6发酵机制1

必须解决的两个问题：
柠檬酸的代谢途径及其反馈 调节情况？ 什么机制可以造成柠檬酸积 累？
1953年，Jagnnathan等证实了黑曲霉中存在
EMP途径的所有酶；
1954年，Shu提出葡萄糖分解代谢中约80％走
EMP途径；
1954－1955年，Ramakrishman和Martin研究发
现黑曲霉中存在三羧酸循环；
ATP (1)
己糖激酶/葡萄糖激酶
*
ADP
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 磷酸果糖激酶 (3)
*
ATP
ADP
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
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。
三个激酶是糖酵解途径的主要调节点。 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。
第六章 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，通过代谢得到人 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
分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢 酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸 （ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量， 一般用[H]来表示）的作用。
有一条呼吸活力强的不产生ATP的 侧系呼吸链
② 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。
③丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个 反应的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增 强了合成柠檬酸的能力。 ④由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平 衡：
柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7
使柠檬酸有一定积累，pH值逐渐降低，顺乌头 酸酶及异柠檬酸脱氢酶活力降低甚至失活，更 有利于柠檬酸的积累。
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）
柠檬酸的生产：
1874年首次从柠檬汁中提出柠檬酸并 结晶成固体；1913年首次实现利用黑曲 霉发酵生成柠檬酸。
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）。
葡萄糖 ↓ ↓ EMP ↓ 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
线粒体顺乌头酸酶在催化时有柠檬 酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3： 7的平衡，这个平衡可能就是造成 柠檬酸的最初积累而使pH值降低 的原因。当pH逐渐降低，达到 pH2.0时，顺乌头酸酶、异柠檬酸 酶失活
存在两个CO2固定系统（需Mg2＋、K＋）： 1）丙酮酸（PYR）在丙酮酸羧化酶作用下，生成草酰乙酸（此 作用更强） 2）磷酸烯醇丙酮酸（PEP）在PEP激酶的作用下，生成草酰乙酸
ADP ⑽ 丙酮酸激酶
*
ATP
⑾ 自发
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。
合成代谢与分解代谢正好相反，是指在 合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、 ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起 合成复杂的大分子的过程。
分解代谢与合成代谢的含义及其间的关 系可简单地表示为：
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 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（厌氧发酵）
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 ⑻ 3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸
ADP (7)
磷酸甘油酸 激酶
ATP
(8) 磷酸甘油酸变位酶
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
氧和pH值对柠檬酸发酵的影响很大。
氧是发酵过程（EMP途径和丙酮酸脱氢）
生成的NADH2重新氧化时所需 标准呼吸链产生ATP积累，侧呼吸链不产 生ATP，缺氧导致侧呼吸链失活，使ATP 积累，柠檬酸积累减少。
柠檬酸的积累机制归纳：
①Mn
2+
缺乏
抑制蛋白 ﹢ NH4 合成
解除磷酸果糖激酶 的代谢调节，促进 EMP途径的畅通
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
C6H12O6+2ADP+2Pi+2NADH+2H+→ 2CH3CHOHCOOH+2ATP+2NAD+
主要微生物：乳酸链球菌、保加利亚乳杆菌、德 氏乳杆菌，嗜酸乳杆菌。
这种发酵对糖的理论转化wenku.baidu.com为100%。
2．异型乳酸发酵 主要微生物:肠膜明串珠菌、短乳杆菌、 真菌的根霉和双歧杆菌。 异型乳酸发酵分α、β两种类型
酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反 应：
(4)
醛缩酶
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 油醛
(5) 磷酸丙糖异构酶
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。
铵离子浓度与柠檬酸生成速度有密切 关系，正是由于细胞内浓度升高，使磷 酸果糖激酶对细胞内积累的大量柠檬酸 不敏感。
2.比较底物锰充足、锰缺乏时分批 培养物的最大活力时发现，锰缺乏 时黑曲霉的组成（合成）代谢受损 伤，这对柠檬酸的积累有重要作用。 锰缺乏时，细胞内NH4＋ 浓度高， Aa浓度高（蛋白合成受阻，导致升 高）。因此，锰离子效应是通过 NH4＋升高而减少柠檬酸对磷酸果 糖激酶的抑制来实现的。
细菌的酒精发酵(假单胞菌， ED途径）
C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2 +ATP
利用Z.mobilis等细菌生产酒精，是近年来正 在开发的工业，它比传统的酵母酒精发酵有许 多优点： （1）代谢速率高 （2）产物转化率高 （3）菌体生成少 （4）代谢副产物少 （5）发酵温度较高 （6）不必定期供氧等。 细菌酒精发酵也有其缺点，主要是其生长PH 为5，较易染菌（而酵母菌为pH3），其次碳 源利用面较窄，仅限于葡萄糖、果糖和蔗糖， 另外细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为 7.0％，后者则为8～10％）。
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。
1. 活化(activation)——己糖磷 酸酯的生成：
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。
丙酮酸羧化酶基本上不受代谢调节的控制，这个反应的平衡保
证了草酰乙酸的提供，增加了柠檬酸的合成能力
TCA环的起始酶：柠檬酸合成酶是一种调节酶。但在黑曲霉中， 柠檬酸合成酶没有调节作用，这是黑曲霉TCA环的第一个特点。
糖酵解代谢的调节 正常情况下，柠檬酸、ATP对磷酸果糖 激酶有抑制作用，而AMP、无机磷、铵 离子对该酶则有激活作用，特别是还能 解除柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶的抑 制作用。
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：
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。
1958年，MeDomough等发现黑曲霉还存在HMP途
径的酶，但HMP途径主要存在于孢子形成阶段；
淀粉
葡萄糖
6-磷酸果糖
ATP
二、柠檬酸生物 合成途径
1,6-二磷酸果糖 NH4+ EMP 磷酸烯醇式丙酮酸
CO2
丙酮酸
CO2
抑制 激活 乙酰C oA
草酰乙酸 柠檬酸 苹果酸 顺乌头酸 富马酸 琥珀酸 琥珀酰C oA 异柠檬酸 草酰琥珀酸 α-酮戊二酸
α型（对糖的理论转化率为50%）
C6H12O6 CH3CHOHCOOH+C2H5OH+CO2
β型 2C6H12O6
2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH
β型为双歧途径（Bifidum patheay） ，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。与其他乳酸菌的异型发酵不同。在葡萄 糖发酵中，2mol葡萄糖产生3mol乙酸，2mol乳酸和 2.5molATP。双歧杆菌无醛缩酶，也无葡萄糖-6-磷酸脱 氢酶，不能通过EMP途径，但含有活性磷酸解酮酶类，在 这个途径中无加氢和还原反应，葡萄糖转变为乙酸和磷酸 甘油醛，然后,3-磷酸甘油醛在乳酸脱氢酶的作用下转变为 乳酸。
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
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
川化味之素
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
河南省莲花味精股份有限公司
广东肇庆星湖生物科技股份有限公司
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。 （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。
异型乳酸发酵
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：
柠檬酸发酵的总反应式： 2C6H12O6+3CO2 2C6H8O7+4H2O 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.
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
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
乙醇
←
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
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，