微生物发酵机制课件.ppt

1、 根据微生物的种类不同，可分为好氧根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。（1）好氧性发酵好氧性发酵：在发酵过程中需要：在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。要。（2）厌氧性发酵厌氧性发酵：在发酵过程中不需要供给：在发酵过程中不需要供给无菌空气。无菌空气。（3）兼性发酵兼性发酵：在有氧、无氧条件下均能生活。如在有氧、无氧条件下均能生活。如酿酿酒酵母酒酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累，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，大酒精，而在有氧条件下则进行好氧发

2、酵，大量繁殖菌体细胞。量繁殖菌体细胞。发酵机制：发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质微生物通过其代谢活动，利用基质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律积积累累的的产产物物微生物菌体微生物菌体酶酶代谢产物代谢产物厌气发酵：厌气发酵：酒精、酒精、甘油、甘油、乳酸、乳酸、丙酮、丙酮、丁醇等丁醇等好气发酵：好气发酵：有机酸、有机酸、氨基酸、氨基酸、蛋白质、蛋白质、核苷酸、核苷酸、抗生素、抗生素、维生素等维生素等代谢控制发酵：代谢控制发酵：人为的改变微生物的代谢调人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的代谢产物过量的积累。控机制，使有用的代谢产物过量的

3、积累。发酵机制研究的内容：发酵机制研究的内容：1.微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及代谢调节机制）；物合成途径及代谢调节机制）；2.环境因素（营养条件、培养条件等）对代环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施；谢的影响及改变代谢的措施；葡萄糖经葡萄糖经EMP途径：途径：C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD 2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2EMP EMPEMP途径大致可分为三个阶段途径大致可分为三个阶段 1 1，6-6-二磷酸果糖的生成，消耗二磷酸果糖的生成，消耗2 2分子分子ATPATP；1 1，6-6-二

4、磷酸果糖降解为二磷酸果糖降解为3-3-磷酸甘油醛；磷酸甘油醛；3-3-磷酸甘油醛经五步反应转化为丙酮酸，产磷酸甘油醛经五步反应转化为丙酮酸，产生生4 4分子分子ATP ATP 它是动物、植物、微生物细胞中它是动物、植物、微生物细胞中G G分解产生能分解产生能量的共同途径。量的共同途径。EMPEMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果糖激酶（该酶受酸果糖激酶（该酶受ATPATP、柠檬酸的抑制，为、柠檬酸的抑制，为AMPAMP所激活）；丙酮酸激酶；所激活）；丙酮酸激酶；3-3-磷酸甘油醛脱氢酶（磷酸甘油醛脱氢酶（受碘乙酸抑制）；烯醇化酶（受氟化物抑制）。受碘

5、乙酸抑制）；烯醇化酶（受氟化物抑制）。当以其他糖类作为碳源和能源时，先通过少数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，几步反应转化为糖酵解途径的中间产物，然后然后沿着糖酵解途径进行降解。沿着糖酵解途径进行降解。丙酮酸的不同去路。反应中生成的丙酮酸的不同去路。反应中生成的NADHNADH2 2不不能积存，必须被重新氧化为能积存，必须被重新氧化为NADNAD后，才能继续不后，才能继续不断地推动全部反应，断地推动全部反应，在不同的机体，在不同的在不同的机体，在不同的环境下（如氧气的有无），氢的受体不同，丙环境下（如氧气的有无），氢的受体不同，丙酮酸的去路也不同。酮

6、酸的去路也不同。在无氧在无氧条件下：条件下：在在乳酸菌乳酸菌中受乳酸脱氢酶的作用，丙中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酮酸作为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酸发酵；酸发酵；在在酵母菌酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体被还原为乙醇，即酒精发酵；下作为受氢体被还原为乙醇，即酒精发酵；在在梭状芽孢杆菌梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧生成中，丙酮酸脱羧生成乙酰乙酰COACOA，然后经一系列变化生成丁酰，然后经一系列变化生成丁酰COACOA、丁醛，两者作为受氢体被还原生成丁醇

7、，生丁醛，两者作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、乙醇，所以称为成物中还有丙酮、乙醇，所以称为丙酮丙酮-丁醇丁醇发酵发酵。在好氧发酵条件在好氧发酵条件丙酮酸进入丙酮酸进入TCA环环，进行代谢，产生各种好，进行代谢，产生各种好氧代谢产物或完全氧化获得能量。氧代谢产物或完全氧化获得能量。B B、三羧酸循环三羧酸循环 三羧酸循环一定需要三羧酸循环一定需要氧氧才能进行。才能进行。在三羧酸循环中脱下的在三羧酸循环中脱下的氢氢，形成，形成NADH NADH 和和 FADHFADH2 2，然后再逐步传递给，然后再逐步传递给氧氧。丙酮酸三个二氧化碳三个二氧化碳三羧酸循环A.厌氧厌氧发酵机制发酵机制第一

