第六章好氧发酵产物积累机制
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柠檬酸发酵需要下述环境条件：
磷酸盐浓度低；氮源为NH4+盐； pH值低（低 于2.0）； 溶氧量高；Mn2+ 、 Fe2+ 、 Zn2+含量 极低。
柠檬酸发酵中黑曲霉对Mn2+极端敏感。黑曲 霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变 化。
Mn2+的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱 了柠檬酸对EMP途径关键酶（PFK）的抑制。
一.谷氨酸生物合成途径
谷氨酸的生物合成途径有EMP途径、HMP途径、 TCA循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。葡萄糖先 生成谷氨酸，依次经鸟氨酸，谷氨酸生物合成精氨 酸。
谷氨酸的生物合成途径如图所示。
二.谷氨酸生物合成的调节机制
三. 谷氨酸发酵的代谢控制
谷氨酸发酵的代谢控制一般采取下列措施。 1．控制发酵的环境条件
氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影 响，对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷 氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则 就几乎不积累谷氨酸。下表表示谷氨酸生产菌因环 境条件改变而引起的发酵转换，这也就是说氨基酸 发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换的一 个典型例子。
在有氧条件条件下：
• 丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰 COA，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和 H2O， 或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给 氧生成水。
• 另外，乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2 化合物加以利用，形成脂肪等。
第一节 柠檬酸的发酵机制
一、柠檬酸的合成途径
黑曲霉 (Asp.niger)
净反应
C6H12O6
3CH3COOH
反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理 论产率都是100％。
热醋酸梭菌为产芽孢菌，Ｇ＋，周生鞭毛，耐高温，最 适生长温度55～60°C，转化率高，严格厌氧，还可以利用 戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。
第三节 谷氨酸发酵机制
氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动 生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代 谢控制发酵。由发酵所生成的产物——氨基酸，都是 微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物 正常代谢的抑制。也就是说，氨基酸发酵的关键是取 决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物 的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。
III 通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的 缺损或活力很低，同样积累柠檬酸。
3 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。
柠檬酸积累机理
1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而 导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了EMP途径 的畅通。
2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草 酰乙酸。
CO2
乙酰COA 草酰乙酸
1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节
第一个调节的酶是磷酸果糖激酶（PFK）：AMP、 无机磷、NH4+对该酶有活化作用
ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用
Q：PFK在正常生理条件下能被柠檬酸抑制，但 在柠檬酸发酵中，柠檬酸浓度很高，为什么EMP 途径仍能保持畅通呢？
由于TCA循环降低，ATP的生成减少，蛋白 质和核酸合成受阻，细胞内的NH4+异常高，从而 降低了柠檬酸对PFK的抑制。
3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活 性低，从而使柠檬酸积累。
顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90 ：3：7
4、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶Ａ和丙酮酸固 定CO２反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增 强了合成柠檬酸的能力。
5、柠檬酸积累增加，pH降低，在低pH条件下， 顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步 促进了柠檬酸自身的积累。
第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK） PK 被NH4+ 、K+激活 磷酸烯醇丙酮酸－－－－丙酮酸＋ATP 二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶： 丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
2 TCA环的调节
柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰 辅酶Ａ中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠 檬酸。
酸
的
生
物
CO2
合
成
途
径
ATP citrate
NH4+ k+
阻断
激活
2
抑制
Biblioteka Baidu
1
二、 柠檬酸生物合成的代谢调节
积累柠檬酸应采取的措施：
想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力； 必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，
ＴＣＡ环阻断。
保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，
丙酮酸
二氧化碳固定反应对柠檬酸
CO2积累有重要意义。
第六章 好氧发酵产物积累机制
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、利用黄单孢菌进黄原胶－多糖的发酵等 等．
糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径） 和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。
第二节醋酸发酵机制
淀粉
糖
酒精
醋酸
1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。
CH3CH2 OH E1 CH3CHO E2 CH3COOH
E1
乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。
E2
乙醛脱氢酶 ，需要NADP作辅酶。
醋杆菌为G-，好氧菌， 1mol乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是130％。
柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
两步反应均由顺乌头酸酶催化，该酶需要Fe++，
I 若用络合剂除去反应液中的铁，则酶活性被抑制，造
成柠檬酸的积累。
II 阻断顺乌头酸酶的催化作用：该酶是个含铁的非
血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。因此，在菌体生长到足 够菌数时，适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），使与铁硫 中心的Fe++ 生成络合物，则该酶失活或活性减少，而 积累柠檬酸。
原料：sugar ， alcohol， acetic acid
途径： EMP（HMP）
丙酮酸羧化
TCA环
黑曲霉生长，EMP与HMP途径的比率是2：1，生产柠 檬酸时为4：1。
葡萄糖
柠檬酸(citric acid)
理论转化率106.7%
R
TCA
提供4C 化合物
循 环
目的 产物
AMP
柠
Pi
檬
NH4+
2 热醋酸梭菌生产醋酸
热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还可
以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类 咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用氢 气。
C6H12O6 +2H2O
