第二节好氧发酵机制与代谢调控
第4章 发酵代谢及其调节控制
第四章 发酵代谢及其调节控制
第一节 发酵过程的代谢变化
（三）生物参数 4、氧的比消耗速率： 氧的比消耗速率： 糖的比消耗速率： 氮的比消耗速率： 5、代谢产物的比增长速率 单位时间内单位菌体所产生的产物量。
第四章 发酵代谢及其调节控制
第一节 发酵过程的代谢变化
二、代谢变化和代谢曲线： 代谢变化和代谢曲线：
与发酵液成分有关； 与液化糖化程度有关； 与菌体浓度，菌种种类（如有无荚膜）、菌种代谢特 性有关； 与噬菌体污染有关。
第四章 发酵代谢及其调节控制 第一节 发酵过程的代谢变化
（一）物理参数： 物理参数： 8、排气中的氧含量和二氧化碳含量
观测微生物利用氧的情况，绝大多数微生物对氧的 利用率为20%左右 利用率为20%左右
第四章 发酵代谢及其调节控制
第一节 发酵过程的代谢变化
（三）生物参数
3、菌体的比生长速率： 菌体的比生长速率：
即单位时间内单位菌体的增量。 例如：t =0时，x 例如：t0=0时，x0=1g; t=5hr x=3g
则比生长率= 则比生长率=（3-1）/（5-0）=0.4克/克（菌）.小时 =0.4克 克（菌）.
第四章 发酵代谢及其调节控制 第一节 发酵过程的代谢变化
（三）生物参数
1、菌体形态： 菌体形态：
能准确反应菌体生长情况及代谢产物形成情况。 高活力的菌体形态均一，染色时着色较均匀。 不同阶段菌体形态有差异
第四章 发酵代谢及其调节控制
第一节 发酵过程的代谢变化
（三）生物参数 2、菌体干重（湿重、生物量） 菌体干重（湿重、生物量）
第四章 发酵代谢及其调节控制
第一节 发酵过程的代谢变化 第二节 发酵过程调源自控制第一节 发酵过程的代谢变化
第五章发酵机制与代谢调控
[ATP]+1/2[ADP]
能荷=
×100%
[ATP]+ [ADP]+[AMP]
2020/9/19
• 能荷调节：指细胞通过改变ATP、ADP和AMP 三者比例来调节其代谢活动。
• 当体系中ATP含量高时，ATP抑制磷酸果糖激 酶和丙酮酸激酶的活性，使糖酵解减少；
• 当需能反应加强，ATP分解为ADP、AMP， ATP减少，ADP、AMP增加，ATP的抑制作用 解除。
3-P-甘油酸 2-P-甘油酸
乙醇 乙乳醛酸 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸
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4ATP
2CH3COCOOH Mg2+
2ATP
2CO2 2CH3CHO NADH+H+
NAD+
C6H12O6
Байду номын сангаас
2C2H5OH
1、从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。
2、有脱氢反应，脱下的氢由辅酶Ⅰ携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。
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受能荷调节的酶系
R代表ATP合成系统；U代表ATP消耗系 统
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第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
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一、酵母菌的酒精发酵
1.乙醇生产机制 酵母中，葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，无氧
好氧发酵产物积累机制
好氧发酵产物积累机制好氧发酵是一种在氧气存在下进行的生物发酵过程。
在好氧发酵中，微生物利用有机物质通过氧化代谢产生能量和产物。
这种发酵常见于食品加工、生物能源产生、废物处理等领域。
本文将探讨好氧发酵产物积累的机制。
首先，好氧发酵中产物积累的机制可以通过微生物代谢途径来解释。
在好氧发酵过程中，微生物利用底物进行氧化代谢，主要通过三个代谢途径进行：糖酵解、细胞色素氧化酶系统和线粒体三羧酸循环。
