液体深层发酵
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中南民族大学生命科学学院
第一节 酶生物合成的调节机制
酶合成的调节机制：在正常情况下，酶产量受酶合成调节 机制的控制，要提高酶产量必须打破这种调节控制。
一、原核生物中酶生物合成的调节
原核生物中酶合成主要取决于转录水平的调节，公认的调 节机制是操纵子理论。
• 操纵子——原核基因表达的协同单位
操纵子
结构基因（编码蛋白质，S） 操纵基因（O） 启动子（P） 调节基因（R）
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(二)发酵条件的控制
1、pH值：一般情况下，多数细菌、放线菌生长的 最适pH为中性至微碱性，而霉菌、酵母菌则偏好 微酸性。 2、温度：一般情况下产酶温度低于生长温度。 3、溶解氧：应对培养液加以适当的通气和搅拌。 4、泡沫：使用最广泛的方法是机械消泡或消泡剂 消泡。 5、湿度：针对固体发酵过程，一般来说，培养前 期降低湿度，培养后期增加湿度。
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A、乳糖操纵子的结构
启
大
调节 基因
动 操纵 子 基因
乳糖结构基因
肠
R
P O LacZ
LacY Laca
杆
mRNA
菌
基因关闭
乳
阻遏蛋白
糖
（有活性）
操 B、乳糖酶的诱导
调节
纵
基因
子
R
启 动 操纵 子 基因
PO
LacZ
乳糖结构基因
LacY
Laca
模
mRNA
Hale Waihona Puke Baidu
型 乳糖
阻遏蛋白 （有活性）
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（二）产酶菌种的要求 ：
1、酶产量高； 2、容易培养和管理； 3、产酶稳定性好，菌株不易变易和退化，不易感 染噬菌体； 4 、菌株能利用廉价原料，发酵周期短，生产成本 低。 5、发酵产物有利于酶产品的分离和纯化；最好是 分泌型胞外酶。 6、菌株安全可靠，非致病菌。 7、基因工程菌株必须符合安全性要求。
诱导酶是微生物需要它们时才产生的酶类。诱导 的意义在于：它为微生物提供了一种只是在需要时才 合成酶以避免浪费能量与原料的调控手段。
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酶生物合成的阻遏作用
酶合成的阻遏作用主要有终产物阻遏和分解代 谢产物阻遏。
酶催化作用的产物或代谢物途径的末端产物使 该酶的生物合成受阻。 例：
1.组氨酸对组氨酸合成途径中的10种酶的生物 合成均起阻遏作用。
2.葡萄糖阻遏β-半乳糖苷酶的生物合成。
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第二节 酶的发酵技术
一、酶的生产菌种
（一）常用的产酶微生物
1、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 2、大肠杆菌(Escherichia coli) 3、黑曲霉(Aspergillus niger) 4、米曲霉(Aspergillus oryzae) 5、青霉(Penicillium) 6、木霉(Trichoderma) 7、根霉(Rhizopus) 8、毛霉(Mucor) 9、链霉菌(Streptomyces) 10、啤酒酵母(Saccharomyces Cerevisiae) 11、假丝酵母(Candida)
目的是获得活力旺盛的、接种数量足 够的培养物。
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二、培养基和培养条件对产酶的影响与调节
(一)培养基 由于酶是蛋白质，酶的形成也是蛋白质的合成过程，
因此微生物产酶的培养基要有利于蛋白质的合成。 1.碳源 是微生物细胞生命活动的基础，是合成酶的主 要原料之一。 2.氮源 氮源可分为有机氮和无机氮，选用何种氮源因 微生物或酶种类的不同而异。 3.无机盐类 应注意有些金属离子是酶的组成成分。 4.生长因子 生长因子是指细胞生长必需的微量有机物， 如维生素、氨基酸、嘌呤碱、嘧啶碱等。 5.产酶促进剂 某些表面活性剂能增加酶的产量。
酶的发酵生产是指为了经济有效利用 细胞生产特定的酶，通过人工操作控制， 利用细胞（包括微生物细胞、植物细胞和 动物细胞）的生命活动，大规模发酵生产 人们所需要酶的技术过程。
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应用微生物来开发酶的优点： (1)微生物生长繁殖快，生活周期短。因此，用微生物来 生产酶产品，生产能力（发酵）几乎可以不受限制地扩 大，能够满足迅速扩张的市场需求。 (2)微生物种类繁多，它们散布于整个地球的各个角落， 而且在不同的环境下生存的微生物都有其完全不同的代 谢方式，能分解利用不同的底物。 (3)这一特征就为微生物酶品种的多样性提供了物质基础。 (4)特别是当基因工程介入时，动植物细胞中存在地酶， 几乎都能够利用微生物细胞获得。
操
mRNA
纵
阻遏蛋白(无活性)
子
