代谢调控理论在微生物发酵中的应用
生物发酵工程中的微生物代谢调控
生物发酵工程中的微生物代谢调控生物发酵工程是一门应用广泛的学科，其涉及微生物、生物化学、传热传质等多个学科的知识，旨在利用微生物在发酵过程中生成的代谢产物来满足人们的生产和生活需求。
而在微生物代谢过程中，如何通过调控其代谢途径，实现目标产物的高效合成、减少代谢的损耗，成为了生物发酵工程中的一个重要研究方向。
微生物代谢调控的意义微生物代谢调控是指通过改变微生物生长条件和代谢途径，来调整其代谢产物合成量和比例的过程。
在工业生产中，通过微生物发酵生产大量特定代谢产物是一种非常经济、环保的加工方式，但是微生物产生的代谢产物存在很大的不确定性。
因此，通过对微生物代谢途径的调控，可以使目标产物的产量和比例得到控制，从而提高产量，减少生产成本，并且提高产物的纯度和质量。
微生物代谢途径及其调控微生物代谢途径是指微生物在生物体内通过多种化学反应途径来完成与生长、繁殖相关的代谢活动。
其中包括代谢途径的产物合成、产物分解以及代谢的能量转换等步骤。
微生物代谢调控的目的就是通过改变这些代谢途径的流量和平衡，来调整微生物产物的合成量和比例，从而达到优化目标的效果。
代表微生物代谢调控方法有以下两种：1.正向调控正向调控是指通过增加代谢途径的流量和互动，来加强目标代谢产物的合成，从而提高产量。
这种调控方法常见于工业生产中，例如酿造啤酒时，生产者为了增加酒的口感和香味，会加入辅酶、氨基酸、谷氨酸等化合物来促进酵母细胞的代谢，从而促进目标产物的生成。
2.反向调控反向调控是指通过成分的增减或运输网络的改变来降低目标代谢产物的合成，从而对微生物代谢路线进行限制。
这种方法经常用于通过发酵生成的副产物的控制。
例如，在环境中限制糖分含量、压制某些酶或基因，以限制微生物代谢途径中产生某些不必要的代谢产物的方法。
代表性工程案例在实践中，通过微生物代谢调控技术，目标代谢产物的生产得以实现。
以下列举一些代表性的工程案例：1.习得味道细节啤酒发酵后的酿造品质是由微生物代谢途径的复杂模式决定的。
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究发酵工艺是一种利用微生物的代谢活动来生产有用的化学物质的技术。
在这个过程中，微生物的生长和代谢调控起着关键作用。
本文将从微生物生长和代谢调控两个方面介绍发酵工艺中微生物的相关研究。
一、微生物生长微生物的生长是指微生物个体数目增多的过程，也是发酵工艺中最基本的过程之一。
微生物的生长可以分为四个阶段：潜伏期、指数期、对数期和稳定期。
1. 潜伏期潜伏期是指微生物在新的培养基中适应环境的过程。
在这个阶段中，微生物的代谢活动相对较缓慢，个体数目几乎不变。
2.指数期进入指数期后，微生物开始快速增长。
在这个阶段中，微生物的个体数目呈指数增长，其增长速率也相对较快。
此时微生物的代谢活动也处于高峰期，细胞内各种代谢产物的合成速率较快。
3. 对数期当微生物细胞密度达到一定值时，微生物的增长速率会开始降低，进入对数期。
在这个阶段中，微生物的代谢活动较指数期保持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量只是等量地替代老的细胞。
4. 稳定期稳定期是指微生物生长速率趋于平缓的状态。
在这个阶段中，微生物的代谢活动也维持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量与老的细胞数量趋于相等。
二、代谢调控微生物的代谢是指它们在细胞内生产和消耗物质的过程。
在发酵工艺中，所需的发酵产物通常是由微生物代谢产生的。
因此，微生物代谢的调控在发酵工艺中非常重要。
1. 糖代谢大多数发酵物质的合成都是依赖于糖代谢的过程。
微生物的糖代谢途径繁多，包括四种主要代谢途径：糖酵解、异糖酵解、戊糖酵解和底物级联途径等。
这些糖代谢途径的启动和调控都受到微生物内部和外部环境的调节。
2. 氮代谢氮代谢是指微生物内部氮代谢产物的生产和消耗过程。
在发酵工艺中，氮代谢参与了发酵产物的合成和微生物生长的控制等过程。
微生物通过调节氮代谢途径中相关酶的活性来平衡代谢产物的合成和消耗，从而实现较高的生产效率。
3. 能量代谢微生物通过代谢活动产生能量，并且可以通过调节代谢途径的活性来适应不同的环境中的能量状态。
发酵工程 举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量
举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量2013.6.16 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
正常情况下，微生物代谢产物由于反馈抑制和反馈阻遏是不会大量积累的。
但自然界里常发现一些微生物产生了过量的代谢产物，这主要是由于这些微生物代谢机制失调造成的，在工业发酵上，可运用遗传的和环境的控制和人为的代谢调节，使其产物大量积累。