8、节第一节 酒精发酵机制酒精发酵机制1 1酵母菌的酒精发酵酵母菌的酒精发酵 1.1 酒精生成机制酒精生成机制(1)葡萄糖葡萄糖（glucose）EMP 丙酮酸（丙酮酸（pyruvic acid）己糖磷酸化作用己糖磷酸化作用 EMP 六碳糖转变为三碳糖六碳糖转变为三碳糖磷酸丙糖磷酸丙糖 丙酮酸丙酮酸(2)丙酮酸乙醇丙酮酸乙醇 丙酮酸丙酮酸 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛（乙醛（acetaldehyde）乙醛乙醛 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 乙醇乙醇（alcohol）由葡萄糖生成乙醇的总反应式为由葡萄糖生成乙醇的总反应式为 C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+2ATP 酵母

9、菌在无氧的条件下，通过以上酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反步反应，应，1分子分子G生成分子的乙醇，分子的生成分子的乙醇，分子的CO2和和 2分子分子ATP。则则1mol葡萄糖生成葡萄糖生成2mol乙醇，理论转化乙醇，理论转化率为率为 246.05/180.1100%=51.1%但是在生产中大约有但是在生产中大约有5%的葡萄糖用于的葡萄糖用于合成酵母细胞和副产物，合成酵母细胞和副产物，实际上乙醇生成实际上乙醇生成量约为理论值的量约为理论值的95%，则乙醇对糖的，则乙醇对糖的实际实际转化率约为转化率约为48.5%。巴斯德效应巴斯德效应巴斯德效应巴斯德效应:好气条件下，酵母菌发酵能力下好气条件

10、下，酵母菌发酵能力下降（细胞内糖代谢降低，乙醇积累减少）；降（细胞内糖代谢降低，乙醇积累减少）；好气条件下，代谢进入好气条件下，代谢进入TCA环环柠檬酸柠檬酸、ATP抑制激酶抑制激酶6-P-葡萄糖葡萄糖反馈抑制反馈抑制己糖激酶己糖激酶抑制葡萄糖进入细胞内抑制葡萄糖进入细胞内葡萄糖葡萄糖利用降低。利用降低。同时，好气条件下，丙酮酸激酶活性降低。同时，好气条件下，丙酮酸激酶活性降低。丙酮酸激酶活性降低也是由于磷酸果糖激酶丙酮酸激酶活性降低也是由于磷酸果糖激酶活性降低所致。活性降低所致。丙酮酸激酶活性丙酮酸激酶活性使磷酸烯醇式丙酮酸使磷酸烯醇式丙酮酸反馈抑制己糖激酶活性反馈抑制己糖激酶活性糖酵解速度

11、糖酵解速度 1.2 酒精发酵中副产物的形成酒精发酵中副产物的形成 主产物（主产物（product）：乙醇（：乙醇（alcohol）副产物（副产物（by product）：）：40多种多种 二氧化碳（二氧化碳（carbon dioxide）甘油（甘油（glycerol）乙醛（乙醛（acetaldehyde）琥珀酸（琥珀酸（succinic acid）乙酸（乙酸（acetic acid）酯（酯（ester）高级醇（高级醇（higher alcohol）双乙酰（双乙酰（diacetyl）1.2.1 杂醇油的生成杂醇油的生成 杂醇油是碳原子数大于杂醇油是碳原子数大于2的脂肪族醇类的脂肪族醇类的统称，主

12、要由正丙醇、异丁醇、的统称，主要由正丙醇、异丁醇、异戊醇异戊醇和活性戊醇组成，这些高级醇是构成和活性戊醇组成，这些高级醇是构成酒类酒类风味风味的重要组成成分之一，当其的重要组成成分之一，当其过量过量时会时会影响产品质量，是酒类产品中质量指标之影响产品质量，是酒类产品中质量指标之一，应予以一，应予以控制控制。1.2.1.1酒精发酵中高级醇的形成途径酒精发酵中高级醇的形成途径 a.氨基酸氧化脱氨氨基酸氧化脱氨作用作用 b由由葡萄糖直接生成葡萄糖直接生成酒精发酵中高级醇形成的途径酒精发酵中高级醇形成的途径（1）氨基酸氧化脱氨作用）氨基酸氧化脱氨作用缬氨酸缬氨酸 异丁醇异丁醇 异亮氨酸异亮氨酸 活性戊

