柠檬酸发酵机制

存在问题：出口量增长过快，技术创新相对滞后，加 上国际市场竞争激烈，已出现严重的供大于求的局面，设 备利用率不到60%，行业经济效益呈滑坡态势。
第二节 柠檬酸合成途径与代谢调控
一、柠檬酸合成途径的发现
1940年，Krebs: TCA；
1953年，Jagnnathan证实黑曲霉中存在EMP途 径所有酶；
（五）柠檬酸发酵的产率
1、无CO2固定反应的产率 合成1分子柠檬酸需要3分 子乙酰辅酶A，也就ຫໍສະໝຸດ Baidu需要 1.5分子的葡萄糖。 理论产率为： 192 /( 180×1.5) = 71.1%
2、通过 CO2固定反应提供C4二羧酸
四、柠檬酸发酵过程的控制要点
（1）控制Mn2+、NH4+浓度，解除柠檬酸对PFK的
3、α-酮戊二酸脱氢酶的调节 在黑曲霉柠檬酸产生菌中，TCA循环的一个显著特 点是，α-酮戊二酸脱氢酶的合成受葡萄糖和铵离子的阻 遏。因此当以葡萄糖为碳源时，在柠檬酸生成期，菌体内 不存在α-酮戊二酸脱氢酶或活力很低。 α-酮戊二酸脱氢酶催化的反应是TCA循环中唯一不 可逆反应，一旦α-酮戊二酸脱氢酶丧失，就会引起： ①TCA循环中的苹果酸、富马酸、琥珀酸是由草酰乙酸 逆TCA循环生成，使TCA循环成“马蹄形”。②α-酮戊 二酸又抑制异柠檬酸脱氢酶的活性。
2、丙酮酸羧化酶：催化生成草酰乙酸。
3、丙酮酸脱氢酶：催化生成乙酰CoA
（二）三羧酸循环的调节
1、柠檬酸合成酶的调节：柠檬酸合成酶是TCA循环第一个 酶。但黑曲霉中柠檬酸合成酶没有调节作用。 2、顺乌头酸水合酶、异柠檬酸脱氢酶的调节： 顺乌头酸水合酶是催化柠檬酸<>顺乌头酸<>异柠檬酸 正逆反应的酶，研究表明，黑曲霉中有一种单纯的位于线 粒体上的顺乌头酸水合酶，它在催化时能建立下面的平衡： 柠檬酸:顺乌头酸:异柠檬酸＝90:3:7。 顺乌头酸水合酶、NAD和NADP-异柠檬酸脱氢酶在柠檬 酸产生与不产生时，这3种酶均存在，而当铜离子0.3mg/L， 铁离子2mg/L和pH2.0情况下，这3种酶均不出现活力，发酵 中柠檬酸正是在这个pH条件下积累的。
二、柠檬酸及其盐的应用概况
食品工业：酸味剂、增溶剂、抗氧化剂，除腥脱 臭剂； 医药工业：
化学工业： 美容品、化妆品
三、我国柠檬酸生产现状 生产状况： 60年代开始，生产柠檬酸年总产量居世界
第一，出口量一直占国内总产量的50%以上。目前，生产 厂家近百家，万吨级以上的有6家。主要有安徽丰原生物 化学集团公司（生产能力为12.0万吨/年）、江苏无锡罗氏 中亚柠檬酸有限公司（生产能力为4.0万吨/年）、安徽华 源生物药业有限公司（生产能力为3.5万吨/年）等。
三、柠檬酸生物合成的代谢调节机制
（一）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
1、磷酸果糖激酶（PFK）：
Mn2+浓度对磷酸果糖激酶的影响
Mn2+ 缺乏为何会使NH4+浓度升高呢？ 当培养基中Mn2+ 缺乏时，微生物体内积累几种氨基酸 （GA、GLu、Arg、Oin等），这些氨基酸的积累，意味着 体内蛋白质的合成受阻，而外源蛋白质的分解速度则不受 到影响，这样NH4+的消耗下降，NH4+浓度就会升高。
3. 不分解柠檬酸的菌株 不利用柠檬酸为碳源的菌株，说明其TCA循环中柠檬 酸后续酶的活性较低，或者丧失，这有利于积累柠檬酸。 方法：以柠檬酸为唯一碳源的培养基上生长不好的突变株。 4. 选育不长孢子、少长孢子、迟长孢子的菌株 在培养基中如果菌株能够大量合成积累柠檬酸，自然会使 TCA循环中的中间产物浓度降低，这样不利于孢子的形成。 （为何？中间产物少，C架少，不利于合成代谢……）
思考题
1.柠檬酸发酵过程中有哪几个控制要点， 如何控制？
2.说明柠檬酸发酵过程中氧的重要性。 3.简述二氧化碳固定反应对提高柠檬酸产 率的意义。
柠檬酸发酵机制
重点：柠檬酸生物合成途径；柠檬酸生物 合成的代谢调节机制。 难点：柠檬酸生物合成的代谢调节机制。
第一节 概述
一、柠檬酸简介