如氨基酸发酵生产就是在代谢调节研究的基础上发展起来的。
目前已经能够在转录和翻译上控制微生物的代谢，使微生物工业发酵进入了一个崭新阶段，即代谢控制发酵阶段。
所谓的代谢控制发酵，就是人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。
一般改变微生物代谢调节的方法有如下几种:第一种是采用物理化学诱变，获得营养缺陷型第二种方法是应用抗反馈调节突变法。
第三种就是控制发酵条件，改变细胞的渗透性。
一、应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节这是氨基酸生产菌育种的最有效的办法。
营养缺陷型是指某菌种失去合成某种物质的能力，即合成途径中某一步发生突变，使合成反应不能完成，最终产物不能积累到引起反馈调节的浓度，从而有利于中间产物的积累。
例如，用高丝氨酸缺陷型生产菌进行赖氨酸发酵。
一般在形成赖氨酸的过程中有3种产物生成，只有赖氨酸和苏氨酸都达到一定浓度时，才能形成反馈抑制，从高丝氨酸切断这两个分支后，不能形成苏氨酸，也就不能形成反馈抑制。
微生物代谢与发酵工程的研究及应用
微生物代谢与发酵工程的研究及应用微生物代谢和发酵工程是现代生物工程学中的重要组成部分，它们在食品、制药、化工、环境保护等领域发挥着重要的作用。
微生物可以利用废物、廉价原料生产高价值产品，对于提高资源利用效率具有重要意义。
在发酵工程领域，为了提高丰度和产量，对微生物的代谢调控研究已成为研究前沿。
一、微生物代谢微生物代谢是指微生物内部的化学反应过程，包括物质的合成反应、分解反应和转化反应等，是微生物生长和繁殖的必要条件。
代谢途径需要消耗能量，常常是从底部的有机化合物中提取能量，以ATP作为最常见的能量介质。
微生物代谢通常分为两类：有氧代谢和无氧代谢。
有氧代谢需要氧气参与，可以从较高浓度的底物中提取更多的能量；无氧代谢则是在没有氧气的情况下进行的，有时候甚至能够从较低浓度的底物中提取能量。
微生物代谢的研究，对于发酵工程和深层次了解微生物的生长、代谢机制、产物合成和分解，都具有非常重要的意义。
通过代谢途径的调控，提高代谢产物的产率和水平，对于工业生产具有非常重要的实际意义。
二、发酵工程发酵工程是微生物代谢的应用领域，是利用微生物进行发酵生产的工程学科。
发酵工程涉及大量的学科知识，主要包括微生物学、生物化学、反应工程、传热传质、流体力学等。
发酵工程的目的是通过准确的代谢途径调控，推动微生物利用废物和廉价原料进行有机合成和分解，产生高质量的产品，包括生物农药、食品添加剂、医药中间体、生物染料、工业酶、生物燃料等。
发酵过程需要消耗大量的能量，通过调整温度、pH值、氧气含量、添加营养素等方式来优化代谢途径，提高产率和质量。
三、工业微生物发酵工业微生物发酵是最为常见的发酵工程应用之一。
工业微生物包括大肠杆菌、酵母、乳酸菌、青霉素等。
这些菌株的发酵工艺和代谢途径都已经被深入研究。
许多微生物均可以在工业规模下安全进行大规模的生产，包括工业酶、抗生素、植物生长素等。
目前，发酵工程学已成为成熟的产业，微生物发酵工艺正在成为全球实现化工可持续发展的重要技术途径之一。
微生物代谢调控原理的应用
微生物代谢调控原理的应用1. 概述微生物代谢调控原理是指通过对微生物的代谢过程进行调控和优化，来实现对微生物产生的产品或代谢产物进行控制和提高产量的一种方法。
微生物代谢调控原理的应用广泛，包括工业生产、生物制药、环境保护等方面。
2. 常用的微生物代谢调控方法•基因工程: 通过改变微生物的基因组，引入、修改或删除特定的基因，以达到调控微生物代谢的目的。
例如，可以通过基因工程使微生物产生特定的酶，从而提高产物的产量。
•代谢工程: 利用代谢工程方法来调控微生物的代谢途径，使其产生所需的产物或代谢产物。
代谢工程包括代谢路径的重建、代谢途径的优化以及代谢产物的调控等方面。
•生物传感器: 生物传感器是一种能够检测微生物代谢过程并进行实时监测的工具。
通过生物传感器可以获取微生物在不同代谢状态下的信息，从而进行代谢调控。
•发酵工艺优化: 发酵工艺是微生物代谢调控的重要环节。
通过对发酵条件、培养基成分等进行优化，可以达到调控微生物代谢的目的，提高产物产量。
3. 微生物代谢调控在工业生产中的应用•生物燃料生产: 在生物燃料生产过程中，利用微生物进行代谢调控可以提高生物燃料的产量和质量。
通过调控微生物的代谢途径，使其产生更多的生物燃料或提高生物燃料的效能。
•生物塑料生产: 微生物代谢调控可以用于生物塑料的生产过程中。
通过调控微生物的代谢途径和发酵条件，可以合成高效的生物塑料，降低生产成本。
•生物制药: 微生物代谢调控在生物制药中有重要应用。
通过调控微生物的代谢途径和产物分泌路径，可以提高药品的产量和纯度，降低生产成本。
4. 微生物代谢调控在环境保护中的应用•环境污染治理: 微生物代谢调控可以应用于环境污染的治理。