这些代谢途径在氧气存在下可以进一步完成氧化反应，产生二氧化碳、水和能量。
但是，当底物浓度高、溶液中氧气供应不足时，微生物代谢途径会被抑制，堆积的代谢中间产物和底物将被转化为最终产物积累。
其次，好氧发酵产物积累的机制还可以通过代谢调节机制来解释。
微生物在好氧条件下可以通过调节代谢途径来适应环境变化。
例如，当氧气供应不足时，微生物可以通过转录调控和翻译调控来调整代谢途径，使得底物和中间产物积累，从而减少能量消耗。
此外，一些特定的代谢途径酶的活性也会受到调节，以增加产物生成速率或减少竞争反应的速率。
因此，微生物可以通过代谢调节机制来适应氧气供应不足的环境，并产生更多的产物。
再次，好氧发酵产物积累的机制还与微生物本身的生理特性有关。
不同种类的微生物在好氧条件下有不同的生存策略和代谢特征。
一些微生物具有耐氧能力，可以在低氧条件下进行代谢反应，产生产物。
这些微生物具有更高的代谢途径活性和底物利用能力，能够快速适应环境变化并产生大量产物。
而其他微生物可能具有更低的产物生成速率和底物利用能力，需要更多的时间和氧气来进行代谢反应。
因此，微生物本身的生理特性对于好氧发酵产物积累机制起着至关重要的作用。
最后，好氧发酵产物积累机制还受到操作条件的影响。
操作条件包括底物浓度、溶液pH值、温度和氧气供应等。
这些条件可以通过调节微生物代谢途径和代谢调节机制来影响产物积累。
例如，调节底物浓度可以增加或减少代谢反应的速率，从而影响产物生成速率。
09116发酵工程教学大纲
09116发酵工程教学大纲《发酵工程》课程（09116）教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：发酵工程课程代码：09116学分与学时：4学分，76学时（理论课2.5学分，52学时；实验课1.5学分，24学时）课程性质：专业必修授课对象：生物工程二、课程教学目标与任务《发酵工程》是生物工程专业的一门专业必修课，发酵工程是生物技术的基础和重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节，是工业生物技术的核心。
发酵工程是利用微生物的特定性状和技能，通过现代化工程技术，生产有用物质或直接应用于工业化生产的一种技术体系。
通过本课程的学习，使学时掌握微生物产品生产的基本理论，能进行发酵的工艺设计和解决产品生产过程中出现的主要问题，并为从事生物新产品和工艺的研究与开发打好应用的理论基础。
三、学时分配课程内容与学时分配表四、课程教学内容与基本要求发酵过程一般包括培养基制备、无菌空气供应、菌种及种子扩大培养、发酵过程及控制、发酵产品下游加工过程和发酵过程废弃物处理等几大部分。
基于《生物工程设备》、《发酵工程》、《生物分离工程》三个组成部分集体分工和侧重点不同，《发酵工程》部分着重阐明、并要求学生熟练掌握培养基制备、无菌空气工艺、菌种及种子扩大培养、发酵过程及控制、染菌和防治等几个单元操作的基本原理和方法，对于其它部分将在后续的课程中深入讲解。
发酵过程是一门综合性很强的课程，涉及到化工原理、生物化学、微生物学、物理化学等多个学科，基础理论性和实践性均很强，要求基础理论和生产实践密切结合。
因此，该课程需啊哟在理论教学的同时，配合生产见习和实验的实践环节，要求学生建立实际生产的概念，在参观实习和实验实践中巩固本课程的教学效果，培养分析问题和解决问题的能力。
学生通过该课程的学习将会缩短理论与生产实践的距离，建立用理论知识分析和解决生产实际问题的概念和能力，动手能力也将有所提高。
第一章发酵工程概论教学目的：从总体上让学生对发酵工程有个整体的认识。
酵母菌的酒精发酵
2、碱法甘油发酵
酒精酵母 酵母的第Ⅲ型发酵
如果碱性（pH值7.6以上） 两分子乙醛发生歧化反应形成各一分子的乙酸和乙醇。 2C6H12O6+H2O 2C3H5(OH)3+CH3COOH+ C2H5OH + 2CO2
产物复杂
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五、甲烷（沼气）发酵
甲烷发酵的机理是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质 等复杂的有机物最终分解成甲烷和CO2。
