第三章酶生物合成
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固定化微生物细胞发酵产酶的工艺及其控制
第三章酶生物合成
培养基成分
碳源：是构成菌体细胞的主要元素、构成酶骨 架的元素之一，也是菌体生命活动所需能量的 主要来源。应根据细胞对酶营养要求的不同而 选择合适碳源
氮源：是生物体合成各种含氮物质的组成成分， 是酶制剂生产的原料
无机盐：大量元素和微量元素 生长因子：氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、激
第三章酶生物合成
发酵条件控制及对产酶的影响（二）
溶解氧：通气量越大、氧分压越高、气液接触 时间越长、气液接触面积越大，则溶氧速率越 大。此外，培养液的性质，主要是粘度、气泡 以及温度等对溶氧速率有明显的影响，可通过 以上方面调节溶氧速率。
溶氧量过低，会对微生物生长、繁殖和新陈代 谢产生影响，从而使酶产量降低。但，过高的 溶氧量对酶的发酵生产业会产生不利影响，一 方面会造成浪费，另一方面高溶氧也会抑制某 些酶的生物合成，因此在整个发酵过程中应根 据需要控制好溶氧第量三章。酶生物合成
蛋白酶 第三章酶生皮物革合成脱毛
酶发酵生产菌种要求
产酶量高，具有生产应用价值 易培养，既能适应大生产粗放的营养和生产条
件，包括能利用廉价原料、对工艺条件要求不 苛刻 代谢速率高，发酵周期短 产酶稳定性好，菌种的生产性能不易退化，不 易感染噬菌体 安全可靠，要求菌种不是致病菌，其代谢物安 全无毒，在系统发育上与病原体无关 选用产胞外酶菌种第，三章有酶生利物合成于酶的分离提取
物细胞来生产获得
第三章酶生物合成
工业用部分主要酶的生产菌种
微生物类别
菌名
产生的酶
用途
细菌
枯草杆菌 大肠杆菌
淀粉酶 蛋白酶 L-天冬氨酸酶 青霉素酰化酶
酒精与啤酒工业பைடு நூலகம்洗涤剂、糊精加工、纺织品脱浆等
生丝脱胶、皮革脱毛、胶卷回收、酱油酿造 生产L-天冬氨酸：治疗白血病 制备新青霉素的母核6-氨基青霉素烷酸
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节， 在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中，转录水平的调控占主 导地位，是酶生物合成中最重要的调节
第三章酶生物合成
操纵子
操纵子（operon）是一组功能上相关且受同 一调控区控制的基因组成的遗传单位
操纵子是酶合成调控的结构基础
第三章酶生物合成
微生物种类多，且在不同环境下生存的微生物都 有其完全不同的代谢方式，能分解利用不同底物， 这为微生物酶种类的多样性提供了物质基础
微生物培养基来源广泛易得、价格便宜 微生物发酵产酶过程可以采用连续化、自动化控
制，生产效率高，经济效益好 可利用分子生物学技术选育菌种，提高酶产率 利用基因工程可使动植物细胞中存在的酶用微生
第三章 酶的生物合成与 发酵生产
第三章酶生物合成
酶的生物合成与发酵生产定义
酶的生物合成：即生物体内酶合成的 过程
酶的发酵生产：利用微生物代谢活动 生产所需酶的过程
目前工业上使用的酶大多数是利 用微生物发酵生产的。
第三章酶生物合成
利用微生物发酵产酶的优点
微生物生长繁殖快，生活周期短，用微生物产酶 几乎可以不受限制的扩大生产，满足市场需求
第三章酶生物合成
生产中pH调控方法
调节培养基初始pH值，控制合适C/N，调整生 理酸性物质与生理碱性物质之比例；
补料调节，即通过发酵过程中流加碳源、氮源 来调节pH；
添加缓冲液，维持一定pH值； 如pH值变化较大，可直接流加酸或碱进行调节； 通过对溶解氧的调节，来控制中间产物的氧化
程度。
素等。 产酶促进剂：诱导物和表面活性剂
第三章酶生物合成
发酵条件控制及对产酶的影响
温度：影响微生物生长和合成酶、影响酶合成 后的稳定性
pH:影响微生物体内各种酶活性，从而导致微生 物代谢途径发生变化；影响微生物形态和细胞 膜通的透性，从而影响微生物对培养基中营养 成分的吸收以及代谢产物的分泌；影响培养基 中某些营养物质的分解或中间产物的解离，从 而影响微生物对这些营养物质的利用
操纵子调控模型