13、醛活性戊醛酪氨酸酪氨酸 酪醇酪醇 苯丙氨酸苯丙氨酸 苯乙醇苯乙醇 亮氨酸亮氨酸酮戊二酸酮戊二酸酮异己酸酮异己酸转氨酶转氨酶+谷氨酸谷氨酸异戊醇异戊醇异戊酸异戊酸醇脱氢酶醇脱氢酶（2）由葡萄糖直接生成）由葡萄糖直接生成 酮酸酮酸（碳原子低的）（碳原子低的）活性乙醛活性乙醛 酮酸酮酸（碳原子高的（碳原子高的）还原、异构、脱水还原、异构、脱水醇醇缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸醇醇1.2.1.2 影响杂醇油形成的条件影响杂醇油形成的条件a.菌种菌种:在同样的条件下，不同菌种的杂醇油生成量在同样的条件下，不同菌种的杂醇油生成量相差很大。酵母的杂醇油生成量与相差很大。酵母的杂醇油生成量与

14、醇脱氢酶醇脱氢酶活性活性关系密切，该酶活力高，杂醇油生成量大。关系密切，该酶活力高，杂醇油生成量大。b.培养基组成培养基组成:培养基中支链氨基酸（亮氨酸、异亮培养基中支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）的存在，可增加相应的高级醇氨酸、缬氨酸）的存在，可增加相应的高级醇（异戊醇、活性戊醇和异丁醇（异戊醇、活性戊醇和异丁醇）的生成量。培养）的生成量。培养基中氮水平高，形成杂醇油量少，基中氮水平高，形成杂醇油量少，杂醇油总形成杂醇油总形成量因氮水平高而降低。量因氮水平高而降低。c.发酵条件发酵条件:一般发酵一般发酵温度高温度高，高级醇生成量高，高级醇生成量高，通通风风有利于高级醇生成。高级醇的生成

15、与乙醇的生有利于高级醇生成。高级醇的生成与乙醇的生成是平行的，随乙醇的生成而生成。成是平行的，随乙醇的生成而生成。1.2.2双乙酰（双乙酰（diacetyl）1.2.2.1双乙酰合成途径双乙酰合成途径 双乙酰是啤酒生产过程中的重要成分，它是双乙酰是啤酒生产过程中的重要成分，它是酵母细胞内生物合成酵母细胞内生物合成缬氨酸、亮氨酸的中间产物缬氨酸、亮氨酸的中间产物；也是衡量啤酒成熟和质量水平的主要指标。它赋也是衡量啤酒成熟和质量水平的主要指标。它赋予啤酒一种予啤酒一种不愉快的馊味，不愉快的馊味，淡色贮藏啤哂的双乙淡色贮藏啤哂的双乙酰含量应控制在酰含量应控制在0.1mg/L以下。以下。双乙酰是双乙酰

16、是-乙酰乳酸在酵母细胞外非酶氧乙酰乳酸在酵母细胞外非酶氧化的产物，是酵母在生长繁殖时，在酵母细胞体化的产物，是酵母在生长繁殖时，在酵母细胞体内用可发酵性糖经内用可发酵性糖经-乙酰乳酸合成它所需的缬氨乙酰乳酸合成它所需的缬氨酸、亮氨酸途径中的副产物，中间产物酸、亮氨酸途径中的副产物，中间产物-乙酰乳乙酰乳酸部分酸部分排出排出酵母酵母细胞体外细胞体外，经，经氧化脱羧作用氧化脱羧作用生成生成双乙酰。双乙酰。CH3CHO-TPP(活性乙醛活性乙醛)CH3COCOOH-乙酰乳酸乙酰乳酸 缬氨酸缬氨酸双乙酰双乙酰2,3-丁二醇丁二醇非酶氧化非酶氧化酵母还原酵母还原+双乙酰合成消除途径双乙酰合成消除途径1.