通过调控微生物的代谢途径和代谢产物，可以实现对污染物的降解和清除。
•生物修复: 微生物代谢调控在生物修复中也有重要应用。
通过调控微生物的代谢途径和产物分泌，可以促进土壤、水体等环境的修复和恢复。
•废弃物处理: 微生物代谢调控可以应用于废弃物的处理。
02微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用
☆别构酶：也称变构酶，它是代谢过程 中的关键酶。通过效应物（调节物） 和酶的别构中心的结合来调节其活性， 从而调节酶反应速度和代谢过程。
变 构 调 节
☆多功能酶：一般是指在结构上只有 一条多肽链，但具有两种或两种以 上的催化活力或结合功能的蛋白质。
3
反馈调节
• 反馈调节主要是指代谢过程的中间产 物，或终产物对于代谢早期阶段上关 键酶的抑制作用。 • 微生物通过反馈调节作用，按照自身 的要求来改变自己的代谢。
葡萄糖 ↓ 丙酮酸 ↓ 丙氨酸←天冬氨酸→→→赖氨酸
在乳糖发酵短杆菌中赖氨酸、丙氨酸的 生物合成途径及其调节
◆丙酮酸和天冬氨酸是赖氨酸和丙氨酸生 物合成中共用的前体物。 ◆虽然丙氨酸并不抑制赖氨酸的生物合成， 但是丙氨酸的形成意味着赖氨酸前体物丙 酮酸和天冬氨酸的减少。 ◆因此育成丙氨酸缺陷型，切断丙氨酸的 生物合成，就会提高赖氨酸的产量。
⑴切断了生物合成苏氨酸和蛋氨酸的支路 代谢，使天冬氨酸半醛这一中间产物全 部转入赖氨酸的合成; ⑵通过限量添加高丝氨酸，可使蛋氨酸、 苏氨酸生成有限，因而解除了苏氨酸、 赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制， 使赖氨酸得以积累。
例3
鸟氨酸发酵
• 利用营养缺陷型菌株发酵生产中间产 物，如可以利用谷氨酸棒杆菌的瓜氨 酸营养缺陷型（缺少转氨甲酰酶）进 行发酵大量累积鸟氨酸。
所谓代谢控制发酵，就是人为地 在DNA分子水平上改变和控制微生物 的代谢活动，使目的产物大量生成、 积累。
★ 改变微生物代谢调节的方法：
☆采用物理化学诱变，获得营养缺 陷型，这是氨基酸生产菌育种的 最有效的方法。
营养缺陷型：指某菌种失去合成某种物 质的能力，即合成途径中某一步发生突 变，使合成反应不能完成，最终产物不 能积累到引起反馈调节的浓度，从而有 利于中间产物或另一分支途径的末端产 物得以积累。
举例说代谢调控在发酵中的重要性
举例说明代谢调控在发酵工业中的重要性农学与生物科技学院生物技术专业杨丹222010326022039 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
（一）微生物细胞的调节机制：（1）酶合成的调控1.诱导——促进酶的合成2.阻遏——抑制酶的合成（包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏）(2)酶活性的调控1.一定数量的酶通过其分子结构的改变来调节催化反应的速率。
控制机制：终产物抑制或激活；通过辅酶水平的活性调节；酶原的活化；潜在酶的活化2.细胞膜渗透性的控制:根据酶在代谢调节中作用不同分为：调节酶（变构酶、同功酶、多功能酶）、静态酶和潜在酶。
（二）代谢控制发酵的基本思想（1）切断支路代谢1.选育营养缺陷型突变株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。
最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型或苏氨酸营养缺陷型菌株达到赖氨酸的积累。
2.选育渗漏缺陷突变株：遗传性障碍不完全的缺陷型。
（注：这种突变只是其中某一种酶的活性降低，而不是完全丧失。
不能合成过量的最终产物，故不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。
）（2）解除菌体自身的反馈调节1.选育抗类似物突变株（代谢拮抗物抗性突变株）形成途径：变构酶结构基因突变；调节基因突变。
2.酶活性的利用3.营养缺陷型回复突变株的应用：调节酶的失活与否，可能直接表现为某种营养缺陷型。
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究发酵是一种被广泛应用于食品生产、药物制造和能源生产等领域的生物技术方法。
在发酵过程中，微生物的代谢途径和调控机制起着至关重要的作用。
本文将从微生物的代谢途径和调控机制两个方面进行讨论。
微生物的代谢途径是指微生物在发酵过程中通过一系列化学反应将底物转化为产物的途径。
常见的微生物代谢途径包括糖酵解途径、葡萄糖酸途径、乳酸发酵途径等。
其中，糖酵解途径是最为常见的代谢途径之一。
在糖酵解途径中，微生物将葡萄糖分解为丙酮酸和乙醛，再通过丙酮酸和乙醛的转化产生乳酸、醇、乙酸等产物。
葡萄糖酸途径是另一种代谢途径，微生物在此途径中将葡萄糖转化为葡萄糖酸，再将葡萄糖酸进一步转化为乳酸。
乳酸发酵途径则是将葡萄糖直接转化为乳酸的代谢途径。
