第九章氨基酸的代谢控制与发酵

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代谢控制发酵

第一章绪论1、代谢控制发酵：就是利用遗传学的方法或其他生物化学方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累的发酵。

P22、代谢控制发酵的关键：取决于微生物代谢控制机制是否能够被解除，能否打破微生物正常的代谢调节，人为地控制微生物的代谢。

P23、代谢工程的具体思路：P31、改变代谢流：（1）、加速速度限制反应；（2）、改变分支代谢途径的流向；（3）、构建代谢旁路；（4）、改变能量代谢途径。

2、扩展代谢途径和构建新的代谢途径：（1）、引入外源基因，延伸代谢途径；（2）、利用新的底物，构建新的生物合成途径。

第二章代谢控制发酵的基本思想1、微生物细胞的调节机制：P7-9（1）、通过控制基因的酶生物合成的控制机制：①诱导——促进酶的合成；②阻遏——抑制酶的合成，包括：1）终产物阻遏，2）分解代谢物阻遏。

（2）、酶活性的控制机制：①终产物抑制或激活，②通过辅酶水平的活性调节，③酶原的活化，④潜在酶的活化。

（3）、通过细胞渗透性的控制：（根据酶在代谢调节中作用不同分类）①调节酶：变构酶、同功酶、多功能酶。

②静态酶③潜在酶2、脱敏作用：变构酶经特定处理后，不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性。

注：处理方法：①使变构酶解聚，②基因突变。

P153、反馈抑制的调节类型可以分为以下几种：P18-21 图略（1）、单功能途径中酶活性的调节类型：①前体激活，②补偿性激活。

（2）、多功能途径中酶活性的调节类型：①协作反馈抑制或称多价反馈抑制，②合作反馈抑制，③积累反馈抑制，④顺序反馈抑制，⑤假反馈抑制：指结构类似物的反馈抑制，⑥同功酶4、分解代谢物阻遏：当细胞具有一优先利用的底物（通常是，但并不总是葡萄糖）时，很多其他分解反应途径受到阻遏。

