发酵机制
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1.3 酯类物质
酯是啤酒香味的工要组成成分,它是通过酯酰辅酶 A与醇缩合而形成的。
传统淡色啤酒以酒花香为主体香,含有适量的酯,才 使啤酒香味丰满协调。过高的酯含量会使啤洒有不愉快的 香味。近代啤酒中的酯含量与高级醇一样,普遍有升高的 趋势。有的酒其乙酸乙酯大于阈值,有淡雅的果实香味, 也成为一种独特的风味。
双乙酰
酵母还原
2,3-丁二醇
双乙酰合成消除途径
缬氨酸
1.2.2.2 双乙酰的消除措施:
1.提高麦汁中氨基氮的含量;提高麦汁中缬氮酸的含量 通过反馈作用,抑制从丙酮酸合成缬氨酸的支路代谢作 用。
2.利用酵母的还原作用,将双乙酰转变成2,3-丁二醇; 3.利用二氧化碳的洗涤作用,排除双乙酰。 4. 加入-乙酰乳酸脱羧酶; 5.使用基因工程构建的含有-乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株
c.发酵条件。一般发酵温度高,高级醇生成量高, 通风有利于高级醇生成。高级醇的生成与乙醇的 生成是平行的,随乙醇的生成而生成。
1.2.2 双乙酰(diacetyl)
1.2.2.1 双乙酰合成途径
双乙酰是啤酒生产过程中的重要成分,它是酵母细胞 内生物合成缬氨酸.亮氨酸的中间产物;也是衡量啤酒成 熟和质量水平的主要指标.它赋予啤酒一种不愉快的馊味, 淡色贮藏啤哂的双乙酰含量应控制在0.1mg/L以下。
bulgaricus)等。
2H(乳酸脱氢酶)
C6H12O6 EMP 2CH3COCOOH
2CH3CHOHCOOH
同型乳酸发酵的特点:1mol的G产生2mol乳酸,理论转化率
是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
二、 异型乳酸发酵
发酵产物中除乳酸外同时还有比例较高的乙酸、乙醇 、二氧化碳等,称为异型乳酸发酵。其生物合成途径有两 种。
酒花香 • 啤酒的香味 麦芽香
发酵过程形成的各种酯类的香味 果香 • 果酒的香味 发酵香 陈酿香
形成途径: 通式:R-CO-SCOA +ROH
RCOOR +COA-SH
R-CO-SCOA
脂肪酸的激活作用 酮酸的氧化作用
• 在ATP的作用下,使脂肪酸活化
R-COOH + ATP + COA-SH RCO-SCOA + AMP + PPi
CH2 OH
1mol葡萄糖只产生1mol甘油,不产生ATP,整个过程无ATP积 余,可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐不能加得太多,否则会使酵母 菌因得不到能量而终止发酵,必须留一部分酒精发酵,以使获得一 些能量,供生命活动所需。
2ATP
CO2 NaHSO 3
2ATP 3-磷酸甘油醛→→丙酮酸→乙醛→乙醛亚硫酸钠加成物
在好氧发酵条件
丙酮酸进入TCA环,进行代谢,产生各种好 氧代谢产物或完全氧化获得能量。
B、 三羧酸循环 三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧
酸循环中脱下的氢,形成NADH 和 FADH2, 然后再逐步传递给氧。
A. 厌氧发酵机制
第一节 酒精发酵机制 1 酵母菌的酒精发酵
Leabharlann Baidu
1.1 酒精生成机制 (1 ) 葡萄糖(glucose) EMP 丙酮酸(pyruvic acid)
当以其他糖类作为碳源和能源时,先通过少数几步反 应转化为糖酵解途径的中间产物,然后沿着糖酵解途径 进行降解。
丙酮酸的不同去路。反应中生成的NADH2不能积存, 必须被重新氧化为NAD后,才能继续不断地推动全部反 应,在不同的机体,在不同的环境下(如氧气的有无) ,氢的受体不同,丙酮酸的去路也不同。
在无氧条件下:
在乳酸菌中受乳酸脱氢酶的作用,丙酮酸作为 受氢体而被还原为乳酸,即同型乳酸发酵;
在酵母菌中,丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用生 成乙醛,乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体被还 原为乙醇,即酒精发酵;
在梭状芽孢杆菌中,丙酮酸脱羧生成乙酰COA ,然后经一系列变化生成丁酰COA、丁醛,两者作为 受氢体被还原生成丁醇,生成物中还有丙酮、乙醇, 所以称为丙酮-丁醇发酵。