不同的微生物会选择不同的代谢途径来满足自身的能量需求和代谢产物的需求。
微生物的代谢途径受到多种调控机制的调控，以确保发酵过程能够顺利进行并产生高效的产物。
其中，环境因素是最为重要的调控机制之一。
微生物对环境的pH值、温度等因素非常敏感，过高或过低的环境条件可能会抑制微生物的代谢途径。
例如，大肠杆菌在碱性环境下会抑制糖酵解途径的进行，而在酸性环境下则会促进糖酵解途径的进行。
此外，底物浓度和产物浓度也是调控微生物代谢途径的重要因素。
当底物浓度过低或产物浓度过高时，微生物的代谢途径可能会受到抑制。
微生物通过感知环境中底物和产物浓度的变化，调节代谢途径的进行。
另外，微生物的基因调控也起着重要的作用。
微生物的基因组中包含了一系列调控基因，这些调控基因能够控制特定代谢途径中关键酶的合成。
通过调节这些酶的合成量，微生物能够在不同环境条件下选择合适的代谢途径。
这些调控基因受到内源和外源信号的调控，包括底物和产物浓度的变化、细胞内外环境的变化等。
微生物的基因调控能够实现代谢途径的快速调整，从而适应不同的环境条件和产物需求。
最后，微生物的代谢途径和调控机制的研究对于发酵工艺的优化和微生物菌种的选育具有重要意义。
代谢控制发酵的原理及应用
代谢控制发酵的原理及应用1. 引言发酵作为一种重要的工业生产过程，广泛应用于食品工业、制药工业、化工工业等领域。
控制发酵过程中的代谢反应是提高发酵产物得率和质量的关键。
本文将介绍代谢控制发酵的原理及其在实际应用中的意义。
2. 代谢控制发酵的原理2.1 代谢途径代谢途径是细胞内各种代谢酶反应所组成的网络。
通过对代谢途径进行控制，可以实现对发酵过程中代谢产物的合成与降解的调控。
•代谢途径的分类：–糖代谢途径：通过调节糖酵解和糖异生途径的活性，实现对碳源代谢的控制。
–脂肪代谢途径：调节脂肪酸合成和降解途径，影响发酵产物的合成。
–氨基酸代谢途径：调控氨基酸的合成和降解，影响蛋白质合成和产物生成。
–核苷酸代谢途径：控制DNA和RNA的合成，对生物体的生长和发育起到重要作用。
2.2 代谢调控策略代谢调控策略是通过对代谢途径内关键酶的调控，实现对代谢产物合成和降解速率的调控。
•调控策略的分类：–底物浓度调控：通过调节底物浓度，影响酶催化反应速率，进而控制代谢产物的生成。
–反馈抑制：通过代谢产物对酶活性的抑制，调节代谢途径内各个酶的活性，从而控制代谢产物的生成。
–遗传调控：通过改变生物体内部基因表达水平，调节代谢途径内酶的含量，进而影响代谢产物的合成速率。
–外部条件调控：例如温度、pH值等环境条件的调控，对代谢产物合成有重要影响。
3. 代谢控制发酵的应用3.1 食品工业在食品工业中，利用代谢控制发酵技术可以实现食品添加剂、发酵食品等的生产。
•食品添加剂的生产：通过控制微生物发酵过程中的代谢途径和代谢产物的合成，可以高效生产食品添加剂，如谷氨酰胺、谷氨酰胺钠等。
•发酵食品的生产：利用代谢控制发酵技术，可以生产出口感好、品质优良的发酵食品，如酸奶、面包等。
3.2 制药工业代谢控制发酵技术在制药工业中有着广泛应用。
•抗生素的生产：通过调控微生物发酵过程中底物浓度、代谢途径和酶活性，可提高抗生素的产量和质量。
•生物药物的生产：通过遗传调控和代谢途径调控，可以实现生物药物的高效合成，如重组人胰岛素和重组人生长激素等。
代谢工程在工业微生物育种中的应用
代谢工程在工业微生物育种中的应用摘要：传统的诱变育种仍是目前发酵工业菌种选育中最常用的育种技术，以基因工程技术为主的多元化育种方式的发展，为代谢途径操作引入了全新的理念和方法，使代谢工程得以发展。
代谢工程是对细胞代谢网络的代谢流量及代谢控制进行定量地、系统地分析，并通过DNA重组技术和相关的遗传学手段对微生物细胞进行代谢改造，提高其目的产物代谢量。
本文论述了微生物代谢工程的理论基础及其在发酵工业微生物育种中的应用现状。
关键词：代谢工程；代谢途径；菌种选育发酵工业自20世纪40年代发展至今，在青霉素等抗生素的发酵生产、赖氨酸等一系列氨基酸的发酵生产以及核苷酸、有机酸等物质的发酵产业发展中起了极其重要的作用。
在工业微生物育种的过程中，对个别基因进行改造的经典基因工程技术不能保证对微生物代谢网络结构和功能的准确分析和高效利用，影响了相关行业的生产效率的稳定和经济效益的提高。
目前，几乎所有重要工业微生物模式菌种的基因组全序列已经或即将公布，转录组、蛋白质组、代谢组、通量组等数据资源正在迅速扩展。
充分利用组学数据中包含的有用信息，可以更有效地改造和控制细胞性能、提高底物利用以及产品的产率、改善微生物工业适应性，促进工业生物技术发展[1]。
菌种筛选和持续不断的改良贯彻于发酵生产过程的始终，以基因工程为核心的现代生物技术正越来越显示出其在菌种改良上的魅力，将最终成为微生物育种的主导技术[2]。
建立在重组DNA技术基础之上的代谢工程技术，可以更容易地选择菌种的改良靶点，构建具有新的代谢途径的微生物细胞，提高其发酵性能，生产特定目的产物，从而可以推动发酵工业的发展。