17、2.2.2 双乙酰的消除双乙酰的消除措施措施:.提高麦汁中提高麦汁中氨基氮的含量氨基氮的含量；提高麦汁中提高麦汁中缬氮酸缬氮酸的的含量通过含量通过反馈作用反馈作用，抑制从丙酮酸合成缬氨酸的，抑制从丙酮酸合成缬氨酸的支路代谢作用。支路代谢作用。.利用酵母的还原作用，将双乙酰转变成利用酵母的还原作用，将双乙酰转变成2,3-2,3-丁丁二醇；二醇；.利用利用二氧化碳的洗涤作用二氧化碳的洗涤作用，排除双乙酰。，排除双乙酰。4.4.加入加入-乙酰乳酸脱羧酶乙酰乳酸脱羧酶;5.5.使用基因工程构建的含有使用基因工程构建的含有-乙酰乳酸脱羧酶的酵乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株母菌株 酯是啤酒香味的主要组成成分，它

18、是酯是啤酒香味的主要组成成分，它是通过酯酰辅酶通过酯酰辅酶A与醇缩合而形成的。与醇缩合而形成的。传统淡色啤酒以传统淡色啤酒以酒花酒花香为主体香，含香为主体香，含有有适量的酯适量的酯，才使啤酒香味丰满协调。过，才使啤酒香味丰满协调。过高的酯含量会使啤洒有不愉快的香味。近高的酯含量会使啤洒有不愉快的香味。近代啤酒中的酯含量与高级醇一样，普遍有代啤酒中的酯含量与高级醇一样，普遍有升高的趋势。有的酒其升高的趋势。有的酒其大于阈值，大于阈值，有淡雅的果实香味，也成为一种独特的风有淡雅的果实香味，也成为一种独特的风味。味。啤酒的香味啤酒的香味 果酒的香味果酒的香味酒花香酒花香麦芽香麦芽香发酵过程形成的各种

19、发酵过程形成的各种酯类的香味酯类的香味果香果香发酵香发酵香陈酿香陈酿香形成途径：形成途径：通式：通式：R-CO-SCOA+R OH RCOOR +COA-SHR-CO-SCOA脂肪酸的激活作用脂肪酸的激活作用酮酸的氧化作用酮酸的氧化作用 在在ATP的作用下，使脂肪酸活化的作用下，使脂肪酸活化 酮酸的氧化作用酮酸的氧化作用R-COOH+ATP+COA-SH RCOSCOA+AMP+PPi RCOCOOH+NAD+COASH RCO-SCOA+NADH2+CO2 影响影响酯含量酯含量因素因素:a.酵母酵母菌种菌种，不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；，不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的

20、；b.发酵发酵温度高温度高，有利于酯类的形成；，有利于酯类的形成；c.接种量大，接种量大，酯类的形成量低。酯类的形成量低。2.细菌的酒精发酵细菌的酒精发酵（alcoholic fermentation of bacteria)菌种为菌种为运动发酵单孢菌运动发酵单孢菌（Zymomonas Mobilis），），少数假单胞杆菌少数假单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）能利用能利用G经经ED途径进行酒精发酵。途径进行酒精发酵。总反应式为总反应式为 C6H12O6+ADP+H3PO4 2C2H5OH+2CO2+ATP产物和酵母菌的酒精发酵相同，

21、但产能水平各异。产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。ED途径途径(脱氧酮糖酸途径脱氧酮糖酸途径)由由部分部分EMP途径途径、部分部分HMP途径途径组成组成 ED途径的途径的 三个阶段三个阶段 1、G 氧化分解氧化分解 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 +NADPH（HMP）2、6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 三碳糖三碳糖 6-P-葡萄糖酸脱水酶葡萄糖酸脱水酶 6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 丙酮酸丙酮酸+3-P-甘油醛甘油醛 3、氧化产能阶段、氧化产能阶段 3-P-甘油醛甘油醛 EMP 丙酮酸丙酮酸

22、 总反应式总反应式 C6H12O6+NADP+NAD+ADP+Pi 2CH3COCOOH+NAD 2H+NADP 2H+ATP 代谢速度快；代谢速度快；发酵周期短，比酵母菌的酒精产率发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；高；厌氧且耐高温；厌氧且耐高温；能利用多种糖类能利用多种糖类 发酵工艺技术要求高发酵工艺技术要求高优点：优点：缺点：缺点：一、一、同型乳酸发酵：同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌。进行乳酸发酵的主要是细菌。它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。发酵产物中主要为乳酸的称为原产生乳酸。发酵产物中主要为乳酸的称为同型乳同型乳酸

23、发酵酸发酵。如如乳链球菌乳链球菌（Streptococcus lactics）、）、乳酪链球菌乳酪链球菌（Streptococcus cremoris）、）、干酪乳杆菌干酪乳杆菌（lactobacillus casei）、）、保加利亚乳杆菌保加利亚乳杆菌（Lac.bulgaricus）等。）等。2H（乳酸脱氢酶）（乳酸脱氢酶）C6H12O6 EMP 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH 同型乳酸发酵的特点：同型乳酸发酵的特点：1mol的的G产生产生2mol乳酸，理论转化率是乳酸，理论转化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。二、二、

