代谢控制发酵1(1)

从微生物发酵的历史角度看，最早的微生物发酵是一个自然 发酵过程，如古代的酿酒技术、酱油、食醋酿造技术等；现代微 生物工业通常是指微生物的代谢控制发酵，如有机酸发酵工业、 酶制剂工业、生物医药工业等
抗生素发酵也属于代谢控制发酵的范畴，但目前许多发酵试 验还具有很大的盲目性，大部分试验都是靠经验及推测来设计， 通过结果来进行验证。主要原因是由于抗生素属于次级代谢产物， 生物合成途径比较复杂，代谢机理有的目前还没有搞清楚；其次 是由于中间代谢产物种类繁多且时刻处于动态变化之中，而且每 种物质的流向不止一条，这就使得微生物的即时代谢状态很难被 把握，即检测手段缺乏的问题。 如目前我们在头孢菌素C的发酵试验及生产中，常用的一些 检测指标如：PH、总糖、氨氮、溶氧、菌浓、还原糖、空气流 量、罐压、转速等，都与头C的生产速率及最终产量没有直接的 关联，只能作为一种参考指标，不到发酵结束很难准确预测发酵 结果的好坏。例如有些批次效价很低，但各种消耗并不低，各项 检测指标也正常，发酵失败的原因就很难分析（营养物质没有用 于产物的合成）。
代谢控制发酵
1.关于代谢控制发酵的几个概念 2.研究代谢控制发酵的意义 3.主要代谢底物的代谢途径及其联系 4.自然发酵实例 5.代谢控制发酵实例
一.代谢控制发酵的几个概念 1.代谢
代谢也叫新陈代谢，是细胞内发生的各种化学反应的总称， 包括合成代谢和分解代谢两大方面。分解代谢又称异化作用，是指 由复杂的营养物质分解成简单化合物的过程；合成代谢也称同化作 用，是指由简单化合物合成复杂的细胞物质的过程。
利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium aceto-butylicum)在严格嫌气 条件下进行发酵时，其生成途径由葡萄糖发酵生成乙酸、丁酸、 二氧化碳和氢气，当pH值下降至4-4.5时，还原生成丙酮、正丁 醇和乙醇。通常以玉米为原料，利用生产菌分泌的淀粉酶进行边 糖化边发酵。溶剂比例因菌种、原料、发酵条件不同而异。正常 情况下丙酮、丁醇和乙醇的比例为3:6:1。近年来选出的菌种，可 使丁醇产量提高至70%。按发酵方法可分为间隙发酵和连续发酵，
发酵液溶媒浓度为2--4％。生成的溶剂利用分馏法进行分离、提 取。
五.代谢控制发酵 5.1 甘油发酵
甘油的工业生产方法可分为三大类：以天然油脂为原料的方 法，所得甘油俗称天然甘油；发酵法生产的称为发酵甘油；以丙 烯为原料的合成法，所得甘油俗称合成甘油。由于成本原因，目 前发酵甘油产量较少。 添加亚硫酸盐的甘油发酵法是德国第一次世界大战中研究 生产的，采用厌氧发酵法。目前工业生产上采用好氧发酵法，即 是在甘油发酵过程中通风，以减少酵母细胞的死亡率；另一方面， 在适当的氧的存在下，酵母细胞可以进行有限的有氧代谢，为其 自身的生长提供必需的ATP（甘油发酵不产ATP），目前各国都 在以甘油的好氧发酵为基础，以提高甘油产率、提高酵母的耐渗 透压力、提高甘油的总提出率为目标。 为最早进行工业化生产的控制代谢发酵，控制机理也比较简单。
三.代谢控制发酵中关键物质的相互联系及相互转化 微生物的营养物质主要是糖类、脂类、蛋白质，特别是 经过营养生长后，后期一般是利用糖类物质进行生命活动的维 持及代谢产物的生产，糖类代谢途径将绝大多数物质的代谢有 机地联系在了一起。 、 下面让我们来简单地了解一下。

糖类的分解途径一般包括：EMP途径、HMP途径、TCA 循环途径、乙醛酸途径、ED途径。
丙酮酸
糖异生
草酰乙酸
乙酰CoA
TCA循环
脂肪酸
a—酮戊二酸 草酰乙酸
蛋白质
氨基酸
四.自然发酵实例
4.1乙醇及乳酸发酵 乙醇及乳酸是糖类物质经过厌氧发酵的产物。工业生产上酒 精生产采用酵母液态发酵，发酵温度在32℃左右，酒精浓度在8
％左右，一般不超过10％，因为高的酒精浓度对酵母本身有毒
害作用，但低温长周期发酵或固态发酵，可以得到较高的酒精浓 度，一般可达14--15％，高者可达18％，如南方的黄酒、加饭酒 等；高度白酒和食用酒精需蒸馏得到。 乳酸发酵一般采用根霉菌或杆菌，加石灰等碱性物质调 PH5.0左右，再提取酸化。 糖类物质的糖酵解途径如下：
三.代谢控制发酵中主要物质的相互联系及相互转化
微生物的营养物质主要是糖类、脂类、蛋白质，特别是经过 营养生长后，后期一般是利用碳源类物质进行生命活动的维持及 代谢产物的生产，糖类代谢途径将绝大多数物质的代谢有机地联 系在了一起。 下面让我们来简单地了解一下。 糖类的分解途径一般包括：EMP途径、HMP途径、TCA循 环途径、乙醛酸途径、ED途径。