一、代谢工程概述代谢工程（Metabolic engineering），又称途径工程（Pathway engineering），是指利用生物学原理，系统地分析细胞代谢网络，并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径，通过遗传修饰，完成细胞特性改造的应用性学科。
微生物过程中的代谢调控及其应用研究
微生物过程中的代谢调控及其应用研究微生物代谢调控是指微生物在生长过程中，利用内部细胞代谢机制来控制自身的代谢过程，使其在合适的时间、合适的环境条件下分泌出所需的代谢产物。
在微生物代谢调控中，包括了很多复杂的生化反应和代谢模块的关联调控，这些都是一个复杂的系统工程。
目前，微生物代谢调控研究已经成为了生物技术、食品工程、制药、纺织等多个领域的重要研究方向。
基于微生物代谢调控的研究，目前已经取得了很多重要的成果，其中主要包括了以下三个方面：一、代谢工程代谢工程是生物技术领域中最为热门的研究方向之一，它是通过基因工程和代谢调控等手段来改良特定微生物的代谢途径，从而达到更高产、更高容积的生产效果。
这种方法已经被广泛应用于发酵工业生产中，其中最为典型的就是生产抗生素和酶类制品。
同时，代谢工程也可以被用于快速筛选、优化和设计新型生物药物、化学药物和生物综合材料，因此被广泛应用于生命科学、医学、环保等众多领域。
二、环境污染治理微生物代谢调控可以被用于环境污染治理，特别是适用于污染源与污染物之间的生物转化和降解过程。
比如，利用微生物最终产品分解能力极强的特点，可以通过调控微生物代谢途径来快速达到降解特定有机污染物的目的。
另外，还可以利用微生物对重金属和氮、磷等元素的活性吸附、转化和蓄积能力，把对环境有害的物质通过微生物进行转化和降解，从而达到净化环境的目的。
这种方法之所以有效，是因为微生物在代谢时，会吸收周围环境中的营养物质和有害物质，从而使环境得到净化。
三、食品工业微生物在食品加工和制品生产中，是一个不可或缺的角色。
除了常见的酸奶、豆腐、味精等产品，微生物在香料、色素、增酸剂、防腐剂等多种产品生产中也发挥了重要的作用。
其中，微生物代谢调控在发酵加工中尤为重要。
通过调控微生物代谢途径，可以更好地控制发酵过程中羧酸、氮源等关键物质的含量，从而提高发酵效果。
另外，微生物代谢调控还可以被用于解决某些不易用传统食品加工方法解决的问题，比如调节黏度、改善口感等。
举例说代谢调控在发酵中的重要性
举例说明代谢调控在发酵工业中的重要性农学与生物科技学院生物技术专业杨丹222010326022039 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
（一）微生物细胞的调节机制：（1）酶合成的调控1.诱导——促进酶的合成2.阻遏——抑制酶的合成（包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏）(2)酶活性的调控1.一定数量的酶通过其分子结构的改变来调节催化反应的速率。
控制机制：终产物抑制或激活；通过辅酶水平的活性调节；酶原的活化；潜在酶的活化2.细胞膜渗透性的控制:根据酶在代谢调节中作用不同分为：调节酶（变构酶、同功酶、多功能酶）、静态酶和潜在酶。
（二）代谢控制发酵的基本思想（1）切断支路代谢1.选育营养缺陷型突变株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。
最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型或苏氨酸营养缺陷型菌株达到赖氨酸的积累。
2.选育渗漏缺陷突变株：遗传性障碍不完全的缺陷型。
（注：这种突变只是其中某一种酶的活性降低，而不是完全丧失。
不能合成过量的最终产物，故不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。
）（2）解除菌体自身的反馈调节1.选育抗类似物突变株（代谢拮抗物抗性突变株）形成途径：变构酶结构基因突变；调节基因突变。
2.酶活性的利用3.营养缺陷型回复突变株的应用：调节酶的失活与否，可能直接表现为某种营养缺陷型。
3第三章微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用(精)
（2） 协同反馈抑制
指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能 抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生 物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖 氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
（3）合作反馈抑制
