第6章 微生物发酵机理

2) 果酱与酿造酒

柠檬酸在果酱与果冻中同样可以增进风味，并使产 品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一 定范围的pH值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一 要求。

当葡萄或其它酿酒原料成熟过度而酸度不足时，可 以用柠檬酸调节，以防止所酿造的酒口味单薄。柠 檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用， 以保护果汁的新鲜感和防止变色。
化能异养微生物的能量代谢
底物失氢（电子） 传递体递氢（电子） 受体受氢（电子）
没有电子传递链 有机物 有电子传递链 呼吸 内源性有机物 发酵
O2 有氧（好氧）呼吸 除O2外的无机物或延胡 索酸 无氧 呼吸
化能自养菌的能量代谢
以无机物氧化获得能量， 无机物作为氢供体 以无机物氧化获得能量，CO2作为唯一碳源 氧化过程 底物失氢 无机物 传递体递氢 一般呼吸链 化能无机营养型 化能自养菌 受体得氢 一般O2（无氧NO3-、CO32-）
回补途径
草酰乙酸 柠檬酸
苹果酸
顺乌头酸
柠檬酸积累机理
5、柠檬酸积累增加，pH降低，在低pH条件下， 顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而 进一步促进了柠檬酸自身的积累。 柠檬酸×顺乌头酸×异柠檬酸×草酰琥珀酸
氨基酸发酵机制

氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活 动生产各种氨基酸的现代工业。
绿色植物、藻类和蓝细菌 所共有的产ATP方式。 特点：两个光系统 水光解提供电子 产物除ATP外，
产生NADPH和O2。
返 回
细菌视紫红质的光合作用
Bacteriorhodopsin
返 回
第二节厌氧发酵产物的合成机制
酒精发酵机制 甘油发酵机制 乳酸发酵机制 沼气发酵机制
ATP 葡萄糖 ⑴
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
2-磷酸甘油酸
异型乳酸发酵
分两种途径 1、6-磷酸葡糖酸途径（磷酸酮解途径） 2、双歧途径（也是磷酸酮解途径）
葡萄糖
1
2 3
ATP ADP
乙醇
6－磷酸葡萄糖 NAD
NADH＋H＋
8
乙醛
NAD
1. 己糖激酶 2. 6－磷酸葡萄糖脱氢酶 3. 6－磷酸葡萄糖酸脱氢酶 4. 5－磷酸核酮糖－3－差向异构酶 5. 磷酸解酮酶 6. 磷酸转乙酰酶 7. 乙醛脱氢酶 8. 醇脱氢酶
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。
医药占5％
其它占10％

柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产 量最大的有机酸。 我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约50 万吨


欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约30万吨
美国柠檬酸年产量约25万吨
柠檬酸发酵微生物

