第五章 发酵机制与代谢调控

高级醇（higher alcohol）



（1）杂醇油的生成 杂醇油是C原子数大于2的脂肪族醇类的统称， 主要由正丙醇、异丁醇（2-甲基-1-丙醇）、异戊醇 （3-甲基-1-丁醇）和活性戊醇（d-戊醇、2-甲基-1丁醇）组成。 氨基酸氧化脱氨作用：早在1907年Ehrlish提出了 高级醇的形成来自氨基酸的氧化脱氨作用。后来 Sentheshani Nuganthan（1960）根据以啤酒酵 母无细胞抽出液研究从氨基酸形成高级醇的机理， 提出以下途径： 转氨基是在α-酮戊二酸间进行。天冬氨酸、异 亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪 氨酸等均有此转氨作用。根据此机制，由缬氨酸产 生异丁醇、异亮氨酸产生活性戊醇、酪氨酸产生酪 醇，苯丙氨酸产生苯乙醇等。
3 酒精发酵中副产物的形成 主产物（product） ：酒精（alcohol）
副产物（by product ）： 二氧化碳（carbon dioxide） 甘油（glycerol） 乙醛（acetaldehyde） 琥珀酸（ succinic acid ） 乙酸（acetic acid） 酯（ester）
（1）好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过 程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进 行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸的发酵、利用 黄单孢菌进行多糖的发酵等等。
（2） 厌氧性发酵(anaerobic fermentation) ：在发酵 过程中不需要供给无菌空气，如利用乳酸杆菌引起的乳酸 发酵、梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等等。 （3）兼性发酵 (facultative fermentation) ：酵母菌 是兼性厌氧微生物 (facultative aerobe) ，它在缺氧条件 下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧 发酵，大量繁殖菌体细胞。
有些高达200ppm。

培养基组成：培养基中枝链氨基酸（亮氨酸、异亮 氨酸、缬氨酸）存在，通过埃尔利希反应增加相应 的高级醇（异戊醇、活性戊醇和异丁醇）的生成量。

③发酵条件：一般发酵温度高，高级醇生成量高，
通风有利于高级醇生成。高级醇生成与乙醇生成是
平行的，随乙醇的生成而生成。
（2）琥珀酸的生成 琥珀酸的生成与谷氨酸存在有关系，当在发酵 醪中加入谷氨酸时，可增加琥珀酸的产量。 在此反应中由于受氢体是磷酸甘油醛，所以反 应产物除琥珀酸外，还有甘油。 （3）糠醛、甲醇等的生成 糠醛是采用淀粉原料在高压高温蒸煮时，由糖 脱水生成的。甲醇是原料中的果胶质受果胶酯酶的 水解生成的。 （4）酯类的生成 由于发酵过程中产生的醇类和酸类，经酯化反 应生成各种酯类，这种酯类叫生化酯类。
-乙酰乳酸
非酶氧化
缬氨酸
双乙酰
酵母还原
2,3-丁二醇
含硫化合物 麦芽制造、麦汁制备都能生成挥发性的含硫化合 物，但这些物质在煮沸时被消除掉了，因此，啤酒中 的含硫化合物大都是在发酵过程中形成的。 含硫化合物 非挥发性的，是挥发性含硫化合物的 来源。 挥发性的（硫醇） ：影响啤酒的风味
含量低时（8-10ppb ），对啤酒的风味起加成作用； 含量高时，构成啤酒的生青味和氧化味。一般阈值很 低，如H2S ,为５ppb 。
CH3CHO-TPP + CH3SCOA
CH3COCOCH3 + COA

由-乙酰乳酸的非酶分解产生双乙酰 双乙酰是酵母合成缬氨酸时派生出来的，双乙酰是啤酒 的重要风味指标，啤酒中的双乙酰的含量取决于生成量 与排除量之间的平衡。
CH3COCOOH + CH3CHO-TPP
措施: １、提高麦汁中氨基氮的 含量； ２、利用酵母的还原作用， 将双乙酰转变成2,3-丁二 醇； ３、利用二氧化碳的洗涤 作用，排除双乙酰。

酮酸的氧化作用
RCOCOOH + NAD +COASH RCO-SCOA + NADH2 + CO2 影响因素:
酵母菌种，不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；
发酵温度高，有利于酯类的形成；
接种量大，酯类的形成量低。

双乙酰VDK（diacetyl）

合成途径有两个：

直接由乙酰辅酶Ａ和活性乙醛缩合而成。
二甲基硫是啤酒中重要的含硫化合物，它 的含量因啤酒的类型不同而不同，它超过一定 量，啤酒的风味就失去了典型性。
英国上面啤酒（Ale）
英国底面啤酒 欧洲大陆底面啤酒
DMS
DMS
14 ppb
60--27 ppb 44--114 ppb
DMS
二、 细菌的酒精发酵（alcoholic fermentation of bacteria) 菌种为运动发酵单孢菌（Zymomonas Mobilis）。少数假 单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）


