5发酵机制PPT课件

理论转化率106.7%, 实际转化率80~90%, 产酸12 ~ 14%,发酵时间60 ~ 80 hr.
1.发酵菌种: 黑曲霉(Asp.niger)和解脂假 丝酵母(Candida lipolytica)
2.发酵原料:糖蜜、薯干粉（木薯粉）、葡 萄糖母液、玉米（小麦）淀粉（TD-01）、 玉米粉（Co827）
* 磷酸果糖激酶
(3)
ATP - ADP
6
2.裂解（lysis)——磷酸丙糖的生成：
一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷
酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反 应：
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7
⑷ F-1,6-BP 裂解为3-磷酸甘油醛
和磷酸二羟丙酮
⑸ 磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油
(4)
醛缩酶 醛
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第一节 糖嫌气性发酵产物积累机制
糖的无氧酵解（glycolysis)是指葡萄糖经EMP途径
生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能 量的过程。
NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各 种不同的代谢产物（在不同的微生物机体和不同条件下，
H2的受体不同，因而丙酮酸的去路也不同）。
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3
葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：
此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行，一
分子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙 酮酸(pyruvate)，2分子ATP，和2分子
（NADH +H+）。糖酵解途径广泛存在于各 种细胞中，它的任何一个反应均不需要 氧。
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4
1. 活化(activation)——己糖磷 酸酯的生成：
谷氨酸
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（二）、细胞膜的通透性与谷氨酸的积累
谷氨酸从菌体内向外排出的控制因子主要有生物素、油 酸、表面活性剂等。
生物素作为一种生长因子，是脂肪酸生物合成中乙酰 CoA羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸的合成。当生物素不足时， 则不利于不饱和脂肪酸的合成，从而造成细胞膜成分磷脂的 不足，使细胞膜结构组成不完全，因而增加了细胞膜的通透 性，有利于谷氨酸渗出膜外。因此利用生物素缺陷型，限量 供给生物素（亚适量）时，细胞膜对谷氨酸有良好的通透性。
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必须解决的两个问题：
柠檬酸的代谢途径及其引起 的反馈调节是怎样进行的？ 什么机制可以造成柠檬酸积 累？
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淀粉
葡萄糖
二、柠檬酸生物 合成途径
NH 4 +
6-磷 酸 果 糖 ATP
1,6-二 磷 酸 果 糖 EMP
磷酸烯醇式丙酮酸
CO 2
丙酮酸
CO 2
草酰乙酸 苹果酸
富马酸 琥珀酸 琥 珀 酰C-oA
（2）化学合成法：采用化工原料合成生产氨基酸的方 法。
（3）发酵法：利用微生物发酵生产L-氨基酸的方法。
（4）酶法：利用从菌体中提取的酶将有机物转变成所 需要的L-氨基酸的方法。
（5）添加前体法：利用微生物发酵氨基酸的前体物质 生产氨基酸的方法。
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3．氨基酸的用途
饲料用氨基酸 食品用氨基酸 生物降解材料 化妆品领域 医用氨基酸
按照发酵过程（微生物获取能量的形式） 分成：
好氧代谢机制（通风发酵）
嫌气代谢机制（厌气发酵）
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2
葡萄糖代谢的三个阶段
第一、葡萄糖进入细胞内 第二、葡萄糖代谢为三碳糖
四条途径：EMP、PPP（HMP）、ED、PK 第三、有氧条件下三糖彻底氧化（丙酮酸氧化脱羧和 三羧酸循环）
无氧条件下继续降解并形成不同代谢产物
中国目前的情况：谷氨酸、赖氨酸、其他氨基酸。
河南莲花味精、山东菱花味精、江苏菊花味精、
广东奥桑味精、沈阳红梅味精
川化味之素
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河南省莲花味精股份有限公司
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29
广东肇庆星湖生物科技股份有限公司
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No Image
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2．氨基酸的生产方法
（1）抽提法（蛋白质水解法）: 将动物蛋白质原料用 酸水解，经离子交换法处理，将所需氨基酸分离提 取。
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葡萄糖 ↓ ↓ EMP ↓
乙醇 ← 乙醛 ← 丙酮酸 → 乳酸 ↓
乙酰CoA ↓
乙酰乙酸CoA
乙酰乙酸 ↓ 丙酮 ↓
异丙醇
乙酰CoA ↓ 丁酸 ↓ 丁醇
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二、酒精发酵机制