糖代谢途径：EMP,HMP,TCA,ED途径
葡萄糖 丝氨酸 半胱氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 天的酰胺 天冬氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 3—磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸
磷酸核糖 磷酸赤藓糖 莽草酸
组氨酸


苯丙氨酸 色氨酸 草酰乙酸 a—酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酰胺 脯氨酸 酪氨酸
CO2
乙醛
NADH
NAD+
乙醇
乙酰CoA + CO2
NADH + H+
NAD+
乳酸
TCA循环


厌氧甘油发酵的缺点： a.菌体死亡率较高，碱性条件；无能量产生； b.转化率较低。每分子葡萄糖生成双分子的丙糖（两分子C3）的 同时，需要2分子的ATP作为酵解的能量（酵解的一、二步反 应），其中一分子的C3（3-磷酸甘油醛）经过一系列的生化反应 生成一分子的丙酮酸，并生成2ATP；另一分子的C3（磷酸二羟 丙酮）被还原生成α—磷酸甘油，进而生成甘油。要保持甘油的 生成，必须有一分子C3（3-磷酸甘油醛）流向乙醛的生成方向， 葡萄糖的降解才能够达到能量平衡。以葡萄糖为原料的甘油的厌 氧发酵，产率不可能突破50%的转化率，加上酵母增殖需要消耗 一部分糖，发酵液中残留一部分糖，实际转化率远低于50%。
6---磷酸果糖
ATP ADP
组氨酸
ADP、AMP、 β-D-果糖-2,6-二磷酸是别构激活剂；ATP、H+是别构抑制剂 ATP／AMP比值对该酶括性的调节; 柠檬酸对酶的抑制作用
1，6----二磷酸果糖
磷酸二羟丙酮

3---磷酸甘油醛
磷酸甘油
1，3----二磷酸甘油酸
磷酸甘油酸激酶 ADP ATP
甘油合成机制 酵母细胞内葡萄糖的降解如下： 在厌氧的条件下，乙醇脱氢酶的活性很强，菌体的代谢流流 向合成乙醇的方向，而磷酸二羟丙酮又可以迅速的在磷酸丙糖异 构化酶的作用下转变成3—磷酸甘油醛，因此，在厌氧的条件下， 酵母大量的将葡萄糖转变成乙醇，而产物中只有很少的甘油，在 酵母菌的其他厌氧发酵产品中（白酒、葡萄酒、黄酒等），甘油 的含量也很少。要大量生成甘油，显然需要切断乙醇的合成途径， 方法如下： a. 向发酵液中添加适量的亚硫酸氢钠(NaHSO3)，则有下列反应 乙醛 + NaHSO3 =乙醛亚硫酸氢钠加成物 b. 在碱性的条件下，则有下列反应（双分子歧化反应） 乙醛 + 乙醛 = 乙醇 + 乙酸 则，NADH没有受体，使得菌体的代谢流向合成甘油的方向进行， 从而生产大量的甘油。


好氧发酵 在适当（或者说有限的好氧）好氧的条件下，酵母细胞进行有限 的好氧呼吸，糖酵解产生的丙酮酸可以通过TCA循环来增加其产 能水平，一方面减少3—磷酸甘油醛向乙醛方向进行，增加底物 向产物转化的比例；另一方面，增加了细胞能量水平，减少了细 胞的死亡率，有利于提高发酵的速率，缩短发酵周期。 这种有限的好氧发酵，使得丙酮酸进行TCA循环的同时，也增加 了TCA循环过程中的许多中间性产物的产生，这对于甘油的提取 带来了不利的影响。
2.发酵
通过微生物的生长和代谢活动，产生和积累人们所需代谢 产物的一切微生物培养过程（即生物反应过程）统称为发酵。其实 质就是利用微生物对生物基质进行一系列生物转化。
3.代谢控制发酵
代谢产物如乙醇、丙酮、乳酸等，微生物可以在特定的 外部环境下大量生成，这类发酵我们称之为：自然发酵。 有些产物诸如：氨基酸、酶制剂等，正常的微生物是不能在 培养基中大量的合成与积累，是需要通过：化学的、物理的、生 物的等方法人为的改变其原来的代谢途径，使之能够分泌并积累 特定的产物，这类发酵称之为： 代谢控制发酵 。其实质就是利 用一些手段干扰微生物正常的代谢途径，使之进入歧途，从而使 某种所需的代谢产物得以大量积累 。 二者区别：是否是正常生理状态下的 大量积累。 代谢控制发酵主要从两方面进行研究：环境控制及DNA分 子控制。