的乳酸发酵也是一条磷酸解酮酶途径。该途径的特点 是:①有两个磷酸解酮酶参与;②在没有氧化作用和 脱氢作用下,2分子G分解为3分子乙酸和2分子3-磷 酸甘油醛。接着,在3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢 酶的参与下, 3-磷酸甘油醛转化为乳酸,转化率为 50%。
第三节 甘油合成机制
一、 亚硫酸盐法甘油发酵
Corynebacterium 265-----------inosinic acid Asp.niger Uv06---------citric acid C.glutamicum As1299---------glutamic acid
(2) 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) :在发酵 过程中不需要供给无菌空气。
• 酵母菌在无氧的条件下,通过以上12步反应,1分子G生 成2分子的乙醇,2分子的CO2和 2分子ATP。
• 则1mol葡萄糖生成2mol乙醇,理论转化率为 2×46.05/180.1×100%=51.1%
但是在生产中大约有5%的葡萄糖用于合成酵母细胞 和副产物,实际上乙醇生成量约为理论值的95%,则乙 醇对糖的实际转化率约为48.5%。
3、氧化产能阶段
3--P--甘油醛 EMP 丙酮酸
总反应式 C6H12O6+NADP++ NAD++ ADP+ Pi
2CH3COCOOH+ NAD ·2H++ NADP ·2H +ATP
细菌酒精发酵的特点
优点:• 代谢速度快; • 发酵周期短,比酵母菌的酒精产率 高; • 厌氧且耐高温; • 能利用多种糖类
糖酵解途径及特点
EMP途径大致可分为三个阶段 1,6-二磷酸果糖的生成,消耗2分子ATP; 1,6-二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛; 3-磷酸甘油醛经五步反应转化为丙酮酸,产生4分子 ATP
它是动物、植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同 途径。 EMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶;磷酸果糖激 酶(该酶受ATP、柠檬酸的抑制,为AMP所激活);丙酮酸 激酶;3-磷酸甘油醛脱氢酶(受碘乙酸抑制);烯醇化酶 (受氟化物抑制)。
通过该途径,1mol的G产生1mol的乳酸, 乳酸对糖的理论转化率是50%。另外有比例较 高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)及葡聚糖明串珠菌 (Leuconostoc dextranicum)通过该途径 进行异型乳酸发酵。
2. Bifidus 途径(双歧途径): 双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)进行
• 酮酸的氧化作用
RCOCOOH + NAD +COASH RCO-SCOA + NADH2 + CO2
影响酯含量因素:
a.酵母菌种,不同的酵母菌种,发酵时形成的酯量是不同的; b.发酵温度高,有利于酯类的形成; c.接种量大,酯类的形成量低。
2. 细菌的酒精发酵 (alcoholic fermentation of bacteria)
b.由葡萄糖直接生成
1.2.1.2 影响杂醇油形成的条件
a.菌种。在同样的条件下,不同菌种的杂醇油生成 量相差很大。酵母的杂醇油生成量与醇脱氢酶活 性关系密切,该酶活力高,杂醇油生成量大。
b.培养基组成。培养基中支链氨基酸(亮氨酸、异 亮氨酸、缬氨酸)的存在,可增加相应的高级醇 (异戊醇、活性戊醇和异丁醇 )的生成量。培养 基中氮水平高,形成杂醇油量少,杂醇油总形成 量因氮水平高而降低。
双乙酰是α-乙酰乳酸在酵母细胞外非酶氧化的产物, 是酵母在生长繁殖时,在酵母细胞体内用可发酵性糖经 α-乙酰乳酸合成它所需的缬氨酸、亮氨酸途径中的副产 物,中间产物α-乙酰乳酸部分排出酵母细胞体外,经氧 化脱羧作用生成双乙酰。
CH3COCOOH +
CH3CHO-TPP(活性乙醛)
-乙酰乳酸
非酶氧化
e.g. lactic acid bacteria --------lactic acid
Bacillus clostridium -------acetone-butanol
(3)兼性发酵 (facultative fermentation) :
在有氧、无氧条件下均能生活。如酿酒酵母,在缺氧 条件下进行厌气性发酵积累酒精,而在有氧条件下则进行 好氧发酵,大量繁殖菌体细胞。
