微生物的代谢调控与发酵生产综述
第四节微生物的代谢调节与发酵生产ppt课件
在微生物的长期进化过程中，在每种微生物的基因组上， 虽然潜在着合成各种分解酶的才干，但是除了一部分是属于 经常以较高浓度存在的“常规部队〞即组成酶(constitutive enzyme)外，大量的都是属于只需当其分解底物或有关诱导物 存在时才会合成的“机动部队〞即诱导酶(induced enzyme或 inducible enzyme)。
二、代谢调理在发酵工业中的运用
工业发酵的目的是大量积累人们所需求的微生物代 ห้องสมุดไป่ตู้产物。
在发酵工业中，调理微生物生命活动的方法很多，包括 生理程度、代谢途径程度和基因调控程度上的各种调理。 代谢调理是指在代谢途径程度上对酶活性和酶合成的调理， 目的是使微生物累积更多的为人类所需的有益代谢产物。 以下举3类经过调理初生代谢途径而提高发酵消费效率的 实例。
〔一〕运用营养缺陷型菌株解除正常的反响调理的
1. 赖氨酸发酵
2.肌苷酸发酵
〔二〕运用抗反响调理的突变株解除反响调理
★抗反响控制突变株——是 指对反响抑制不敏感或对阻 遏有抗性，或两者兼有之的 菌株。 ★抗反响控制突变株可以从 终产物构造类似物抗性突变 株和营养缺陷性回复突变株 中获得。
〔三〕控制细胞膜浸透性
据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白质含量的10%。经过 代谢调理，微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足 本人生长、繁衍所需求的一切中间代谢物，并做到既不缺乏、 也不剩余或浪费任何代谢物的高效“经济核算〞。
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究发酵工艺是一种利用微生物的代谢活动来生产有用的化学物质的技术。
在这个过程中，微生物的生长和代谢调控起着关键作用。
本文将从微生物生长和代谢调控两个方面介绍发酵工艺中微生物的相关研究。
一、微生物生长微生物的生长是指微生物个体数目增多的过程，也是发酵工艺中最基本的过程之一。
微生物的生长可以分为四个阶段：潜伏期、指数期、对数期和稳定期。
1. 潜伏期潜伏期是指微生物在新的培养基中适应环境的过程。
在这个阶段中，微生物的代谢活动相对较缓慢，个体数目几乎不变。
2.指数期进入指数期后，微生物开始快速增长。
在这个阶段中，微生物的个体数目呈指数增长，其增长速率也相对较快。
此时微生物的代谢活动也处于高峰期，细胞内各种代谢产物的合成速率较快。
3. 对数期当微生物细胞密度达到一定值时，微生物的增长速率会开始降低，进入对数期。
在这个阶段中，微生物的代谢活动较指数期保持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量只是等量地替代老的细胞。
4. 稳定期稳定期是指微生物生长速率趋于平缓的状态。
在这个阶段中，微生物的代谢活动也维持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量与老的细胞数量趋于相等。
二、代谢调控微生物的代谢是指它们在细胞内生产和消耗物质的过程。
在发酵工艺中，所需的发酵产物通常是由微生物代谢产生的。
因此，微生物代谢的调控在发酵工艺中非常重要。
1. 糖代谢大多数发酵物质的合成都是依赖于糖代谢的过程。
微生物的糖代谢途径繁多，包括四种主要代谢途径：糖酵解、异糖酵解、戊糖酵解和底物级联途径等。
这些糖代谢途径的启动和调控都受到微生物内部和外部环境的调节。
2. 氮代谢氮代谢是指微生物内部氮代谢产物的生产和消耗过程。
在发酵工艺中，氮代谢参与了发酵产物的合成和微生物生长的控制等过程。
微生物通过调节氮代谢途径中相关酶的活性来平衡代谢产物的合成和消耗，从而实现较高的生产效率。
3. 能量代谢微生物通过代谢活动产生能量，并且可以通过调节代谢途径的活性来适应不同的环境中的能量状态。
发酵工程—5.微生物的代谢和调节工程
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
二、酶合成的调节（酶量）
1 、 微
酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进 而调节微生物的代谢速率。
生 物
这是一种在基因水平上（在原核生物中主
的 要在转录水平上）的代谢调节。
代 谢
有诱导调节和阻遏调节。
类
型
和
自
我
调
节
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
个同功酶发生抑制作用。
物 的 代
如：大肠杆菌天冬氨族氨基酸合成途径 中，有三个同工酶天冬氨酸激酶ⅠⅡ Ⅲ分
谢 类
别受赖氨酸、苏氨酸、硫氨酸反馈调节
型
和
自
我
调
节
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
1 、 微 生 物 的 代 谢 类 型 和 自 我 调 节
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