24、异型乳酸发酵异型乳酸发酵 发酵产物中除发酵产物中除乳酸乳酸外同时还有外同时还有比例较高比例较高的的乙酸乙酸、乙醇、二氧化碳、乙醇、二氧化碳等，称为异型乳酸发酵。等，称为异型乳酸发酵。其生物合成途径有两种。其生物合成途径有两种。1.6-磷酸葡萄糖酸途径：磷酸葡萄糖酸途径：葡萄糖经葡萄糖经6-磷酸葡萄糖生成磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖，再磷酸核酮糖，再经差向异构作用生成经差向异构作用生成5-磷酸木酮糖；后者经磷酸解磷酸木酮糖；后者经磷酸解酮酶催化，分解为酮酶催化，分解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。乙酰磷酸甘油醛和乙酰磷酸。乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶作用变为乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶作用变为乙酰CoA，再经乙

25、醛，再经乙醛脱氢酶作用生成乙醇。而脱氢酶作用生成乙醇。而3-磷酸甘油醛经磷酸甘油醛经EMP途径途径生成丙酮酸。后者经乳酸脱氢酶催化还原为乳酸。生成丙酮酸。后者经乳酸脱氢酶催化还原为乳酸。葡萄糖ATPADP6磷酸葡萄糖1NADNADHH6磷酸葡萄糖酸2NADNADHH5磷酸核酮糖35磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADHHNAD乙醛NADHHNAD乙醇3磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHH485766磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇1.己糖激酶己糖激酶2.6磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶3.6磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶4.5磷酸核酮糖磷酸核

26、酮糖3差差向异构酶向异构酶5.磷酸解酮酶磷酸解酮酶6.磷酸转乙酰酶磷酸转乙酰酶7.乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶8.醇脱氢酶醇脱氢酶 通过该途径，通过该途径，1mol的的G产生产生1mol的乳酸，乳酸对糖的理论转化率是的乳酸，乳酸对糖的理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。碳等。肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）及）及葡聚糖明串珠菌葡聚糖明串珠菌（Leuconostoc dextranicum）通）通过该途径进行过该途径进行异型乳酸发酵异型乳酸发酵。2.Bifidus 途径（双歧途径）：途径（双歧途径）：

27、双歧杆菌（双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum)进行的乳酸发酵进行的乳酸发酵也是一条也是一条磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径。该途径的特点是：该途径的特点是：有两个磷酸解酮酶参与有两个磷酸解酮酶参与；在没有氧化作用和脱氢作用下，在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子分子G分解为分解为3分子乙酸和分子乙酸和2分子分子3-磷酸甘油醛。接着，在磷酸甘油醛。接着，在3-磷酸磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下，甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下，3-磷酸甘磷酸甘油醛转化为乳酸，转化率为油醛转化为乳酸，转化率为50%。葡萄糖ATPADP6磷酸果糖6磷酸果糖ADPPi4磷酸赤藓糖3磷酸甘油醛7磷

28、酸景天庚酮糖5磷酸木酮糖5磷酸核糖乙酰磷酸ATP乙酰5磷酸木酮糖5磷酸核酮糖乙酰磷酸2 分子3磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHHADPATP3分子乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸13245671.6-磷酸果糖解酮酶磷酸果糖解酮酶2.转二羟基丙酮基酶转二羟基丙酮基酶3.转羟乙醛基酶转羟乙醛基酶4.5磷酸核糖异构酶磷酸核糖异构酶5.5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差差向异构酶向异构酶6.5磷酸木酮糖磷酸酮磷酸木酮糖磷酸酮解酶解酶7.乙酸激酶乙酸激酶 第三节第三节 甘油发酵机制甘油发酵机制一、一、亚硫酸盐法甘油发酵亚硫酸盐法甘油发酵 酵母菌在酒

29、精发酵时，如加入酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠等盐类，等盐类，它能与乙醛起它能与乙醛起加成加成作用，生成作用，生成难溶难溶的的结晶状结晶状亚硫酸钠加亚硫酸钠加成物，这样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟成物，这样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在丙酮作为受氢体，在-磷酸甘油脱氢酶（磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶为辅酶）催化下生成）催化下生成-磷酸甘油磷酸甘油，后者在，后者在-磷酸甘油磷酸酯磷酸甘油磷酸酯酶催化下酶催化下生成生成-甘油甘油。CH2OH OH C6H12O6+NaHSO 3 CHOH+CH3-C-H OSO2Na+CO2 CH2 OH 2AT