乳酸对糖的转化率理论上只有50%。
14
四、甘油发酵机制
H2C OHCH OH H2来自 OH甘油 （丙三醇）
良好溶剂，广泛用于化妆品和医药行业；炸药。
1、亚硫酸盐法甘油发酵 酵母菌 酵母的第Ⅱ型发酵
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乙醇脱氢酶
发酵液中加入亚硫酸氢钠(NaHSO3)
OH
亚硫酸钠加成物 ( CH3CHOSO2Na) ▲原理：阻遏乙醇的生物合成
2ATP 2ADP 3-磷酸甘油醛 2NAD 2NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 4ADP
1、同型乳酸发酵
乳酸菌 德氏乳杆菌
丙酮酸
4ATP
NADH+H+
大多数乳酸菌不具有脱羧酶
乳酸
乳酸脱氢酶
NAD
12
总反应式为：
C6H12O6+2ADP+2H 3PO4 2CH3CHOCOOH+2ATP
理论转化率为：
复杂有机物 发酵细菌 可溶性简单有机物 产酸菌 低级脂肪酸 （醋酸、丙酸、丁酸等） 产气菌（严格嫌气菌） CO2等 甲烷、 产酸阶段（兼性厌氧）
三阶段
废物利用
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第二节
好氧发酵机制与代谢调控
一、柠檬酸发酵机制
第二章 发酵代谢控制的基本原理与方法
例如，在嘌呤核苷酸的 生物合成途径中，催化 第一步反应的酶，5-磷 酸核糖-1-焦磷酸(PRPP) 的酰胺基转移酶，可被 各种嘌呤核苷酸产物(如 AMP、GMP)所抑制。例 如，一定量的GMP或 AMP仅能抑制5-磷酸核 糖-1-焦磷酸酰胺基转移 酶活力的10％，而当二 者混合时，则可抑制其 酶活力的50％。因为这 些嘌呤核苷酸与5-磷酸 核糖-1-焦磷酸并无结构 相似性，又因该酶是一 种调节酶，GMP和AMP 可能分别结合在该酶的 不同部位上。
酶活性的调节
1.酶活性的激活
在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性， 或使原来活性低的酶提高了活性的现象。 代谢调节的激活作用主要是指代谢物对酶的激活。
前体激活是指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途 径中较前面的一个中间产物所促进。
代谢中间产物的反馈激活是指代谢中间产物对该代谢 途径的前面的酶起激活作用
（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。
第二章 发酵代谢控制的基本原理和 方法
江苏农林职业技术学院 陈宏州
生物工程系
第一节 微生物的代谢与调节 的生化基础
一、代谢概述
1.新陈代谢 发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总 和，即：新陈代谢=分解代谢+合成代谢 。新陈代谢 又可分为初级代谢和次级代谢。
分解代谢:把复杂的有机物分子分解成简单的化合 物，并释放能量的过程。 合成代谢:由简单化合物合成复杂的大分子的过程。 初级代谢:微生物的生长、分化和繁殖所必需的代 谢活动。 次级代谢:非微生物生命活动所必需的代谢活动.
酵母菌的酒精发酵PPT课件(模板)
酒母 水溶液中 连续发酵 pH4.5 左右 30~33℃ 60~72 h
酒母不含淀粉酶，主要含水解酶（如蔗糖酶、麦芽糖酶）和 酒化酶（指参与酒精发酵的各种酶和辅酶的总称，胞内酶）。 酒糟的利用
酒精是胞内产物
渗出体外 与H2O任比例混合
5
C6H12O6+2ADP+2H3PO4
2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
22
3. 柠檬酸积累的代谢调节
（1）阻断柠檬酸的进一步代谢：使顺乌头酸酶失活
Fe2+是顺乌头酸酶的激活剂 （2）加强 EMP途径
加络合剂
增强3 个关键酶尤其是PFK的活力
PFK 受高水平的柠檬酸和ATP抑制； NH4+能解除此抑制 ∴氮源用NH4+盐（铵盐）
柠檬酸发酵时要求Mn2+、Fe2+、Zn2+的含量极低