型 和
顺序诱导:先合成能分解底物的酶，再依次合
自 成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂
我 调
代谢途径的分段调节。
节
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
2．阻遏
1
在微生物的代谢过程中，当代谢途径中
、 微
某末端产物过量时，除用反馈抑制的方式
生 来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端
物 的
产物的生成外，还通过阻遏作用来阻碍代
生 物 代
素等。 特征：
谢
不同的微生物初级代谢产物基本相同；
初级代谢产物合成过程是连续不断的，
与菌体的生长呈平行关系。
发 酵 工 程 - 微生物的代谢和调节工程
次级代谢产物
定义：微生物生长到一定阶段才产生的化
第四节微生物的代谢调控与发酵生产
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2020/11/29
第四节微生物的代谢调控与发酵生产
无氧呼吸
§ 无氧呼吸，又称厌氧呼吸，是一类呼吸链 末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为 有机氧化物）的生物氧化。
§ 这是一类在无氧条件下进行的产能效率较 低的特殊呼吸。
§ 其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分 呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个 别是有机物延胡索酸）受氢。
微生物的代谢调控与发酵生产
§微生物有着一整套可塑性极强和极精 确的代谢调节系统，以保证上千种酶 能正确无误、有条不紊地进行极其复 杂的新陈代谢反应。
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第四节微生物的代谢调控与发酵生产
一、微生物代谢过程中的自我调节
§ 1、控制营养物质透过细胞膜进入细胞
§ 2、通过酶的定位控制酶与底物的接触
§ 2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。 概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物 对该途径关键酶活性的影响。
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第四节微生物的代谢调控与发酵生产
一、酶活性的调节
§ 凡使反应速度加快的称正反馈； § 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； § 反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过
§ 硫多酸 数H盐2还S是原由的这最一终反产应物产是生H2的S，。自然界中的大 § 与硝酸盐还原细菌不同的是，硫酸盐还原细菌
都是一些严格依赖于无氧环境的专性厌氧细菌
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第四节微生物的代谢调控与发酵生产
§ （4）碳酸盐呼吸 是一类以CO2或重碳酸盐作为 无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。
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微生物的代谢调控与发酵生产综述
微生物的代谢调控与发酵生产发酵工程课张顺微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
例如，在每种微生物的遗传因子上，虽然潜在着合成各种分解酶的能力，但是除了一部分是属于经常以较高浓度存在的组成酶（constitutive-enzyme）外，大量的都是属于只有当其分解底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶（induced-enzyme或inducible-enzyme）。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等。
其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。
利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。
有关的实际例子将在本节后部分进行介绍。
在发酵工业中，控制微生物生理状态以达到高产的环境条件很多，如营养物类型和浓度，氧的供应，pH的调节和表面活性剂的存在等。
这里要讨论的则是另一类方式，即如何控制微生物的正常代谢调节机制，使其累积更多为人们所需要的有用代谢产物。
由于一些抗生素等次生代谢产物的代谢调控十分复杂且目前还不够清楚，因此，下面所举的例子都是一些小分子主流代谢产物。
微生物发酵的综述
微生物发酵的综述在我们生活的这个丰富多彩的世界里，微生物发酵是一项既古老又充满活力的生物技术。
它不仅在食品、医药、化工等众多领域发挥着重要作用，还为解决全球面临的能源、环境等问题带来了新的希望。
微生物发酵，简单来说，就是利用微生物在适宜的条件下，将原料转化为具有特定价值的产品的过程。
这些微生物就像是一群勤劳的“小工人”，在它们的“工厂”里忙碌地工作，将原材料进行加工和改造。
微生物的种类繁多，每一种都有其独特的特性和功能。
常见的用于发酵的微生物包括细菌、酵母菌和霉菌等。
例如，乳酸菌在酸奶的制作中发挥着关键作用，它能将牛奶中的乳糖转化为乳酸，从而使牛奶变酸并凝固；酵母菌则在酿酒过程中不可或缺，通过发酵将葡萄糖转化为酒精和二氧化碳。
微生物发酵的条件至关重要。
首先是温度，不同的微生物都有其最适宜的生长和发酵温度范围。
温度过高或过低都会影响微生物的活性，甚至导致它们死亡。
其次是酸碱度，大多数微生物在中性或略偏酸性或碱性的环境中生长良好。
此外，氧气的供应也是一个重要因素。
有些微生物是需氧型的，需要充足的氧气来进行呼吸和代谢；而有些则是厌氧型的，在无氧条件下才能正常发酵。
在食品工业中，微生物发酵的应用历史悠久且广泛。
酸奶、泡菜、酱油、醋等都是我们熟悉的发酵食品。
以酸奶为例，除了上述提到的乳酸菌的作用，它还富含蛋白质、钙等营养成分，且易于消化吸收，深受人们喜爱。
泡菜则是通过乳酸菌发酵，不仅增加了独特的风味，还延长了蔬菜的保存时间。
在医药领域，微生物发酵同样有着重要的地位。
许多抗生素，如青霉素、链霉素等，都是通过微生物发酵生产的。
此外，一些疫苗的生产也离不开微生物发酵技术。
通过发酵，可以大量生产出具有药用价值的物质，为治疗疾病提供了有力的支持。
化工行业中，微生物发酵也发挥着重要作用。
例如，利用微生物发酵生产乙醇、丙酮、丁醇等有机溶剂，为工业生产提供了重要的原料。
随着科技的不断进步，微生物发酵技术也在不断发展和创新。
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训
微生物的代谢调控与发酵生产技术培训1. 引言微生物是一类非常重要的生物资源，对于人类的生活和产业发展起着不可忽视的作用。
微生物的代谢调控与发酵生产技术是微生物应用领域的核心内容。
本培训将介绍微生物代谢调控的基本原理和发酵生产技术的关键知识，帮助学员更好地了解微生物的代谢特点，掌握发酵工艺的操作技术，为微生物相关领域的研究和应用提供基础支持。
2. 微生物代谢调控的基本原理2.1 代谢调控的概念和意义代谢调控是指生物体对代谢过程的控制机制，通过对代谢途径中关键酶的调节，微生物能够根据环境变化和能源需求来调整代谢途径的流动，以更高效地利用营养物质并适应外界环境的变化。
2.2 代谢调控的方式代谢调控主要通过转录水平的调节和翻译后修饰来实现。
微生物中常见的代谢调控方式包括基因表达调控、底物浓度调控、反馈抑制调控等。
2.3 代谢网络的建立与调控代谢网络是由一系列相互作用的代谢途径构成的复杂网络系统。
微生物中的代谢网络涉及到多个途径和多个酶的相互作用，需要考虑途径之间的交叉调控和代谢产物之间的协同作用。
3. 发酵生产技术的关键知识3.1 发酵工艺的基本流程发酵工艺是利用微生物对底物进行代谢转化的过程。
发酵生产技术涉及到微生物的选取与培养、发酵条件的控制、产物的提取与纯化等关键步骤。
3.2 常用的发酵微生物常用的发酵微生物包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌等，它们具有不同的生理特点和产物合成能力，可以根据不同的需求选择合适的微生物进行发酵生产。
3.3 发酵条件的调控发酵条件的调控对于发酵过程中微生物的生长和产物的合成起着关键作用。
常见的发酵条件包括pH值、温度、氧气浓度、营养物质浓度等，通过调节这些条件可以控制微生物的生长速率和产物合成速率。
3.4 发酵产物的提取与纯化发酵产物的提取与纯化是发酵生产技术中的最后一个重要步骤。
通过适当的提取和纯化工艺，可以获得高纯度的发酵产物，并去除其中的杂质，以满足不同领域的应用需求。
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究发酵是一种被广泛应用于食品生产、药物制造和能源生产等领域的生物技术方法。
在发酵过程中，微生物的代谢途径和调控机制起着至关重要的作用。
本文将从微生物的代谢途径和调控机制两个方面进行讨论。
微生物的代谢途径是指微生物在发酵过程中通过一系列化学反应将底物转化为产物的途径。
常见的微生物代谢途径包括糖酵解途径、葡萄糖酸途径、乳酸发酵途径等。
其中，糖酵解途径是最为常见的代谢途径之一。
在糖酵解途径中，微生物将葡萄糖分解为丙酮酸和乙醛，再通过丙酮酸和乙醛的转化产生乳酸、醇、乙酸等产物。
葡萄糖酸途径是另一种代谢途径，微生物在此途径中将葡萄糖转化为葡萄糖酸，再将葡萄糖酸进一步转化为乳酸。
乳酸发酵途径则是将葡萄糖直接转化为乳酸的代谢途径。
不同的微生物会选择不同的代谢途径来满足自身的能量需求和代谢产物的需求。
微生物的代谢途径受到多种调控机制的调控，以确保发酵过程能够顺利进行并产生高效的产物。
其中，环境因素是最为重要的调控机制之一。
微生物对环境的pH值、温度等因素非常敏感，过高或过低的环境条件可能会抑制微生物的代谢途径。
例如，大肠杆菌在碱性环境下会抑制糖酵解途径的进行，而在酸性环境下则会促进糖酵解途径的进行。
此外，底物浓度和产物浓度也是调控微生物代谢途径的重要因素。
当底物浓度过低或产物浓度过高时，微生物的代谢途径可能会受到抑制。
微生物通过感知环境中底物和产物浓度的变化，调节代谢途径的进行。
另外，微生物的基因调控也起着重要的作用。
微生物的基因组中包含了一系列调控基因，这些调控基因能够控制特定代谢途径中关键酶的合成。
通过调节这些酶的合成量，微生物能够在不同环境条件下选择合适的代谢途径。
这些调控基因受到内源和外源信号的调控，包括底物和产物浓度的变化、细胞内外环境的变化等。
微生物的基因调控能够实现代谢途径的快速调整，从而适应不同的环境条件和产物需求。
最后，微生物的代谢途径和调控机制的研究对于发酵工艺的优化和微生物菌种的选育具有重要意义。
微生物发酵的综述
微生物发酵的综述邵涵廷上海师范大学环境工程系2003级0313542摘要：本文主要介绍了微生物发酵的原理、类型、工业产品。
列举出几种微生物发酵并说明其原料、使用的菌种、发酵的类型及发酵前后的营养成分的变化。
以及如何培育发酵所需微生物的育种方法。
在文章下半部分介绍了一些微生物发酵应用的最新动态。
本文力求对微生物发酵综述。
关键词：微生物、发酵1、微生物发酵的原理[1]：自然界中的微生物能够从它生存的环境中吸取营养物和能量，进行物质的合成与代谢，进行繁衍，这一切生命活动几乎都是由酶催化的生物反应完成的。
因此，在微生物细胞中存在能够催化各种反应的酶。
我们可以从中筛选出能够产生某种酶较多的微生物，利用该微生物的代谢活动，获得某种产品。
自然界中存在的某些微生物因适应不同的环境，或因自身生存的需要而具备产生某种物质的能力，如某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死；微生物为将环境中的蛋白质、纤维素、淀粉等大分子变成可吸收的营养物，会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将其水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖；另外，微生物从环境中能够得到的营养物的种类必定有限，不能够满足需要，因此，微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等等。
这一切都是为满足微生物生存和繁殖的需要，人们就可以利用微生物的这种生产能力，生产各种有用的产品，如抗生素、氨基酸、酶等。
2、列举出几种微生物发酵并说明其原料、使用的菌种、发酵的类型（需氧或厌氧发酵）及发酵前后的营养成分的变化：酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。
白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。
果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。
第五节 微生物的代谢调控与发酵生产
• 在正常代谢途径中，酶活性调节和酶合成调节 两者是同时存在且密切配合、协调进行的。
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（一）酶合成调节的类型
• 1．诱导
• 根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物 或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱 导酶两类。
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• （4）调节蛋白
• 是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可 与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结
合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构
作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵 基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。
•
调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能
在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因
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（二）酶合成调节的机制
• （1）操纵子: 指的是一组功能上相关的基因， 它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组 成。
• 启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识 别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位， 也是转录的起始点；
• 操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段 碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合， 以此来决定结构基因的转录是否能进行；
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• （二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
• 抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制 不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而 有之的菌株。
• 在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除， 或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌 大量的末端代谢产物。
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微生物代谢的途径与调控
微生物代谢的途径与调控微生物是指通常太小，不能直接被肉眼观察到的生物体，它们在自然界中分布广泛，包括了细菌、真菌、病毒等。
微生物代谢是生命活动的核心，通过代谢，微生物可以获得能量、合成细胞组分以及分解外源物质等重要功能。
本文通过对研究微生物代谢的途径与调控的相关文献进行综述，探讨微生物代谢的机制与调控。
微生物代谢的途径微生物代谢可以被分为两类，即有氧代谢和厌氧代谢。
1、有氧代谢有氧代谢是指微生物在氧气存在的情况下进行的代谢过程，常见的代谢途径包括三大类，即三大代谢途径：（1）糖酵解途径糖酵解是微生物通过使用糖类物质产生ATP 和NADH 的过程，是生命活动中非常重要的能量来源之一。
在接受到合适的生长环境刺激后，微生物会通过葡萄糖代谢产生 ATP。
（2）硫酸盐还原途径硫酸盐还原途径是指在某些微生物中，它们可以通过使用硫酸盐和亚硫酸盐等无机氧化还原物质来进行能量产生的一种代谢途径。
这种代谢途径通常被应用于缺乏氧气的环境中。
（3）磷酸戊糖通路磷酸戊糖通路是一种接受一些糖类物质并将它们转化为 ATP和 NADPH 的途径，它是生物体最主要的能量来源之一。
对于一些微生物，磷酸戊糖通路会被用于氮固定和生物合成过程中的底物提供。
2、厌氧代谢厌氧代谢是指在氧气缺乏的情况下进行的代谢过程，其代谢途径包括：（1）差异反应差异反应是指，利用电子从一种化学物质到另一种化学物质的转移来产生 ATP 和 NADH。
这种反应通常发生在厌氧细菌中，并且过程中产生的 ATP 与有氧代谢下产生的 ATP 之间有着显著的不同。
（2）微生物发酵微生物发酵是一种在有机物分解过程中产生能量的代谢途径，此代谢途径通常被视为是一种减缓微生物生长速度的代谢形式。
在发酵过程中，微生物会将糖分子转化成乙醇或乳酸，以及其他小分子化合物。
微生物代谢的调控微生物代谢受到许多内外因素的影响，其中包括生长速率、代谢产物质和自适应机制等等。
研究生物中的细胞与代谢的关系被称作"系统生物学"，同时也是代谢工程学这一新兴研究领域的来源之一。
微生物的代谢调控与发酵生产
微生物发酵生产中的环境因素调控
温度
温度对微生物的生长和代谢具有重要影响，不同微生物的最适生长温度不同。通过控制温度，可 以调节微生物的生长和代谢速率。
pH
pH对微生物的生长和代谢具有关键作用，不同微生物对pH的需求不同。通过调节pH，可以优化微 生物的生长和产物合成条件。
溶氧
溶氧是影响好氧微生物生长和产物合成的关键因素。通过控制溶氧水平，可以调节微生物的呼吸 作用和代谢流分配。
产物提取与精制
将种子接入发酵罐，在适宜的温度、 pH、溶氧等条件下进行培养，使菌 株快速繁殖并生产目标产物。
微生物发酵生产中的底物与产物
底物
微生物发酵生产所需的碳源、氮源、磷 源、维生素等营养物质。不同的微生物 对底物的需求不同，选择合适的底物对 提高目标产物的产量和质量至关重要。
VS
产物
通过微生物发酵生产得到的目标产物，如 氨基酸、抗生素、酶制剂、有机酸等。这 些产物在食品、医药、化工等领域具有广 泛的应用谢
通过调控基因的表达，控制酶的合成与代谢，进而影响产物 的合成途径和速率。
1
代谢流分配
2
通过改变代谢途径中关键酶的活性，调控代谢流在不同代谢
节点上的分配，以提高目标产物的产量。
3 生长与产物的关系
研究生长与产物生成之间的相互关系，探索生长与产物合成 的协同机制，为提高产物的产量提供理论依据。
03
微生物发酵生产的过程与调 控
微生物发酵生产的基本流程
菌种筛选与改良
从自然界或已有的菌种资源中筛选具 有优良性状的菌株，通过遗传改良提 高其生产能力。
发酵培养
发酵结束后，通过离心、过滤等方法 收集菌体和发酵液，再进一步提取和 精制目标产物。
微生物的代谢调控与发酵生产
★抗反馈控制突变株可以从终产物结构类似物抗性 突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。
4.生物化学方法
1. 添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生 D B C E
(-) (-)
(-)
A
F
2. 添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往 不是该酶的底物，而是底物的衍生物，
3. 发酵与分离过程耦合：
4. 控制发酵的培养基成分：
5.控制细胞膜渗透性
• 使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 (1) 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 • 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； • 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； • 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； • 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的 作用与生物素相似。 (2) 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 • 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添 加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸 产量。 • 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造 成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或 油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。
1.营养缺陷型菌株的应用
（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突 变株只能积累中间代谢产物
Aa
B
b
C
c
DБайду номын сангаас
d
E
末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限 量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈 调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物 C。
发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究
发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究发酵是利用微生物在适宜环境条件下进行代谢活动进行有目的的生产的过程。
在发酵过程中，微生物的代谢调控起着重要的作用。
代谢调控是指细胞对自身代谢的调节，通过调控代谢通路中的酶的活性、基因的表达和信号传导等方式，实现对代谢过程的精确控制。
而代谢工程研究则是利用基因工程和发酵工程的手段对代谢通路进行调控和优化，以提高发酵过程产物的产量和质量。
在发酵过程中，微生物代谢调控主要包括两个方面的调控：一是对能量代谢的调控，二是对产物代谢的调控。
对能量代谢的调控主要涉及到微生物对碳源的利用、细胞的能量生成和耗散等过程。
在发酵过程中，微生物通常利用碳源来生成能量。
碳源的选择和利用效率对微生物代谢有着重要影响。
在代谢过程中，酶的活性和表达水平的调控也是能量代谢调控的关键因素之一。
通过调控酶的活性和基因的表达水平，可以有效地控制代谢过程中的能量代谢。
对产物代谢的调控是指通过调控代谢通路中与产物生成相关的酶的活性和基因的表达水平，以实现产物代谢过程的控制。
在发酵过程中，微生物通常通过对产物代谢途径的调控来控制产物的产量和质量。
通过对酶的活性和基因的表达的调控，可以实现对产物生成途径的选择和产物的选择性积累。
代谢工程研究则是在微生物的代谢调控基础上，利用基因工程和发酵工程的手段对代谢过程进行优化和调控。
代谢工程的研究主要包括两个方面的内容：一是通过基因工程的手段对代谢通路中的酶进行调控和改造，以提高目标产物的产量和质量；二是通过发酵工程的手段对代谢过程进行优化，以改善发酵条件，提高发酵过程的稳定性和产物的积累效率。
在代谢工程研究中，常用的方法包括构建多基因操纵体系和利用高通量筛选技术。
通过构建多基因操纵体系，可以实现对代谢通路中多个酶的同时调控，从而提高产物的产量和质量。
而利用高通量筛选技术，则可以高效地筛选出具有高产量和高产物活性的菌株。
综上所述，发酵过程中的微生物代谢调控与代谢工程研究是非常重要的。
高校微生物专业微生物代谢调控机制研究进展综述
高校微生物专业微生物代谢调控机制研究进展综述微生物代谢调控是微生物学领域中的重要研究方向之一。
微生物代谢途径对于生物学过程的调控和生命活动的维持发挥着至关重要的作用。
本文将综述高校微生物专业微生物代谢调控机制的研究进展，包括代谢途径的发现与鉴定、调控机制的解析以及相关应用领域的展望。
一、微生物代谢途径的发现与鉴定微生物代谢途径的发现与鉴定是微生物学研究的基础。
通过对微生物生长环境的分析和实验室培养条件的优化，研究人员逐步发现了一系列重要的微生物代谢途径。
例如，生物体内的糖代谢途径，包括糖酵解途径、柠檬酸循环和糖异生途径等，这些代谢途径在维持微生物生长发育以及产生能量和代谢产物方面起着重要的作用。
此外，微生物的氮代谢、脂类代谢等代谢途径的发现也为微生物代谢调控机制的研究奠定了基础。
二、调控机制的解析微生物代谢调控机制的解析是深入理解微生物调控网络的关键。
通过细胞内各种酶的调控以及信号分子的介导，微生物可以对代谢途径进行紧密调控，以适应不同的生长环境。
研究人员利用生化实验手段和基因工程技术，逐渐揭示了微生物代谢调控的分子机制。
例如，研究人员通过研究微生物中的转录因子、激酶和磷酸酶等关键蛋白质，发现它们在代谢调控中起到重要的作用。
此外，人们还通过表达芯片技术和代谢组学研究等方法，对微生物代谢调控网络进行了更加全面和深入的研究。
三、微生物代谢调控的应用领域展望微生物代谢调控的研究不仅可以推动基础科学的发展，还可以为多个应用领域提供理论和技术支持。
其中，生物能源领域是一个重要的应用领域。
通过对微生物代谢调控机制的深入了解，可以提高微生物产能和产物特异性，从而实现生物能源的高效利用。
另外，微生物代谢调控的研究还可以应用于农业生产、环境修复等领域，为解决农业生产和环境污染等问题提供了新的思路和方法。
综上所述，高校微生物专业微生物代谢调控机制的研究已经取得了可喜的进展。
微生物代谢途径的发现与鉴定为微生物代谢调控的研究奠定了基础，调控机制的解析为深入理解微生物调控网络提供了重要支持，而相关应用领域的展望则为微生物代谢调控的研究带来了更大的发展空间。
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微生物的代谢调控与发酵生产
发酵工程课张顺
微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
例如，在每种微生物的遗传因子上，虽然潜在着合成各种分解酶的能力，但是除了一部分是属于经常以较高浓度存在的组成酶（constitutive-enzyme）外，大量的都是属于只有当其分解底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶（induced-enzyme或inducible-enzyme）。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
微生物细胞的代谢调节方式很多，例如可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等。
其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果。
利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。
有关的实际例子将在本节后部分进行介绍。
在发酵工业中，控制微生物生理状态以达到高产的环境条件很多，如营养物类型和浓度，氧的供应，pH的调节和表面活性剂的存在等。
这里要讨论的则是另一类方式，即如何控制微生物的正常代谢调节机制，使其累积更多为人们所需要的有用代谢产物。
由于一些抗生素等次生代谢产物的代谢调控十分复杂且目前还不够清楚，因此，下面所举的例子都是一些小分子主流代谢产物。
现分三方面
来介绍。
（一）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节
在直线式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积中间代谢物而不能累积最终代谢物。
但在分支代谢途径中，通过解除某种反馈调节，就可以使某一分支途径的末端产物得到累积。
1．赖氨酸发酵如图所示，在许多微生物中，可用天冬氨酸为原料，通过分支代谢途径合成出赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸。
赖氨酸是一种重要的必需氨基酸，在食品、医药和畜牧业上需要量很大。
但在代谢过程中，一方面由于赖氨酸对天冬氨酸激酶（AK）有反馈抑制作用，另一方面由于天冬氨酸除用于合成赖氨酸外，还要作为合成甲硫氨酸和苏氨酸的原料，因此，在正常的细胞内，就难以累积较高浓度的赖氨酸。
为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产菌株，工业上选育了Corynebacteriumglutamicum（谷氨酸棒杆菌）的高丝氨酸缺陷型菌株作为赖氨酸的发酵菌种。
这个菌种由于不能合成高丝氨酸脱氢酶（HSDH），故不能合成高丝氨酸，也不能产生苏氨酸和甲硫氨酸，在补给适量高丝氨酸（或苏氨酸和甲硫氨酸）的条件下，在含有较高糖分和铵盐的培养基上，能产生大量的赖氨酸。
2．肌苷酸（IMP）的生产肌苷酸是重要的呈味核苷酸，它是嘌呤核苷酸生物合成过程中的一个中间代谢物。
只有选育一个发生在IMP转化为AMP或GMP的几步反应中的营养缺陷型菌株，才可能累积IMP。
C．glutamicum的IMP合成途径
及其代谢调节机制可见下图。
从图中可以看出，该菌的一个腺苷酸琥珀酸合成酶（酶12）缺失的腺嘌呤缺陷型，如果在其培养基中补充少量AMP就可正常生长并累积IMP。
当然，假如补充量太大，反而会引起对酶2的反馈抑制。
（二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而有之的菌株。
在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。
例如，当把Corynebacteriumcrenatum（钝齿棒杆菌）培养在含苏氨酸和异亮氨酸的结构类似物AHV（α-氨基-β-羟基戊酸）的培养基上时，由于AHV可干扰该菌的高丝氨酸脱氢酶、苏氨酸脱氢酶以及二羧酸脱水酶，所以抑制了该菌的正常生长。
如果采用诱变（如用亚硝基胍作为诱变剂）后所获得的抗AHV突变株进行发酵，就能分泌较多的苏氨酸和异亮氨酸。
这是因为，该突变株的高丝氨酸脱氢酶或苏氨酸脱氢酶和二羧酸脱水酶的结构基因发生了突变，故不再受苏氨酸或异亮氨酸的反馈抑制，于是就有大量的苏氨酸和异亮氨酸的累积。
如进一步再选育出甲硫氨酸缺陷型菌株，则其苏氨酸产量还可进一步提高，原因是甲硫氨酸合成途径上的两个反馈阻遏也被解除了。
（三）控制细胞膜的渗透性
微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。
细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并自然地通过反馈阻遏限制了它们的进一步合成。
采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。
这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提高发酵产物的产量。
1．通过生理学手段控制细胞膜的渗透性在谷氨酸发酵生产中，生物素的浓度对谷氨酸的累积有着明显的影响，只有把生物素的浓度控制在亚适量情况下，才能分泌出大量的谷氨酸。
生物素影响细胞膜渗透性的原因，是由于它是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的辅基，此酶可催化乙酰CoA的羧化并生成丙二酸单酰辅酶A，进而合成细胞膜磷脂的主要成分——脂肪酸。
因此，控制生物素的含量就可以改变细胞膜的成分，进而改变膜的透性和影响谷氨酸的分泌。
当培养液内生物素含量很高时，只要添加适量的青霉素也有提高谷氨酸产量的效果。
其原因是青霉素可抑制细菌细胞壁肽聚糖合成中转肽酶的活性，结果引起其结构中肽桥间无法进行交联，造成细胞壁的缺损。
这种细胞的细胞膜在细胞膨压的作用下，有利于代谢产物的外渗，并因此降低了谷氨酸的反馈抑制和提高了产量。
2．通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性应用谷氨酸产生菌的油酸缺陷型菌株，在限量添加油酸的培养基中，也能因细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸的产量。
这是因为油酸是一种含有一个双键的不饱和脂肪酸（十八碳烯酸），它是细菌细
胞膜磷脂中的重要脂肪酸。
油酸缺陷型突变株因其不能合成油酸而使细胞膜缺损。
另一种可以利用石油发酵产生谷氨酸的Corynebacteriumhydrocarbolastus（解烃棒杆菌）的甘油缺陷型突变株，由于缺乏a-磷酸甘油脱氢酶，故无法合成甘油和磷脂。
其细胞内的磷脂含量不到亲株含量的一半，但当供应适量甘油（200μg/ml）时，菌体即能合成大量谷氨酸（72g/L），且不受高浓度生物素或油酸的干扰。
纤维素是自然界中最丰富的可再生资源，但绝大部分无法被充分利用。
用纤维素酶把纤维素水解成葡萄糖，是现代酶工程中最令人鼓舞的新进展之一。
把含纤维的自然资源及纤维废料加以充分利用，转化成糖类作为食品工业和发酵工业的原料或制成优质饲料，具有深远的现实意义。
国内外科研工作者已先后筛选和培育了许多产纤维素酶的菌种，其中木霉属菌株产生的纤维素酶活力较高。
由于其粗酶制剂中含有较高活力的C 酶，因而成为当前生产上应用较多的菌种。
但与淀粉酶和蛋白酶相比，其生产规模小，酶的活力也较低，酶解效率不高。
当前的研究攻关主要集中以下两个方面：一是通过菌种筛选、基因克隆等手段来提高酶的产量和活力，以降低产酶成本，改进酶的回收利用；二是改变天然纤维素酶的结构，以提高其对酶作用的敏感性。