30、P2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPCOCO2 2NaHSONaHSO3 3NADNADNADH+HNADH+HNADH+HNADH+HNADNADH H2 2O OPiPi酵母菌酒精发酵酵母菌酒精发酵型型葡葡萄萄糖糖1.6-1.6-二磷二磷酸果酸果糖糖3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羟丙磷酸二羟丙酮酮丙酮酸丙酮酸乙乙醛醛乙醛乙醛HSO3HSO3-磷酸甘磷酸甘油油甘甘油油 1molol葡萄糖只产生葡萄糖只产生1mol1mol甘油，不产生甘油，不产生ATPATP，整，整个过程无个过程无ATPATP积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐不能加得太

31、多，否则会使酵母菌因盐不能加得太多，否则会使酵母菌因得不到能量而得不到能量而终止发酵终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以使获得一些，必须留一部分酒精发酵，以使获得一些能量，供生命活动所需。能量，供生命活动所需。该过程也称该过程也称酵母菌的酵母菌的IIII型发酵型发酵。二二 碱法甘油发酵碱法甘油发酵 酒精酵母的发酵液在酒精酵母的发酵液在保持碱性（保持碱性（pH7.6以上）的条件以上）的条件下，乙醛不能作为正常的受氢体，乙醛在碱性溶液里下，乙醛不能作为正常的受氢体，乙醛在碱性溶液里分子乙醛之间发生分子乙醛之间发生歧化歧化反应，反应，相互氧化还原相互氧化还原，生成等量，生成等量的的乙醇和乙酸乙醇和乙酸

32、。此时，由磷酸甘油醛脱氢生成的。此时，由磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油 CH2OH 2C6H12O6+H2O 2CHOH+C2H5O H+CH3COOH+2CO2 CH2 OH 碱法甘油发酵的产品有碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸甘油、乙醇、乙酸，也不产，也不产生生ATP，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。发酵。该过程也称该过程也称酵母菌的酵母菌的型发酵型发酵。第四节第四节 沼气发酵机制沼气发酵机制 沼气（沼气（biogas）(甲烷，甲烷，methane)甲烷发酵属于

33、甲烷发酵属于厌氧消化厌氧消化(anaerobic digestion)处理，处理，是是有机物厌氧分解过程中有机物厌氧分解过程中的主要过程。利用厌氧菌将的主要过程。利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。它可以用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。它可以作为好氧处理的前阶段处理。作为好氧处理的前阶段处理。甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员。甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员。一、一、甲烷发酵机理甲烷发酵机理 甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋

34、白质等复杂的有机物最终分解成甲烷和等复杂的有机物最终分解成甲烷和CO2，甲烷发酵不甲烷发酵不是由单一的甲烷产生菌所能完成的，甲烷发酵至少是由单一的甲烷产生菌所能完成的，甲烷发酵至少由三个阶段组成由三个阶段组成：第一个阶段是有机聚合物水解生成单体化合物，第一个阶段是有机聚合物水解生成单体化合物，进而分解成各种进而分解成各种脂肪酸脂肪酸、CO2和和H2；第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸乙酸、CO2和和H2；第三个阶段是由乙酸和第三个阶段是由乙酸和CO2及及H2反应生成反应生成甲烷甲烷；前两个阶段也可统称为前两个阶段也可统称为产酸阶段产酸阶段，产酸阶段也叫，产

35、酸阶段也叫液化阶段液化阶段，参与这一阶段反应的微生物大部分是，参与这一阶段反应的微生物大部分是兼性厌氧细菌，只有少数的原生动物、霉菌和酵兼性厌氧细菌，只有少数的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。发酵液中这一类母参与这一反应。发酵液中这一类非甲烷产生菌非甲烷产生菌的的数量数量大体上与大体上与甲烷产生菌甲烷产生菌相等相等。第三个阶段的产气称为第三个阶段的产气称为甲烷发酵，甲烷发酵，参与这一过程参与这一过程的细菌总称为的细菌总称为甲烷菌甲烷菌。复杂有机物复杂有机物 发酵细菌发酵细菌 可溶性简单有机物可溶性简单有机物 产酸菌产酸菌 挥发性挥发性脂肪酸脂肪酸 （丙酸，异丁酸，异戊酸）（丙酸，异丁酸，异戊