指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末 端产物大得多的反馈抑制作用。
2.1 无分支代谢途径的调节
无分支代谢途径的调节通常是在线形的代谢途径 中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。 例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨 酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步反应 的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
2.2 有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代 谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分 支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时 每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑 制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种：
一、酶活性的调节
酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节， 它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率， 包括酶活性的激活和抑制
酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应 可被较前面的中间产物所促进 酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代 谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反 过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应 过程减慢或停止，避免终产物的过多累积
生物发酵技术中的代谢途径调控及其优化
生物发酵技术中的代谢途径调控及其优化生物发酵技术作为一种生物转化工艺，已经广泛应用于食品、药品、化工、环保等领域。
其中，代谢途径调控是影响生物发酵效果和产物质量的重要因素之一。
本文将介绍生物发酵中的代谢途径调控及其优化。
1、代谢途径调控的概念及原理代谢途径是指细胞内一系列生化反应的相互作用，从而完成对外部物质的摄取、转化和合成等生命活动。
代谢途径调控是指通过调整代谢途径中的一些关键酶的活性，从而影响细胞对物质转化的进程。
代谢途径调控的原理可以分为以下几个方面：（1）酶活性的调控：酶活性是代谢途径中的关键环节。
通过调节酶的活性，可以影响酶催化的反应速率和转化产物的分布。
（2）信号传递系统的调控：细胞内的信号传递系统可以使细胞对环境变化做出反应，从而影响代谢途径的进程。
（3）途径之间的互相作用：代谢途径之间存在交叉反应和途径酶的共同调控，因此调节一条代谢途径会影响到其他代谢途径的进程。
2、代谢途径调控在生物发酵中的应用生物发酵技术是指通过利用微生物代谢途径转化物质，得到目标产物的一种生物技术。
代谢途径调控在生物发酵中的应用非常广泛，涉及到菌种筛选、代谢途径优化、产量提高等方面。
（1）菌种筛选在菌种筛选中，代谢途径调控可以用来改变菌株的代谢模式，从而使其适应不同的发酵条件。
例如，在生产乳酸菌中，采用代谢途径调控技术，可以使乳酸菌在不同温度和pH值下呈现出不同的代谢模式，从而选择出适应力强、产量高的菌株。
（2）代谢途径优化在发酵过程中，代谢途径调控可以用来优化代谢途径，提高产物的纯度和产量。
例如，在生产乙醇的过程中，通过控制酶的活性和底物/产物浓度比，可以实现代谢途径向乙醇生成途径的优化，从而提高乙醇的产量。
（3）产量提高代谢途径调控可以用来提高产物的产量和纯度，从而增加经济效益。
例如，在生产青霉素的过程中，通过调控青霉素的合成途径和底物浓度，可以提高青霉素的产量并降低杂质的含量。
3、代谢途径调控的优化策略为了提高代谢途径调控的效果和降低其应用成本，需要对代谢途径调控进行优化。
发酵工业中微生物代谢能力的调控与优化
发酵工业中微生物代谢能力的调控与优化发酵工业是一种利用微生物代谢能力的工业化生产方式，它已经成为现代工业中不可或缺的一部分。
微生物自然界广泛存在，而它们的生长、代谢和生产能力的特点可以被利用于发酵工业中。
微生物的代谢能力的调控与优化是发酵工业中的重要研究方向，将有助于提高发酵过程的效率和产品质量，同时也将有益于环境保护。
本文将重点讨论微生物代谢能力的调控与优化的方法和技术。
一、基因工程技术的应用基因工程技术是通过改变微生物的基因来调节其代谢能力的一种有效手段。