黑曲霉
分生孢子头
柠檬酸发酵机理
TCA循环与乙醛酸循环 柠檬酸积累的代谢调节 柠檬酸积累机理
柠檬酸积累的代谢调节
三羧酸循环的调节
柠檬酸 × 顺乌头酸 × 异柠檬酸 ∵顺乌头酸酶含铁的非血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。 且反应需要Fe++ ∴１适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与Fe++ 生成络合 物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。 ∴２诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损 或活力很低，同样积累柠檬酸。
第6章
微生物发酵机理
微生物发酵机理
第一节 第二节 第三节
微生物基础物质代谢 厌氧发酵产物的合成机制 好氧发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
物质代谢
能量代谢
蛋白质
氨基酸
核酸
核苷酸
淀粉、糖原
1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖
脂肪
物 质 代 谢
核糖-5-磷酸 甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰氨 丙氨酸 甘氨酸 丝氨酰 苏氨酸 半胱氨酸 天冬氨酸 天冬酰氨 酪氨酸 天冬氨酸 苯丙酰氨 异亮氨酸 甲硫酰氨 苏氨酸 缬氨酸 谷氨酸 谷氨酰氨 组氨酸 脯氨酸 精氨酸 磷酸二羟丙酮 PEP 丙酮酸 亮氨酸 赖氨酸 酪酰氨 色氨酸 笨丙氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 色氨酸 甘油
5 6
α－酮戊二酸
TCA循环与乙醛酸循环
15
谷氨酸
参与蛋白 质合成
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸 磷酸烯醇 ADP ATP
式丙酮酸 羧化酶
丙酮酸 CO2 乙酰CoA 丙酮
酸羧 化酶
实现柠檬酸积 累：
一、设法阻断代谢 途径，实现柠檬酸 的积累 二、代谢途径被阻
ATP CO2
CO2
ADP
草酰乙酸
抑 制 剂
柠檬酸
α－酮戊二酸
TCA循环与乙醛酸循环
谷氨酸
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸
14
13
丙酮酸 脱氢酶
丙酮酸
1
乙酰辅酶A
CO2
参与嘌呤和嘧啶的合成 脂肪酸
2
苹果酸 脱氢酶
草酰乙酸
10
天冬氨酸
参与蛋白 乙酰辅酶A 质合成
柠檬酸
3
苹果酸
9
12
顺乌头酸
乙醛酸
11
16 3
衣康酸
延胡索酸
8
异柠檬酸
4
琥珀酸
7
草酰琥珀酸
琥珀酰辅酶A
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。
2004年全球柠檬酸产量约120万吨，欧盟
和美国为最大消费市场。
柠檬酸的消费领域：
饮料行业占40～45％
食品添加剂等占15～20％
洗涤剂占20～30％
7
ADP
ATP NADH＋H＋ NAD＋
3分子乙酸
乳酸
葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸
沼气发酵
生物化学本质来说，就是一 种由产甲烷菌进行的甲烷形 成过程。分为四个阶段
1．水解阶段 2．发酵阶段 3．产乙酸阶段 4．产甲烷阶段
第三节
好氧发酵产物的合成机制
柠檬酸的发酵机制
氨基酸的发酵机制
柠檬酸的发酵机制
明串珠菌等的异型乳酸发酵（产物 除乳酸外尚有乙醇，CO2）
ATP
同型乳酸发酵
乳酸
+ ⑿ +2H
葡萄糖
⑴
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
果糖-6-磷酸 ⑶ 2NAD+ +2H+
ATP Mg2+ ADP
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 二羟丙酮 ⑸ 甘油醛3-磷酸 磷酸
丙酮酸 ⑾ 烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽ 2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O
NADH＋H＋
6－磷酸葡萄糖酸 NAD
7
乙酰CoA
NAD
NADH＋H＋
NADH＋H＋
5－磷酸核酮糖
6
乙酰磷酸
4
5－磷酸木酮糖
乙酰
5
3－磷酸甘油醛 NAD
NADH＋H＋
ADP ATP NADH＋H＋
NAD
乳酸
6－磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇
葡萄糖
ATP ADP
6－磷酸果糖
6－磷酸果糖
1
4－磷酸赤藓糖
Pi
脂肪酸
丙二单酰CoA
乙酰乙酰CoA
乙酰CoA
胆固醇
草酰乙酸 苹果酸 延胡索酸 琥珀酸 琥珀酰CoA -酮戊二酸
乙醛酸
柠檬酸
异柠檬酸
微生物的能量代谢
中心任务是将外界环境中各种形式的最初能源转变成 能量货币——ATP。 日光 （光能营养菌）
最初能源 有机物（化能异养菌）
—ATP
还原态无机物（化能自养菌）
柠檬酸积累机理
3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活性 低，从而使柠檬酸积累。
顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡
柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90 ：3：7
柠檬酸积累机理
葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮 酸羧 化酶
丙酮酸
乙酰CoA
4、丙酮酸氧化脱 羧生成乙酰辅酶Ａ 和丙酮酸固定CO２ 反应相平衡 柠檬酸合成酶不 被抑制，增强了合 成柠檬酸的能力。
柠檬酸在食品中的应用 柠檬酸发酵微生物 柠檬酸发酵机理
1) 饮料与冰淇淋

柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软 饮料 柠檬酸本身是果汁的天然成分之一，不仅赋于 饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化 等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分 交融协调，形成适宜的口味和风味；添加柠檬 酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性， 防止氧化作用。
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
乳酸
+ ⑿ +2H
果糖-6-磷酸 乙醇 ⒁ 2NAD+ ⑶
ATP Mg2+ ADP
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 甘油醛二羟丙酮 ⑸ 3-磷酸 磷酸
丙酮酸 ⑾ 2CO2
乙醛 +2H
+
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽ 2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
只存在于能进行光合作用的生物中，具有 叶绿素或细菌叶绿素，或者细菌视紫红质 循环光合磷酸化 非循环光合磷酸化
嗜盐菌紫膜光合磷酸化
循环光合磷酸化（环式光合磷酸化）
一般光合细菌
细菌叶绿素
特点
可在厌氧条件下进行,只一个 光反应系统 产物ATP，无NAD（P）H， 也不产生分子氧。 返 回
非循环光合磷酸化
糖酵解及丙酮酸代谢 的调节
回补途径
草酰乙酸 柠檬酸