1. 从能量守恒可知，要生成甘油则必须有等摩尔量的乙醛 生成。即 酵母进行甘油发酵时必须依靠部分酒精发酵 以获得能量（ATP和NADH + H+）。
2. 生成部分乙醇不可避免。 因为乙醛与NaHSO3复合反应 效率低于89%；且酵母体内有乙醇脱氢酶存在。
总反应式为：
C6H12O6
C3H5(OH)3 + CH3CHO + CO2
肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等 。
（5）柠檬酸酯（三酯等）：树脂增塑剂（抗霉），化工原
料，药物等。
2. 柠檬酸的生物合成途径
菌种：黑曲霉和假丝酵母
好氧发酵
发酵原料：玉米、干薯、木薯、小麦、糖蜜等。
黑曲霉偏好于无机氮源。
无机氮源被利用后，对M的pH值有影响。
T：黑曲霉生长最适33℃~37℃，柠檬酸积累32℃。 pH值：黑曲霉生长最适pH3~7，柠檬酸积累pH< 2。
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训1. 引言微生物是一类非常重要的生物资源，对于人类的生活和产业发展起着不可忽视的作用。
微生物的代谢调控与发酵生产技术是微生物应用领域的核心内容。
本培训将介绍微生物代谢调控的基本原理和发酵生产技术的关键知识，帮助学员更好地了解微生物的代谢特点，掌握发酵工艺的操作技术，为微生物相关领域的研究和应用提供基础支持。
2. 微生物代谢调控的基本原理2.1 代谢调控的概念和意义代谢调控是指生物体对代谢过程的控制机制，通过对代谢途径中关键酶的调节，微生物能够根据环境变化和能源需求来调整代谢途径的流动，以更高效地利用营养物质并适应外界环境的变化。
2.2 代谢调控的方式代谢调控主要通过转录水平的调节和翻译后修饰来实现。
微生物中常见的代谢调控方式包括基因表达调控、底物浓度调控、反馈抑制调控等。
2.3 代谢网络的建立与调控代谢网络是由一系列相互作用的代谢途径构成的复杂网络系统。
微生物中的代谢网络涉及到多个途径和多个酶的相互作用，需要考虑途径之间的交叉调控和代谢产物之间的协同作用。
3. 发酵生产技术的关键知识3.1 发酵工艺的基本流程发酵工艺是利用微生物对底物进行代谢转化的过程。
发酵生产技术涉及到微生物的选取与培养、发酵条件的控制、产物的提取与纯化等关键步骤。
3.2 常用的发酵微生物常用的发酵微生物包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌等，它们具有不同的生理特点和产物合成能力，可以根据不同的需求选择合适的微生物进行发酵生产。
3.3 发酵条件的调控发酵条件的调控对于发酵过程中微生物的生长和产物的合成起着关键作用。
常见的发酵条件包括pH值、温度、氧气浓度、营养物质浓度等，通过调节这些条件可以控制微生物的生长速率和产物合成速率。
3.4 发酵产物的提取与纯化发酵产物的提取与纯化是发酵生产技术中的最后一个重要步骤。
通过适当的提取和纯化工艺，可以获得高纯度的发酵产物，并去除其中的杂质，以满足不同领域的应用需求。
第3章 1 发酵机制和代谢控制发酵
淀粉质原料生பைடு நூலகம்酒精工艺流程
• 原料预处理 • ↓ • 蒸煮（145-155℃） • ↓ • 糖化（糖化剂） • ↓ • 发酵（酒母） • ↓ • 蒸馏（乙醇、杂醇油、醛酯等）
酒精发酵的三个阶段
• 前期发酵 • 主发酵 • 后发酵
前期发酵
• 酒母和糖化醪加入发酵罐后,由于醪液中 含有一定的溶解氧和充足的营养物质,酵 母能迅速生长到一定的水平.此时醪液中 . 的糊精继续被糖化酶作用生成可发酵糖. • 该过程一般保持温度为26-28OC,时间为10 小时左右. • 此时由于酵母数量较少,易染杂菌.
酶合成的开 关 迟缓 粗的控制
高分子化合物(酶蛋 白)
代谢控制发酵常用方法
• 选育营养缺陷型.由于某一途径发生缺陷,不能 积累终产物,解除了反馈调节,使中间产物或另 一途径终产物积累. • 选育抗反馈调节突变株,由于这样的突变株不再 受正常反馈调节,终产物可积累. • 选育细胞通透性突变株,使终产物在细胞内不能 积累到引起反馈调节的浓度. • 利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方 法,解除终产物对关键酶的调节.