36、酸）专性质子还原菌专性质子还原菌 醋酸醋酸 H2+HCO3 纯醋酸菌纯醋酸菌C H4 甲烷菌甲烷菌 CH4 HCO3 H+HCO3 H2CO3 H2O+CO2 H2O 二、甲烷发酵的微生物二、甲烷发酵的微生物产酸阶段也叫液化阶段，参与的微生物大部分是兼产酸阶段也叫液化阶段，参与的微生物大部分是兼性厌氧菌，只有少量的原生动物、霉菌和酵母参与这性厌氧菌，只有少量的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。一反应。产酸阶段的细菌有：梭菌属（产酸阶段的细菌有：梭菌属（Clostridium）；芽）；芽孢杆菌（孢杆菌（Bacillus）；葡萄球菌属（）；葡萄球菌属（Staphlococccus）；）；变形杆菌属

37、（变形杆菌属（Froteis）；杆菌属）；杆菌属(Bacterium)。甲烷产生阶段主要是甲烷产生阶段主要是甲烷产生菌甲烷产生菌参与。参与。产甲烷菌产甲烷菌是严格厌氧菌，不产孢子。是严格厌氧菌，不产孢子。采用新的厌气培养技术，可以分离得到采用新的厌气培养技术，可以分离得到20种以上种以上的甲烷产生菌，如：的甲烷产生菌，如：甲烷杆菌属（甲烷杆菌属（Methanobacterium）；）；甲烷短杆菌属（甲烷短杆菌属（Methanobrevibacterium）；）；产甲烷菌属（产甲烷菌属（Methanococci）；）；甲烷微球菌属（甲烷微球菌属（Methanomicrobium）等细菌。）等细菌

38、。各种甲烷菌之间在各种甲烷菌之间在RNA排列顺序上都很相似，它们排列顺序上都很相似，它们都是具有都是具有嗜盐性嗜盐性，而且比典型的细菌，而且比典型的细菌耐温和耐酸耐温和耐酸。所以有。所以有人将甲烷菌和嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌等一起分类属于人将甲烷菌和嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌等一起分类属于古古细菌细菌。甲烷菌和非甲烷菌叫沼气菌（甲烷菌和非甲烷菌叫沼气菌（biogas producing bacteria）。发酵液中非甲烷产生菌的数量与甲烷产生）。发酵液中非甲烷产生菌的数量与甲烷产生菌相等，达菌相等，达106108个个/ml。甲烷发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保甲烷发酵的三个阶段是相互依赖和

39、连续进行的，并保持动态平衡。如果平衡遭到破坏，沼气发酵就受到影响，持动态平衡。如果平衡遭到破坏，沼气发酵就受到影响，甚至停止。甚至停止。1)菌种培养：菌种培养：取自然界正在进行甲烷发酵的取自然界正在进行甲烷发酵的河沟或沼泽底部的污泥河沟或沼泽底部的污泥或工厂废水加入甲烷发或工厂废水加入甲烷发酵槽，保持适当温度，使细菌繁殖；酵槽，保持适当温度，使细菌繁殖；2)发酵温度：中温发酵发酵温度：中温发酵37 C38 C；高温；高温发酵发酵53 C 54 C；在一种温度下长期持；在一种温度下长期持续培养，在另一种温度下就很难获得满意的效续培养，在另一种温度下就很难获得满意的效果，这是因为两类甲烷菌种类不同

40、造成的。果，这是因为两类甲烷菌种类不同造成的。高温高温发酵处理能力较低温发酵大发酵处理能力较低温发酵大2.5倍倍。3)废水组成：废水中要有营养，除作为能源的废水组成：废水中要有营养，除作为能源的碳源外，还有氮源。废水中的磷不足，可用化碳源外，还有氮源。废水中的磷不足，可用化肥补充，甲烷发酵的最适肥补充，甲烷发酵的最适p值为值为7，不适时，不适时，可进行中和；可进行中和；4)污泥浓度：甲烷发酵中，持续进行的厌氧污污泥浓度：甲烷发酵中，持续进行的厌氧污泥将在液体中积累，含有甲烷细菌体、碳酸盐、泥将在液体中积累，含有甲烷细菌体、碳酸盐、氢氧化钠、硫化物、未分解的污泥残渣，污泥氢氧化钠、硫化物、未分解

41、的污泥残渣，污泥越多，越能促进甲烷发酵；越多，越能促进甲烷发酵；5)抑制物：有硫化物、硝酸盐、许多重金属、抑制物：有硫化物、硝酸盐、许多重金属、洗涤剂和醇类特别是不饱和醇，首先抑制甲烷洗涤剂和醇类特别是不饱和醇，首先抑制甲烷菌，使气体减少，抑制物浓度再高，产酸菌也菌，使气体减少，抑制物浓度再高，产酸菌也受到抑制。受到抑制。B.好氧好氧发酵机制发酵机制 好氧性发酵好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵过程中需要不断地通入一定量的无在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用菌空气，如利用黑曲霉黑曲霉进行柠檬酸的发酵、进行柠檬酸的发酵、利用利用棒状杆菌棒状杆菌进行谷氨