P27 (注：根据葡萄糖效应理解)5、突破微生物的自我调节控制机制，使代谢产物大量积累的有效措施：P31 （1）、应用营养缺陷型菌株。

氨基酸在发酵中的作用

氨基酸在发酵中的作用一、引言发酵是一种利用微生物代谢产物进行生物转化的过程，广泛应用于食品工业、饲料工业和生物制药等领域。

而氨基酸作为生物体内重要的有机物，也在发酵过程中发挥着重要的作用。

本文将从氨基酸在发酵中的作用机制、应用及前景等方面进行探讨。

二、氨基酸在发酵中的作用机制1.提供碳源和能源：氨基酸是微生物合成蛋白质的基本单元，可以被微生物利用作为碳源和能源。

在发酵过程中，微生物通过代谢氨基酸产生能量，并将其转化为所需的代谢产物。

2.调节酶活性：氨基酸可以作为酶的辅因子，调节酶的活性。

在发酵过程中，一些关键酶的活性会受到氨基酸的调节，从而影响代谢途径的进行。

3.调节细胞内pH值：氨基酸在细胞内可离子化，释放出氢离子或吸收氢离子，从而调节细胞内的pH值。

适宜的pH值对微生物的生长和代谢具有重要的影响，氨基酸可以在发酵过程中维持适宜的pH值，提高发酵效率。

4.提供氮源：氨基酸中的氨基团含有丰富的氮元素，可以作为微生物合成蛋白质和其他氮化合物的氮源。

发酵过程中，微生物利用氨基酸中的氨基团合成所需的氮化合物，促进代谢产物的合成。

三、氨基酸在发酵中的应用1.食品工业：氨基酸可以作为发酵食品中的营养添加剂，提供微生物生长所需的营养物质，促进发酵过程。

例如，在酱油、酱料和味精等食品的发酵中，氨基酸作为调味品添加剂，不仅能够提高食品的口感和风味，还能够增强食品的营养价值。

2.饲料工业：氨基酸作为饲料添加剂，可以提高动物的生长性能和免疫力。

在畜禽饲料中添加适量的氨基酸，有助于提高饲料的利用率，降低环境污染，达到绿色养殖的目的。

3.生物制药：氨基酸在生物制药中的应用十分广泛。

一方面，氨基酸可以作为生物药物的原料，通过发酵合成所需的蛋白质药物；另一方面，氨基酸也可以作为生物药物的稳定剂，保护药物的活性和稳定性，提高药物的疗效。

四、氨基酸在发酵中的前景随着生物技术的不断发展，发酵工艺在各个领域中的应用越来越广泛。

而氨基酸作为重要的发酵辅助剂，其应用前景也日益广阔。

发酵过程控制

3搅拌热：液体之间液体和设备之间的摩擦
（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发到发酵罐的液面;由排气管带走的热量
（5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。
2 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时;α可忽略，微生物处于生长状态 μ α皆与T有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
3 参数检测
❖ 参数检测方法细胞浓度的测量
化学法：如DNA RNA分析等物理法：如重量分析、分光光度分析、
浊度分析等
➢ 新技术：以电容法为测量原理的在线活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
二代谢调控在发酵过程控制中的应用 1 初级代谢物的生产调节
初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些终点产物的生物合成途径中的中间体
3 参数检测
参数的测量形式 ➢ 离线测量：基质糖脂类、无机盐等、前体和代谢产物
（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等） ➢ 在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、
搅拌转速等优点：及时、省力;可从繁琐操作中解脱出来，便于
计算机控制困难：传感器要求较高。
3 参数检测
❖ 对传感器的要求能经受高压蒸汽灭菌；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；最好能在过程中随时校正;灵敏度好；探头材料不易老化，使用寿命长；安装使用和维修方便；解决探头敏感部位被物料反应液粘住堵塞
2发酵过程中pH的变化规律
生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势
生产阶段：pH趋于稳定;维持在最适于产物合成的范围
自溶阶段：pH又上升或下降
发酵液pH的改变对发酵的影响 1会导致微生物细胞原生质体膜的电荷改变;

氨基酸在发酵中的作用(一)