酵母的酒精发酵（EMP途径，酵母菌的Ⅰ型发酵） C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2CO2+2ATP
二、谷氨酸发酵机制
谷氨酸化学名称为α-氨基戊二酸，结构式为：
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葡萄糖
6-磷 酸 葡 萄 糖
6- 磷酸果糖
1， 6二 磷 酸 果 糖
（一）、谷氨酸 生物合成途径 及调节机制
3-磷 酸 甘 油 醛
NAD +
NADH+H +
乳酸
丙酮酸
NADPH+H +
CO 2
CO 2
CO 2
CO 2草 酰 乙 酸
NADP +
乙 酰 CoA 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 草酰琥珀酸
α-酮 戊 二 酸
抑制 激活
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黑曲霉柠檬酸发酵机制
1.由于严格限制供给锰离子等金属离子,或筛选高浓度锰离子、 锌离子等菌株，降低菌体中糖代谢合成蛋白质、脂肪酸和核酸 的能力，细胞中氨离子水平增高以及不产ATP的侧系呼吸链解 除对磷酸果糖激酶的反馈抑制，EMP代谢流量增大；
(5) 磷酸丙糖异构酶
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3.放能(releasing energy——丙酮酸 的生成：
3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱
水及放能等反应生成丙酮酸，包括 六步反应。
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NAD++Pi NADH+H+ (6)
3-磷酸甘油醛 脱氢酶
⑹ 3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1,3二磷酸甘油酸
⑺ 1,3-二磷酸甘油酸脱磷酸,将其交给 ADP生成ATP
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Summaries
糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖
分解为两分子丙酮酸，净生成两分 子ATP。
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD+→2CH3COCOOH+
2ATP+2NADH+2H+
糖酵解代谢途径有三个关键酶，即
己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果 糖激酶、丙酮酸激酶。
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三个激酶是糖酵解途径的主要调节点。
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天冬氨酸族氨基酸生物合成途径
3
二 氢 吡 啶 -2， 6二羧酸
9
L -赖 氨 酸
L -天 冬 氨 酸
1
天冬氨酰磷酸
1：天冬氨酸激酶；
8
2：高丝氨酸脱氢酶
天冬氨酸半醛
2
3：二氢吡啶-2，6-二羧酸 合成酶；
L -高 丝 氨 酸 5 4
4：高丝氨酸激酶；
5：Ο-琥珀酰-高丝氨酸转 琥珀酰酶；
L -苏 氨 酸
2.组成型的丙酮酸羧化酶不受代谢调节,保证了草酰乙酸的提供, 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A和二氧化碳固定的平衡保证了 前体的供应;柠檬酸合成酶不受调节增强了柠檬酸的合成能力;
3.顺乌头酸水合酶建立的柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸=90:3:7的 催化平衡趋向柠檬酸的合成, 柠檬酸浓度的增加抑制柠檬酸脱 氢酶的活力, 促进了柠檬酸的积累, pH降低至2.0使顺乌头酸水 合酶和异柠檬酸脱氢酶失活, 更有利于柠檬酸的积累和排除.
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谷氨酸发酵研究新进展
继续选育各种生化突变菌株：转化率提高，或 可在富含生物素的培养基中保持较高产酸水平。 提高原料利用率，拓宽原料来源或简化操作工 艺。
生物工程新技术的应用：体外DNA重组的基因 工程和原生质体融合技术和固定化细胞技术使 产量提高近1倍。
改进发酵工艺：开拓原料，改进流加工艺，通 过电子计算机控制发酵条件。
苹果酸
NADH+H NAD +
延胡索酸
+
乙酰辅酶 A 乙醛酸
琥珀酸
6-磷 酸 葡 萄 糖 酸 5-磷 酸 戊 糖
乙酰辅酶A
柠檬酸 顺乌头酸
异柠檬酸
NAD + （或ANDP + ）
NADH+H +（或NADPH+H
+）
草酰琥珀酸
CO 2
α-酮 戊 二 酸
NADPH+H +
NADP +
CO 2 NH 4 +
糖代谢的调节主要是能荷的控制，即受细 胞内能量水平的控制。
当体系中ATP含量高时，磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶的活性受到抑制，酵解减少。
当需能反应加强，ATP分解，减少，其抑 制作用解除，同时ADP、AMP激活己糖激 酶和磷酸果糖激酶，而这两个酶催化的产 物同时又是丙酮酸激酶的激活剂，结果时 糖酵解加快。
⑻ 3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸
ADP (7)
ATP
磷酸甘油酸 激酶
(8) 磷酸甘油酸变位酶
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H2O ⑼
烯醇化酶
⑼ 2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙 酮酸（PEP）
⑽ 磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基交给 ADP生成ATP
