柠檬酸发酵机制
柠檬酸发酵的原理
柠檬酸发酵的原理柠檬酸是一种有机酸，化学式为C6H8O7。
它常见于柠檬、橙、柚子等柑橘类水果中，具有酸味和鲜味。
柠檬酸的发酵是指通过微生物在适宜环境条件下对柠檬酸底物进行代谢分解，产生新的化合物、气体或能量的过程。
柠檬酸发酵的过程可以分为两个阶段：引入柠檬酸菌和发酵反应。
首先，柠檬酸发酵的关键是引入柠檬酸菌。
柠檬酸菌是一类嗜酸性细菌，它们广泛存在于自然界中，常见于各种水果、土壤、植物等环境中。
这些细菌具有代谢柠檬酸的能力，并能分解柠檬酸为其他代谢产物。
在适宜的生长条件下，柠檬酸菌会在培养基中生长和繁殖。
柠檬酸菌需要一定的温度、pH值以及营养物质供应，如碳源、氮源、矿物盐等。
这些条件对于维持菌体生长和代谢活性都非常重要。
当柠檬酸菌引入培养基后，它们会开始与柠檬酸底物进行代谢，进而引发柠檬酸的发酵。
柠檬酸发酵可产生以下代谢产物。
首先，柠檬酸菌代谢柠檬酸的初始酶是柠檬酸酶，将柠檬酸分解为顺式-脱氢异柠檬酸。
柠檬酸酶存在于柠檬酸菌的细胞内。
随后，顺式-脱氢异柠檬酸经过酶促反应被还原为'顺式'脱氢酶异柠檬酸，再被脱氢酶反应转化为柠檬酸。
接下来，由于柠檬酸发酵过程中柠檬酸的分解和合成是相互竞争的，此时代谢产物多取决于柠檬酸菌生长条件的调节。
在有氧条件下（即有足够的氧气供应），柠檬酸将被完全代谢为二氧化碳和水，释放能量。
此时发酵的产物主要是气体，如二氧化碳。
这种情况下，柠檬酸发酵可以在其它微生物中应用。
然而，当在缺氧条件下进行柠檬酸发酵时（如在发酵罐中），由于氧气供应不足，柠檬酸菌会进一步代谢柠檬酸。
在此情况下，发酵的产物主要是有机酸，如乳酸、丙酸等。
这种发酵过程称为无氧呼吸。
结合柠檬酸菌自身特点和提供的环境条件，可以选择调控发酵过程中柠檬酸的转化路径，实现不同发酵产品的生产。
总结起来，柠檬酸发酵的原理是通过引入柠檬酸菌并在适宜条件下提供营养物质，利用柠檬酸菌的代谢能力，将柠檬酸转化为新的化合物。
有机酸工艺学-柠檬酸发酵微生物与发酵机制2
1-扇形划线法 2-分区划线法 3-方格划线法 4-连续划线法
■ 该法简单、快速、易行、理想的单菌落获得率较低。
（2）稀释平板分离纯化培养
■ 取已经灭菌的装有9mL无菌水试管数支，做好标 号，另用无菌吸管吸取上述玻璃珠振荡而制得的悬 浮液少许，注入1号试管内，充分的摇匀，吸取此 悬浮液1mL注入第二支试管中，以此类推，直至最 后一支试管，每稀释一管，必须更换一支无菌吸管。 再从最后2-3支无菌试管中吸取1mL倒入融化冷却 至42-45℃的麦芽汁培养基中，充分摇匀，静置凝 结成平板。倒置于恒温箱中，于35～37 ℃下培养 40～48h，挑取单个菌落，移接到斜面试管培养基 中，待检。
■ 在柠檬酸产酸期，也存在HMP途径的酶，其比率为 EMP/HMP=4:1，即80%的葡萄糖由酵解途径代谢的。 HMP途径主要存在于孢子形成阶段，因为它提供合成核酸 所需的前体物质。
五、黑曲霉积累柠檬酸基本条件： 耐受高浓度柠檬酸（20%以上） 耐受高浓度葡萄糖，粉浆浓度18%-20% 对磷、锰、铁、锌等无机盐耐受
（2）发酵过程pH值的变化
■ 在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基 酸的积累，会使pH值产生一定的变化。
■ ①生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵 离子，使pH上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增 多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
■ ②生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。 ■ ③自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中
浓度范围
u2+