氨基酸在发酵中的作用(一)氨基酸在发酵中的作用导语氨基酸在发酵过程中扮演着重要的角色。

本文将从以下几个方面介绍氨基酸在发酵中的作用。

1. 提供营养物质•氨基酸是构成细胞和蛋白质的基本组成部分，可以为发酵微生物提供必需的营养物质。

•发酵过程中，微生物会利用氨基酸构建细胞壁、合成酶和代谢产物等，从而促进发酵反应的进行。

2. 调节发酵反应•氨基酸在发酵过程中起到调节pH值和维持稳定温度的作用。

•氨基酸可以通过与酸碱物质反应，调节发酵液的酸碱度，提供适宜的环境条件。

•同时，某些氨基酸具有缓冲作用，能够稳定发酵液的温度，保证反应的均衡进行。

3. 促进物质转化•氨基酸对发酵微生物代谢途径中的多种物质转化具有促进作用。

•例如，氨基酸可以被分解为胺和酸，进而与其他物质反应，产生独特的香味、色泽和口感等特征。

4. 提高产量和质量•适量添加氨基酸可以提高发酵反应的产量和质量。

•氨基酸作为微生物的重要营养源，可以增加微生物的生长速度和代谢活性，从而提高产酸、产酶等发酵反应的效率。

5. 其他应用领域•氨基酸在发酵工业以外的领域也有广泛应用。

•在食品工业中，氨基酸可以增强食品的营养价值和口感。

•在药物生产中，氨基酸可以作为药物结构的组成部分，影响药物的活性和稳定性。

结语氨基酸在发酵过程中具有多重作用，既能为微生物提供营养物质，又能调节环境条件和促进物质转化。

在发酵工业和其他应用领域中，氨基酸的重要性不可忽视。

通过进一步的研究和应用，我们可以更好地利用氨基酸的功能，推动发酵工艺和产品的改进和创新。

6. 氨基酸的优化利用•随着科学技术的进步，氨基酸的优化利用在发酵工业中变得越来越重要。

•通过研究氨基酸的结构、功能和作用机制，可以精确地设计和调控发酵过程中的氨基酸供应和代谢途径。

•这样的优化利用可以提高发酵反应的产量、速度和效率，从而实现发酵工艺的可持续发展。

7. 氨基酸的未来发展•氨基酸作为一类重要的生物活性分子，在未来的发展中将发挥更多的潜力。

微生物在食品中的氨基酸代谢和转化

微生物在食品中的氨基酸代谢和转化食品是人们日常生活中不可或缺的一部分，而食品中的氨基酸是构成蛋白质的重要组成成分。

微生物作为一类重要的生物体，在食品中扮演着至关重要的角色。

它们不仅参与氨基酸的代谢过程，还能对氨基酸进行各种转化。

本文将探讨微生物在食品中的氨基酸代谢和转化的重要性及其影响。

一、微生物氨基酸代谢的重要性氨基酸是构成蛋白质的基本单元，对于人体维持正常的生理功能起着关键作用。

在食品加工和发酵过程中，微生物参与到氨基酸的代谢过程中，对食品质量和口感产生重要影响。

1.1 氨基酸降解某些微生物可以通过分解食品中的氨基酸来释放出能量，并将其转化为其他有用的化合物。

例如，乳酸菌能够降解鱼类和畜禽肉中的氨基酸，产生具有芳香味的化合物，提升食品的风味品质。

1.2 氨基酸合成除了降解氨基酸外，某些微生物还能够通过合成氨基酸来改善食品质量。

比如，发酵过程中的酵母菌可以合成出一种名为谷氨酸的氨基酸，它可以增加食品的鲜味和香气。

二、微生物氨基酸转化的影响微生物在食品中的氨基酸代谢和转化过程中，会对食品的品质和营养价值产生一定的影响。

2.1 食品质量微生物的代谢和转化能力可以影响食品的风味、香气和口感。

例如，酵母在发酵面包的过程中会将氨基酸转化为含有丰富香气的芳香化合物，使面包具有特殊的风味和香味。

2.2 营养价值微生物通过代谢和转化过程可以改变食品中氨基酸的含量和组成，从而影响其营养价值。

某些微生物可以合成出人体必需的氨基酸，增加食品的营养价值。

三、应用前景和挑战微生物在食品中的氨基酸代谢和转化具有广阔的应用前景，但也存在一些挑战。

3.1 应用前景微生物在发酵食品、调味品、汤汁等制品中的氨基酸代谢和转化，可以提高食品的营养价值和风味口感，满足人们对高品质食品的需求。

3.2 挑战微生物在食品中的氨基酸代谢和转化存在一定的挑战。

首先是微生物的选择和培养，需要选择适合特定食品加工的微生物品种，并进行合适的培养条件控制。

代谢控制发酵

《代谢控制发酵》复习题1．名词解释代谢控制发酵：所谓代谢控制发酵就是利用遗传学的方法或其他生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核苷酸的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累发酵。

关键酶：参与代谢调节的酶的总称。

作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。

变构酶：有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶。

诱导酶：诱导酶是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。

调节子：就是指接受同一调节基因所发出信号的许多操纵子。

温度敏感突变株：通过诱变可以得到在低温下生长，而在高温下却不能生长繁殖的突变株。

碳分解代谢物阻遏：可被迅速利用的碳源抑制作用于含碳底物的酶的合成，就称为碳分解代谢阻遏。

氮分解代谢物阻遏：可被迅速利用的氮源抑制作用于含氮底物的酶的合成，就称为氮分解代谢阻遏。

营养缺陷型突变菌株：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，必须在培养基中外源补加该营养物质才能生长的突变菌株。

渗漏突变株：由于遗传性障碍的不完全缺陷，使它的某一种酶的活性下降而不是完全丧失。

因此，渗漏突变菌株能少量的合成某一种代谢最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长。

代谢互锁：从生物合成途径来看，似乎是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较高浓度下才发生，而受这种抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。

平衡合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远远大于b 酶，结果优先合成E。

E过量后就会抑制a酶，使代谢转向合成G。

G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E，如此循环。

（P45图）优先合成：底物A经分支合成途径生成两种终产物E和G，由于a酶的活性远远大于b酶的活性，结果优先合成E。

E合成达到一定浓度时，就会抑制a酶，使代谢转向合成G。

G合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用。

氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略

氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略
徐庆阳
中国氨基酸技术服务中心
目录
• • • • • Chapter1 Chapter2 Chapter3 Chapter4 Chapter5 代谢机制理论基础 L-谷氨酸 L-亮氨酸 L-缬氨酸 L-异亮氨酸
Chapter1 代谢机制理论基础
氨基酸发酵机制
• 在一般情况下，微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产物，严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后，微生物细胞立即停止该物质的合成，一直到所供应的养料消耗到很低浓度，微生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。微生物细胞中这种调节控制作用主要靠两个因素，即参与调节的有关酶的活性和酶量
积累反馈抑制（Cumulative feedback inhibition）
• 在积累反馈抑制中，每一个最终产物只单独地、部分地抑制共同步骤的第一个酶，并且各最终产物的抑制作用互不影响。所以几个最终产物同时存在时，它们的抑制作用是积累的
顺序反馈抑制(Sequential feedback inhibition)
• 参与氨基酸生物合成的关键酶主要有12种：①磷酸果糖激酶；②柠檬酸合成酶；③N-乙酰谷氨酸激酶；④鸟氨酸转氨基甲酰酶；⑤天冬氨酸激酶；⑥高丝氨酸脱氢酶；⑦苏氨酸脱水酶；⑧α-乙酰乳酸合成酶；⑨DAHP（2-酮-3-脱氧 -D-阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸）合成酶；⑩分支酸变位酶； 11预苯酸脱水酶；12预苯酸脱氢酶。
入谷氨酸生成期，为了大量生成、积累谷氨酸，最好没有异柠檬酸裂解酶催化反应，封闭乙醛酸循环
谷氨酸生物合成的调节机制
• 优先合成与反馈调节
• 糖代谢的调节
• 氮代谢的调节