根据基因调节理论，在 DNA 分子中，与酶的生物 合成有密切关系的基因有 4 种。它们是调节基因 （regulator gene）、启动基因（promoter gene）、 操纵基因（operator gene）和结构基因（structural gene）。
1. 结构基因与多肽链有各自的对应关系。结构基因上的 遗传信息可以转录成为 mRNA上的遗传密码，再经翻 译成为酶蛋白的多肽链，每一个结构基因对应一条多 肽链。
异型乳酸杆菌 短小芽孢杆菌
葡萄糖异构酶 由葡萄糖制果糖 碱性蛋白酶 皮革脱毛
酵母
霉菌 放线菌
产气气杆菌 解脂假丝酵母 啤酒酵母、假丝 酵母 点青酶
转化微白色放线 菌
异淀粉酶 脂肪酶 转化酶
分解淀粉的α-1,6-糖苷键 绢丝原料脱脂、洗涤剂、医药、乳品增香 制造转化糖
葡萄糖氧化酶 食品加工中食品去氧、除葡萄糖，作试剂测定葡 萄糖
固定化微生物细胞产酶的工艺条件及其控 制应注意事项
需要对固定化微生物细胞进行预培养 增加溶宜解氧的供给 发酵温度的控制 培养基组分的特殊要求：1）培养基浓度不
过高，并可通过改变培养基组分来降低培养 基粘度，有利于氧的溶解和传递，从而克服 固定化细胞好氧发酵过程中氧溶解和传递的 限制；2）培养基组分不能影响固定化细胞 的结构稳定性，或影响很小
第三章酶生物合成
固定化微生物原生质体发酵产酶的工艺条 件及其控制应注意事项
培养基渗透压的控制 控制培养基组分，防止细胞壁再生 维持较高的原生质体浓度
第三章酶生物合成
提高酶产率的方法
酶生物合成的调控机制 打破酶合成调节机制及提高酶产量的方法
第三章酶生物合成
酶生物合成的调控机制
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分 解速度，细胞根据其自身活动需要，严格控 制细胞内各种酶的合理含量，从而对各种生 物化学过程进行调控
微生物产酶菌株的获得
含菌样品采集 菌种分离纯化 菌种的初筛 菌种的复筛 最佳产酶条件初步确定 微生物产酶性能的进一步提高 微生物产酶菌种保存
第三章酶生物合成
酶发酵工艺条件及控制
培养基营养成分：碳源、氮源、无机盐、生长 因子、产酶促进剂等
发酵条件控制剂对产酶的影响：温度、pH值、 溶解氧
第三章酶生物合成
培养基成分
碳源：是构成菌体细胞的主要元素、构成酶骨 架的元素之一，也是菌体生命活动所需能量的 主要来源。应根据细胞对酶营养要求的不同而 选择合适碳源
氮源：是生物体合成各种含氮物质的组成成分， 是酶制剂生产的原料
无机盐：大量元素和微量元素 生长因子：氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、激
第三章酶生物合成
发酵条件控制及对产酶的影响（二）
溶解氧：通气量越大、氧分压越高、气液接触 时间越长、气液接触面积越大，则溶氧速率越 大。此外，培养液的性质，主要是粘度、气泡 以及温度等对溶氧速率有明显的影响，可通过 以上方面调节溶氧速率。
溶氧量过低，会对微生物生长、繁殖和新陈代 谢产生影响，从而使酶产量降低。但，过高的 溶氧量对酶的发酵生产业会产生不利影响，一 方面会造成浪费，另一方面高溶氧也会抑制某 些酶的生物合成，因此在整个发酵过程中应根 据需要控制好溶氧第量三章。酶生物合成
蛋白酶 第三章酶生皮物革合成脱毛
酶发酵生产菌种要求
产酶量高，具有生产应用价值 易培养，既能适应大生产粗放的营养和生产条
件，包括能利用廉价原料、对工艺条件要求不 苛刻 代谢速率高，发酵周期短 产酶稳定性好，菌种的生产性能不易退化，不 易感染噬菌体 安全可靠，要求菌种不是致病菌，其代谢物安 全无毒，在系统发育上与病原体无关 选用产胞外酶菌种第，三章有酶生利物合成于酶的分离提取
物细胞来生产获得
第三章酶生物合成
工业用部分主要酶的生产菌种
微生物类别
菌名
产生的酶
用途
细菌
枯草杆菌 大肠杆菌
淀粉酶 蛋白酶 L-天冬氨酸酶 青霉素酰化酶
酒精与啤酒工业பைடு நூலகம்洗涤剂、糊精加工、纺织品脱浆等
生丝脱胶、皮革脱毛、胶卷回收、酱油酿造 生产L-天冬氨酸：治疗白血病 制备新青霉素的母核6-氨基青霉素烷酸