2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP
糖酵解途径及特点
它是动物、植物、微生物细胞中G分解 产生能量的共同途径
EMP途径大致可分 1，6-二磷酸果糖的生成； 1，6-二磷酸果糖分解为两个磷酸丙糖； 磷酸丙糖转化为丙酮酸；
供应ATP能量和还原力。 产生多种中间产物为合成反应提供前体物质 通过逆反应进行多糖合成
C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
则每1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理论转化率为：
2 46.05 100 % 51.1% 180 .1

在生产实际中约有5%葡萄糖用于合成酵母 细胞和副产物，实际上乙醇生成量约为理论 值的95%，则乙醇对糖转化率约为48.5%。



糖酵解的特点； 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．糖酵解（EMP）途径的每一步都是由酶催化的， 其关键酶有己糖激酶、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 萄糖合成细胞基体的标准反应序列同样有效。

酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反应，1分子
G生成２分子的乙醇，２分子的CO2和 2分子ATP。
酵母菌乙醇发酵的过程总结：




（1）葡萄糖分解为乙醇的过程中，并无氧气参与，是一个无 氧呼吸过程。 （2）过程中有脱氢反应，脱下的氢由辅酶I携带，但细胞中的 辅酶量是极少的，已被还原的辅酶I（NADH+H+）必须经过某 种方式将所带的氢除去，方能再接受脱氢反应中的氢。酵母菌 在无氧的情况下，NADH+H+是通过与乙醛反应而重新被氧化 的。 （3）葡萄糖到乙醇和CO2，用去了2分子ATP，生成了4ATP， 所以净得2分子ATP。 （4）葡萄糖的无氧分解时有热量放出，这种热量虽然不能直 接参与细胞的需能反应，但可以维持体温，使体内的反应速度 加快，促进新陈代谢。 （5）发酵过程的某些反应需要辅酶和辅助因子参加。 在好气条件下，酵母发酵能力降低，这个事实很早就被巴斯德 发现，称为巴斯德效应。巴斯德效应，与其说是乙醇的积累在 好气条件下减少，不如说是细胞内糖代谢降低。


一、酵母菌的酒精发酵
酵母菌是兼性微生物
在有氧环境中进行呼吸，酵母 细胞消耗氧气来分解葡萄糖并 获得能量，同时产生二氧化碳 在缺氧环境中进行发酵，酵母 菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇） 和二氧化碳

酵母菌发酵与呼吸
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控 一、 酵母菌的酒精发酵
1. 自然发酵学说： 无生命的水浸液能产生微生物 产生微生物需要种子，空气才能产生微生物 巴斯德通过实验否定了自然发酵学说。
酯类物质
酒花香

啤酒的香味
麦芽香
发酵过程形成的各种酯类的香味
果香

果酒的香味
发酵香 陈酿香
形成途径： 通式：R-CO-SCOA +ROH
脂酰-CoA
RCOOR +COA-SH
R-CO-SCOA
脂肪酸的激活作用
酮酸的氧化作用

在ATP的作用下，使脂肪酸活化
R-COOH + ATP + COA-SH RCO－SCOA + AMP + PPi



微生物发酵是一个错纵复杂的过程，尤其是大规模工 业发酵，要达到预定目标，更是需要采用和研究开发各式 各样的发酵技术，发酵的方式就是最重要的发酵技术之一。 通常按发酵中某一方面的情况，人为地分类为如下几种方 式：
(二)发酵机制
微生物发酵过程即为生物反应过程，是指由微生物在 生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。
2
酒精生成机制
丙酮酸（pyruvic acid）
(1 ) 葡萄糖（glucose） EMP
己糖磷酸化作用 EMP 六碳糖转变为三碳糖 磷酸丙糖 丙酮酸 (2) 丙酮酸 乙醇 丙酮酸（pyruvic acid ）脱羧 乙醛（acetaldehyde） 乙醛 还原 乙醇 （alcohol）
由葡萄糖生成乙醇的总反应式为：

高等动物、植物和绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为 能源和碳源，有氧和无氧的条件下进行葡萄糖的分解代谢。
糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径）
三羧酸环（糖的最后氧化途径）

糖酵解（glycolysis）是生物细胞所分泌的酶将G降解成丙 酮酸，并伴随着生成ATP的过程，简称EMP途径。 葡萄糖经过1，6-二磷酸果糖生成3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘 油酸再降解生成丙酮酸并产生ATP的代谢过程。总反应式为 C6H12O6+2NAD+2H3PO4+2ADP →

在无氧条件下：