氨基酸发酵工艺学

氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学是研究氨基酸生产过程中的发酵过程和工艺参数的科学。

氨基酸是生命体中重要的有机物质，广泛应用于医药、化工、食品等领域。

通过发酵工艺学的研究，可以优化氨基酸的生产工艺，提高产量和质量，降低生产成本。

氨基酸发酵工艺学主要包括微生物的选育与改良、发酵介质的配方和优化、发酵条件的控制等环节。

首先，通过选择适合生产目标氨基酸的微生物种类进行培养，并通过基因改造等手段提高其产酸能力和抗生素产量。

其次，合理配方发酵介质，提供微生物生长和代谢所需的营养物质，如碳源、氮源、无机盐等，并优化营养物质浓度和比例，以提高产酸效率。

同时，还需要注意控制介质的pH值、温度和氧气供应等因素，以最大程度地促进微生物生长和酸产量。

此外，还需要加入抗泡剂、抗生素等辅助物质，防止发酵过程中的杂菌污染。

在发酵过程中，通过监测微生物生长曲线、消耗和产酸速率等指标来了解反应的进程和微生物代谢状态。

根据这些数据，可以调整前述的工艺参数，如发酵温度、密度、通气量、搅拌速度等，以提高产酸效率和酸产量。

在工艺的最后阶段，通过优化酸的提取、纯化和结晶工艺，以获得高纯度的氨基酸产品。

随着生物技术的发展，氨基酸发酵工艺学还涉及到基因工程、酶工程等新技术的应用。

通过选择、改造和优化微生物的代谢途径和酶系统，可以进一步提高氨基酸的产酸效率和产量，同时降低废水和废料的排放。

总之，氨基酸发酵工艺学是一门综合知识学科，涉及到微生物学、生化学、工程学等多个领域的知识。

通过深入研究和应用，可以不断改进氨基酸生产工艺，满足市场需求，推动氨基酸产业的发展。

氨基酸发酵工艺学是一门涉及微生物学、生化学、生物工程学等多学科的综合学科，旨在通过研究发酵过程和优化工艺参数，提高氨基酸的产量和质量，降低生产成本，促进氨基酸产业的发展。

在氨基酸发酵工艺学中，微生物的选育与改良是一个重要的环节。

微生物是氨基酸发酵的生产工具，不同的微生物对于氨基酸的产量和产物特性有着不同的影响。

氨基酸代谢与应用

2.脱羧基作用(Decarboxylation) 2.脱羧基作用(Decarboxylation) 脱羧基作用
• (1)直接脱羧 (1)直接脱羧 • (2)羟化脱羧 (2)羟化脱羧
3.氨基酸分解产物的代谢 3.氨基酸分解产物的代谢
氨基酸分解产物：酮酸、氨基酸分解产物：NH3、α-酮酸、 CO2 胺(RCH2NH2)
反馈抑制
天冬氨酸激酶（）： ② 天冬氨酸激酶（AK）：受Lys和Thr的协同反和的协同反
馈抑制
二氢吡啶二羧酸合成酶（）： ③ 二氢吡啶二羧酸合成酶（PS）：受Leu的代的代
谢互锁
赖氨酸高产菌育种思路：赖氨酸高产菌育种思路：
PEP
PC
PEP PC Asp AK ASA PS HD Hom Thr TD Ile Lys高产菌高产菌
采用微生物法生产氨基酸现状：采用微生物法生产氨基酸现状：
① 野生型细菌生产：Glu，Ala ② 突变株生产：Lys，Thr，Val，Arg，Trp， Phe，Tyr，His ③ 添加前体：Thr，Ile，Trp ④ 酶法：Asp，Ala，Cys 应用基因工程、蛋白质工程和代谢工程， ⑤ 应用基因工程、蛋白质工程和代谢工程，或者它们相结合的方法育成的菌株生产：或者它们相结合的方法育成的菌株生产：羟脯氨酸
协同反馈抑制
天冬氨酸半醛
Hom-
丧失高丝氨酸脱氢酶
50g/L
高丝氨酸蛋氨酸异亮氨酸
二氨基庚二酸
（DAP））
苏氨酸
赖氨酸
2. 解除反馈调节
• 葡萄糖到赖氨酸的途径中有个关键酶葡萄糖到赖氨酸的途径中有3个关键酶个关键酶： ① 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PC）：受ASP 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（）：

