酒精发酵和谷氨酸发酵的异同

琥珀酸 异柠檬酸 α- 酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酸
透过细胞膜
Glucose的酵解，EMP Glucose的有氧氧化，HMP 丙酮酸的有氧氧化，TCA循 环 乙醛酸循环途径，DCA循环 CO2固定反应 α-KGA的还原氨基化
主要的生产菌种：
（1）
棒状杆菌属 谷氨酸棒状杆菌 (Corynebacterium glutamicum)：生物素缺陷 型、温度敏感型；北京棒杆菌；钝齿棒杆菌 （2） 短杆菌属 黄色短杆菌；天津短杆菌

2.生物素影响细胞膜的通透性
1.
2.
3. 4.

用能积累谷氨酸菌株做如下实验: 生物素充足时,细胞内含大量谷氨酸,但培养液里 几乎不含谷氨酸 用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷 氨酸 当把原生质体放入低渗溶液里,将其涨破,谷氨酸 才排出 生物素亚适量时,培养液里含大量谷氨酸,细胞里 含量少 结论:谷氨酸的分泌是由细胞膜控制；生物素影 响细胞膜的通透性进而影响谷氨酸积累

发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其他副产物， 包括甘油、有机酸（主要是琥珀酸）、杂醇油（高级醇）、 醛类、酯类等，理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇；即180 克葡萄糖产生92克乙醇，的率为51.5%，可是实际得率没有 这么高。因酵母菌体的积累约需2% 的葡萄糖，另外2%的葡 萄糖用于形成甘油，0.5%用于形成有机酸，0.2%用于形成 杂醇油。因此实际上只有约47％的葡萄糖转化成乙醇。乙醇 发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中，所释放的226kJ自由 能中除67kJ(29％)用于形成ATP外，其余能量以热的形式散 发


（五）GA发酵的外在因素

谷氨酸发酵过程中,合适的发酵条件如生长素、
发酵温度、pH值、通风和发酵产生的泡沫都是 影响谷氨酸积累的主要因素。 在实际生产中,只有针对存在的问题,严格控制
三、酒精发酵生化机制
酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇， 其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶段 己糖通过糖酵解途径(EMP途径) 由脱羧酶催 化生成乙醛和二分解成丙酮酸。第二阶段丙 酮酸氧化碳，乙醛进一步被还原成乙醇，葡 萄糖发酵成乙醇的总反应式为：
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量
谷氨酸发酵

氨基酸发酵是典型的 代谢控制发酵。由发 酵所生成的产物—— 氨基酸，都是微生物 的中间代谢产物，它 的积累的关键是取决 于是否能打破微生物 的正常代谢调节。
（一）合成谷氨酸的生化途径
（二）谷氨酸生成菌的生化特征 （三）GA 生物合成的理论得率 （四）生物素对GA发酵的影响 （五）GA发酵的外在因素 （六）谷氨酸发酵工艺
酒精发酵
一.酒精发酵原料 二.酒精发酵微生物
三. 酒精发酵生化机制
一、酒精发酵原料

1.淀粉质原料
淀粉质原料是生产酒精的主要原料。 我国发酵酒精的80%是用淀粉质原料生产 的，其中以甘薯干等薯类为原料的约占 45%，玉米等谷物为原料的约占35%。
1.薯类原料 甘薯北方俗称红薯、地瓜，南方称为山芋， 蕃薯。新鲜甘薯可能直接作酒精生产原料， 但一般将鲜甘薯制成薯干，这样便于保存 并能供工厂全年使用。甘薯中固形物的主 要成分是淀粉，还含有少量的糖类和蛋白 质。甘薯干及鲜甘薯是一种良好的酒精生 产原料，为我国大多数工厂所采用，是我 国生产酒精的主要薯类原料。
2.糖质原料
常用的糖质原料有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁 等。 糖蜜又称废糖蜜，它是干蔗或甜菜糖厂制糖 过程中形成的一种副产物，分别称为甘蔗糖蜜 和甜菜糖蜜，其产量分别为加工甘蔗和甜菜间 的30%左右和3.5%～5%。糖蜜含糖量较高，一级 甘蔗糖蜜含糖分 50% 以上，甜菜糖蜜含糖量 50% 左右，所含主要成分为蔗糖


该酶是一种别构酶，通过该酶酶活性的调节来实现DCA循环的 封闭，糖的代谢才能沿着α - 酮戊二酸的方向进行, 从而有 利于谷氨酸的积累。 6. 强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性
α-KGA + NH4+ +NADPH == GA + NADP L-谷氨酸脱氢酶的酶活性强，α - 酮戊二酸易生成谷氨酸。