高浓度Mn2+将刺激乙酰辅酶A，造成草酰乙酸浓度下降，不利 于合成柠檬酸。
高浓度Zn2+抑制柠檬酸合成酶，不利于合成柠檬酸。当培养基 中 Zn2+浓度低时, 黑曲霉的生长受到抑制从而进入柠檬酸积累 阶段。
柠檬酸发酵机制
柠檬酸发酵机制柠檬酸生产分发酵和提取两部分。
发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。
固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。
采用固态发酵生产柠檬酸，设备简单，操作容易。
液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。
发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。
深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。
微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。
现多采用通用发酵罐。
它的主要部件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气分布装置、消泡器，轴封及其他附属装置。
发酵罐径高比例一般是1:2.5，应能承受一定的压力，并有良好的密封性。
除通用式发酵罐外，还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和喷射自吸式发酵罐等。
为了得到产柠檬酸的优良菌种，通常是从不同地区采集的土壤或从腐烂的水果中分离筛选，然后通过物理和化学方法进行菌种选育。
例如薯干粉深层发酵柠檬酸的菌种就是通过不断变异和选育得到的。
菌种适合在高浓度下发酵，产酸水平较高。
柠檬酸的发酵因菌种、工艺、原料而异，但在发酵过程中还需要掌握一定的温度、通风量及pH值等条件。
一般认为，黑曲霉适合在28～30℃时产酸。
温度过高会导致菌体大量繁殖，糖被大量消耗以致产酸降低，同时还生成较多的草酸和葡萄糖酸；温度过低则发酵时间延长。
微生物生成柠檬酸要求低pH，最适pH为2～4，这不仅有利于生成柠檬酸，减少草酸等杂酸的形成，同时可避免杂菌的污染。
柠檬酸发酵要求较强的通风条件，有利于在发酵液中维持一定的溶解氧量。
通风和搅拌是增加培养基内溶解氧的主要方法。
随着菌体生成，发酵液中的溶解氧会逐渐降低，从而抑制了柠檬酸的合成。
采用增加空气流速及搅拌速度的方法，使培养液中溶解氧达到60%饱和度对产酸有利。
柠檬酸生成和菌体形态有密切关系，若发酵后期形成正常的菌球体，有利于降低发酵液粘度而增加溶解氧，因而产酸就高；若出现异状菌丝体，而且菌体大量繁殖，造成溶解氧降低，使产酸迅速下降。
柠檬酸发酵机理
通过调整发酵温度和pH值，找到最适 宜的发酵条件，以提高柠檬酸的产量 和降低能耗。
产物的分离与纯化技术改进
分离技术
采用新型的分离技术，如超滤、纳滤、反渗透等，实现柠檬酸的高效分离和纯 化，降低分离成本。
纯化技术
采用结晶、离子交换、吸附等纯化技术，进一步提高柠檬酸的纯度，满足不同 应用需求。
细菌
某些细菌如柠檬酸杆菌、 氧化杆菌等也可以进行柠 檬酸发酵。
微生物的代谢途径
葡萄糖代谢
微生物将葡萄糖通过糖酵解途径 转化为丙酮酸，这是柠檬酸发酵 的起始步骤。
丙酮酸代谢
丙酮酸在丙酮酸羧化酶的作用下 转化为草酰乙酸，再经过三羧酸 循环转化为柠檬酸。
乙酰CoA的合成
在柠檬酸发酵过程中，乙酰CoA 是重要的中间代谢产物，可以用 于合成脂肪酸等物质。
厌氧发酵
微生物在厌氧条件下，将葡萄糖或其他糖类转化 为丙酮酸，再经过一系列反应生成柠檬酸。
3
好氧发酵
微生物在好氧条件下，通过糖酵解途径将葡萄糖 转化为丙酮酸，再经过氧化脱羧等反应生成柠檬 酸。
柠檬酸发酵的分类
黑曲霉发酵
黑曲霉在好氧条件下进行发酵，通过糖酵解途径将葡萄糖转化为 丙酮酸，再经过氧化脱羧等反应生成柠檬酸。
产物提取与精制
过滤分离
将发酵液进行过滤，分 离出菌体和未消耗的原