氨基酸发酵机制

三、鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵机制
详见书《发酵工程原理与技术》147页以及148页。
四、天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径
1、苏氨酸发酵机制 2、赖氨酸的发酵机制
赖氨酸生产菌的育种途径菌等）出发菌株的选择 — 代谢调节比较简单的细菌（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌等） 1）、优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育如果降低高丝氨酸脱氢酶活性，则优先合成赖氨酸。 2）、切断支路代谢：营养缺陷型的选育 3）、抗结构类似物突变株（代谢调节突变株） 4）、解除代谢互锁在乳糖发酵短杆菌中，赖氨酸的生物合成与亮氨酸之间存在代谢互锁，赖氨酸生物合成分支的第一个酶（DDP合成酶）受亮氨酸的阻遏。 5).增加前体物的合成和阻塞副产物的生成关键酶：天冬氨酸激酶
Hale Waihona Puke 3、蛋氨酸发酵机制 4、异亮氨酸发酵机制 5、缬氨酸发酵机制
1）切断支路代谢，选育异亮氨酸、亮氨酸、生物素缺陷型突变株。 2)解除异亮氨酸、缬氨酸合成酶系的反馈阻遏。 3）解除缬氨酸对α -乙酰乳酸合成酶的反馈抑制。
The end,thank you!
4、降低反馈作用物的浓
谷氨酸
N-乙酰谷氨酸
N-乙酰-Y-谷氨酰磷酸
鸟氨酸反馈抑制
瓜氨酸
精氨酸谷氨酸棒杆菌缺乏将鸟氨酸转化为瓜氨酸的酶，消除反馈抑制，可用于生产鸟氨酸。
5、消除终产物的反馈抑制与阻遏作用消除终产物的反馈抑制与阻遏作用，是通过使用抗氨基酸结构类似物突变出的方法来进行的。许多氨基酸发酵采用这种方法，并得到较好的结果。天冬氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酰磷酸天冬氨酸半缩醛协同反馈抑制高丝氨酸苏氨酸赖氨酸
氨基酸发酵机制
组员：潘艳萍张友琴喻莹徐煜马玉芳李成芳谢蓓安

代谢控制发酵

第一章：微生物代谢小结：1、能量代谢是生物新陈代谢的核心2、化能异养微生物的生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，依据受体的不同将生物氧化分为三种：呼吸、无氧呼吸和发酵3、化能自养微生物利用无机氧化获得ATP，产能少，生长得率极低4、字样微生物通过光和磷酸化获得ATP，包括循环光合酸化、分循环光和磷酸化和紫膜光合磷酸化三种5、微生物具有固氮作用复习题：1、名词解释：生物氧化：在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子﹐通过一系列酶促反应与氧化合成水﹐并释放能量的过程。

有氧呼吸：微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，在经电子传递系统传给外源电子受体，以分子氧作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程无氧呼吸：微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，在经电子传递系统传给外源电子受体，以氧化型化合物作为最终电子受体，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。

电子传递链（呼吸链）：多种递电子体或递氢体按次序排列的连接情况。

生物氧化过程中各物质氧化脱下的氢，大多由辅酶接受，这些还原性辅酶的氢在线粒体内膜上经一系列递电子体(或递氢体)形成的连锁链，逐步传送到氧分子而生成水。

此种连锁过程与细胞内呼吸过程密切相关。

植物的叶绿体中则存在光合电子传递链以传递电子，完成光合作用中水分解出氧，形成NADPH的过程。

光和磷酸化（循环/非循环）：一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。

生物固氮：生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。

自生/共生/联合固氮菌：自生固氮菌：独立进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸；固氮效率较低。