D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂
模
酶蛋白
阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结 构基因可以表达
型
代谢产物
代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使 阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构
基因不表达
酶生物合成的诱导作用
在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合 成速率影响不大，这类酶称为组成酶，如DNA、RNA 聚合酶等。另外一些酶在细胞中的含量变化很大，其 合成速度明显受到环境因素的影响，这类酶称为诱导 酶，如大肠杆菌β-半乳糖苷酶在不含β-半乳糖的环境 中，每个细胞只有1～5个酶分子，而在含有β-半乳糖 的环境中生长的细胞，每个细胞中该酶的量可以达到 几千个。
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（三）优良产酶菌种的筛选方法
产酶菌种的筛选方法与发酵工程中 微生物的筛选方法一致，主要包括以下几 个步骤：含菌样品的采集，菌种分离，产 酶性能测定及复壮等
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（四）菌种活化与扩大培养
➢活化：使用以前，必须接种于新鲜的斜面 培养基上，在一定条件下进行培养，以恢 复菌种的生命活动能力。 ➢扩大培养：增加发酵时的数量，经过一级 至数级扩大培养。
阻遏蛋白 （无活性）
mRNAZ mRNAY mRNAa
基
因
表
达
A.有活性阻遏蛋白
调节基因
酶 阻遏蛋白
的 (有活性)
启动基因 操纵基因
结构基因
阻遏蛋白阻挡操纵基因结 构基因不表达
诱
B.有活性阻遏蛋白加诱导剂
导
mRNA
和
诱导物
阻
C.无活性阻遏蛋白
遏
酶蛋白
诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起 到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达
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（三）发酵方法 酶的发酵生产方式有两种，一种是固体发
酵，另一种是液体深层发酵。固体发酵法主要是 用于真菌来源的商业酶生产，其中用米曲霉生产 淀粉酶，以及用曲霉和毛霉生产蛋白酶在中国和 日本已有悠久的历史。这种培养方法虽然简单， 但是操作条件不容易控制。现在大多数的酶是通 过液体深层发酵培养生产的。
第一节 酶生物合成的调节机制
酶合成的调节机制：在正常情况下，酶产量受酶合成调节 机制的控制，要提高酶产量必须打破这种调节控制。
一、原核生物中酶生物合成的调节
原核生物中酶合成主要取决于转录水平的调节，公认的调 节机制是操纵子理论。
• 操纵子——原核基因表达的协同单位
操纵子
结构基因（编码蛋白质，S） 操纵基因（O） 启动子（P） 调节基因（R）
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(二)发酵条件的控制
1、pH值：一般情况下，多数细菌、放线菌生长的 最适pH为中性至微碱性，而霉菌、酵母菌则偏好 微酸性。 2、温度：一般情况下产酶温度低于生长温度。 3、溶解氧：应对培养液加以适当的通气和搅拌。 4、泡沫：使用最广泛的方法是机械消泡或消泡剂 消泡。 5、湿度：针对固体发酵过程，一般来说，培养前 期降低湿度，培养后期增加湿度。
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A、乳糖操纵子的结构
启
大
调节 基因
动 操纵 子 基因
乳糖结构基因
肠
R
P O LacZ
LacY Laca
杆
mRNA
菌
基因关闭
乳
阻遏蛋白
糖
（有活性）
操 B、乳糖酶的诱导
调节
纵
基因
子
R
启 动 操纵 子 基因
PO
LacZ
乳糖结构基因
LacY
Laca
模
mRNA
Hale Waihona Puke Baidu
型 乳糖
阻遏蛋白 （有活性）
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（二）产酶菌种的要求 ：
1、酶产量高； 2、容易培养和管理； 3、产酶稳定性好，菌株不易变易和退化，不易感 染噬菌体； 4 、菌株能利用廉价原料，发酵周期短，生产成本 低。 5、发酵产物有利于酶产品的分离和纯化；最好是 分泌型胞外酶。 6、菌株安全可靠，非致病菌。 7、基因工程菌株必须符合安全性要求。
诱导酶是微生物需要它们时才产生的酶类。诱导 的意义在于：它为微生物提供了一种只是在需要时才 合成酶以避免浪费能量与原料的调控手段。
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酶生物合成的阻遏作用
酶合成的阻遏作用主要有终产物阻遏和分解代 谢产物阻遏。
酶催化作用的产物或代谢物途径的末端产物使 该酶的生物合成受阻。 例：
1.组氨酸对组氨酸合成途径中的10种酶的生物 合成均起阻遏作用。