料。
离子交换
利用离子交换剂吸附柠 檬酸离子，与其他离子 进行交换，实现柠檬酸
的分离。
浓缩结晶
将分离出的柠檬酸溶液 进行浓缩和冷却，促使
柠檬酸结晶析出。
干燥与包装
将结晶的柠檬酸进行干 燥和包装，得到符合标
准的柠檬酸产品。
05 柠檬酸发酵的优化与改进
柠檬酸
问题：产酸略低；提取比率比国际先进水平低8%-15%；生产 中的“三废”未有效治理。
二、柠檬酸发酵微生物
1、黑曲霉 ( Aspergillus niger )
目前最有竞争力的菌种，我国多数厂家采用
2、酵母
酵母的重要性在于能发酵烷烃产生柠檬酸
解脂假丝酵母( Candida lipolytica )
三、柠檬酸发酵机理
（二）柠檬酸的用途
1、在食品工业上的应用：占70% 第一食用酸味剂 2、在医药上的应用 广泛用于糖果、饮料、果酱、果胨、果酒、腌制品、罐头、糕点等 柠檬酸糖浆：发烧病人的清凉饮料，清凉、解毒、矫口味 3、在化工上的应用 赋予水果风味，抗氧化、保护色素和维生素，使产品新鲜感等 柠檬酸铁铵：温和的补铁剂，用于缺铁性贫血 常用的电镀缓冲剂和络合剂 柠檬酸钾：治疗膀胱炎和糖尿病所致的酸中毒 多年来，世界柠檬酸消费增长速度始终维持在5%-7%，用途也 许多化学反应的催化剂：如环氧树脂的交联、聚尿烷泡沫塑料 在不断扩大中。 柠檬酸钠：抗凝血剂，用于输血、血液和血浆的保存 用于制造高效无公害洗涤剂 柠檬酸铜：消毒杀菌剂并有收敛作用，用于配制眼膏 用于生产牙膏、洗面乳、洗发剂 柠檬酸镁：温和的泻药，用于X光透视前的清肠
Sweet potato
cassava
2、制种
我国普遍采用麸曲生产工艺 流程： 原种 斜面 茄瓶 麸曲 种子罐
麸皮培养基；三角瓶或可拆卸铝盒 使孢子发育成菌丝球；缩短发酵罐的发酵时间； 茄瓶孢子接种； 30～32℃，4 d 薯干粉培养基；麸曲接种； 34～35℃，18～28h
3、发酵
设备类似酱油厚层制曲池。
糖质原料生物合成柠檬酸的途径
1 2 3
柠檬酸虽在TCA循环中是一个中间产物，但在正常情况下，柠 檬酸在细胞内不会积累，且柠檬酸是黑曲霉的良好碳源。
柠檬酸发酵及产物提取
综合实验：柠檬酸发酵及产物提取（一）柠檬酸发酵一、实验原理柠檬酸发酵为典型的有机酸发酵，淀粉质原料经淀粉酶作用水解为葡萄糖，葡萄糖经EMP途径氧化为丙酮酸，丙酮酸进一步被氧化脱羟生成乙酰CoA，就一般能量代谢过程而言，生成的乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后进入三羟酸循环，通过三羟酸循环进行有氧呼吸的能量代谢。
但就柠檬酸产生菌而言，由于其乌头酸流水作业事酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合成酶的活性很高，因而大量积累柠檬酸，草酰乙酸的提供则仍通过丙酮酸羧化而成，柠檬酸的生成途径如下式：2 C6H12O6 +3 O2→2 C6H8O7 +4 H2O国内目前柠檬酸发酵所采用的原料主要是山芋干及废糖蜜。
二、实验器材（一）材料1．菌种：黑曲霉2．蔗糖、硫酸铵等（二）主要仪器设备1．旋转式摇床、超净工作台、15L发酵罐等三、操作步骤1．种子培养基制备：马铃薯培养基配方:(1000ml)马铃薯（去皮）200g葡萄糖（或蔗糖）20g琼脂15~25g水1000ml自然pH2．种子液培养：将已灭菌的种子培养基接入一环斜面孢子于35℃±1℃、250r.p.m条件下培养24~36h。
3．种子培养液质量要求：镜检菌丝生长健壮，结成菊花形小球，球直径不超过100μm，每毫升含菌球数在1~2万之间，无异味、无杂菌污染；pH2~2.5；酸度1.5~2.0%。
4．发酵培养基制备：蔗糖15%，硫酸铵0.4%，磷酸二氢钾0.1%，硫酸镁7水0.025%。
5. 上罐灭菌（操作同实验一）5．发酵：将培养好的种子液按发酵培养液体积的5%接入到已灭菌的发酵培养基中，于35℃±1℃、500转条件下发酵4天。
6.分别在0,24,48,72,96小时测定一下参数。