第9章氨基酸发酵

第9章氨基酸发酵
化妆品生产中，胱氨酸用于护发素，丝氨酸用于面霜中；谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸与脂肪酸形成的表面活性剂，具有清洗、抗菌等功能，用于护肤品、洗发剂中。在农业中，苯丙氨酸和丙氨酸可用于治疗苹果疮痂病；甘氨酸可制成除草剂。赖氨酸、蛋氨酸添加在饲料中，能加速家畜、家禽的生长，改善肉的质量。
第9章氨基酸发酵谷氨来自酸制味
精
的
工
艺
流
第9章氨基酸发酵
（2）味精生产工艺控制：
①中和：将谷氨酸加水溶解，用碳酸钠或氢氧化钠中和。应使谷氨酸一钠(单钠盐)生成量最大，中和时，应先加谷氨酸后加碱，开启搅拌，温度控制在65℃左右(低于70℃)，中和液浓度 21°Bé~24°Bé，pH 5.6~6.8，控制pH不超过7，否则形成二钠盐。
第9章氨基酸发酵
（3）赖氨酸的精制粗品50℃搅拌溶于去离子水，活性炭60℃ 保温脱色1h，趁热过滤，滤液冷却后5℃结晶2天。滤取结晶真空干燥或热风干燥，即得赖氨酸盐酸盐成品。
第9章氨基酸发酵
9.3 其他氨基酸的发酵生产
1．苏氨酸发酵用于饲料工业、保健食品和医药工业。目前年产量约5万吨。主要生产企业为日本味之素公司、德国德固赛公司、美同ADM公司、日本协和发酵工业公司等。它们的产量占全球份额的90％左右。其中，日本味之素公司占据全球市场60％以上的份额。制备方法有化学合成法、发酵法和蛋白质水解三种方法，其中以发酵法最为先进。由微生物发酵生成的苏氨酸都是L-苏氨酸。
第9章氨基酸发酵
②培养基中苏氨酸、蛋氨酸的控制：赖氨酸生产菌都是高丝氨酸缺陷型，苏氨酸和蛋氨酸是赖氨酸生产菌的生长因子，在发酵过程中，如果培养基中两者含量丰富，就会只长菌，而不产或少产赖氨酸，所以在发酵时，将苏氨酸和蛋氨酸控制在亚适量，以提高赖氨酸产量。

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。

氨基酸的代谢与控制2课件

过在培养基中限量补加亮氨酸以解除其对DDP合成酶的阻遏。如以抗AEC为出发菌株育得抗AEC兼Leu－菌株，其产量由18g/L提高至41g/L.
② 选育抗亮氨酸结构类似物突变株，从遗传上解除Leu对DDP合成酶的阻遏。如由乳糖发
酵短杆菌的抗AEC+Ala－菌株诱变得到抗AEC+Ala－+抗 2-噻唑丙氨酸突变株，产量由70g/L提至110g/L。其他可选育巯基亮氨酸抗性，亮氨酸氧肟酸盐抗性等菌株
如：谷氨酸棒杆菌的抗天冬氨酸氧肟酸盐突变株Lys 产量33g/L,亲本为25g/L。
31
③ 选育适宜的CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株
草酰乙酸是赖氨酸合成的前体物，其生成可由 TCA循环和磷酸烯醇式丙酮酸或丙酮酸经CO2固定反应生成。草酰乙酸的合成方式不同，赖氨酸对糖的收率有很大差异。
Lys
乳糖发酵短杆菌中赖氨酸及其前体物生物合成的调节 18
PEP羧化酶脱敏与激活的措施
① 选育Ala-或丙氨酸的温度敏感突变株： Ala-切断
ASP到Ala的代谢途径；阻断Pyr到Ala的反应，增加PEP的量，有利于Lys的生产
② 选育天冬氨酸氧肟酸盐抗性突变株，解除ASP对 PC的抑制
③ 选育氟丙酮酸敏感突变株：氟丙酮酸抑制丙酮酸脱
在赖氨酸发酵育种上，选育营养缺陷型或渗漏突变株，即切断或减弱合成蛋氨酸和苏氨酸的分支途径，可达到积累赖氨酸的目的。
9
谷氨酸棒杆菌高丝氨酸缺陷型的赖氨酸发酵
葡萄糖
天冬氨酸
协同反馈抑制
天冬氨酰磷酸
黄色短杆菌Thr一或Met一 34g/L
天冬氨酸半醛
Hom-
高丝氨酸
丧失高丝氨 50g/L 酸脱氢酶