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节， 在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中，转录水平的调控占主 导地位，是酶生物合成中最重要的调节
第三章酶生物合成
操纵子
操纵子（operon）是一组功能上相关且受同 一调控区控制的基因组成的遗传单位
操纵子是酶合成调控的结构基础
第三章酶生物合成
微生物种类多，且在不同环境下生存的微生物都 有其完全不同的代谢方式，能分解利用不同底物， 这为微生物酶种类的多样性提供了物质基础
微生物培养基来源广泛易得、价格便宜 微生物发酵产酶过程可以采用连续化、自动化控
制，生产效率高，经济效益好 可利用分子生物学技术选育菌种，提高酶产率 利用基因工程可使动植物细胞中存在的酶用微生
第三章 酶的生物合成与 发酵生产
第三章酶生物合成
酶的生物合成与发酵生产定义
酶的生物合成：即生物体内酶合成的 过程
酶的发酵生产：利用微生物代谢活动 生产所需酶的过程
目前工业上使用的酶大多数是利 用微生物发酵生产的。
第三章酶生物合成
利用微生物发酵产酶的优点
微生物生长繁殖快，生活周期短，用微生物产酶 几乎可以不受限制的扩大生产，满足市场需求
第三章酶生物合成
生产中pH调控方法
调节培养基初始pH值，控制合适C/N，调整生 理酸性物质与生理碱性物质之比例；
补料调节，即通过发酵过程中流加碳源、氮源 来调节pH；
添加缓冲液，维持一定pH值； 如pH值变化较大，可直接流加酸或碱进行调节； 通过对溶解氧的调节，来控制中间产物的氧化
程度。
素等。 产酶促进剂：诱导物和表面活性剂
第三章酶生物合成
发酵条件控制及对产酶的影响
温度：影响微生物生长和合成酶、影响酶合成 后的稳定性
pH:影响微生物体内各种酶活性，从而导致微生 物代谢途径发生变化；影响微生物形态和细胞 膜通的透性，从而影响微生物对培养基中营养 成分的吸收以及代谢产物的分泌；影响培养基 中某些营养物质的分解或中间产物的解离，从 而影响微生物对这些营养物质的利用
操纵子调控模型
根据基因调节理论，在 DNA 分子中，与酶的生物 合成有密切关系的基因有 4 种。它们是调节基因 （regulator gene）、启动基因（promoter gene）、 操纵基因（operator gene）和结构基因（structural gene）。
1. 结构基因与多肽链有各自的对应关系。结构基因上的 遗传信息可以转录成为 mRNA上的遗传密码，再经翻 译成为酶蛋白的多肽链，每一个结构基因对应一条多 肽链。
异型乳酸杆菌 短小芽孢杆菌
葡萄糖异构酶 由葡萄糖制果糖 碱性蛋白酶 皮革脱毛
酵母
霉菌 放线菌
产气气杆菌 解脂假丝酵母 啤酒酵母、假丝 酵母 点青酶
转化微白色放线 菌
异淀粉酶 脂肪酶 转化酶
分解淀粉的α-1,6-糖苷键 绢丝原料脱脂、洗涤剂、医药、乳品增香 制造转化糖
葡萄糖氧化酶 食品加工中食品去氧、除葡萄糖，作试剂测定葡 萄糖
固定化微生物细胞产酶的工艺条件及其控 制应注意事项
需要对固定化微生物细胞进行预培养 增加溶宜解氧的供给 发酵温度的控制 培养基组分的特殊要求：1）培养基浓度不
过高，并可通过改变培养基组分来降低培养 基粘度，有利于氧的溶解和传递，从而克服 固定化细胞好氧发酵过程中氧溶解和传递的 限制；2）培养基组分不能影响固定化细胞 的结构稳定性，或影响很小
第三章酶生物合成
固定化微生物原生质体发酵产酶的工艺条 件及其控制应注意事项
培养基渗透压的控制 控制培养基组分，防止细胞壁再生 维持较高的原生质体浓度
第三章酶生物合成
提高酶产率的方法
酶生物合成的调控机制 打破酶合成调节机制及提高酶产量的方法
第三章酶生物合成
酶生物合成的调控机制
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分 解速度，细胞根据其自身活动需要，严格控 制细胞内各种酶的合理含量，从而对各种生 物化学过程进行调控
微生物产酶菌株的获得
含菌样品采集 菌种分离纯化 菌种的初筛 菌种的复筛 最佳产酶条件初步确定 微生物产酶性能的进一步提高 微生物产酶菌种保存
第三章酶生物合成
酶发酵工艺条件及控制
培养基营养成分：碳源、氮源、无机盐、生长 因子、产酶促进剂等
发酵条件控制剂对产酶的影响：温度、pH值、 溶解氧