2CH3COOH+2CO2+8H++8e
2CO2+8H++8e
CH3COOH+ 2H2O
磷酸盐浓度低；氮源为NH4+盐； pH值低（低 于2.0）； 溶氧量高；Mn2+ 、 Fe2+ 、 Zn2+含量 极低。
柠檬酸发酵中黑曲霉对Mn2+极端敏感。黑曲 霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变 化。
Mn2+的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱 了柠檬酸对EMP途径关键酶（PFK）的抑制。
一.谷氨酸生物合成途径
谷氨酸的生物合成途径有EMP途径、HMP途径、 TCA循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。葡萄糖先 生成谷氨酸，依次经鸟氨酸，谷氨酸生物合成精氨 酸。
谷氨酸的生物合成途径如图所示。
二.谷氨酸生物合成的调节机制
三. 谷氨酸发酵的代谢控制
谷氨酸发酵的代谢控制一般采取下列措施。 1．控制发酵的环境条件
氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影 响，对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷 氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则 就几乎不积累谷氨酸。下表表示谷氨酸生产菌因环 境条件改变而引起的发酵转换，这也就是说氨基酸 发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换的一 个典型例子。
在有氧条件条件下：
• 丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰 COA，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和 H2O， 或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给 氧生成水。
• 另外，乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2 化合物加以利用，形成脂肪等。
第一节 柠檬酸的发酵机制
一、柠檬酸的合成途径
黑曲霉 (Asp.niger)
净反应
C6H12O6
3CH3COOH
反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理 论产率都是100％。
热醋酸梭菌为产芽孢菌，Ｇ＋，周生鞭毛，耐高温，最 适生长温度55～60°C，转化率高，严格厌氧，还可以利用 戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。
第三节 谷氨酸发酵机制
氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动 生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代 谢控制发酵。由发酵所生成的产物——氨基酸，都是 微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物 正常代谢的抑制。也就是说，氨基酸发酵的关键是取 决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物 的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。
III 通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的 缺损或活力很低，同样积累柠檬酸。
3 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。
柠檬酸积累机理
1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而 导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了EMP途径 的畅通。
2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草 酰乙酸。
CO2
乙酰COA 草酰乙酸
1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节
第一个调节的酶是磷酸果糖激酶（PFK）：AMP、 无机磷、NH4+对该酶有活化作用
ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用
Q：PFK在正常生理条件下能被柠檬酸抑制，但 在柠檬酸发酵中，柠檬酸浓度很高，为什么EMP 途径仍能保持畅通呢？
由于TCA循环降低，ATP的生成减少，蛋白 质和核酸合成受阻，细胞内的NH4+异常高，从而 降低了柠檬酸对PFK的抑制。
3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活 性低，从而使柠檬酸积累。
顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90 ：3：7
4、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶Ａ和丙酮酸固 定CO２反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增 强了合成柠檬酸的能力。
5、柠檬酸积累增加，pH降低，在低pH条件下， 顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步 促进了柠檬酸自身的积累。
第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK） PK 被NH4+ 、K+激活 磷酸烯醇丙酮酸－－－－丙酮酸＋ATP 二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶： 丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
2 TCA环的调节
柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰 辅酶Ａ中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠 檬酸。
酸
的
生
物
CO2
合
成
途
径
ATP citrate
NH4+ k+
阻断
激活
2
抑制
Biblioteka Baidu
1
二、 柠檬酸生物合成的代谢调节
积累柠檬酸应采取的措施：
想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力； 必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，
ＴＣＡ环阻断。
保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，
丙酮酸
二氧化碳固定反应对柠檬酸
CO2积累有重要意义。
第六章 好氧发酵产物积累机制
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、利用黄单孢菌进黄原胶－多糖的发酵等 等．
糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径） 和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。
第二节醋酸发酵机制
淀粉
糖
酒精
醋酸
1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。
CH3CH2 OH E1 CH3CHO E2 CH3COOH
E1
乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。
E2
乙醛脱氢酶 ，需要NADP作辅酶。
醋杆菌为G-，好氧菌， 1mol乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是130％。
柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
两步反应均由顺乌头酸酶催化，该酶需要Fe++，
I 若用络合剂除去反应液中的铁，则酶活性被抑制，造
成柠檬酸的积累。
II 阻断顺乌头酸酶的催化作用：该酶是个含铁的非
血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。因此，在菌体生长到足 够菌数时，适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），使与铁硫 中心的Fe++ 生成络合物，则该酶失活或活性减少，而 积累柠檬酸。
原料：sugar ， alcohol， acetic acid
途径： EMP（HMP）
丙酮酸羧化
TCA环
黑曲霉生长，EMP与HMP途径的比率是2：1，生产柠 檬酸时为4：1。
葡萄糖
柠檬酸(citric acid)
理论转化率106.7%
R
TCA
提供4C 化合物
循 环
目的 产物
AMP
柠
Pi
檬
NH4+
2 热醋酸梭菌生产醋酸
热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还可
以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类 咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用氢 气。
C6H12O6 +2H2O
2CH3COOH+2CO2+8H++8e
2CO2+8H++8e
CH3COOH+ 2H2O