四、实验结果1．对种子液进行镜检，画下菌丝形态，并测定菌球直径及粗略估算每ml种子液中的菌球数。
2．测定成熟发酵液的酸度，并就发酵结束后的菌体形态作出描述。
3．计算柠檬酸发酵的转化率，即每100克葡萄糖经转化所能生成的柠檬酸克数，柠檬酸酵的理论转化率按下列反应计算应为106.7%。
柠檬酸发酵原理
谢 谢！
JUST DO IT！
人手洗手消毒前后手部卫生状况对比
• 洗手前：1300个/cm2 • 清水洗手后：1000个/cm2 • 肥皂洗手后：80个/ cm2 • 消毒后：0个/ cm2
未洗的手
未打皂液洗过的手
洗净的手（用洗剂）
洁净的手（消毒后）
进 入 工 作 岗 位 以 后 环境卫生是实验室、发酵工 人、消毒人员及厂区工作人 员必须时刻铭记的基本常识。
黑曲霉如何积累柠檬酸
黑曲霉耐酸，耐低PH。 黑曲霉发酵柠檬过程中，在发酵初期， 发酵液中萄葡糖含量较高，而高浓度的萄 葡糖正是黑曲霉α-酮戊二酸脱氢酶合成的 抑制物，这样一来TCA循环就中断了，酸 度得到积累（注意此时积累的是酸度而不 仅是柠檬酸），但是当酸度积累到PH≤2.0 时，催化柠檬酸<>顺乌头酸<>异柠檬酸正 逆反应的顺乌头酸水合酶，不表现出活力 ，这样TCA循环在合成柠檬酸之后就不会 向后继续反应，从而达到柠檬的积累。
传播污染的四大媒介－人
第四个帮凶可能是大家都不会想 到的，它就是我们自己，人体是一个 永不休止的污染媒介。当您每天来工 厂上班时，您也许随身将几百万细菌
带入工厂。
人员污染的途径和方式
人的头发和皮肤：每分钟从人类皮肤中要散发出约10,000个微
生物
嘴巴和鼻子——水滴：呼吸、咳嗽和喷嚏将产生出大量水滴，
黑 曲 霉 生 长 周 期
发酵常见染菌及区别
一、酵母菌是一些单细胞真菌，体积较细 菌较大 ，1~5微米*5~30微米，而细菌直 径或宽度不超过1微米，长不超过5微米， 有氧无氧均可生存，低PH也可生存。
二、细菌主要由细胞膜、 细胞质、核质体等部分构 成 ，球菌、杆菌和螺形 菌 ，低PH难以存活，易 自溶。
柠檬酸发酵机制
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； 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。
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 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
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。
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。
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。
第13章柠檬酸发酵
第三：是在缺少锰的条件下，蛋白质分解或蛋白质合成受阻造成的铵的高浓度能解除柠檬酸（CTA）对磷酸果糖激酶（PFK）的抑制。 此外，柠檬酸的分泌，降低其胞内浓度。
回补途径
☆TCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物； ☆生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断； ☆回补方式：①通过某些化合物的CO2固定作用， ②一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸， ③通过乙醛酸循环
★通过某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补： 丙酮酸羧化酶： CO2+丙酮酸+ATP+H2O Mg++ 草酰乙酸+ADP+Pi 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶: CO2 +PEP+ H2O 草酰乙酸+H3PO4 苹果酸酶: CO2 +丙酮酸+NADPH+H+ 苹果酸+ NADP+