（一）合成谷氨酸的生化途径
谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径） 和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，再氧化成乙酰辅酶 A（乙酰COA），然后进入三羧酸循环，生成α－酮戊二酸。α －酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下，生 成谷氨酸。
葡萄糖
丙酮酸
草酰乙酸
柠檬酸

甜高粱是一种高秆作物，起源于美国。其 秆中含糖分10%～12%，所结的高粱米富含 淀粉，均可用于发酵酒精，是具有潜在发 展前途的糖质原料。 糖质原料生产酒精工序简单，成本比较低， 是酒精发酵的理想原料，只是制糖和其他 发酵工业也都需要糖质原料，能用到酒精 生产上的不太多，特别是我国糖质原料用 于酒精生产较为有限。
（二）谷氨酸生产菌的生化特征 —内在因素

1 生物素缺陷型 谷氨酸产生菌大多数为生物素缺陷型,谷氨酸发酵时, 控制生物 素亚适量(贫乏量) ,引起菌种代谢失调, 使谷氨酸得到大量积累。 2 具有CO2 固定反应的酶系 菌种能利用CO2 产生大量草酰乙酸, 有利于谷氨酸的大量积累。

纤维类物质是自然界中的可再生资源。其含 量十分丰富。天然纤维原料由纤维素、半纤维 素和木质素三大成分组成，它们均较难被降解， 长期以来人们都在研究如何利用纤维质原料来 生产酒精及其他化工产品。近年来，纤维素和 半纤维素生产酒精的研究有了突破性的进展， 纤维素和半纤维已成为很有潜力的酒精生产原 料。

（三）GA 生物合成的理论得率

1.存在乙醛酸循环，体系不存在CO2固定反应 3/2 C6H12O6 + NH4+ → C5H9NO4 + 4 CO2
产率：147 /（180*3/2） == 54.4%
3/2Glucose
EMP
丙酮酸
CO2
+
丙酮酸
+
丙酮酸
乙酰辅酶A
+
乙酰辅酶A + 乙酰辅酶A
苹果酸 （苹果酸合成酶）
柠檬酸（DCA循环封闭）
谷氨酸
存在CO2固定反应
CO2固定反应

(1)磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的作用下 磷酸丙酮酸 + CO2 + GDP == 草酰乙酸 + GTP (2)苹果酸酶的作用下 丙酮酸 + CO2 +NADH === 苹果酸 + NAD


需要Mn2+做辅因子，所以，在GA发酵过程中需要向培养基中 补充Mn2+
3.谷物原料
包括玉米、小麦、高梁、大米等。 谷物原料也是很好的酒精生产原料。国 际上最常用的谷物原料是玉米和小麦。 我国由于人多地少，粮食珍贵，以往除 玉米外，其他粮食一般较少用于生产酒 精，只有当其他原料不足，或谷物受潮 发热霉变的情况下才用谷物原料。随着 我国粮食生产的发展，用于酒精生产的 谷物数量会增加。



当VH丰富时，异柠檬酸裂解酶的活性加强，则DCA 循环正 常进行，DCA循环的进行，一方面提供了大量的“中间性产 物”，另一方面，菌体的能荷水平得到提高。前者是菌体 增殖的物质基础，后者则是菌体增殖的能量的保证。结果 是利于菌体的增殖和生长；则GA的生物合成就会受到影响， 甚至停止，这在生产上，就是通常我们说的“只长菌，不 产酸”的现象。 以上分析说明，GA发酵过程中，前期，菌体的增殖期，一 定量的生物素是菌体增殖所必需的；而在产物合成期，则 要限制生物素的浓度，以保证产物的正常合成。


4.GA产生菌体内的NADPH氧化能力欠缺或丧失
（1）NADPH是α-KGA还原氨基化生成GA必须物质，该还原氨 基化所需要的NADPH是与柠檬酸氧化脱羧相偶联 的。

（2）由于NADPH的在氧化能力欠缺或丧失，使得体内的NADPH 有一定的积累，NADPH抑制α-KGA的脱羧氧化。
5. 乙醛酸循环（DCA）的关键酶——异柠檬酸裂解酶
葡萄糖
丙酮酸
乙酰辅酶A
+
丙酮酸
乙酰辅酶Ａ
CO2
乙酰辅酶A羧化酶
CO2
丙二酰辅酶A C4 丙二酰辅酶A
CO2
C6

