第7章 发酵机制

Stickland 反应
Respiration 呼吸
Aerobic respiration 有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体 的呼吸。
Anaerobic respiration 无氧呼吸：以氧以外的其他氧化型 化合物作为最终电子受体的呼吸。
巴斯德效应：由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要比在 发酵中产生的多，所以在有氧条件下，兼性厌氧微生物终止 厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵的现象称为巴 斯德效应。 Respiration chain 呼吸链：指从葡萄糖或其他氧化型化合 物上脱下的氢（电子）经过一系列按照氧化还原势由低到高 顺序排列的氢（电子）传递体，定向有序的传递系统。
发 酵 工 程
第五章 第六章 第七章 第九章 第十章 第十一章
第八章 发酵动力学
第十二章 展望
第七章 微生物发酵机制
1 微生物基础物质代谢 2 厌氧发酵产物的合成机制
3 好氧发酵产物合成机制
微生物发酵机理：是指微生物通过其代谢活 动,利用基质合成人们所需要的产物的内在规 律。 发酵机理研究的内容: 研究微生物的生理代
二、微生物对培养基中氮源的代谢
蛋白质量及其分解产物和一些无机含氮物都可 以作为微生物氮素营养物质，甚至分子态氮也可用 作某些微生物的氮源。 微生物对蛋白质及其水解产物的分解过程如下： 蛋白质被肽酶分解生成氨基酸，脱氨作用生成 有机酸，脱羧作用生成胺类。
三、微生物的能量代谢（Energy metabolism of
Energy metabolism of microbes
微生物的能量代谢
化能异养微生物的生物氧化与产能
光能微生物的能量代谢
化能自养微生物生物氧化与产能 自养微生物生物对CO2的固定
化能异养微生物的生物氧化与产能
Fermentation 发酵：微生物在厌氧条件 下以其自身内部的某些有机物作为末端 氢（电子）受体进行的氧化还原过程。 Respiration 呼吸：微生物以分子氧或其 他氧化型化合物作为末端氢（电子）受 体进行的氧化还原过程。
microbes）
一切生命活动都是耗能反应，因此在微生物生理活 动中能量代谢是至关重要的。
微生物能量代谢的中心任务是：微生物如何把外界环境 中多种形式的最初能源转换成生命活动能使用的通用能 源—ATP。 研究微生物能量代谢的机制实质上就是追踪多种形式的 最初能源如何转化并释放出ATP的过程。微生物可以直 接从外界获得能量，还可以通过异化，将吸收进体内的 物质降解或氧化，从而获得能量。
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 1）碳源的厌氧分解 兼性和专性厌氧菌均能在无氧的条件下，对葡萄 糖进行分解，并可生成多种多样的代谢产物。正是 利用微生物的这些转化特性，形成了许多工业发酵
产品，如酒精、乳酸、丙酮与丁醇等。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢
Purple Nonsulfur Bacterial Photosynthesis
Green Sulfur Bacterial Photosynthesis
化能自养微生物的能量代谢
CO2为主要或唯一碳源，以还原态无机 化合物（NH4+、NO2-、H2S、H2和Fe2+ 等）的生物氧化获得能量和还原力[H]的 微生物称为化能自养微生物。 氢细菌 硝化细菌 硫细菌 铁细菌
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
糖酵解的特点：
在缺氧条件下，细胞进行无氧酵解，仅获得有 限的能量以维持生命活动，丙酮酸继续进行代 谢可产生酒精、乳酸等厌氧代谢产品。
在有氧条件下，细胞进行有氧代谢生成丙酮酸 后，进入TCA循环，其发酵产品有柠檬酸、氨 基酸及其他有机酸等。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
光合细菌类群 细菌光合色素 细菌光合作用
产氧光合细菌