酵母菌在酒精发酵时,如加入亚硫酸氢钠等盐类,它能与 乙醛起加成作用,生成难溶的结晶状亚硫酸纳加成物,这样就 使乙醛不能作为受氢体,而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体,在 α- 磷酸甘油脱氢酶(NAD为辅酶)催化下生成α- 磷酸甘油, 后者在α- 磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α- 甘油。
CH2OH
OH
C6H12O6+NaHSO 3 → CHOH +CH3- C -H OSO2Na+CO2
1.2.1 杂醇油的生成
杂醇油是碳原子数大于2的脂肪族醇类的统称, 主要由正丙醇、异丁醇、 异戊醇和活性戊醇组成, 这些高级醇是构成酒类风味的重要组成成分之一, 当其过量时会影响产品质量,是酒类产品中质量 指标之一,应予以控制。
1.2.1.1酒精发酵中高级醇的形成途径
a.氨基酸氧化脱氨作用
试验证明转氨基是在α-酮戊二酸间进行, 根 据此机制,由缬氨酸产生异丁醇,异亮氨酸产生 活性戊醇,酪氨酸产生酪醇,苯丙氨酸产生苯乙 醇等。
己糖磷酸化作用
EMP 六碳糖转变为三碳糖
磷酸丙糖 丙酮酸
(2) 丙酮酸
乙醇
丙酮酸(pyruvic acid )丙酮酸脱羧酶
乙醛 乙醇脱氢酶 乙醇 (alcohol)
乙醛(acetaldehyde)
由葡萄糖生成乙醇的总反应式为
C6H12O6 + 2ADP +2H3PO4 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP
ED途径(脱氧酮糖酸途径)由部分EMP途径、部分HMP途径组成
ED途径的 三个阶段
1、G 氧化分解 6--磷酸葡萄糖酸 +NADP·H(HMP)
2、6--磷酸葡萄糖酸
三碳糖
6---P--葡萄糖酸脱水酶
6---P--葡萄糖酸
2--酮--3--脱氧--6-- P--葡萄糖酸
2--酮--3--脱氧--6-- P--葡萄糖酸 丙酮酸+3--P--甘油醛
缺点:
• 发酵工艺技术要求高
第二节 乳酸发酵机制
一、 同型乳酸发酵:进行乳酸发酵的主要是细菌。 它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸,丙酮酸还原产生乳酸
。发酵产物中主要为乳酸的称为同型乳酸发酵,如乳链球菌(
Streptococcus lactics)、乳酪链球菌( Streptococcus cremoris) 、干酪乳杆菌(lactobacillus casei)、保加利亚乳杆菌(Lac.
第六章 发酵机制
发酵(fermentation )
• 发酵作用:所谓的发酵,广义的讲就是利用微生 物或生物化学的手段,将各种物质加以改变,然 后利用由此产生的能量及代谢中间体,而得到各 种有用的物质。
发酵的类型
根据微生物的种类不同,可分为好氧性发酵、厌氧 性发酵和兼性发酵。
(1)好氧性发酵(aerobic fermentation):在发 酵过程中需要通入一定量的无菌空气,满足微生物呼吸需要。 e.g. Bacillus subtilis -----------amylase
1. 6-磷酸葡萄糖酸途径: 葡萄糖经6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖,再经差向 异构作用生成5-磷酸木酮糖;后者经磷酸解酮酶催化,分 解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶 作用变为乙酰CoA,再经乙醛脱氢酶作用生成乙醇。而3磷酸甘油醛经EMP途径生成丙酮酸。后者经乳酸脱氢酶催 化还原为乳酸。
菌种为运动发酵单孢菌(Zymomonas Mobilis),少数假单 胞杆菌(Pseudomonas),如林氏假单胞菌(Ps.lindneri)能 利用G经ED途径进行酒精发酵。 总反应式为
C6H12O6+ADP+H3PO4 → 2C2H5OH+2CO2+ATP 产物和酵母菌的酒精发酵相同,但产能水平各异。
1.2 酒精发酵中副产物的形成
主产物(product) :乙醇(alcohol)
副产物(by product ): 二氧化碳(carbon dioxide) 甘油(glycerol) 乙醛(acetaldehyde) 瑚珀酸( succinic acid ) 乙酸(acetic acid) 酯(ester) 高级醇(higher alcohol) 双乙酰(diacetyl)