⑾ 烯醇式丙酮酸自发转变为丙酮酸
ADP ⑽
ATP
* 丙酮酸激酶
⑾ 自发
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A．氨基酸的氧化脱氨作用
B．由葡萄糖直接生成
酵母通过糖代谢生成的中间产物α-酮酸，再经 脱羧、加氢形成少一个碳原子的高级醇。
杂醇油的形成还受酵母菌种、培养基组成和发 酵条件的影响。
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三、乳酸(Lactic acid)发酵机制
化学名称: α-羟基丙酸。 1．同型乳酸发酵
主要微生物：乳酸链球菌、保加利亚乳杆菌、德氏乳杆菌， 工业上多用后者为菌种。 这种发酵对糖的理论转化率为100%。 2．异型乳酸发酵 主要微生物:肠膜明串珠菌、短乳杆菌和真菌的根霉。 分α、β两种类型， α型对糖的理论转化率为50%。
活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反
应生成1,6-双磷酸果糖(FBP，FDP)的反 应过程。该过程共由三步化学反应组成。
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5
ATP (1)
ADP
* 己糖激酶/葡萄糖激酶
⑴ 葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖 ⑵ G-6-P异构为6-磷酸果糖 ⑶ F-6-P再磷酸化为 1,6-双磷酸果糖
(2) 磷酸己糖异构酶
细菌的酒精发酵(假单胞菌，ED途径）
C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP
两者途径不同，产能水平也不同
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请掌握此概念
巴斯德效应（Pasteur Effect）
在好氧条件下，酵母的发酵能力降低，即由于呼
吸作用的进行使酒精产量大为降低。其机理是因为酵
解过程的控制受末端产物ATP的反馈控制，即有氧时，
Ο
-琥
珀
酰
-高 丝
6
氨
酸 6：半胱氨酸脱硫化氢酶； 7：苏氨酸脱氢酶；
L -蛋 氨 酸 8：天冬氨酸半醛脱氢酶；
7
9：二氢吡啶-2，6-二羧酸
还原酶
L -异 亮 氨 酸
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赖氨酸发酵机制
葡萄糖
天冬氨酸
天冬氨酰磷酸 天×
赖氨酸
×
遗传缺陷位置
× 解除反馈调节
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蛋氨酸
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α型 β型
β型为双歧途径，即由两歧双歧杆菌分解葡萄生 成乳酸的途径。双歧杆菌为严格厌氧菌，对营养要 求较高。
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第二节 柠檬酸发酵机制
一、 概况
柠檬酸是一种重要的有机酸，化学名称为3-羟基3-羧基 戊二酸，其结构式为：
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柠檬酸发酵的总反应式：
2C6H12O6+3CO2
2C6H8O7+4H2O
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第三节 氨基酸(Amino acid)发酵生产
一、概述
1．氨基酸的生产概况
生产氨基酸的大国为日本和德国。
日本的味之素、协和发酵及德国的迪高沙是世界氨基 酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸,可直接 用于输液制剂的生产。
日本在全球很多国家建立了合资的氨基酸生产厂家,生 产氨基酸和天冬甜精等衍生物。
生物素丰富时，添加表面活性剂、高级脂肪酸可抑制不饱 和脂肪酸的合成，造成细胞膜透性的增加。另外添加青霉素 也可使细胞膜在失去细胞壁保护后发生损伤而造成通透。
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小结：从菌的生理特征上，谷氨酸产生菌应具备的条件：
生物素缺陷型，细胞膜对谷氨酸的通透性好 CO2固定酶活性强，丙酮酸脱羧酶活性不能太强 α-酮戊二酸脱氢酶的活性微弱或缺损 谷氨酸脱氢酶活力高（此活性不被低浓度产物谷氨酸所 抑制） NADPH+H+进入呼吸链能力弱 异柠檬酸裂解酶活性不能太强，异柠檬酸脱氢酶活性强
第五章 发酵机制
微生物
产物
A. 遗传特征: 菌种种类、DNA特征
B . 环境条件：微生物生长及反应的环境
发酵机制：微生物利用基质，通过代谢合成人 们所需的产物的内在规律
内在规律：代谢途径、代谢调控规律、环境因 素的影响
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1
按照产物与微生物生长繁殖的关系分成：
初级代谢产物的代谢机制
次级代谢产物的代谢机制
由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产生大
量ATP ，ATP控制酵解途径关键酶—磷酸果糖激酶的
活性，最后抑制葡萄糖进入细胞内，导致葡萄糖利用
降低。同时在好氧条件下，丙酮酸激酶活性也由于磷
酸果糖激酶活性降低而降低，从而降低糖的酵解速
度。 ——即巴斯德效应
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酒精发酵中副产物的形成 杂醇油(高级醇）的生成 杂醇油是碳原子数大 于2的脂肪族醇类的统称。主要由正丙醇、异 丁醇、异戊醇和活性戊醇（2-甲基-1-丁醇） 组成。这些高级醇是构成酒类风味的重要组成 物质之一，量虽少，但影响很大，当其过量时 会影响产品质量，需予以控制。其生成机制如 下：
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赖氨酸发酵菌种的选育