蓝细菌
原绿植物纲
不产氧光合细菌

紫色细菌和绿色细菌
细菌光合色素 叶绿素（chlorophyll） 菌绿素 (bacteriochlorophyll） 辅助色素
细菌光合作用 o 依靠菌绿素的光合作用 o 依靠叶绿素的光合作用 o 依靠菌视紫红质的光合作用
谢规律,就是生物合成各种代谢产物的途径和
代谢调节机制,环境因素对代谢方向的影响以
及改变微生物代谢方向的措施。
1 微生物发酵机理
1 微生物基础物质代谢
代谢（Metabolism） ：细胞内发生的各种化学反应的总和。
包括分解代谢和合成代谢两个过程。
分解代谢（Catabolism ）：复杂的有机物分子通过分解代谢酶 系的催化产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和 还原力的作用。 合成代谢（Anabolism） ：在合成代谢酶系的催化下，由简单小
pathway 两用代谢途径
EMP、HMP和TCA循环 Anaplerotic sequence 代谢物回补顺序 指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗 的中间代谢物的那些反应 Glyoxylate cycle 乙醛酸循环
Glyoxylate cycle 乙醛酸循环
第八章 微生物发酵机制
糖酵解途径（EMP途径）从葡萄糖到丙酮酸共有十步 反应，分别由十种酶催化。分为三个阶段： 1）由葡萄糖到葡萄糖经过1，6二磷酸果糖，该过程包 括三步反应，是需能过程，消耗2个分子ATP。
2） 1，6二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛，包括两步 反应。 3） 3-磷酸甘油醛经过5步反应生成丙酮酸，这是氧化 产能步骤。
微生物发酵 主要产品
微生物 菌体
微生物酶
微生物 代谢产物
微生物的 生物转化
厌氧发 酵产物
好氧发 酵产物
酒精
丙酮丁醇
氨基酸
蛋白质
柠檬酸
核苷酸
抗生素
ATP 葡萄糖 ⑴
己糖激酶
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
乳酸
+ ⑿ +2H
果糖-6-磷酸 乙醇 ⒁ 2NAD+
磷酸果糖 激酶
⑶
ATP Mg2+ ADP
果糖-1，6-二磷酸 ⑷ 二羟丙酮 ⑸ 甘油醛3-磷酸 磷酸
⑵ 磷酸葡萄糖异构（glucosephosphate isomerase） ⑶ 磷酸果糖激酶（phosphofructokinase） ⑷ 醛缩酶（aldolase） ⑸ 磷酸丙糖异构酶（triose phosphofructokinase） ⑹ 磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde phosphate dehydrogenase） ⑺ 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase） ⑻ 磷酸甘油酸变位酶（phosphoglyceromutase） ⑼ 烯醇化酶（enolase） ⑾ 非酶促反应 ⑽ 丙酮酸激酶（pyruvate kinase） ⑿ 乳酸脱氢酶（alcohol dehydrogenase）
⒀ 丙酮酸脱氢酶（pyruvate decarboxylase） ⒁ 乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase）
酒精发酵机制 葡萄糖
⑿
乙醇脱 氢酶 丙酮酸 +2H+ 脱羧酶
ATP ⑴
ADP
TCA 三羧酸循环
Glycolysis 糖酵解途径
HMP途径
ED途径
TCA Cycle
发酵类型
由于在各种发酵途径中均有还原性氢供体—— NADH+H+产生，但产生的量并不多，若不及时将它们 氧化再生。葡萄糖分解产能将会中断，这样，微生 物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢 （电子）受体来接受NADH+H+和NADH +H+的氢（电 子），于是产生各种各样的发酵产物。 根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙 酸和琥珀酸发酵、丁酸发酵、丙酮-丁醇发酵、混合 酸与丁二醇发酵以及乙酸发酵等。主要讨论与四种 发酵途径有关的发酵。
2）碳源的有氧分解
有氧分解葡萄糖时，出现异常代谢，就有可能导致 代谢途径中某一中间产物的积累，而成为人类所需的发 酵产品。在发酵工业中，如柠檬酸发酵，谷氨酸发酵以 及很多的抗生素发酵生产，就是人为干扰微生物菌体内 葡萄糖分解代谢，而造成一些中间产物或次级代谢产物 的积累。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
乙醇发酵
乳酸发酵
混合酸与丁二醇发酵 丙酮-丁醇发酵
不 同 发 酵 产 物
乙醇发酵 包括酵母型乙醇发酵和细菌型乙醇发酵两种 乳酸发酵 同型乳酸发酵：由葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸， 直接作为氢受体被NADH+H+还原而全部生成乳酸的 一种发酵。 异型乳酸发酵：发酵产物中除了乳酸还有一些乙醇 （或乙酸）和CO2 等的发酵。 混合酸与丁二醇发酵——以EMP途径为基础的发酵 产物中有多种有机酸的发酵。 丙酮-丁醇发酵 Stickland反应：以一种氨基酸作底物，而以另一 种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵 类型。
1 微生物发酵机理
1.2 厌氧发酵产物的合成机制
绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。 因此，葡萄糖的分解代谢、能量转化规律，具有 生物学意义。 糖酵解(glycolysis)：葡萄糖经过1，6二磷酸果糖生
成3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再降解生成丙酮酸并产 生ATP的代谢过程称为糖降解。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解的特点：
Respiration chain
无氧呼吸
硝酸盐呼吸（nitrate respiration） 硫酸盐呼吸（sulfate respiration） 硫呼吸（sulfur respiration） 碳酸盐呼吸（carbonate respiration）
其他类型的无氧呼吸
光能微生物的能量代谢
3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向 EMP途径产生）。
CO2受体的再生
1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄 糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖1,5-二磷酸分子。
Calvin cycle
还原性三羧酸循环途径
4C
厌氧乙酰-CoA途径
羟基丙酸途径
Amphibolic
丙酮酸 ⑾ 2CO2
乙醛 +2H
+
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽
丙酮酸激 酶
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O 2-磷酸甘油酸
1，3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
糖酵解和酒精发酵的全过程


⑴ 己糖激酶（hexokinase）
源自文库
分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的
大分子 的过程。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 微生物的碳素营养物质主要包括淀粉、纤维素、 半纤维素、几丁质和果胶多糖类及其水解产物，其 中最重要的是淀粉（？）及其水解产物——葡萄糖。
1 微生物发酵机理
1）糖酵解（EMP）途径是单糖分解的一条重要途径 它存在于各种细胞中，它是葡萄糖有氧、无氧分解 的共同途径。
2）EMP途径的每一步都是由酶催化的，其关键酶有 已糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。
3）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，这时从葡萄 糖合成细胞组成成分的标准反应数序列同样有效。
产能途径（四种）
EMP（Embden-Meyerhof-parans）途径
（糖酵解途径或二磷酸己糖途径）
HMP途径（Hexose monophosphate）途径 （磷酸戊糖途径或旁路）属循环途径 ED途径（Entner-Doundoroff）途径 （2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径）
发酵工程
南阳师范学院 生命科学与技术学院
2009-2010
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
第一章
第二章 第三章
发酵工程总论
发酵设备 发酵工业原料及其处理
第四章
发酵工业灭菌
发酵菌种的制备 发酵工业放大 微生物发酵机制 发酵过程工艺控制 发酵染菌及防治 发酵工业废物、废水处理和资源化技术
自养微生物对CO2的固定
卡尔文循环（Calvin cycle） 还原性三羧酸循环途径
厌氧乙酰-CoA途径 羟基丙酸途径
卡尔文循环（Calvin cycle）的三个阶段
羧化反应
3个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将 3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。 还原反应