间代谢物。在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行；原核生物因其细胞结构上的不同区域中分隔进行；原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的

43、控制主要在简单的酶分子的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。水平上进行。二、代谢物回补顺序二、代谢物回补顺序作用：作用：当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料而抽走时，仍可保证能量代大量用作生物合成的原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。谢的正常进行。代谢物回补顺序代谢物回补顺序（anaplerotic sequence），又称），又称代谢代谢物补偿途径物补偿途径或或添补途径添补途径（replenishment pathway），），是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢是指能补充两用代谢途径中因合成

44、代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。物的那些反应。不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与有不同的代谢物回补顺序。与EMPEMP途径和途径和TCATCA循环有关循环有关的回补顺序约有的回补顺序约有1010条。条。乙醛酸循环乙醛酸循环（glyoxylate cycle）：又称又称乙醛酸支路乙醛酸支路（glyoxylate shunt），是，是TCATCA循环的一条回补途径，可使循环的一条回补途径，可使TCATCA循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重要生物合成反应提供有关中间

45、代谢物的功能，要生物合成反应提供有关中间代谢物的功能，Eg.Eg.草酰乙草酰乙酸可合成天冬氨酸，酸可合成天冬氨酸，酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成叶卟啉等。酸可合成叶卟啉等。不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与有不同的代谢物回补顺序。与EMPEMP途径和途径和TCATCA循环有关循环有关的回补顺序约有的回补顺序约有1010条。条。在乙醛酸循环中有两个关键酶在乙醛酸循环中有两个关键酶它们可使丙酮酸和乙酸等化合物它们可使丙酮酸和乙酸等化合物合成合成4C4C二羧酸，以保证微生物正常生物合成的需要。二

46、羧酸，以保证微生物正常生物合成的需要。异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶（isocitrate lyase，ICLICL）苹果酸合酶苹果酸合酶（malate synthase，MSMS）乙醛酸循环的总反应式：乙醛酸循环的总反应式：2 2丙酮酸丙酮酸琥珀酸琥珀酸2CO2CO2 2乙醛酸循环中的两个关键反应：乙醛酸循环中的两个关键反应：具有乙醛酸循环的微生物，普遍是好氧菌，具有乙醛酸循环的微生物，普遍是好氧菌，例如可用乙酸作唯一碳源生长的一些细菌，包括例如可用乙酸作唯一碳源生长的一些细菌，包括AcetobacterAcetobacter（醋杆菌属）、（醋杆菌属）、AzotobacterAzotobact

47、er（固氮菌属）、（固氮菌属）、E.coliE.coli、EnterobacteraerogenesEnterobacteraerogenes（产气肠杆菌）、（产气肠杆菌）、ParacoccusdenitrificansParacoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、（脱氮副球菌）、PseudomonasfluorescensPseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌）、（荧光假单胞菌）、RhodospirillumRhodospirillum（红螺菌属）等；（红螺菌属）等；真菌中的真菌中的SaccharomycesSaccharomyces（酵母属）、（酵母属）

48、、AspergillusnigerAspergillusniger（黑曲霉）、（黑曲霉）、PenicilliumPenicillium（青霉属）等。（青霉属）等。柠檬酸发酵柠檬酸发酵一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。碳源，故常是生产上使用的菌种。二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可檬酸合成酶活力较高，而

49、乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。柠檬酸的积累。三、工艺流程：三、工艺流程：发酵液的发酵液的pHpH值对柠檬酸生成影响很大；值对柠檬酸生成影响很大；pH23pH23时，发酵产物主要是柠檬酸；时，发酵产物主要是柠檬酸；pHpH值中性或碱性时，值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；会产生较多草酸和葡萄糖酸；可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍或尽量降

50、低活性，以阻碍TCATCA循环的正常进行，从而增加循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。柠檬酸的积累。代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性改变微生物遗传特性(遗传学方法）；遗传学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；