基因工程技术可以通过四种主要手段来进行：基因敲除、基因添加、基因替换和基因修饰。
其中基因敲除是最常见的方法，它的原理是通过DNA重组技术引入外源DNA序列，从而在微生物体内实现外源DNA的表达。
酿酒酵母的基因敲除已广泛研究，通过敲除一些关键的代谢酶基因，可以实现对酵母菌代谢途径的调控以及酵母对不同基质的利用能力的改善。
二、代谢途径的通路分析代谢途径是微生物生理代谢的整个流程，代谢酶的活性直接影响代谢途径的进行。
因此，代谢途径的通路分析对于调控微生物的代谢能力至关重要。
代谢途径的分析可以通过代谢产物的定量分析和生物信息学方法来实现。
代谢产物定量分析是一种基于生化反应原理的分析方法，通过分析产物的浓度变化来确定代谢途径的变化。
生物信息学方法则是利用计算机对微生物基因组数据进行分析，通过构建代谢途径图谱来揭示代谢途径的分子机制。
三、代谢小分子的供应代谢小分子是影响微生物代谢的关键因素之一，如营养物质、辅因子和金属离子等。
供应代谢小分子可以通过改变培养基成分、添加辅助因子和调节金属离子的浓度来实现。
对于某些微生物来说，添加适量的外源辅因子就可以大大提高产率和代谢效率。
四、发酵条件的优化发酵条件对微生物代谢能力的调控也至关重要。
温度、pH、氧气和搅拌等环境参数的调节可以影响微生物代谢通路的运转和代谢产物的积累。
例如，在发酵调控中，控制酵母菌的氧气浓度，可以有效提高酵母菌的发育速度和抗氧化水平，从而促进酒精生产的效率。
微生物的代谢调控与发酵生产
微生物发酵生产中的环境因素调控
温度
温度对微生物的生长和代谢具有重要影响，不同微生物的最适生长温度不同。通过控制温度，可 以调节微生物的生长和代谢速率。
pH
pH对微生物的生长和代谢具有关键作用，不同微生物对pH的需求不同。通过调节pH，可以优化微 生物的生长和产物合成条件。
溶氧
溶氧是影响好氧微生物生长和产物合成的关键因素。通过控制溶氧水平，可以调节微生物的呼吸 作用和代谢流分配。
产物提取与精制
将种子接入发酵罐，在适宜的温度、 pH、溶氧等条件下进行培养，使菌 株快速繁殖并生产目标产物。
微生物发酵生产中的底物与产物
底物
微生物发酵生产所需的碳源、氮源、磷 源、维生素等营养物质。不同的微生物 对底物的需求不同，选择合适的底物对 提高目标产物的产量和质量至关重要。
VS
产物
通过微生物发酵生产得到的目标产物，如 氨基酸、抗生素、酶制剂、有机酸等。这 些产物在食品、医药、化工等领域具有广 泛的应用谢
通过调控基因的表达，控制酶的合成与代谢，进而影响产物 的合成途径和速率。
1
代谢流分配
2
通过改变代谢途径中关键酶的活性，调控代谢流在不同代谢
节点上的分配，以提高目标产物的产量。
3 生长与产物的关系
研究生长与产物生成之间的相互关系，探索生长与产物合成 的协同机制，为提高产物的产量提供理论依据。
03
微生物发酵生产的过程与调 控
微生物发酵生产的基本流程
菌种筛选与改良
从自然界或已有的菌种资源中筛选具 有优良性状的菌株，通过遗传改良提 高其生产能力。
发酵培养
发酵结束后，通过离心、过滤等方法 收集菌体和发酵液，再进一步提取和 精制目标产物。
发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究
发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究发酵是利用微生物在适宜环境条件下进行代谢活动进行有目的的生产的过程。
在发酵过程中，微生物的代谢调控起着重要的作用。
代谢调控是指细胞对自身代谢的调节，通过调控代谢通路中的酶的活性、基因的表达和信号传导等方式，实现对代谢过程的精确控制。
而代谢工程研究则是利用基因工程和发酵工程的手段对代谢通路进行调控和优化，以提高发酵过程产物的产量和质量。
在发酵过程中，微生物代谢调控主要包括两个方面的调控：一是对能量代谢的调控，二是对产物代谢的调控。
对能量代谢的调控主要涉及到微生物对碳源的利用、细胞的能量生成和耗散等过程。
在发酵过程中，微生物通常利用碳源来生成能量。
碳源的选择和利用效率对微生物代谢有着重要影响。
在代谢过程中，酶的活性和表达水平的调控也是能量代谢调控的关键因素之一。
通过调控酶的活性和基因的表达水平，可以有效地控制代谢过程中的能量代谢。
对产物代谢的调控是指通过调控代谢通路中与产物生成相关的酶的活性和基因的表达水平，以实现产物代谢过程的控制。
在发酵过程中，微生物通常通过对产物代谢途径的调控来控制产物的产量和质量。
通过对酶的活性和基因的表达的调控，可以实现对产物生成途径的选择和产物的选择性积累。
代谢工程研究则是在微生物的代谢调控基础上，利用基因工程和发酵工程的手段对代谢过程进行优化和调控。
代谢工程的研究主要包括两个方面的内容：一是通过基因工程的手段对代谢通路中的酶进行调控和改造，以提高目标产物的产量和质量；二是通过发酵工程的手段对代谢过程进行优化，以改善发酵条件，提高发酵过程的稳定性和产物的积累效率。