苏氨酸
异亮氨酸
鸟氨酸
羟脯氨酸 瓜氨酸 精氨酸

葡萄糖
磷酸戊糖途径 NADPH +H+ 磷酸甘油醛 丙酮酸 乙酰CoA
NADH + H+ NAD+
不饱和脂酰CoA 饱和脂酰CoA
CoA+Pi
磷酸二羟丙酮
磷酸甘油
脂肪
糖异生
NADH+H+
NAD+
ADP
ATP
磷酸二羟丙酮
糖异生
磷酸甘油
B—氧化
甘油
在对目的产物的生物合成途径、遗传控制、代谢调节机制 进行充分研究的基础上，对发酵进行细胞水平和分子水平上的调 控，避免研究效率的低下性及目标的盲目性，是今后生物发酵工 程的发展方向。 目前，对初级代谢产物的控制发酵已经取得了很大的进展， 如氨基酸发酵、有机酸发酵、酶制剂发酵等，都已经形成了工业 化生产，而对次级代谢产物的控制发酵虽取得了一定的进展，但 还有很长的路要走。如抗生素发酵工业，对其控制代谢研究，目 前对基因工程关注比较多，但需要大量的基础工作及一定的设备 技术条件；企业对代谢控制发酵的研究，更多地侧重于环境方面 的，对配方优化、工艺的改进具有很大的指导意义。 下面将从主要营养物质的代谢转换关系及几个生物发酵实例来 了解自然发酵和控制代谢发酵，熟悉一下控制代谢发酵的一些手 段和方法。



葡萄糖
己糖激酶 ATP ADP G-6-P是该酶的别构抑制剂

6—磷酸葡萄糖
磷酸戊糖途径
磷酸核糖
磷酸赤藓糖
磷酸葡萄糖异构酶 磷酸果糖激酶 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶 EMP 小 结： 细胞定位：细胞液 总反应： NAD+ + Pi 3—磷酸甘油醛脱氢酶 NADH + H+ C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二.研究代谢控制发酵的意义
微生物在长期的进化过程中，形成了自身复杂的代谢调节机 制，各种代谢反应虽错综复杂，但其相互制约、彼此协调，且 随着细胞内外条件的变化而迅速改变代谢反应的速度、方向和流 量，正常情况下代谢产物不会大量积累，因为这些产物大量积累 时会对微生物自身产生毒害作用且造成了营养物质的浪费；也不 致因代谢物的缺损而供不应求。各种代谢产物时刻保持浓度的相 对稳定和动态平衡。 大多数的工业产品并不是微生物代谢的末端产物，而是微生 物代谢的中间性物质，要合成、积累这些物质，必须解除微生物 菌株的代谢调控机制。如氨基酸、抗生素等虽在一些野生菌株 的发酵液中存在，但远远达不到工业化生产的需要。
甘油
3—磷酸甘油酸
磷酸甘油酸变位酶
2—磷酸甘油酸
烯醇酶
H2O
2—磷酸烯醇式丙酮酸
ADP ATP 果糖-1,6-二磷酸是该酶的激活剂（前馈激活 丙氨酸是该酶的别构抑制剂; ATP、乙酰CoA等 也可抑制该酶活性，减弱酵解作用（反馈抑制）
丙酮酸
乙酰 CoA NADH,ATP CoA + NAD+ NADH H+
葡萄糖 6—磷酸葡萄糖 6—磷酸果糖
1,6—二磷酸果糖
进入三羧酸循环 磷酸二羟丙酮 3—磷酸甘油醛 乙酰COA ɑ-磷酸甘油 甘油 1,3—二磷酸甘油酸 3—磷酸甘油酸
2—磷酸甘油酸
H 受体 2—磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸 乙醇
丙酮酸
乙醛
乙酸
4.2.丙酮、丁醇发酵 丙酮和丁醇都是重要的溶剂，还是涂料、塑料和橡胶等产品 的主要原料，另外，在替代汽油燃料方面，丁醇比乙醇具有更大 的优越性。 丙酮的生产方法主要有异丙醇法、异丙苯法、发酵法、乙炔 水合法和丙烯直接氧化法。目前世界上丙酮的工业生产以异丙苯 法为主。世界上三分之二的丙酮是制备苯酚的副产品，是异丙苯 氧化后的产物之一。 早期的丙酮、丁醇采用粮食发酵法生产，是在丙酮-丁醇梭状 菌作用下，经发酵制得丁醇、丙酮及乙醇的混合物，通常的比例 为6：3：1。 70年代后来由于化学法的发展，发酵法生产技术逐 渐淘汰。近年来由于石油价格的飞速上涨，加之石油资源的日益 紧缺，粮食发酵法生产丙酮、丁醇的技术重新显示出其优势，特 别是发酵法生产丙酮丁醇是以再生资源替代不可再生的石油基原 料制造，符合国家能源安全的长远战略考虑。