氨基酸发酵工艺

2、糖化：蒸汽加热、加压糖化25min。 3、中和：冷却至80℃，烧碱中和至pH 4.0-5.0（避免
产生焦糖又保证过滤，中和为沉淀胶体）。
4、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为 0.6-0.8％，在70℃及酸性条件下搅拌后过滤。
4 谷氨酸生产工艺
淀粉的酶法糖化工艺
以大米或碎米为原料时采用大米浸泡磨浆，再调成15˚Bx，pH 6.0，加细菌α-淀粉酶在85 ℃下液化30 min，加糖化酶60 ℃糖化24 h，过滤后可供配制培养基。
磷酸：缬氨酸
谷氨酸
（高浓度磷酸盐）
生物素：乳酸或琥珀酸谷氨酸
（过量）
（限量）
2 氨基酸发酵的代谢控制
控制细胞渗透性
代谢产物的细胞透性是氨基酸发酵的重要因素，只有使细胞内的氨基酸渗透到细胞外，才能大量积累氨基酸。
（1）生物素、油酸和表面活性剂，引起细胞膜的脂肪酸成分的改变。
（2）青霉素：抑制细胞壁的合成，由于细胞内外的渗透压差使谷氨酸泄漏出来。
CO2 CO2
CO2
NADPH NADP+
GLDH
以HMP为主，HMP 约占90%
氨的导入方式： α-酮戊二酸还原氨基化→谷氨酸由天冬氨酸或丙酮酸通过氨基转移将氨基转给α-酮戊二酸谷氨酸合成酶途径
GLDH：谷氨酸脱氢酶
葡萄糖Βιβλιοθήκη 磷酸烯醇丙酮酸 ①丙酮酸草酰乙酸 ②
乙酰CoA
天冬氨酸
柠檬酸
α-酮戊二酸 ③ 谷氨酸
4 谷氨酸生产工艺
谷氨酸发酵
1、适应期：尿素分解出氨使pH上升。糖不利用。2-4h。措施：接种量和发酵条件控制使该期缩短。
2、对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速下降；溶氧急剧下降后维持在一定水平；菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形；不产酸； 12h。措施：采取流加尿素办法及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH在7.5-8.0；维持温度30- 32℃

第九章天冬氨酸族氨基酸发酵

谷氨酸
N-乙酰谷氨酸合成酶
N-乙酰谷氨酸 N-乙酰谷氨酸磷酸
N-乙酰谷氨酸和N-乙酰鸟氨酸乙酰基转移酶
N-乙酰鸟氨酸半醛共轭反应催化
N-乙酰鸟氨酸
N-乙酰鸟氨酸酶
鸟氨酸瓜氨酸精氨酸琥珀酸精氨酸
精氨酸发酵
精氨酸是该代谢途径的最终产物，且合成途径没有分支代谢。
不能采用阻断代谢流、选育缺陷型的方法来选育生产菌。
改善膜的通透性增加前体物质的合成切断支路，增加前体物质。 1）选育丙氨酸缺陷型 2）选育抗天冬氨酸结构类似物 3）选育合适的co2固定和TCA循环比
选育温度敏感型突变株选育脲酶回复突变株利用基因工程技术构建工程菌。
第五节苏氨酸发酵苏氨酸高产菌具备的生化特征 1）二氧化碳固定反应强 2）天冬氨酸合成能力强 3）天冬氨酸激酶活性强 4）高丝氨酸脱氢酶活力强 5）二氢二吡啶二羧酸合成酶活力弱或丧失 6）琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶活力弱或丧失
色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶吲哚+DL-丝氨酸 L-色氨酸+水
色氨酸酶吲哚+丙酮酸+氨 L-色氨酸+水
色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶吲哚+L-丝氨酸 L-色氨酸+水
三种水解酶 IMH L-色氨酸+氨+水
2.微生物转化法 3.直接发酵法 4.其他方法二、L-色氨酸育种策略 1.切断支路代谢 2.解除自身反馈抑制 3.增加前提物质的合成 4.切断进一步代谢 5.其他方法
7）谷氨酸脱氢酶活力弱 8）苏氨酸脱氨酶活力弱或丧失
切断支路天冬氨酸二氢吡啶-2，6-二羧酸赖氨酸天冬氨酸半醛高丝氨酸苏氨酸 Ο-琥珀酰-高丝氨酸强化代谢
蛋氨酸

发酵制品学代谢调控发酵机制培训课件

有过量的NH4+ 存在，-酮戊二酸经氧化还原共轭氨基化反应而生成谷氨酸却不形成蛋白质，从而分泌泄漏于菌体外；
同时，谷氨酸生产菌应不利用体外的谷氨酸，使谷氨酸成为最
终产物。
发酵制品学代谢调控发酵机制
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从前图还可以看出：生产菌株还应该具有生物素合成缺陷、油酸合成
缺陷和甘油合成缺陷等特点。
发酵制品学代谢调控发酵机制
发酵制品学代谢调控发酵机制
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2. 谷氨酸代谢调节机制
①谷氨酸脱氢酶 ②-酮戊二酸脱氢酶 ③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 ④柠檬酸合成酶
NH4+
在黄色短杆菌中谷氨酸、天冬氨酸生物合成的调节机制
发酵制品学代谢调控发酵机制
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▪ 在微生物的代谢中，Glu比Asp优先合成；合成过量时则抑制谷氨酸脱氢酶，使代谢转向合成Asp； Asp过量时反馈抑制PEP羧化酶的活力，停止合成草酰乙酸。
发酵制品学代谢调控发酵机制
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在黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌等微生物中，AK是单一的，并且受Lys 和 Thr的协同反馈抑制，反馈调节易于解除，使育种简单化，所以常常被用作氨基酸发酵育种的出发菌株。
黄色短杆菌的AK受Lys和Thr协同反馈情况
发酵制品学代谢调控发酵机制
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▪ 乳糖发酵短杆菌中赖氨酸及其前体物生物合成的代谢调节
▪ NH4+的导入不仅仅证明Glu是氮素同化发酵，它还会抑制 Glu生成的逆反应，因此当NH4+存在时，葡萄糖的消耗速度很快， Glu的生成很高；但是当生物素充足时，NH4+几乎不影响糖代谢。
发酵制品学代谢调控发酵机制
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• Glu生产菌大多是生物素缺陷型，发酵时控制生物素亚适量，使细胞变形拉长，改变了细胞膜的通透性引起代谢失调使Glu得以积累。