同型乳酸发酵
• 大多数乳酸菌不具有丙酮酸脱羧酶,因此不能生 成乙醛.而是在乳酸脱氢酶的作用下,丙酮酸直 接作为受氢体被还原为乳酸. • C6H12O6 →2CH3CHOHCOOH • 转化率:(90× 2/180) ×100%=100% • 进行同型乳酸发酵的菌种有: 乳酸链球菌 (Streptococcus Lactis),保加利亚乳杆菌 (Lac.bulgaricus), 德氏乳杆菌(Lac.delbriickii)
主发酵
• 醪液中糖分迅速下降,酒精逐渐增多,CO2 大量产生搅动酵母上下翻动与糖充分接 触,使发酵进行得更彻底,发酵醪温度快速 上升. • 该阶段温度保持在30-340C,大约12小时左 右. • 由于产生大量的发酵热,提前做好降温准 备,否则易染菌(高于37OC)和酵母老化.
酿酒酵母中发酵代谢和营养物质代谢的调控机制和生物学作用
酿酒酵母中发酵代谢和营养物质代谢的调控机制和生物学作用酿酒酵母是一种非常重要的微生物，在酿造酒类和面包等食品时起着至关重要的作用。
酿酒酵母的发酵代谢和营养物质代谢是如何被调控的呢？本文就这个问题展开探讨。
一、酿酒酵母的发酵代谢酿酒酵母的发酵代谢主要包括糖的分解和酒精的产生，这是酿造酒类的关键过程。
在开始发酵前，酿酒酵母需要获取营养物质，如碳源、氮源、矿物质、维生素等。
其中碳源是酿酒酵母最为关键的营养物质之一。
在糖的分解过程中，酿酒酵母主要利用葡萄糖来产生能量和酒精。
在酿造过程中，葡萄糖通过磷酸化反应转化为葡萄糖六磷酸，进入己糖醛酸途径。
己糖醛酸途径包含了三个阶段，分别是糖酵解、三羧酸循环和呼吸传递链。
在糖酵解阶段，葡萄糖被逐步分解为丙酮酸和磷酸二酯，从而产生能量和酒精。
随着糖的逐渐消耗，酿酒酵母的代谢会逐渐向三羧酸循环和呼吸传递链方向转化。
二、酿酒酵母的营养物质代谢除了碳源外，酿酒酵母还需要获取氮源、矿物质、维生素等营养物质。
其中，氮源是酿酒酵母所需要的最关键的营养物质之一。
酿酒酵母可以利用氨基酸作为氮源，也可以利用其他形式的氮源。
在酵母细胞内，氮源主要通过蛋白质降解和尿素循环来转化为氨基酸。
其中，蛋白质降解是酿酒酵母获取氮源的最主要途径。
在蛋白质降解过程中，蛋白质被分解为氨基酸，然后通过基氮循环和反式氨基酸途径进入己糖醛酸途径，最终产生能量和二氧化碳。
此外，酿酒酵母还可以利用其他的营养物质来满足氮源需求，如硫酸盐、镁离子、维生素等。
三、酿酒酵母的代谢调控机制酿酒酵母的代谢调控机制是非常复杂的。
在糖的分解、酒精的产生、营养物质的合成、细胞生长等过程中，酵母细胞会通过各种代谢通路相互作用，并受到内部和外部环境的影响。
在酿酒酵母的代谢调控中，启动子是一个非常重要的因素。
启动子是基因表达的起始序列，它决定了基因的转录。
在酿酒酵母中，启动子的选择和绑定是基因调控的重要环节。
此外，酿酒酵母的代谢调控还受到许多其他因素的影响，如细胞内的信号转导通路、酵素的翻译后修饰等。
生物发酵工程中的代谢调控与优化研究
生物发酵工程中的代谢调控与优化研究生物发酵工程是一门综合性科学，它涉及了许多领域，包括生物学、化学、物理学、数学等等。
其中，代谢调控与优化是生物发酵工程中的一个重要环节。
代谢调控与优化能够帮助我们更好地了解微生物代谢过程中的基本原理和反应机制，并能够优化微生物代谢产物的产量和质量，从而提高生物发酵工程的效率和经济性。
一、代谢调控的基本原理代谢调控是指在生物代谢过程中，通过对代谢途径的调控以及代谢产物的反馈调控等方式，来控制代谢产物的产量和质量。
在微生物代谢过程中，代谢途径的选择和代谢产物的生成受到多种因素的影响。
例如，基因表达水平的变化、底物浓度的变化、酶的活性的变化等等。
通过对这些因素的调控，可以使代谢途径更加高效地进行，并且能够获得更多的代谢产物。
二、代谢调控的方法代谢调控的方法主要包括基因工程、化学诱变和生物信息学等方法。
基因工程是将外源基因或者改变了部分自身基因的微生物用于代谢生产。
通过基因工程的方法，可以获得更高的代谢效率和更高的代谢产物产量。
化学诱变是指利用物理或化学方法诱变微生物的基因，从而获取表现出更优惠代谢特性的突变株。
生物信息学是应用电脑处理代谢信息，寻找代谢途径的正向或反向调控因素，通过对这些因素的调控，使代谢途径更加高效地进行。
三、代谢调控的应用在生物发酵工程中，代谢调控被广泛地应用于生物代谢产物的生产过程中。
例如，产蛋白酶的红曲菌对它产生的蛋白酶成分、生长条件和培养基成分都十分敏感，调整代谢途径的选择和养殖条件，可以使红曲菌产生高效的蛋白酶。
此外，代谢调控还被应用于药品生产、化工生产等生产领域，从而提高生产效率、降低生产成本以及提高生产均匀度和质量。