42、酸的发酵、利用进行谷氨酸的发酵、利用黄黄单孢菌单孢菌进行黄原胶多糖的发酵等等进行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（糖的最后氧化途解途径）和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。径）。第一节第一节 柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制一、柠檬酸的合成途径一、柠檬酸的合成途径 黑曲霉黑曲霉 (Asp.niger)原料：糖类原料：糖类，乙醇，乙醇，醋酸醋酸 途径：途径：EMP（HMP）丙酮酸羧化丙酮酸羧化 TCA环环 黑曲霉生长，黑曲霉生长，EMP与与HMP途径的比率是途径的比率是2：1，生产柠檬酸时为生产柠檬酸时为4：1。葡萄糖葡萄糖

43、 柠檬酸柠檬酸(citric acid)理论转化率：理论转化率：106.7%柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制p柠檬酸在食品中的应用柠檬酸在食品中的应用p柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵微生物p柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理1)1)饮料与冰淇淋饮料与冰淇淋p柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软饮料饮料p柠檬酸本身是果汁的柠檬酸本身是果汁的天然成分天然成分之一，不仅赋于之一，不仅赋于饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分交融协调，形成适宜的口

44、味和风味；添加柠檬交融协调，形成适宜的口味和风味；添加柠檬酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性，酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性，防止氧化作用。防止氧化作用。2)2)果酱与酿造酒果酱与酿造酒p柠檬酸在柠檬酸在果酱果酱与与果冻果冻中同样可以增进风味，并使产中同样可以增进风味，并使产品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一定范围的定范围的pHpH值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一要求。要求。p当葡萄或其它当葡萄或其它酿酒酿酒原料成熟过度而酸度不足时，可原料成熟过度而酸度不足时，可以用柠檬酸调节，以防止所酿造的

45、酒口味单薄。柠以用柠檬酸调节，以防止所酿造的酒口味单薄。柠檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用，檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用，以保护果汁的新鲜感和防止变色。以保护果汁的新鲜感和防止变色。3)3)腌制品腌制品 p各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。4)4)罐头食品罐头食品 p加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被金属离子破坏。柠檬酸添加到

46、植物油中也有类金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类似的作用。似的作用。5)5)豆制品及调味品豆制品及调味品p用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。6)6)其它其它p柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠作用。柠檬酸铁胺可以用作补

47、血剂；柠檬酸钠可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。及无公害洗涤剂。柠檬酸的消费领域：柠檬酸的消费领域：饮料行业占饮料行业占40404545 食品添加剂等占食品添加剂等占15152020 洗涤剂占洗涤剂占20203030 医药占医药占5 5 其它占其它占1010 2004 2004年全球柠檬酸产量约年全球柠檬酸产量约120120万吨，欧盟万吨，欧盟和美国为最大消费市场。和美国为最大消费市场。p柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有机酸。量最大的有机酸。p我国是柠檬酸的第一大生产国，估计

48、年产约我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约5050万吨万吨p欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约3030万吨万吨p 美国柠檬酸年产量约美国柠檬酸年产量约2525万吨万吨 柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵微生物 p 黑曲霉黑曲霉分生孢子头分生孢子头柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理p柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理柠檬酸发柠檬酸发酵酵机理机理柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p 糖酵解糖酵解及丙酮酸代谢的调节及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高NHNH4 4+浓度，高浓度浓度

49、，高浓度NHNH4 4+可有效解除可有效解除ATPATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p三羧酸循环三羧酸循环的调节的调节柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶含含铁铁的非血红蛋白，以的非血红蛋白，以FeFe4 4S S4 4作为辅基。作为辅基。且反应需要且反应需要FeFe+适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与FeFe+生成络合生成络合物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损诱变或其他方法，造成生

50、产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低，同样积累柠檬酸或活力很低，同样积累柠檬酸。高能硫酯键高能硫酯键能量能量柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸外加草酰乙酸外加草酰乙酸回补途径旺盛的菌种回补途径旺盛的菌种 组成型的丙酮酸羧化酶组成型的丙酮酸羧化酶回补途径回补途径柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p糖酵解及丙酮酸代谢糖酵解及丙酮酸代谢的调节的调节p三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节p及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸回补途径回补途径1 1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而导致细胞内的而导致细胞内的NHNH4 4+浓度升高，