3) 腌制品 各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。 4) 罐头食品 加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类似的作用。
5) 豆制品及调味品 用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。 6) 其它 柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。
芳香族氨基酸发酵的生物合成途径及代谢调节机制,以及柠檬酸发酵的生产工艺
苯丙氨酸代谢调控机制 首先切断芳香族氨基酸生物合成向酪氨酸和色氨酸 的代谢支路，选育色氨酸和酪氨酸双重缺陷型 （tyr-+trp-）突变株； 然后遗传性的解除苯丙氨酸自身对预苯酸脱水酶 和分支酸变位酶的反馈抑制和阻遏，及苯丙氨酸、 酪氨酸和色氨酸对DAHP合成酶的反馈调节； 选育苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸多重结构类似物 抗性突变株； 发酵中限量添加酪氨酸和色氨酸，使苯丙氨酸大 量积累。
EMP途径
丙 酮 酸
羧化 脱羧
草酰乙酸
乙酰-CoA
柠 檬 酸
淀粉
葡萄糖
6-P-葡萄糖 1，6-二磷酸果糖
磷酸丙糖
柠 檬 酸 发 酵 机 制
磷酸烯醇丙糖
CO2 丙酮酸 CO2 草酰乙酸 苹果酸
CO2 乙酰CoA
柠檬酸
Fe2+
顺乌头酸 异柠檬酸 Α-酮戊二酸
富马酸
琥珀酸
二、柠檬酸生物合成的代谢调节 （一）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
四、色氨酸发酵机制
• 色氨酸生产菌的遗传标记位置 • 色氨酸代谢调控机制（大量生成和积累 色氨酸） • 切断支路代谢，选育苯丙氨酸和酪氨酸 双重缺陷型（phe-+tyr-）的突变株； 然 后遗传性的解除色氨酸自身的反馈抑制 和阻遏及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸对 DAHP合成酶的反馈调节； • 选育色氨酸多重结构类似物抗性突变株； • 在发酵过程中限量添加苯丙氨酸和酪氨 酸。 • 苯丙氨酸和酪氨酸发酵机制
二、芳香族氨基酸的生物合成途径
合成途径特点：
• 从4-磷酸赤藓糖与磷酸烯醇丙酮酸合成3-脱氧D-阿拉伯糖型庚酮糖-7-磷酸（DAHP）到分支 酸，是Phe、Tyr和Trp的共同途径； • • 从分支酸到预苯酸（PPA）， 是Phe和Tyr的共 同途径； • • 在分枝酸处，倾向于优先合成氨茴酸；在预苯 酸处，倾向于优先合成对羟苯丙酮酸。即优先 合成顺序是： Trp- Tyr- Phe。
利用黑曲霉发酵产生柠檬酸
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸摘要：柠檬酸是目前以微生物发酵生产的重要有机酸之一，它的用途非常广泛，需求日益增长。
目前国内柠檬酸年产量约2.5×105吨，其中半数以上供出口之用。
80年代，我国国内的柠檬酸消费急剧上升，速度远远超过了西方发达国家。
随着人民生活水平的提高，对食品和饮料等含柠檬酸制品的需求量猛增，但就人均消费量来看，我国的柠檬酸消费还是很低的，以用于食品和饮料的柠檬酸为例，我国的人均消费量远低于美国和日本，市场潜力巨大，因此增加柠檬酸生产不仅可以满足国内日益增长的需要，也是换取外汇的重要手段之一。
柠檬酸是葡萄糖经柠檬酸循环而形成的最有代表性的代谢产物，早已发展成大规模的商用生产。
常用的菌种是黑曲霉，产酸浓度在每升发酵液中＞150g。
关键词：黑曲霉，柠檬酸，三羧酸循环1、柠檬酸用途柠檬酸被称为第一食用酸味剂，极广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂等，用于饮料、糖果、酿造酒、冰淇淋、酸奶、罐头食品、豆制品与调味品等的生产中。