氨基酸工业代谢控制发酵

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）
乙醛酸循环(glyoxylate cycle)
丙酮酸羧化支路（CO2固定反应）等
谷氨酸生物合成的理想途径
由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径：A？B？
谷氨酸发酵的代谢途径

生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰 CoA，另一部分经CO2固定反应生成草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固定反应的酶有丙酮酸羧化酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。

控制生物素添加量使菌种生产Glu
高浓度bio增强羧化酶活性，促进羧化反应利于Glu合成。低浓度bio降低裂解酶活性，使菌体生长后关闭乙醛酸循环，使底物流向Glu合成，低浓度bio使膜磷脂合成缺陷，增加膜通透性，利于 Glu胞外分泌，解除反馈调节，利于Glu合成并大量积累。
添加亚适量，5-10μg/L 培养基，生产Glu
氨基酸工业代谢控制发酵
课程教学的基本要求

了解氨基酸发酵行业发展现状与中国氨基酸行业存在问题，氨基酸发酵行业发展方向

掌握谷氨酸的生物合成途径和谷氨酸发酵调节机制，掌握谷氨酸细胞膜渗透性的控制方法
了解谷氨酸生产菌的主要特征以及谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化，掌握谷氨酸发酵的代谢控制育种策略
氨基酸中有8种氨基酸人体本身不能合成，只能从食
物的蛋白质中摄取，称为必需氨基酸，它们是L-赖氨酸、L-色氨酸、L-苏氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L异亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-蛋氨酸。
还有两种半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。
氨基酸的生产方法

抽提法（水解蛋白质）化学合成法生物法（包括直接发酵法和酶转化）

氨基酸的代谢控制与发酵

生物素参与糖代谢作用：增加糖代谢的速度(对TCA有促进作用）
而丙酮酸氧化脱羧的
速度未改变
丙酮酸积累
乳酸积累
碳源利用率降低，而且带来的是发酵液的pH值下降。
第二十二页，课件共122页
另一方面，可以通过控制VH的浓度，实现对于乙醛酸循
环的封闭。
研究表明，异柠檬酸裂解酶活性
为醋酸诱导受琥珀酸的阻遏抑制
丙酮酸羧化酶的辅酶，参与CO2固定反应。据有关资料报道，当生物素过量（100μg/L以上）时，CO2固定反应
可提高30%。
第二十四页，课件共122页
以葡萄糖为原料发酵生成谷氨酸时，通过控制生物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶的活性。
另外，该酶受琥珀酸阻遏，生物素亚适量时因琥珀酸氧化能力降低而积累的琥珀酸就会反馈抑制该酶的活性，并阻遏该酶的合成，乙醛酸循环基本上是封闭的，代谢流向异柠檬酸→α-酮戊二酸→谷氨酸的方向高效率地移动。
5）应用基因工程、蛋白质工程和代谢工程方法育成的菌株，进行发酵生产（L-羟脯氨酸）。
第十二页，课件共122页
氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差异，但是许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共同之处。按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）
包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸；
2）使用突变株生产氨基酸（L-赖氨酸、L-苏氨酸、 L-缬氨酸、L-精氨酸、L-瓜氨酸、L-鸟氨酸、L-高丝氨酸、L-色氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-组氨酸等）；
3）使用添加前体的方法生产氨基酸（如用邻氨基苯甲酸生产L-色氨酸；甘氨酸生产L-丝氨酸等）；
第十一页，课件共122页
4）使用酶法生产氨基酸（利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸，如以延胡索酸和铵盐为原料，经天冬氨酸酶催化生产L-天冬氨酸）；