四、代谢调控的最新研究成果近年来，代谢调控领域的最新研究成果涉及到了生物合成、系统生物学和生物催化等方面。
例如，利用表面展示技术，可以在双歧杆菌表面显示出合成的葡萄糖酸钙，提高了生物合成的效率；利用DNA合成技术，可以构建合成生物系统，并研究它们在代谢途径中的角色，从而更好地了解代谢途径的调控机制；最近，研究人员利用代谢工程技术和生物催化技术，将木糖转化为丙酮酸和异丁醇，为利用木糖进行生物合成奠定了重要的基础。
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
18
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
12
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。
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。
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。
微生物的代谢调控与发酵生产
★抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性 突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。
4.生物化学方法
1. 添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生 D B C E
(-) (-)
(-)
A
F
2. 添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往 不是该酶的底物，而是底物的衍生物，
3. 发酵与分离过程耦合：
4. 控制发酵的培养基成分：
5.控制细胞膜渗透性
• 使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 (1) 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 • 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； • 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； • 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； • 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的 作用与生物素相似。 (2) 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 • 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添 加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸 产量。 • 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造 成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或 油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。
1.营养缺陷型菌株的应用
（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突 变株只能积累中间代谢产物
Aa
B
b
C
c
DБайду номын сангаас
d
E
末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限 量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈 调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物 C。
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⑥培养温度过高或菌移植次数过多，会使 抗生素的生产能力下降。
嘌呤核苷酸的生物合成途径
全合成途径 补救途径：在发酵液中添加嘌呤、戊糖和磷酸 ，通过酶作用直接合成单核苷酸。 嘌呤核苷酸的代谢调节
天冬氨酸 一碳单位
HCO3-
甘氨酸
C 6 N1 5 C
C2 3 4C N
N 7
8C