三羧酸循环的调节

及时补加草酰乙酸
苹果酸
抑 制 剂
阻断
顺乌头 酸酶
顺乌头酸
柠檬酸积累机理
黑曲霉
1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成， 而导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了 EMP途径的畅通。 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供 草酰乙酸。
柠檬酸积累的代谢调节
葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮 酸羧 化酶
丙酮酸
乙酰CoA

及时补加草酰乙酸 外加草酰乙酸
回补途径旺盛的菌种
• 组成型的丙酮酸羧化酶
回补途径
草酰乙酸 柠檬酸
苹果酸
抑 制 剂
阻断
顺乌头 酸酶
顺乌头酸
柠檬酸积累的代谢调节
葡萄糖 磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮 酸羧 化酶
丙酮酸
乙酰CoA

2
3－磷酸甘油醛 7－磷酸景天庚酮糖
乙酰磷酸
ADP ATP 乙酰
3
5－磷酸木酮糖 5－磷酸核糖
4
5－磷酸核酮糖
5
5－磷酸木酮糖
6
2 分子3－磷酸甘油醛 NAD＋ NADH＋H＋ 乙酰磷酸 1. ADP ATP 2. 3. 4. 5. 6. 7. 6-磷酸果糖解酮酶 转二羟基丙酮基酶 转羟乙醛基酶 5－磷酸核糖异构酶 5－磷酸核酮糖－3－差向异构酶 5－磷酸木酮糖磷酸酮解酶 乙酸激酶
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
1 14
柠檬酸 合成酶
降低 2
ATP
13
乙酰辅酶A
限速反应
草酰乙酸
10Fra Baidu bibliotek
柠檬酸
3
乙酰辅酶A
12
顺乌头 酸酶 16 3
苹果酸
9
延胡索酸
8
延胡索 酸酶
关键酶
乙醛酸
11
顺乌头酸
衣康酸
琥珀酸
7
异柠檬酸 异柠檬酸 4 脱氢酶 草酰琥珀酸
5
琥珀酰辅酶A α-酮戊二 酸脱氢酶
6 15
异柠檬酸 脱氢酶
甘油发酵
2ATP 2ADP 2ATP 葡 萄 糖 2ADP 1.6二磷 酸果 糖
3-磷酸甘 油醛 NAD 磷酸二羟丙 酮 丙酮酸
CO2
乙 醛
NaHSO3
乙醛 HSO3
﹢
NADH+H ﹢
Pi
α-磷酸甘 油
甘 油
H2O
NADH+H＋
﹢ NAD
乳酸发酵机制
乳酸发酵 乳酸菌的同型乳酸发酵（产物中只 有乳酸）
化能自养菌的底物和呼吸链
底物有NH4+ 、H2S、S、NO2-、 SO32- 、 S2O32- 、 Fe 、 H2 等
NH4+ 、SO32- 、S2 -
H2 NAD NADH
Fe、 S2O32- NO2Cyt a1 ATP Cyt aa3
Fe ATP
Q
Cytcc1 ATP
O2 (NO3-
ATP
光能微生物的能量代谢
顺乌 头酸 酶
断部位之后的产物， 必须有适当的补充 机制
阻断
苹果酸
顺乌头酸
柠檬酸的生物合成途径
葡萄糖
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸 CO2 乙酰CoA
柠檬酸发酵 机理
草酰乙酸
抑 制 剂
柠檬酸
顺乌头 酸酶
阻断
苹果酸
顺乌头酸
柠檬酸的生物合成途径
柠檬酸积累的代谢调节

糖酵解及丙酮酸代谢的调节
黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高 NH4+浓度，高浓度NH4+ 可有效解除ATP、 柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。
2-磷酸甘油酸
糖酵解和酒精发酵的全过程
酒精发酵中的副产物
主产物：乙醇、CO2 醇（杂醇油） 酵母菌酒精 醛（糠醛） 发酵 酸（琥珀酸） 副产物40多种 酯 甲醇
酒精发酵中的主要副产物
杂醇油的生成 琥珀酸的生成 酯类的生成 糠醛、甲醇等的生成
甘油发酵机制
酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成 乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量 很少。 如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替 代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母Ⅱ 型发酵）。 NaHSO3可作为抑制剂： 乙醛 + NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠↓