第六章微生物发酵机理2
第六章 微生物发酵机理
中较前面的一个中间产物所促进。 代谢中间产物的反馈激活：代谢中间产物对该代谢途径
的前面的酶起激活作用。
2、酶活性的调节（细调）
② 酶活性的抑制（inhibition）：代谢调节过程中所发生 的抑制现象主要是可逆的，大多是反馈抑制
1、酶合成的调节（粗调）
③酶合成调节的遗传机制：操纵子学说
操纵子是指基因组DNA分子的一个片段，这个片断 由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成。
诱导型操纵子：效应物存在导致基因表达。 阻遏型操纵子：效应物存在导致基因表达的关闭。
乳糖操纵子的诱导机制
P R PO
z
ya
半乳糖苷 酶
半乳糖 苷渗透 酶
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中 ，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途径的末端 产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对 整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反 馈调节方式有多种:
顺序反馈抑制（sequential feedback inhibition） 同工酶的反馈抑制（isoenzyme feedback inhibition） 协同反馈抑制（concerted feedback inhibition） 累积反馈抑制（cumulative feedback inhibition） 超相加反馈抑制（cooperative feedback inhibition）
第六章 微生物发酵机理
第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好养发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢 二、微生物对培养基中氮源的代谢 三、微生物的能量代谢
6第六章 发酵动力学
2.随着时间的延长，培养液中微生物细胞的 量c’(X)增加，但细胞的浓度却保持不变，即
dc(X) dt
= 0
3.因而µ≌D
这种微生物细胞的培养状态称为 ——“准恒定状态”
在“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ恒定状态”下
c(S) ≈ DKs µm - D (4)
c’(X) ＝ c0’(X) + F · Yx/s · c ’0 (S) · t 补料液浓度
动力学方程
c0(S)——开始时培养基中限制性基质的浓度 g/L F——培养基的流速 L/h V——培养基的体积 L F/V＝D——稀释率 c0(X)——刚接种时培养液中的微生物细胞浓度 g/L c(X)——某一瞬间培养液中微生物细胞浓度 g/L c(X) = c0(X) + Yx/s [c0 (S) -c (S)]
v =
µ
YG
v =
+ m +
Qp Yp
+
(6)
µ Yx/s
(5)
少量的其他代谢产物和其他忽略 1 Yx/s 1 m + µ (7)
=
YG
YG和m很难直接测定，只要得出细胞在不同 比生长速率下的Yx/s，可根据(7)式用作图法 求出YG和m值。 YG和m值用于衡量发酵时限制性营养基质的 起始最低浓度。
µ µm
b µm/2
c
µ ＝
a
µm c(S)
Ks + c(S)
c(S)
Ks
Ks的物理意义
Ks的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲 和力大小 Ks越大，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越小； Ks越小，表示微生物对营养物质的吸收亲 和力越大
第六章发酵动力学
发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，速度 等于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的亲 和力，两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
Vm [ s ] v K m [ s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：
m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
：
消耗每克营养物（s）或每克分 子 氧 (O2) 生 成 的 产 物 (P) 、 ATP 或
CO2的克数。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越 小， µ 越小。
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2
1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解：将Monod方程变形：
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标，1/μ为 纵坐标，得一条直线， 由直线与x轴和y轴相交， 分别求得：
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型：
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
产物间接由能量代谢生成，不是底物的 直接氧化产物，而是菌体内生物氧化过 程的主流产物（与初生代谢紧密关联）。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批培养中的产物形成：
Ⅰ型：生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联：抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时，则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
产物生成与能量代谢不直接相关，通过细 胞进行的独特的生物合成反应而生成。
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
第六章发酵机理
（一）.EMP途径
反应步骤：10步
反应简式：耗能阶段
产能阶段
C6
2C3
2ATP
2NADH+H+ 2丙酮酸 4ATP 2ATP
总反应式： C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作 为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮酸 及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发 酵工业有密切关系。
过生物氧化来进行产能代谢。
异养微生物的生物氧化: 异养微生物氧化有机物的方式，根 据氧化还原反应中电子受体的不同 可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方 式。
发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机 物氧化释放的电子直接交给底物本身未完 全氧化的某种中间产物，同时释放能量并 产生各种不同的代谢产物。
磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径
磷酸戊糖酮解途径
葡萄糖
6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸
5 -P-核酮糖
异构化作用
5 -P-木酮糖
ATP ADP
NAD+ NADH+H+
NAD+ NADH+H+
磷酸戊糖酮解酶
3 -P-甘油醛
NAD+
2ADP+Pi
NADH+H+
2ATP
丙酮酸
-2H
•HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动 对其中间产物的需要量相关。
（三）ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG） 裂解途径。
《微生物发酵机理》课件
新型发酵工艺的开发
总结词
新型发酵工艺的开发是提高微生物发酵效率 和产物质量的关键手段，有助于降低生产成 本，实现可持续发展。
详细描述
随着生物技术的不断进步，新型发酵工艺如 固定化细胞技术、连续发酵技术、高密度发 酵技术等得到了广泛应用。这些新型发酵工 艺能够提高发酵效率、优化产物质量、降低 生产成本，为微生物发酵工业的可持续发展 提供了有力支持。
氨基酸代谢
氨基酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成CO2、 NH3等产物的过程。
核苷酸代谢
核苷酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成水、氨 、磷酸等产物的过程。
03
微生物发酵过程控制
温度对微生物发酵的影响
温度对微生物发酵的影响是多方面的。在低温条件下，微生物的生长速率降低， 发酵过程变得缓慢；而在高温条件下，微生物细胞可能会受到损伤，导致发酵过 程受阻。因此，选择适宜的温度范围是微生物发酵过程控制的关键之一。
在适宜的温度范围内，温度的升高可以促进微生物的生长和代谢活动，提高发酵 效率。但温度过高可能会导致微生物细胞内的酶失活或细胞死亡，从而影响发酵 过程。因此，需要对温度进行精确控制，以获得最佳的发酵效果。
pH对微生物发酵的影响
pH是影响微生物发酵的重要因素之一。不同的微生物对pH 的要求不同，因此需要了解和控制发酵液的pH值，以满足微 生物的生长和代谢需求。
产物。
微生物发酵的应用
食品工业
用于生产面包、酒类、醋酸、 酸奶等食品。
医药工业
用于生产抗生素、维生素、酶 制剂等生物制品。
农业
用于提高土壤肥力、生物除虫 等。
环境治理
用于废水处理、土壤改良等环 境保护领域。
02
6微生物发酵机理-精选文档73页
NAD+ NADH
葡萄糖
6-磷酸 葡萄糖
6-磷酸葡 5-磷酸 萄糖酸 -CO2 木酮糖
乙酰磷酸
3-磷酸 -2H 甘油醛
乳酸
2ADP 2ATP
14
（2）双歧途径
两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途径
15
发酵类型 同型乳酸
发酵
异型乳酸 发酵
途径 EMP
HMP 双歧
产物 乳酸
菌种代表
保加利亚乳杆 菌、乳酸链球
27
（三）及时补加草酰乙酸
外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种
28
柠檬酸的积累机制归纳：
①Mn 2+ 缺乏
抑制蛋白
合成
NH4﹢
有一条呼吸活力强的不产生ATP的 侧系呼吸链
解除磷酸果糖激酶 的代谢调节，促进 EMP途径的畅通
② 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。
29
③丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应 的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合 成柠檬酸的能力。 ④由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡： 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7 同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使 柠檬酸积累。
株；
57
（四）肌苷酸发酵机制
1. 选择肌苷酸酶弱或丧失的菌株为出发菌株； 2. 选育Ade-、Ade-+Xan-或Ade-+G-等，发酵时限量
添加腺嘌呤、鸟嘌呤，以解除腺苷酸和鸟苷酸对 PRPP转酰胺酶的反馈抑制； 3.遗传性解除AMP类和GMP类对PRPP转酰胺酶的反馈 调节，选育抗腺嘌呤结构类似物和抗鸟嘌呤结构类似 物突变株； 4.解除细胞膜渗透性障碍。
DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成 无关的遗传物质的控制。
微生物发酵工艺
第六章微生物发酵制药工艺6.1 微生物发酵与制药6.2 微生物生长与生产的关系6.3 微生物生产菌种建立6.4 发酵培养基制备6.4 发酵培养基制备• 概念（medium）供微生物生长繁殖和合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。
• 培养基的组成和比例是否恰当，直接影响微生物的生长、生产和工艺选择、产品质量和产量。
6.4.1 培养基的成分碳源氮源无机盐水生长因子前体与促进剂消泡剂1、碳源(carbon sources)概念：构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质。
作用：为正常生理活动和过程提供能量来源，为细胞物质和代谢产物的合成提供碳骨架。
碳源种类糖类：葡萄糖、淀粉、糊精和糖蜜脂肪：豆油、棉籽油和猪油醇类：甘油、乙醇、甘露醇、山梨醇、肌醇蛋白类：蛋白胨、酵母膏速效碳源：糖类、有机酸迟效碳源：酪蛋白水解产生的脂肪酸2、氮源（nitrogen sources）概念：构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物质。
作用：为生长和代谢主要提供氮素来源。
种类：无机氮源、有机氮源有机氮源几乎所有微生物都能利用有机氮源黄豆饼粉、花生饼粉棉籽饼粉、玉米浆、蛋白\胨、酵母粉、尿素无机氮源氨水、铵盐和硝酸盐等。
氨盐比硝酸盐更快被利用。
工业应用：主要氮源或辅助氮源；调节pH值生理酸性物质：代谢后能产生酸性残留物质。
（NH4）2SO4利用后，产生硫酸生理碱性物质：代谢后能产生碱性残留物质。
硝酸钠利用后，产生氢氧化钠。
3、无机盐和微量元素• 概念：组成生理活性物质或具有生理调节作用矿物质• 作用方式：低浓度起促进作用，高浓度起抑制作用。
• 种类：盐离子磷、硫、钾、钠、镁、钙，常常添加铁、锌、铜、钼、钴、锰、氯，一般不加。
4、水菌体细胞的主要成分。
营养传递的介质。
良好导体，调节细胞生长环境温度。
培养基的主要成分之一。
5、生长因子（growth factor）概念：维持微生物生长所必需的微量有机物，不起碳源和氮源作用。
微生物第六章
前，把用量限制在最低水平。
关于亚硝酸盐替代品问题
到19世纪末，才认识到亚硝酸盐可使腌肉产生颜
色。有些国家在没有使用亚硝酸盐之前，肉毒梭
菌中毒率很高，使用后，肉毒梭菌中毒才得到了 控制。
亚硝酸盐除抗菌作用外，还有抗氧化及增强风味 的作用。尽管如此，
由于亚硝酸盐的安全性即致癌问题，使其应用越 来越受到限制，全世界都在寻找理想替代品。
亚硝基（NO）：
HNO2→ H＋ ＋ NO3- ＋ NO ＋ H2O
所生成的NO很快与肌红蛋白反应生成鲜艳的、亮
红色的亚硝基肌红蛋白（MbNO）：
Mb ＋ NO → MbNO
亚硝基肌红蛋白遇热后放出巯基（－SH），生
成较稳定的具有鲜红色的亚硝基血色原。
硝酸盐
亚硝基化菌
※
亚硝酸盐
红菌酶
亚硝酸
低PH值 还原性化合物
第二节
食品添加剂的使用要求与卫生管理
食品添加剂的使用要求 1.经过食品安全性毒理学评价，证明在使用限 量范围内对人体无害。 2、添加剂到体内后能参加正常的人体代谢或 参加正常的解毒过程，全部排出体外，不会对 机体起任何作用 3. 食品添加剂在达到一定使用目的后，经过 加工、烹调或贮存时能被破坏或排除则更加安 全
高铁肌 红蛋白
亚硝基血色 原
放出-SH
一氧化氮
亚硝基肌 红蛋白
红蛋白
硝酸盐和亚硝酸盐生色反应途径
食品添加剂
助发色剂：L－抗坏血酸的作用。
L－抗坏血酸用来防止肌红蛋白氧化，且可把氧
化型的褐色高铁肌红蛋白还原为红色的还原型肌
红蛋白。
微生物学(第六章-微生物生长及其控制)
“微生物学”练习题第六章-微生物生长繁殖及其控制一、选择题1、对于细菌群体生长曲线叙述不正确的是（）。
A、对容器内全部培养基里的细菌进行测定B、以细菌数目的对数为纵坐标C、以时间为横坐标D、细菌的群体生长曲线可分为四个时期2、消毒的目的是（）。
A、消灭一切微生物B、消灭病原微生物C、抑制有害微生物D、抑制生物体内病原微生物3、代时是指（）。
A、培养物从接种到开始生长所需要的时间B、从对数期结束到稳定期开始的间隔时间C、培养物生长的时间D、细胞分裂繁殖一代所需要的时间4、在典型的单细胞微生物生长曲线中，细胞形态最大的生长期是（）。
A、延滞期B、对数期C、稳定期D、衰亡期5、在典型的单细胞微生物生长曲线中，代时最短的生长期是（）。
A、延滞期B、对数期C、稳定期D、衰亡期6、在典型的单细胞微生物生长曲线中，细胞产量最高的时期是（）。
A、延滞期B、对数期C、稳定期D、衰亡期7、下列保存方法会降低食物的水活度的是（）。
A、腌肉B、巴斯德消毒法C、冷藏D、酸泡菜8、能导致微生物死亡的化学剂是（）。
A、抑菌剂B、溶菌剂C、杀菌剂D、B和C9、微生物细胞内环境中的pH值一般为（）。
A、中性B、碱性C、酸性D、与所处环境一致10、只能用高压灭菌才能杀死的是（）。
A、结核分支杆菌B、病毒C、细菌芽孢D、霉菌孢子11、磺胺的结构类似物是（）。
A、二氢叶酸B、二氢蝶酸C、对氨基苯甲酸D、四氢叶酸12、青霉素杀菌的主要机理是（）。
A、损伤细胞膜B、干扰蛋白质合成C、破坏酶系统D、抑制细胞壁合成13、采用紫外线诱变菌种时需要在黑暗或红外条件下进行，主要原因是可见光激活微生物细胞中的（）。
A、光激活酶B、乙醛脱氢酶C、乙醇脱氢酶D、磷酸脱氢酶14、能通过抑制叶酸合成而抑制细菌的生长的是（）。
A、青霉素B、磺胺类药物C、四环素D、以上所有15、直接显微镜计数适宜的微生物是（）。
A、细菌B、原生动物C、病毒D、霉菌孢子和酵母菌16、所有微生物的世代时间（）。
发酵工程第6章 发酵动力学
则表明通风不足，有部分电子没有传递给
氧，氧化不彻底。
第三节 细胞反应本征动力学
➢反应动力学：研究反应速度变化规律
（反应速度影响因素）的学科。包括：
➢本征动力学(反映生物催化剂内在性
能)：又称微观动力学，指没有传递等
工程因素影响时，生化固有的速率。
➢宏观动力学(反映反应器特性)：又称
反应器动力学，指在一定反应器内所测
葡萄糖
微生物细胞
（1）试确定计量系数a、b、c、d、e；
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ；
（3）试计算呼吸商RQ。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol葡萄糖所含有的C元素为72g，根据题
意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：
g
72 2 / 3 48
则有：
48
c
（2）细胞反应的比速率：单位时间内单位
菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速
率，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念
（不同反应间的对比，消除细胞量的效应）在细
胞反应中主要的反应的比速率有：
① 细胞的比生长速率
1 dC X
CX
dt
（1/h）
② 底物的比消耗速率
1 dC S
qS
0.909
4.4 12
转化为CO2的C元素为：
72 48 24 g
则：
24 12e
e2
，
对N元素平衡，有：
a 0.86c 0.782
对H元素平衡，有：
，
12 3a 7.3c 2d
12 3a 7.3c
d
2
12 3 0.782 7.3 0.909
第六章微生物发酵机理PPT课件
葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP 途径、ED途径和PK途径等四种。
EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸 ；产生2分子ATP和2分子NADH。
HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子3磷酸甘油醛，3分子CO2和6分子NADPH。
ED途径将1分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸，1分 子ATP，1分子NADPH和1分子NADH。
PK途径将1分子葡萄糖转变为1分子乳酸、1分子 CO2和一分子乙醇或乙酸。
பைடு நூலகம்10
EMP途径
乳酸
(12) +2H+
丙酮酸
ATP
葡萄糖
(1)
己糖激
A酶DP
葡萄糖-6-磷酸 (2)
乙醇
(14) 2NAD+
果糖-6-磷酸 ATP
Mg2+
磷酸果
(3) ADP
糖激酶 果糖-1，6-二磷酸
2CO2 (11)
烯醇式丙酮酸
4-磷酸赤藓糖 C4
6-磷酸果糖 C6
5-磷酸木酮糖 C5
3-磷酸甘油醛 C3
6-磷酸果糖 C6
13
电子载体：
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)，又称辅酶Ⅰ (Co Ⅰ)
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)， 又称辅酶Ⅱ (Co Ⅱ)
磷 酸 戊
3NADP+ 3NADP+3H+
6-磷酸葡萄糖脱氢酶
6-磷酸葡萄糖酸内酯(C6)×3
糖
6-磷酸葡萄糖酸(C6)×3
途
6第六章发酵动力学
单一限制性基质：就是 指在培养微生物的营养 物中，对微生物的生长 起到限制作用的营养物。
限制性底物是培养基中任何一种与微
生物生长有关的营养物，只要该营养物 相对贫乏时，就可能成为限制微生物生 长的因子，可以是C源、N源、无机或 有机因子。
营养物质相对贫乏的标准（量）？
是指该物质的浓度比生长速率μ达μm 时对应的最低底物浓度以下时的情形。 此浓度称为临界底物浓度，任一营养物 质的浓度若高于临界底物浓度则为非限 制性底物，低于临界底物浓度即为限制 性底物。
3、产物形成动力学模式
Gaden对发酵的三分类与Pirt方程： p x
〖生长偶联型〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
如：葡萄糖厌氧发酵生成乙醇
p x
〖部分生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长部分偶联 如：氨基酸发酵，柠檬酸等有机酸的发酵
p x
〖非生长偶联型〗产物的形成和菌体的生长非偶联 如抗生素，微生物毒素等次级代谢产物的生产
Monod方程的意义
当S«Ks, μ-S是线性关系，μ与S成正比。 当S» Ks ，μ≈ μmax，此时微生物的生长不
受限制基质的影响。
对某一钟微生物在某种基质条件下， μmax 和Ks 是一定值。
不同的微生物有不同的μmax 和Ks 。即 使同一种微生物在不同的基质种也有不 同的μmax 和Ks 。
m m
这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长 速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。 但在低S值时， μ的偏差较大，影响Ks值的精度。第二方程 好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法 。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
【微生物生物学】第六章考点总结2
【微⽣物⽣物学】第六章考点总结2微⽣物的营养要求：碳源—⽆机碳源，有机碳源；氮源—⽆机氮源，有机氮源；⽆机盐—主要元素，微量元素⽣长因⼦—维⽣素，⽣物素；⽔；能源微⽣物的六类营养要素：碳源，氮源，⽆机盐，⽣长因⼦，能源，⽔营养物质及其⽣理功能：⽔分—功能：（1）溶剂与运输介质（吸收与分泌）（2）参与细胞内⽣化反应（3）维持蛋⽩、核酸等⽣物⼤分⼦稳定的天然构象及细胞正常形态（4）⽐热⼤，控制细胞内温度变化（5）通过⽔合与脱⽔控制多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭⽑的组装与分离碳源—有机碳源：糖类(单糖,寡糖,多糖)，有机酸,醇,脂类,烃类，芳⾹族化合物⽆机碳源：⼆氧化碳，碳酸氢钠，碳酸钠—功能：构成细胞物质的主要成分(⾻架)能源(分解代谢过程中产⽣)氮源—有机氮：蛋⽩及其降解物（胨、肽、氨基酸），核酸、尿素、嘌呤、嘧啶等⽆机氮：N2，硝酸盐，铵盐—功能：提供微⽣物⽣长、繁殖所需氮素营养；合成细胞含氮化合物，能源（⾃养菌）能源—化学物质：有机、⽆机化合物辐射能：光⽆机盐—⼤量元素: P, S, K, Mg, Ca, Na微量元素(≤ 0.1mg/L): Mn, Cu, Co, Zn, Mo , Fe—功能：（1）维持⽣物⼤分⼦和细胞结构的稳定；（2）酶活性中⼼的组成部分；（3）调节细胞渗透压平衡；（4）控制细胞氧化还原电位；（5）某些⾃养微⽣物的能源⽣长因⼦—种类：维⽣素（B族为主）、⽣物素、烟酰胺、氨基酸、胺类、甾醇、嘌呤、嘧啶—功能：参与新陈代谢，促进微⽣物⽣长光能⽆机营养型：具有光合⾊素，利⽤光能并以⽔或还原态⽆机物为供氢体来同化CO2光合⾊素：主要⾊素：叶绿素，菌绿素辅助⾊素：类胡萝⼘素，藻胆素（捕获光能，强光下保护作⽤）产氧光合作⽤：利⽤光能分解⽔⽽产⽣O2，还原CO2为有机物（藻类、蓝细菌内含叶素）光能CO2+H2O———→[CH2O]+O2↑叶绿素不产氧光合作⽤：吸收光能, 以还原态⽆机硫化物（H2S）为氢或电⼦供体同化CO2（光合细菌：紫⾊细菌，绿⾊细菌等）光能CO2+2H2S——→*CH2O]+H2O+S菌绿素⽣活环境：光照，厌氧，富含有机质，H2，硫化物⾮环式光合磷酸化系统PSII→PSI：P680--P680*--Ph--Q A--Q B--Qpool--Cyt bf-P700--P700*--FeS--Fd--Fp--NAD(P)HQ B—Qpool：⾮环式电⼦流（产⽣质⼦动⼒）Cyt bf—Fd：环式电⼦流（产⽣质⼦动⼒）环式光合磷酸化系统（紫⾊细菌）P870—P870*--Bph--Q A--Q B—Qpool—Cyt bc1---Cyt c2—P870---NAD(P)HQpool---NAD(P)H：反向电⼦流（耗能）光能有机营养型：利⽤光能，以简单有机物（醇、有机酸）为供氢体同化CO2CH3光能│CO2+2CH2-CHOH——→*CH2O]+2CH3COCH3+H2O菌绿素化能⽆机营养型：通过氧化⽆机物取得能量，并以CO2为唯⼀或主要碳源1. 硝化细菌（亚硝化细菌群，硝化细菌群）2.硫(化)细菌（通过氧化还原态的⽆机硫化物（H2S、S、S2O32-、SO32-）获得能量, 同化CO2）3. 铁细菌（氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2）4. 氢细菌（具有氢化酶，从氢的氧化获取能量，同化CO2）**区别于异养型的产氢细菌，具有氢酶，氧化氢获得能量，但不能同化CO2化能有机营养型：⼤多数微⽣物以有机物为碳源和能源腐⽣型，寄⽣型，兼性寄⽣营养类型能源供氢体基本碳源实例光能⽆机光⽆机物⼆氧化碳蓝细菌, 光合细菌光能有机光有机物⼆氧化碳红螺菌科细菌，简单有机物化能⽆机⽆机物⽆机物⼆氧化碳硝化细菌等化能有机有机物有机物有机物⼤多数细菌和真菌影响物质进⼊细胞的因素：1. 营养物质本⾝的性质（分⼦量、溶解性、电负性等）；2. 微⽣物所处环境（温度、pH、离⼦强度）；3. 微⽣物细胞的透过屏障（细胞壁、细胞膜、荚膜、粘液层等的孔径⼤⼩，松紧程度）微⽣物吸收营养物质的⽅式：1、膜泡运输（吞噬作⽤）—吸附期，膜伸展期，膜泡迅速形成期，附着膜泡形成期，膜泡释放期特点：1. 主要存在于原⽣动物（变形⾍）中；2. 细胞膜内陷包裹营养物,由胞外进⼊胞内;2、被动扩散—由细胞质膜内外营养物的浓度差⽽产⽣的物理扩散作⽤。
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肌苷酸生成菌株 PRPP
PRPP酰氨转移酶
PRPP－磷酸核糖基焦磷酸
IMP－肌苷酸
S-AMP－肌苷酸琥珀酸
AMP－腺嘌呤5`－单磷酸 XMP－黄苷酸
IMP S-AMP AMP XMP
GMP－鸟嘌呤5`－单磷酸
产量达13g/L GMP
肌苷酸简介：很好的高效调味品，也是重要 的工业原料。
2. 渗漏缺陷型(leaky mutant): 一种不完全遗传障碍营养缺陷型， 能够自己合成某一代谢终产物但达不到 反馈调节的浓度，所以不会造成反馈抑 制而影响中间代谢产物的积累。 与营养缺陷型的区别？
第四节 代谢调节的人工控制 微生物的正常代谢不会使代谢产物 过量积累，发酵目的是尽可能多地积累 代谢产物，以此必须打破微生物的代谢 调节机制，使代谢产物大量积累。 改变微生物的遗传学特性
方法 控制发酵条件
பைடு நூலகம்
一
改变微生物的遗传学特性
（一）.营养缺陷型和渗透缺陷型突变菌株的应用 1.营养缺陷型：原菌株由于发生突变，致使 代谢途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失 了合成某种物质的能力，必须在培养基中 外源补加该营养物质才能正常生长的突变 菌株。 在培养过程中我们可以控制补加营养物质的 量也不造成反馈调节（阻遏或抑制）。
如
A
B
C
D
E
限量添加E，就会造成C大量积累
枯草芽孢杆菌的精氨酸营养缺陷型，鸟氨 酸积累量可到到25g/L.
F A B C D
G E
协同反馈 F A B C D
G
E
F
G
A
B
C
D
E
F A B C D
G H E
赖氨酸简介： 谷物中不含的必须氨基酸。
谷氨酸棒状杆菌生产赖氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸激酶（AK) 反 馈 抑 制 赖氨酸 天冬氨酰磷酸 天冬氨酸半醛
反 馈 阻 遏 高丝氨酸脱氢酶(HSDH)
异亮 高丝氨酸 氨酸 苏氨酸
甲硫氨酸
利用谷氨酸棒状生产赖氨酸比利用大肠杆菌 的优势： （1） 不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半 醛脱氢酶受阻遏的问题； （2） 赖氨酸分支的第一和第二个酶（双 氢吡啶二羧酸合成酶和双氢吡啶二羧酸还原 酶）不受赖氨酸的抑制或阻遏； （3）赖氨酸产生菌中缺少L-赖氨酸脱羧酶。
营养缺陷型
催化和调节亚基均突变
催化亚基完全回复
催化亚基未完全回复
催 化 亚 基 回 复
催 化 亚 基 和 调 节 回 复
抗反馈调节突变菌株与营养突变菌株比较：
1.不受培养基中营养成分的限制，生产稳定； 2. 易于筛选 3.可有效防止回复突变，易于保存
对于分支合成途径使用抗性突变菌株要和营 养缺陷型结合育种，才会得到更高的产量。
葡萄糖
反馈抑制 反馈阻遏
赖氨酸 Met -
Lys-
天冬氨酸 AK 天冬氨酸磷酸 HD
甲硫氨酸
高丝氨酸 苏氨酸
AHVr
黄色短杆菌 的苏氨酸合 成途径
抗代谢类似物的筛选方法
不含结构类似物
含结构类似物
3.抗分解阻遏突变体的应用 例如：葡萄糖－脯氨酸，筛选抗分解阻遏突变体
利用葡萄糖类似物选育蔗糖酶、淀粉酶、 纤维素酶
组成型突变株 调节基因发生突变
产生无效的阻遏物而不 能与操纵基因结合
操纵基因突变
突变操纵基因不 能与阻遏物结合
结构基因不受控制地转录，酶 的生成将不再需要诱导剂或不 再被末端产物或分解代谢物阻 遏。
组成型突变
5.条件致死 例如在抗生素和酶制剂生产过程中的应用。 6.细胞膜通透性突变体的应用
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。
（二）发酵条件的控制
1.添加前体绕过反馈控制点
(-)
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。 如：大肠杆菌β-半乳糖苷酶的最有效诱导剂 是异丙酰-β-D-硫代半乳糖苷，它不被β-半乳 糖苷酶分解。 高浓度底物诱导剂的利用速率太快时，也 会引起分解代谢物的阻遏，对许多发酵生产 胞外酶，如果底物浓度过高，产量反而不高。 有些底物类似物作为诱导剂，因为利用速 度慢，可以消除代谢物的阻遏，显著提高酶 的产量。
4.选育组成型突变株和超产突变株
如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而 不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成 结构基因不受控制的转录，酶 的生成将不再需要 诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样 的突变株称为 组成型突变株。少数情况下，组成 型突变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种 突变株称为超产突变株。
经过突变处理的菌株
A—某种氨基酸 A`—某种氨基酸的类似物
目标产物 赖氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 精氨酸
结构类似物 S-（2氨基乙基）-L半胱 氨酸-(AEC) -氨基--羟基戊酸 （AHV) 乙硫氨酸 D-精氨酸
苯丙氨酸
对氟苯丙氨酸
获得方法及其原理： 营养缺陷型回复突变菌株
催化亚基基因突变
出发菌株
7.增加有关基因的数量
增加结构基因或操纵基因的数量 例如，β－半乳糖苷酶、青霉素酶、氯 霉素转酰氨酶等可借助含有相应结构基因 的质粒转移给受体培养物来增加产量；利 用含有对苯丙氨酸的结构基因的转导噬菌 体可使该酶产量增加15倍。 通过操作基因与传统诱变技术和代谢调 控相结合提高产量。
启动基因的突变增加RNA聚合酶和 DNA的亲和力，增加转录速率。
3. 发酵与分离过程耦合： 在发酵过程中及时将末端代谢产物移 走，末端代谢产物保持较低水平，解除反 馈调节。 耦合手段较多，有膜分离、离子交换 分离和萃取等。这些分离装臵应该具有分 离效率高、抗污染、易于重复使用等特定。
4. 控制发酵的培养基成分：
通过各种加料方法来限制生长速率， 使酶生产去阻遏。 通过控制生物素来增加谷氨酸产生菌 细胞膜的通透性；添加青霉素抑制细胞壁 后期合成，细胞壁不能形成完整的网状结 构，引起磷脂和细胞壁成分的UDP-N-乙 酰己糖向外分泌使细菌的细胞壁和细胞膜 的合成受到损伤。 加入适量的无机离子例如Mn2+可增加膜 的通透性。
例如：在发酵工业中，为了提高次级 代谢的产量。利用乳糖和葡萄糖的混 合流加来提高青霉素的产量。乳糖非 青霉素的直接前体，是因为它能够缓 慢应用从而使分解代谢产物处于较低 水平，不至于阻遏青霉素合成。
（二）抗反馈调节突变菌株的应用 抗反馈调节菌株：对反馈抑制作用不敏感， 或对反馈阻遏有抗性，或二者兼而有之的 菌株。 抗反馈抑制突变菌株的获得途径： 1.结构类似物抗性突变菌株 2.营养缺陷型回复突变菌株 获得方法及其原理： 结构类似物抗性突变菌株
将接除了反馈抑制的突变菌株筛选出来
极少数
A`
大多 数