9 N H
一碳单位
甘氨酸
嘌呤环合成的原料来源
嘌呤核苷酸的全合成途径 5′-磷酸核糖的活化 IMP（肌苷酸）的合成 由IMP生成AMP和GMP
XMP XMP氨化酶 GMP
延胡索酸
NADH
GDP+Pi
腺苷琥珀酸
（SAMP）
SAMP 裂解酶
SAMP 合成酶
GTP+ 天冬氨酸
黄嘌呤 核苷-磷酸
NAD+ IMP （XMP）
脱氢酶
XMP
氨化酶
IMP
GMP
AMP
还原酶
脱氨酶
AMP
AICAR
鸟嘌呤核苷酸 （GMP）
ADP ATP
PRA
GDP
谷氨酸
GTP
衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子 鳌合剂，用作水处理中的除垢剂，对防 止碱性钙、镁垢的形成非常有效。 Bentley学说 Shimi学说
1.5葡萄糖 EMP 3乙醇 乙酸 衣康酸 琥珀酸
真菌葡萄糖酸发酵 细菌葡萄糖酸发酵
真菌葡萄糖酸发酵
黑曲霉（ASP.niger）和青霉（ penicillium）均可以发酵葡萄糖为葡 萄糖酸。
2 次级代谢产物的特征：
①次级代谢产物是由微生物产生的，不参 与微生物的生长和繁殖。
②次级代谢产物的生物合成与初级代谢产物合成 无关的遗传物质有关。
③次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖 期（trophophase）和生产期（idiophase）。
④次级代谢酶的底物特异性在某种程度上是比较 广泛的，一般都产生结构上相类似的多种组分 。
葡萄糖
14
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸 脱氢酶
13
丙酮酸
1
CO2
乙酰辅酶A
2
参与嘌呤和嘧啶的合成 脂肪酸
苹果酸 脱氢酶
草酰乙酸
10
苹果酸
9
延胡索酸
8
琥珀酸
7
天冬氨酸
参与蛋白
乙酰辅酶A 质合成
12
柠檬酸
3
顺乌头酸16 衣康酸
乙醛酸
3
11
异柠檬酸
4
草酰琥珀酸
琥珀酰辅酶A
5
6
α－酮戊二酸 15 谷氨酸
参与蛋白 质合成
1 氨基酸发酵的代谢控制
①控制发酵的环境条件 • 氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条
件的影响。 ②控制细胞渗透性 • 通过改变细胞渗透性，实现谷氨酸的积
累。
③控制旁路代谢
D-苏氨酸
L-苏氨酸
D-苏氨酸 脱氢酶
α-酮基丁酸
L-苏氨酸 脱氢酶
反馈抑制
L-异亮氨酸
④ 降低反馈作用物的浓度
控制反馈作用物浓度是克服反馈抑制和阻遏， 使氨基酸的生物合成反应能顺利进行的一种手 段，如利用瓜氨酸缺陷型生产鸟氨酸。
2ATP
丙酮酸激
⑽
酶
2(NADH+H+)
⑹ 2Pi 1，3-二磷酸甘油酸
2ADP
⑺
2ADP
磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼
2-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸 2ATP
2H2O
糖酵解和酒精发酵的全过程
葡萄糖
14
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
1
Байду номын сангаас
CO2
13
乙酰辅酶A
2
草酰乙酸
10
苹果酸
乙酰辅酶A
12
9
延胡索酸
乙醛酸
8
琥珀酸
7
琥珀酰辅酶A
SAICAR合成酶 （CAIR)
次黄嘌呤 H2O
THFA
5-甲酰胺基咪唑
腺苷酸琥珀 N10-甲 酸裂解酶 酰THFA
延胡索酸
5-氨基-4-氨甲
核苷酸 IMP环化 -4-氨甲酰核苷酸 (IMP) 脱水酶 （FAICAR）
酰咪唑核苷酸 （AICAR）
由IMP生成AMP和GMP
5′-IMP
AMP SAMP裂解酶 SAMP
天冬氨酸族氨基酸的生物合成
（天冬氨酸、赖氨酸、高丝氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）
天冬氨酸
天冬氨酸 激酶
天冬氨酰胺磷酸 天冬氨酸半缩醛
协同反 馈抑制
高丝氨酸
蛋氨酸或苏 氨酸
赖氨酸
水解糖
淀 粉
尿素 无机盐 生长因子
培养基
水
发酵罐
斜 面 空气
摇瓶培养基 加压
种子罐
观察温度 测pH 测 OD
测残糖 测谷氨酸
生物素不足时，就抑制了不饱和脂肪酸
的生成，从而影响了磷脂的生成，导致
磷脂含量不足，使细胞膜结构不完全， 从而提高细胞膜的通透性