在代谢工程研究中，常用的方法包括构建多基因操纵体系和利用高通量筛选技术。
通过构建多基因操纵体系，可以实现对代谢通路中多个酶的同时调控，从而提高产物的产量和质量。
而利用高通量筛选技术，则可以高效地筛选出具有高产量和高产物活性的菌株。
综上所述，发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究是非常重要的。
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代谢调控理论在微生物发酵中的应用
参考文献
贾红华，韦萍，何冰芳.L苯丙氨酸生产的代谢工程研究.生物加工过程.2004,2(2)：8-12
目的
使得更加理性的改造菌株成为可能，促进发酵法的广泛应用
方法
目前至少已发现 7种微生物的苯丙氨酸合成途径，且均非常相似。
由于野生菌不会直接大量产生L-苯丙氨酸，高效的L-苯丙氨酸生产菌株多采用诱变和基因工程手段相结合来改变野生菌的芳香族氨基酸生物合成的相关代谢流量而获得。
研究人员对L-苯丙氨酸生物合成途径中相关基因及其酶进行调控，并对中央代谢途径进行一定的改造，在芳香族氨基酸生物合成支路中也进行特定的修饰。
相关基因及其酶进行调控
PEP和E4P合成DAHP的反应由3个DAHP合成酶同工酶所催化。
分别受L-色氨酸(由aroH表达)、L-苯丙氨酸(由aroG表达)和L-酪氨酸(由aroF)反馈抑制。
作为关键反应之一的分支酸转化为预苯酸的反应依赖于两个不同的分支酸变位酶(分别由phoA，tyrA表达)，并分别受L-苯丙氨酸和L-酪氨酸反馈抑制。
而莽草酸脱氢酶则受其产物莽草酸抑制。
中央代谢途径改造
中央代谢途径是控制中间产物的代谢流量、产物的形成速率及产率的关键步骤。
为高效生产目的产品，必须对中央代谢途径的相关步骤进行调节控制。
芳香族氨基酸生物合成途径的共同前体PEP和E4P均来自中央代谢途径(如图2所示)。
糖酵解途径会产生PEP，而E4P则由磷酸戊糖途径供应。
通过对E.coli 的中央代谢途径的计量分析显示，当该菌生长在以葡萄糖作为唯一碳源的限制性培养基上时，大约有30%的G6P会进入磷酸戊糖途径，但仅有3%的PEP用于芳香族氨基酸的生物合成。
研究表明：仅有当量PEP供应时，L-苯丙氨酸的理论产率为30%，当PEP 的供应量加倍时，其理论产率将增加到56%。
为改善芳香族氨基酸的生产，研究人员采用分子生物学手段对该两个生物合成途径进行基因构建及改造，且取得了满意的成绩。
图1 L-苯丙氨酸的生物合成途径及其相关调控
在E.coli中，L-苯丙氨酸的一般生物合成途径如图1所示：由4-磷酸赤藓糖(E4P)和磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)缩合形成2-酮-3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸(DAHP)开始，并把这七碳中间代谢物转化为莽草酸(SHIK)，然后再转化为分支酸(CHA)，由分支酸合成苯丙酮酸(PPY)，最后苯丙酮酸经转氨作用生成L-苯丙氨酸。
图2 E.coli的中央代谢系统
中央代谢途径是控制中间产物的代谢流量、产物的形成速率及产率的关键步骤。
为高效生产目的产品，必须对中央代谢途径的相关步骤进行调节控制。
结果分析
增加PEP的供应量
PEP是涉及几个代谢过程的关键中间体。
通过构建一PEP羧化酶阴性E.coli 突变株，切断PEP到草酰乙酸的代谢通路，使L-苯丙氨酸的产量提高6倍。
如果还同时高水平表达PEP合成酶还可增加芳香族氨基酸合成途径中的碳流量，提高PEP的供应量，从而超量产生DAHP，增加L-苯丙氨酸及其他多种L-型氨基酸的产量。
增加E4P的供应量
转酮醇酶和转醛醇酶是磷酸戊糖途径非氧化阶段的两个关键酶。
E4P是由磷酸戊糖之间经转酮醇酶和转醛醇酶催化基团转移产生。
超量表达转酮醇酶基因(tktA)，可明显提高E.coli中的转酮醇酶活性和E4P的供应量，同时增加DAHP
的产量。
通过大量产生一抗反馈抑制DAHP合成酶和转酮醇酶导致进入芳香族氨基酸生物合成途径的碳流量增加了两倍。
采取扩增E.coli中aroG和tktA基因，并使两个丙酮酸激酶同工酶失活，可明显增加DAHP的产量。
如果同时表达tktA 和aroF基因，则会使E.coli的DAHP的分泌量增加40倍。
结论
在L-苯丙氨酸的发酵生产中，对其错综复杂的代谢途径的调控已经取得了很大的成就。
随着。
随着MS和NMS等分析手段与同位素示踪技术的高度发展与相互结合，将为解明细胞中的代谢网络和调控机制提供强有力的技术支持。
随着大量微生物的基因组全序列的逐渐被测定出来，很多微生物代谢网络的特性和功能，尤其是调控机理的逐步解析，在今后的研究中很有希望在更大的程度上应用代谢工程的成果，例如：将两种代谢途径进行协同调控，该手段将开辟更低成本的L-苯丙氨酸以及其他芳香族氨基酸的大规模生产新的路线。