柠檬酸又名枸橼酸，学名α-羟基丙烷三羧酸，是 生物体主要代谢产物之一。化学名称2-羟基丙三 羧酸，英文文献俗名citric acid，分子式C6H8O7。 无色或白色晶体，无臭，味极酸，易溶于水和乙 醇、微溶于乙醚、水溶液呈酸性反应。
1954年，Shu提出葡萄糖80%经EMP途径代谢； 1954-1955年，Ramakrishman等发现黑曲霉中 存在TCA循环。
二、黑曲霉柠檬酸生物合成途径
黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是，葡 萄糖经EMP、HMP途径降解生成丙酮酸，丙酮酸一方面氧化 脱羧生成乙酰CoA，另一方面经CO2固定化反应生成草酰乙 酸，草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。
(三)氧对柠檬酸积累的调节
乙酰CoA和草酰乙酸结合生成柠檬酸过程中要引进一 个氧原子，因此氧也可以看作为柠檬酸生物合成底物。它 对柠檬酸发酵的作用为： (1)氧是发酵过程生成的NADH2重新氧化的氢受体。 (2)近来的研究发现，黑曲霉中除了具有一条标准呼吸链 以外，还有一条侧系呼吸链。
当缺氧时，只要很短时间中断供氧，就会导致此侧 系呼吸链的不可逆失活，而导致柠檬酸产酸急剧下降。
抑制，使EMP畅通无阻。 （2） 控制溶氧，防止侧系呼吸链失活。
（3）控制培养基中的Fe2+ 的浓度，使顺乌头酸水
合酶失活。
五、柠檬酸产生菌育种的传统方法：
1. 透明圈大的菌株 平板：10%甘薯 + 2 %的琼脂 + 0.5% CaCO3 诱变后，涂布，透明圈大的则好 2. 显色圈大小 平板：麦汁培养基 + pH值指示剂 诱变后，33℃培养3天，透明圈大的则好。
（四）乙醛酸循环与醋酸发酵柠檬酸
乙醇乙酸


3醋酸 1柠檬酸 生成的柠檬酸一半转化为 异柠檬酸 酵母N源耗尽后开始烷烃 发酵，低浓度AMP抑制 NAD-异柠檬酸脱氢酶的 活性，柠檬酸大量合成并 积累。此时顺乌头酸水合 酶催化反应平衡为：柠檬 酸：异柠檬酸：顺乌头酸 = 90：7：3。细胞质中积 累大量异柠檬酸。
(1)生长期与产酸期都存在EMP与HMP途径，前者 EMP:HMP=2:1，后者EMP:HMP=4：1 (2)黑曲霉柠檬酸产生菌中存在TCA循环与乙醛酸循环，在 以糖质原料发酵时，当柠檬酸积累时，TCA和乙醛酸循环 被阻断或减弱。
(3)由于TCA和乙醛酸循环被阻断或减弱，草酰乙酸是由 丙酮酸（PYR）或磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化生成的。 即由两个CO2固定化反应体系，其中以丙酮酸羧化酶作用 下固定化CO2生成草酰乙酸为主。
小结：
①Mn2+缺乏→抑制蛋白合成→NH4+↑，有一条呼吸活动强的不产生 ATP的侧呼吸链：解除磷酸果糖激酶的代谢调节，促进EMP途径畅通。 ②丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。丙酮酸氧化脱羧生成 乙酰CoA和CO2的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。 ③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 同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使柠檬酸积累。 ④随着柠檬酸积累，pH降低到一定程度时，使顺乌头酸酶和异柠檬酸脱 氢酶失活，更有利于柠檬酸的积累。