表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成 有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的 生物合成，导致形成磷脂含量不足的不 完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨 酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外 。
⑤消除终产物的反馈抑制与阻遏 通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法来 进行，如利用高丝氨酸缺陷型变异株发酵生产 赖氨酸。
⑥促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成， 如利用异亮氨酸缺陷型变异株发酵生产脯氨酸 （见图5-9）。
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
2
6-磷酸果糖 6-磷酸葡萄糖酸
葡 萄
果糖-1，6-二磷酸
苹果酸
黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉、华根 霉、无根根霉、短乳杆菌、产氨短 杆菌等
用途
食品工业和化学工业的酸味剂、增稠剂 、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、螯 合剂等药物、纤维媒染剂、助染剂等 食品工业的酸味剂、防腐剂、还原剂、 制革辅料等。
广泛应用于食品、化工等行业
药物、除锈剂、塑化剂、酸化剂等
制造合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶 、离子交换树脂、表面活性剂和高分子 螯合剂等的添加剂和单体原料
葡萄糖酸
一些常用发酵法生产的有机酸的来源和用途
有机酸名称
来源
柠檬酸 黑曲霉、酵母等
乳酸 醋酸 葡萄糖酸
德氏乳杆菌、赖氏乳杆菌、米根霉 等
奇异醋杆菌、过氧化醋杆菌、恶臭 醋杆菌、中氧化醋杆菌、醋化醋杆 菌、弱氧化醋杆菌、生黑醋杆菌等
黑曲霉、葡糖酸杆菌、乳氧化葡糖 酸杆菌、产黄青霉等
衣康酸 土曲霉、衣糖酸霉、假丝酵母等
32℃保温 搅拌 流加尿素
冷却 除水
测残脲
通风
棉花过滤
HCL或H2SO4
活性炭
加碱 加水
等电点
提取分离液
粗谷氨酸
中和
中和液
加硫酸钠 和活性炭
除铁脱色液
浓缩结晶
味精小晶体
味精晶体
干燥
干燥
磨粉
过筛
混盐
包装
包装
味精成品
粉末味精成品
谷氨酸和味精生产工艺流程
核苷酸发酵机制
嘌呤核苷酸的生物合成途径
嘌呤核苷酸的代谢调节
Gln
N10-甲酰THFA
H2O
THFA
H2O
甲酰甘氨酰胺核苷酸 （FGAR）
磷酸核糖甘氨酰 胺转甲酰酶
甘氨酰胺核苷酸 （GAR）
K+
ADP+Pi CO2
5-氨基咪唑核苷酸
（AIR）
AIR羧化酶
5-氨基-4-甲 酸咪唑核苷酸
（CAIR）
ATP ADP+Pi5-氨基-4-
ASP
（N-琥珀基）
Mg2+ 甲酰胺核苷酸
环境因子
发酵产物转换
溶解氧
乳酸和琥珀酸 （通气不足）
谷氨酸
α－酮戊二酸
（适中） （通风过量，转速过快）
NH4+ pH值 磷酸
α－酮戊二酸 （缺乏）
谷氨酸 （适量）
谷氨酰胺 （过量）
谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺
谷氨酸
（pH值5～8，NH4+过多） （中性或微碱性）
缬氨酸
谷氨酸
（高浓度磷酸盐） （磷酸盐适中）
生物素
乳酸或琥珀酸 （过量）
谷氨酸 （限量）
影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质
生物素
其作用是引起细胞膜的脂肪
一 油酸
成分的改变，尤其是改变油 酸的含量，从而改变细胞膜
表面活性剂 通透性
二：青霉素：抑制细胞壁的合成
BCCP （生物素羧基载体蛋白） -羧基生物素在 转羧酶作用下，形成丙二酰CoA 丙二酰CoA与乙酰CoA缩合并脱羧，生 成丁酰CoA，如此反复进行合成高级脂 肪酸，再合成磷脂
及时补加草酰乙酸
➢发酵液中添加草酰乙酸或使用回补途径旺盛的菌种。
ATP 葡萄糖 ⑴
己糖激酶
ADP
乳酸
葡萄糖-6-磷酸 ⑵ 果糖-6-磷酸 ATP
⑿ +2H+ 丙酮酸
乙醇 ⒁
2NAD+
Mg2+
磷酸果糖激 ⑶
ADP
酶
果糖-1，6-二磷酸
⑾ 2CO2
乙醛 +2H+
⑷
二羟丙酮 磷酸
⑸
甘油醛3-磷酸
烯醇式丙酮酸
食品酸味剂、添加剂、药物、日用化工 及化学辅料等
糖及营养物
配
灭菌
料
种子罐
消泡剂
发 酵 罐
空气 过 滤 器