2.葡萄糖阻遏β-半乳糖苷酶的生物合成。
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第二节 酶的发酵技术
一、酶的生产菌种
（一）常用的产酶微生物
1、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 2、大肠杆菌(Escherichia coli) 3、黑曲霉(Aspergillus niger) 4、米曲霉(Aspergillus oryzae) 5、青霉(Penicillium) 6、木霉(Trichoderma) 7、根霉(Rhizopus) 8、毛霉(Mucor) 9、链霉菌(Streptomyces) 10、啤酒酵母(Saccharomyces Cerevisiae) 11、假丝酵母(Candida)
目的是获得活力旺盛的、接种数量足 够的培养物。
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二、培养基和培养条件对产酶的影响与调节
(一)培养基 由于酶是蛋白质，酶的形成也是蛋白质的合成过程，
因此微生物产酶的培养基要有利于蛋白质的合成。 1.碳源 是微生物细胞生命活动的基础，是合成酶的主 要原料之一。 2.氮源 氮源可分为有机氮和无机氮，选用何种氮源因 微生物或酶种类的不同而异。 3.无机盐类 应注意有些金属离子是酶的组成成分。 4.生长因子 生长因子是指细胞生长必需的微量有机物， 如维生素、氨基酸、嘌呤碱、嘧啶碱等。 5.产酶促进剂 某些表面活性剂能增加酶的产量。
酶的发酵生产是指为了经济有效利用 细胞生产特定的酶，通过人工操作控制， 利用细胞（包括微生物细胞、植物细胞和 动物细胞）的生命活动，大规模发酵生产 人们所需要酶的技术过程。
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应用微生物来开发酶的优点： (1)微生物生长繁殖快，生活周期短。因此，用微生物来 生产酶产品，生产能力（发酵）几乎可以不受限制地扩 大，能够满足迅速扩张的市场需求。 (2)微生物种类繁多，它们散布于整个地球的各个角落， 而且在不同的环境下生存的微生物都有其完全不同的代 谢方式，能分解利用不同的底物。 (3)这一特征就为微生物酶品种的多样性提供了物质基础。 (4)特别是当基因工程介入时，动植物细胞中存在地酶， 几乎都能够利用微生物细胞获得。
操
mRNA
纵
阻遏蛋白(无活性)
子
D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂
模
酶蛋白
阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结 构基因可以表达
型
代谢产物
代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使 阻遏蛋白能够阻挡操纵基因,结构
基因不表达
酶生物合成的诱导作用
在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合 成速率影响不大，这类酶称为组成酶，如DNA、RNA 聚合酶等。另外一些酶在细胞中的含量变化很大，其 合成速度明显受到环境因素的影响，这类酶称为诱导 酶，如大肠杆菌β-半乳糖苷酶在不含β-半乳糖的环境 中，每个细胞只有1～5个酶分子，而在含有β-半乳糖 的环境中生长的细胞，每个细胞中该酶的量可以达到 几千个。
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（三）优良产酶菌种的筛选方法
产酶菌种的筛选方法与发酵工程中 微生物的筛选方法一致，主要包括以下几 个步骤：含菌样品的采集，菌种分离，产 酶性能测定及复壮等
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（四）菌种活化与扩大培养
➢活化：使用以前，必须接种于新鲜的斜面 培养基上，在一定条件下进行培养，以恢 复菌种的生命活动能力。 ➢扩大培养：增加发酵时的数量，经过一级 至数级扩大培养。
阻遏蛋白 （无活性）
mRNAZ mRNAY mRNAa
基
因
表
达
A.有活性阻遏蛋白
调节基因
酶 阻遏蛋白
的 (有活性)
启动基因 操纵基因
结构基因
阻遏蛋白阻挡操纵基因结 构基因不表达
诱
B.有活性阻遏蛋白加诱导剂
导
mRNA
和
诱导物
阻
C.无活性阻遏蛋白
遏
酶蛋白
诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起 到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达
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（三）发酵方法 酶的发酵生产方式有两种，一种是固体发
酵，另一种是液体深层发酵。固体发酵法主要是 用于真菌来源的商业酶生产，其中用米曲霉生产 淀粉酶，以及用曲霉和毛霉生产蛋白酶在中国和 日本已有悠久的历史。这种培养方法虽然简单， 但是操作条件不容易控制。现在大多数的酶是通 过液体深层发酵培养生产的。