另外，在药物、美容品、化妆品工业上也有着重要的应用。
它是香料和饮料的酸化剂，在食品和医学上用作多价螯合剂，同时是化学中间体，用于制造药物，也可用于金属清洁剂、媒染剂等。
柠檬酸的盐类、酯类和衍生物也各具特点，用途极为广泛而有良好的发展前景。
2、黑曲霉黑曲霉，子囊菌亚门，丝孢目，丛梗孢科中的一个常见种。
广泛分布于世界各地。
食品工业上用作发酵菌种，如用于食醋生产制曲、麸曲法白酒生产制曲、柠檬酸发酵等，主要是利用此黑曲霉分泌产生淀粉酶、糖化酶、柠檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等的功能；在生物肥料工业上，黑曲霉具有裂解大分子有机物和难溶无机物，便于作物吸收利用，改善土壤结构，增强土壤肥力，提高作物产量的效果。
3、柠檬酸循环（citric acid cycle，CAC）又称三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA），Krebs循环，由诺贝尔获奖者（1953年）、德国学者H.A.Krebs于1937年提出。
柠檬酸发酵的原理及工艺流程
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代谢控制发酵-第六章 代谢控制发酵实例
(2) 选育渗漏缺陷型突变株 苯丙氨酸和酪氨酸双营养缺陷(或预苯酸缺陷)使得菌株生长
缓慢，因此可选育预苯酸渗漏缺陷型突变株 渗漏缺陷型是一种不完全营养缺陷型，它不会产生过量的末
端产物，因而可以避开反馈调节 但它又能合成微量的末端产物，用来进行生物合成 在培养这种突变体时，可不必在培养基中添加相应的物质，
弱化子
p 解除反馈调节，增强色氨酸合成途径代谢流(通) 解除色氨酸抑制作用：
(1) 选育色氨酸结构类似物(5-氟色氨酸、5-甲基色氨酸) 抗性突变株
变构，失活
酶
色氨酸
问题：诱变后存活的微生物 包括正向突变(想要的)、负 向突变(不想要的)，怎么把 正向突变的筛选出来？
5-氟色氨酸 5-甲基色氨酸
四、青霉素发酵
生物合成途径
四、青霉素发酵
代谢调节
碳分解代谢产物的影响
Ø 青霉素的生物合成受碳分解代谢产物阻遏，如ACV合成 酶，IPN合成酶，酰基转移酶就被阻遏
Ø 葡萄糖可以刺激菌体生长，使作为赖氨酸和青霉素合 成中间体的α-氨基己二酸转向合成赖氨酸，抑制青霉 素的合成
Ø 葡萄糖降低青霉素生物合成的速率和得率还由于葡萄 糖与6-APA之间形成复合物，从而减少了可用于合成青 霉素的中间产物。
Ø 选育单氟乙酸、三氟乙酸敏感突变株 抑制乌头酸梅和异柠檬酸脱氢酶活性。若菌体对药品 敏感，说明该突变株的乌头酸酶和异柠檬酸酶活力低或 含量少
Ø 选育强化CO2固定反应的突变株 氟丙酮酸敏感、天冬氨酸缺陷、羧化酶基因克隆
Ø 强化柠檬合成酶
一、柠檬酸发酵
发酵控制
Ø 控制Mn2+和NH4+浓度，解除柠檬酸对PFK的抑制，使EMP 畅通无阻
柠檬酸发酵的原理
柠檬酸发酵的原理
柠檬酸发酵是一种微生物发酵过程，利用某些特定菌种的代谢途径，将特定底物转化为柠檬酸。
该过程的原理涉及以下几个方面：
1. 底物选择：柠檬酸发酵的底物通常选择糖类物质，如蔗糖、葡萄糖等。
这些底物能够被发酵菌种代谢利用，产生有机酸。
2. 菌种选择：柠檬酸发酵常用的菌种是柠檬酸杆菌（Aspergillus niger）和柠檬酸假单胞菌（Yarrowia lipolytica）等。
这些菌种具有良好的柠檬酸合成能力。
3. 代谢途径：柠檬酸发酵的代谢途径主要包括三个关键步骤：
- 糖类底物酵解：底物被菌种内的酵解酶作用下分解为各种代谢物，如丙酮酸和乳酸等。
- 柠檬酸产生：丙酮酸在菌种内经过一系列酶催化反应，被转化为柠檬酸。
柠檬酸亦可通过川崎循环途径合成。
- 转运和排泄：合成的柠檬酸会通过菌体内部的膜通道或转运蛋白被转运至菌体外，最终被释放出来。
4. 发酵条件：柠檬酸发酵的条件包括温度、pH值、底物浓度和氧气供应等。