生物素是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶 的辅酶,参与了脂肪酸的合成,进而影响脂肪酸的合成.当磷脂 合成量少到正常的1/2左右时,细胞变形,Glu向膜外泄漏.
培养基中生物素限量时，胞内AA 培养基中生物素丰富时，胞内AA
(二)酒精发酵微生物
许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵，但在实际 生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。 利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵 母属的一种单细胞微生物。该种酵母菌繁殖速度快， 发酵能力即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。 常用的酵母的菌株有南阳酵母(1300及1308)、拉斯2 号酵母(Rasse Ⅱ)、拉斯12号酵母(Rasse ⅪⅠ)、K 字酵母、M酵母(Hefe M)、日本发研1号、卡尔斯伯 酵母等。利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外，还有粟 酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)和克鲁维 酵母(Kluyveromyces.sp)等
92% 胞外 12% 胞外
2. VH对菌体细胞膜通透性的影响

菌体进入产物合成期时，有GA的产生，如果能够大量的把产 物及时的排泄到细胞膜外，可以解除GA对L-谷氨酸脱氢酶 活性的抑制作用，从而使由Glucose→GA的高效率转化。 谷氨酸发酵采用的菌种都是VH-，而VH又是菌体细胞膜合成的 必须物质，因此，通过控制VH的浓度，可以实现对菌体细胞 膜通透性的调节。 限制发酵培养基中生物素亚适量(5-10g/L).在发酵初期 (0-8小时),细胞可以正常生长,当生物素耗尽后,在菌的再次 倍增时,开始出现异常形态细胞,即完成了细胞从生长型到积 累型（细胞膜缺陷）转换.
（四）、生物素对GA发酵的影响

GA 产生菌大都是生物素的营养缺陷型，即：VH-

生物素对发酵的影响是全面的，在发酵过程中
要严格控制其浓度。
1. 生物素对糖代谢的影响
（1） VH对于糖酵解有促进作用;对丙酮酸的有氧氧 化——乙酰辅酶A的生成也有促进作用，
对两者的促进作用不一样，对前者大一些。这样培养基中 如果有较丰富的VH，就会打破糖酵解与丙酮酸氧化之间的平衡， 导致丙酮酸的积累，丙酮酸积累则可能导致乳酸的形成，乳酸 生成，则使得碳源利用率降低，而且带来的是发酵液的pH值下 降。
3.α-KGA脱氢酶酶活性微弱或丧失
这是菌体生成并积累α-KGA的关键，α-KGA是菌体进行TCA循环 的中间性产物，很快在α-KGA脱氢酶的作用下氧化脱羧生成琥珀 酸辅酶A，在正常的微生物体内他的浓度很低，也就是说，由αKGA进行还原氨基化生成GA的可能性很少。只有当体内α-KGA脱 氢酶活性很低时，TCA循环才能够停止，α-KGA才得以积累，为 谷氨酸的生成奠定物质基础。
谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换
环 境 因 子
乳酸和琥珀酸 （通气不足） α－酮戊二酸 （缺乏） pH值 磷酸 生物素
发酵产物转换
α－酮戊二酸 （适中） （通风过量，转速过快）
溶解氧
NH4+
谷氨酸
谷氨酸 （适量）
谷氨酰胺 （过量）
谷氨酸 谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺 （pH值5～5.8，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） 乳酸或琥珀酸 （过量） 谷氨酸 （限量）

（2）对乙醛酸循的调控。可以通过控制VH的浓度，以实现
对于乙醛酸循环的封闭。

当VH缺乏时：
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A：丙酮酸的有氧氧化就会减弱(由于VH对TCA循环的促进作用)， 则：乙酰辅酶A的生成量就会少，产醋酸浓度降低，降低对异 柠檬酸裂解酶的诱导作用； B：VH对TCA循环促进作用的降低，使中间产物琥珀酸的氧化速 度降低，产生积累，阻遏和抑制异柠檬酸裂解酶作用加强； 两者综合的作用：异柠檬酸裂解酶的活性丧失，DCA循环得到 封闭。
草酰乙酸
柠檬酸（DCA循环）
不存在CO2固定反应
谷氨酸

2. 封闭乙醛酸循环， 存在CO2固定反应 C6H12O6 + NH4+ → C5H9NO4 + CO2 产率：147 / 180 == 81.7%
EMP
Glucose
丙酮酸
CO2
+
丙酮酸
CO2
乙酰辅酶A + C4二羧酸
草酰乙酸 （草酰乙酸羧化酶）