微生物发酵机理.ppt

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1、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,物质代谢,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,ATP,ADP,果

2、糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,三羧酸循环反应过程,P105,GTP,呼吸链,1NADH-3ATP1FADH-2ATP,FADH2,化能自养菌的能量代谢,化能自养菌的底物和呼吸链,底物有NH4+、H2S、S、NO2-、SO32-、S2O32-、Fe、H2等,NAD F

3、e Q Cytcc1 Cyt a1 Cyt aa3 O2(NO3-),H2,NH4+、SO32-、S2-Fe、S2O32-NO2-,ATP,ATP,ATP,ATP,NADH,光能微生物的能量代谢,循环光合磷酸化非循环光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合磷酸化,只存在于能进行光合作用的生物中，具有叶绿素或细菌叶绿素，或者细菌视紫红质,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NA

4、DPH和O2。,返 回,细菌视紫红质的光合作用,Bacteriorhodopsin,返 回,第二节 厌氧发酵产物的合成机制,酒精发酵机制甘油发酵机制乳酸发酵机制沼气发酵机制,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,ATP,ADP,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,酵母菌酒精发酵,主

5、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,酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。,如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母型发酵）。,NaHSO3可作为抑制剂：,乙醛+NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠,甘油发酵机制,2ATP,2ADP,2ADP,2ATP,CO2,NaHSO3,NAD,NADH+H,NADH+H,NAD,

6、H2O,Pi,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HSO3,-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,ATP,ADP,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),

7、+2H+,同型乳酸发酵,异型乳酸发酵,分两种途径,1、6-磷酸葡糖酸途径（磷酸酮解途径）,2、双歧途径（也是磷酸酮解途径）,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,6-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,沼气发酵,1水解阶段2发酵阶段3产乙酸阶段4产甲烷阶段,生物化学本质来说，就是一种由产甲烷菌进行的甲烷形成过程。分为四个阶段,第三节 好氧发酵产物的合成机制,柠檬酸的发酵机制氨基酸的发酵机制,柠檬酸的发酵机制,柠檬酸在食品中的

8、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

9、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

10、剂。,柠檬酸的消费领域：饮料行业占4045 食品添加剂等占1520 洗涤剂占2030 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,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄

11、糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,ATP,降低,关键酶,-酮戊二酸脱氢酶,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,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A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA循环与乙醛酸循环,反馈抑制,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,葡萄糖,磷酸烯醇式丙酮

12、酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,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,CO2,ATP,ADP,CO2,ADP,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,丙酮酸羧化酶,顺乌头酸酶,阻断,柠檬酸发酵机理,葡萄糖,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,柠檬酸的生物合成途径,顺乌头酸酶,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,ATP,ADP,果糖-6-磷酸,AT

13、P,ADP,Mg2+,果糖-1，6-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,2Pi,1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,2CO2,乙醛,+2H+,2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,糖酵解和酒精发酵的全过程,磷酸果糖激酶,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+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。诱变

14、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,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A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,TCA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,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,

15、顺乌头酸酶,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,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,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90：3：7,4、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固定CO反应相平衡柠檬酸合成酶不被抑制，增强了合成

16、柠檬酸的能力。,柠檬酸积累机理,葡萄糖,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,

17、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,乳酸和琥珀酸,酮戊二酸,（通气不足）,（适中）,（通风过量，转速过快）,NH4+,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

18、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

19、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,-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

20、用物的浓度,谷氨酸,N-乙酰谷氨酸,N-乙酰-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-（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-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,-酮戊二酸+NH3+NADH L-谷氨酸+H2O+NAD

21、+,L-谷氨酸脱氢酶,生物素营养缺陷型,使用该类突变株必须限制发酵培养基中生物素亚适量(5-10g/L).在发酵初期(0-8小时),细胞正常生长,当生物素耗尽后,在菌的再次倍增时,开始出现异常形态细胞,即完成了细胞从生长型到积累型转换.,-酮戊二酸脱氢酶酶活性微弱或丧失,只有当体内-酮戊二酸脱氢酶活性很低时，TCA循环才能够停止，-酮戊二酸才得以积累，为谷氨酸的生成奠定物质基础。,-酮戊二酸脱氢酶,具有CO2 固定反应的酶系,菌种能利用CO2 产生大量草酰乙酸,有利于谷氨酸的大量积累。,糖酵解与三羧酸循环途径的调节,丙酮酸,G,细胞液,柠檬酸,乙酰CoA,柠檬酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,乙酰CoA,丙酮酸,线粒体,G-6-P,F-6-P,F-1.6-2P,磷酸果糖激酶,PEP,ADP+Pi ATP,ADP+Pi ATP,NADH,O2,ATP ADP+Pi,AMP+ATP 2ADP,Pi,Pi,PEP 羧激酶,己糖激酶,丙酮酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸 脱氢酶,糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系,Thank you！,END,