适宜的发酵条件能够提高菌种的活性和产酸效率。
综上所述，柠檬酸发酵利用特定菌种的代谢途径，将糖类底物转化为柠檬酸。
这一过程涉及底物的酵解、柠檬酸的合成以及其转运和排泄等关键步骤。
发酵条件的调控对于柠檬酸发酵过程的效果具有重要影响。
《柠檬酸发酵机制》课件
发酵在食品、饮料、药品和生物能源等领域具有重要的应用价值。
柠檬酸发酵的概述
柠檬酸
柠檬酸是一种有机酸，广通过微生物参与的发酵过程产生，这个过程复杂 而多样。
柠檬酸发酵的微生物参与者
1 Aspergillus niger
这个真菌物种可以产生大量的柠檬酸，并被广泛用于柠檬酸生产。
2 Yarrowia lipolytica
这个酵母菌也具有较高的柠檬酸产量，适用于工业规模生产。
柠檬酸发酵的反应过程
1
底物准备
选择适合的有机物作为柠檬酸发酵的底物。
2
发酵培养
将底物与适宜的微生物共同培养，提供适宜的温度和氧气条件。
3
柠檬酸生成
底物被微生物分解，生成柠檬酸和其他副产物。
柠檬酸发酵的影响因素
温度
适宜的温度可以促进柠檬酸生成的速率和产量。
营养物质
提供足够的营养物质，如糖类、氮源和微量元素， 有助于增加柠檬酸产量。
pH 值
不同微生物对 pH 值的要求不同，酸碱度对柠檬酸 发酵具有影响。
氧气供应
有些菌株需要适量的氧气参与发酵过程，而有些则 能在无氧条件下进行发酵。
柠檬酸发酵的应用领域
食品生产
柠檬酸在食品加工中用作风味调剂 剂和酸味调节剂。
药品工业
柠檬酸被用作制药过程中的溶剂和 酸化剂。
清洁剂生产
柠檬酸被用于生产清洁剂，具有溶 解和去污的作用。
结论和总结
1 柠檬酸发酵在许多领域具有广泛的应用 2 微生物是柠檬酸发酵的关键参与者
柠檬酸发酵技术在食品、医药和清洁剂等行业有 着重要的地位。
不同的微生物物种对柠檬酸发酵具有不同的产量 和效率。
《柠檬酸发酵机制》PPT 课件
《柠檬酸发酵机制》课件
厌氧条件
微好氧条件
在微好氧条件下，微生物通过好氧糖 酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸，再 经过一系列生物化学反应生成柠檬酸 。
在厌氧条件下，微生物通过糖酵解途 径将葡萄糖转化为丙酮酸，再经过一 系列生物化学反应生成柠檬酸。
柠檬酸发酵的原理
01
糖酵解途径
在厌氧条件下，微生物通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸的过程。
医药行业
用于生产抗生素、解热镇痛药等。
其他领域
如环保、化妆品等。
柠檬酸发酵的发展趋势
高效发酵技术
环保生产
通过优化发酵工艺和提高菌种性能，提高 柠檬酸产率。
减少柠檬酸生产过程中的环境污染，实现 绿色生产。
生物工程技术的应用
市场需求变化
利用基因工程和代谢工程手段，改良菌种 性能，提高发酵效率。
随着人们对健康和环保意识的提高，对天 然、健康的食品添加剂需求增加，柠檬酸 作为天然食品添加剂的市场前景广阔。
实验操作步骤与注意事项
菌种接种与培养
按照规定的操作步骤，将菌种接种到培 养基中，控制好温度、湿度、pH等培 养条件。
取样与检测
在发酵过程中按规定时间间隔取样， 检测柠檬酸含量等指标，记录数据。
发酵罐操作
启动发酵罐，控制好罐内压力、温度 、溶氧等参数，确保发酵过程顺利进 行。
异常情况处理
如发现异常情况，如菌种退化、发酵 异常等，应及时采取措施处理，并记 录实验过程。
营养物质的消耗
随着菌体生长和产物生成，发 酵液中的营养物质如葡萄糖逐 渐被消耗。
代谢产物的积累
在适宜的条件下，柠檬酸等代 谢产物在发酵液中积累。
发酵过程控制的方法和策略
温度控制
保持适宜的发酵温度，有利于菌体生 长和产物生成。
柠檬酸发酵实验
糊化
灭菌
接种
摇瓶培养
五、实验结果与讨论 （一）实验结果 要求记录发酵开始0h、20h、42h和发酵结 束时对照组和实验组的变化. (二)思考题 1、实验中为什么不需要糖化完全？ 2、加入CaCO3在培养基中会怎样？为什么 会出现这种情况 3、经EMP途径合成柠檬酸的特点？ 4、经HMP途径合成柠檬酸的特点？
本实验以玉米淀粉为原料,采用黑曲霉经摇 瓶发酵产生柠檬酸,柠檬酸需进一步分离纯化 得到产品.
三、实验仪器及试剂
试剂：玉米淀粉、黑曲霉孢子悬液、α-淀粉 酶、水 仪器：三角瓶 300ml、玻璃棒、电子秤、摇 床、水浴锅、高压灭菌锅、移液管
四、实验步骤
1、试验流程
保藏菌株 活化菌株 α-淀粉酶 玉米淀粉 72h） 糊化液化 灭菌 孢子悬液 接种 300ml三角瓶摇瓶培养（150r.p.m
发酵工艺学实验——
柠檬酸发酵试验
中国海洋大学 食品科学与工程学院
一、实验目的 1、了解柠檬酸发酵的原理及过程； 2、掌握柠檬酸好气发酵操作；
三、实验原理 柠檬酸有称枸枸橼酸，学名2-羟基丙烷三 羧酸或2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸，是水果 中含量极为丰富的一种有机酸。柠檬酸因无毒 水溶性好、酸味适度、易被吸收和价格低廉的 优点，被广泛的应用于食品、医药、化工、洗 涤等工业部门。 能够产生柠檬酸的微生物有很多，青霉、 毛霉、木霉、曲霉、葡萄孢菌及酵母中的一些 菌株都能利用淀粉质原料或烃类大量积累柠檬 酸。目前国内外普遍采用黑曲霉的糖质原料发 酵生产柠檬酸
பைடு நூலகம்
2、按下表的顺序进行实验操作
培养基制备
取两个300ml三角瓶标号，各加入30g淀粉和75ml水 ，搅拌均匀，对照组中加入CaCO3 2g. 两三角瓶内各加入0.6g α-淀粉酶 ，混合均匀后置 于75摄氏度的水浴锅内糊化1h. 将糊化后的三角瓶用八层纱布包扎置于灭菌锅内， 121℃下灭菌20min. 在超净工作台上按无菌操作用已灭菌的10ml移液管 移去10ml孢子悬液加入两三角瓶中. 将接完种的三角瓶，在150r.p.m 72h，在培养过程 中注意定期观察菌丝体生长情况并记录实验现象， 当ph达到2时发酵结束.
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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。
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。
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。
（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。
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；
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。
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% CaC3; pH值指示剂 诱变后，33℃培养3天，透明圈大的则好。
(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。
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……）
（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，也就是需要 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
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。
(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。
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、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。