酵母菌的酒精发酵课件.ppt
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- 酵母菌 酒精 发酵 课件
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1、第五章第五章 发酵机制与代谢调控发酵机制与代谢调控 微生物发酵机制是指微生物通过其代谢活动,利用基微生物发酵机制是指微生物通过其代谢活动,利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。质合成人们所需要的产物的内在规律。糖酵解(糖酵解(EMP)途径是葡萄糖有氧、无氧分解的途径是葡萄糖有氧、无氧分解的共同途径共同途径。在缺氧条件下,细胞进行无氧酵解,仅获得有限的能在缺氧条件下,细胞进行无氧酵解,仅获得有限的能量以维持生命活动,丙酮酸继续进行代谢可产生酒精、乳量以维持生命活动,丙酮酸继续进行代谢可产生酒精、乳酸、甘油及其它厌氧代谢产品。酸、甘油及其它厌氧代谢产品。在有氧条件下,细胞进行有氧代谢生成丙酮酸后
2、,进入在有氧条件下,细胞进行有氧代谢生成丙酮酸后,进入TCA循环。其发酵产品有柠檬酸、氨基酸及其它有机酸等。循环。其发酵产品有柠檬酸、氨基酸及其它有机酸等。EMP途径途径34一、酵母菌的酒精发酵一、酵母菌的酒精发酵(酵母的第(酵母的第型发酵)型发酵)第一节第一节 厌氧发酵机制与代谢调控厌氧发酵机制与代谢调控5总反应式为:总反应式为:C6H12O6+2ADP+2H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATP理论转化率为:理论转化率为:%1.51%1001.18005.462CO2产量约为酒精质量的产量约为酒精质量的 95.5%实际转化率为理论值的实际转化率为理论值的 95%,约,约 48.5%
3、6酒母酒母 水溶液中水溶液中 连续发酵连续发酵 pH4.5 左右左右 3033 6072 h 酒母不含淀粉酶,主要含水解酶(如蔗糖酶、麦芽糖酶)和酒母不含淀粉酶,主要含水解酶(如蔗糖酶、麦芽糖酶)和酒化酶(指参与酒精发酵的各种酶和辅酶的总称,酒化酶(指参与酒精发酵的各种酶和辅酶的总称,胞内酶胞内酶)。)。酒糟的利用酒糟的利用酒精是胞内产物酒精是胞内产物 渗出体外渗出体外 与与H2O任比例混合任比例混合7CO2产量约为酒精质量的产量约为酒精质量的 95.5%,而且纯度相当高,只需,而且纯度相当高,只需经过简单的提纯处理,便可得到几乎纯粹的经过简单的提纯处理,便可得到几乎纯粹的CO2。可以用。可以
4、用来生产液体来生产液体CO2、干冰、纯碱和轻质碳酸钙等。、干冰、纯碱和轻质碳酸钙等。C6H12O6+2ADP+2H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATPCO2 溶解度较小溶解度较小 被动式发酵被动式发酵 泡沫式发酵泡沫式发酵 不利不利 产生的产生的CO2应设法排除,并注意加强对随应设法排除,并注意加强对随CO2逸出时被逸出时被带走酒精的捕集回收。带走酒精的捕集回收。8 巴斯德在研究酵母的酒精发酵时,发现在有氧的巴斯德在研究酵母的酒精发酵时,发现在有氧的情况下,由于进行呼吸作用,酒精产量大大下降,糖情况下,由于进行呼吸作用,酒精产量大大下降,糖的消耗速度减慢,这种呼吸抑制发酵的作用被后人
5、称的消耗速度减慢,这种呼吸抑制发酵的作用被后人称为为。9受高水平的受高水平的ATP、柠檬酸柠檬酸、脂肪酸所抑制脂肪酸所抑制,能被能被AMP、ADP活化活化被被G-6-P、PEP抑制抑制受高水平受高水平的的ATP抑制抑制,被被FDP激活激活PEP10 主要产物是乙醇和主要产物是乙醇和CO2,但也伴随有,但也伴随有40多种副产物(包多种副产物(包括甘油和杂醇油)。副产物生成一方面耗用了糖分,同时括甘油和杂醇油)。副产物生成一方面耗用了糖分,同时影响了产品的质量。影响了产品的质量。酵母菌的酒精发酵又称酵母的第酵母菌的酒精发酵又称酵母的第型发酵型发酵酵母的第酵母的第型发酵型发酵习题习题:酵母可以依赖:
6、酵母可以依赖Glc厌氧或有氧生长,试解释当一直处厌氧或有氧生长,试解释当一直处于厌氧环境中的酵母细胞暴露于空气中时,于厌氧环境中的酵母细胞暴露于空气中时,Glc的消耗速率的消耗速率为什么会下降?为什么会下降?11二、细菌的酒精发酵二、细菌的酒精发酵Glc只经过只经过4步反步反应就可形成应就可形成Pyr 少数假单胞杆菌少数假单胞杆菌在在ED途径中生成途径中生成的的2分子的丙酮酸分子的丙酮酸脱羧生成乙醛,脱羧生成乙醛,乙醛还原生成乙乙醛还原生成乙醇醇 12三、乳酸发酵机制三、乳酸发酵机制 有有同型乳酸发酵同型乳酸发酵和和异型异型乳酸发酵乳酸发酵两种类型。前者在两种类型。前者在发酵产物中只有乳酸,后
7、者发酵产物中只有乳酸,后者的产物中除乳酸外,还有乙的产物中除乳酸外,还有乙醇和醇和CO2。两者的发酵菌种两者的发酵菌种不同,发酵机制也不同。不同,发酵机制也不同。1、同型乳酸发酵、同型乳酸发酵 乳酸菌乳酸菌 德氏乳杆菌德氏乳杆菌 大多数乳酸菌不具有脱羧酶大多数乳酸菌不具有脱羧酶 葡萄糖3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸2NAD2NADH+H+2ATP2ADP4ADP4ATP丙酮酸NADNADH+H+乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶13总反应式为:总反应式为:2CH3CHOCOOH+2ATPC6H12O6+2ADP+2H3PO4理论转化率为:理论转化率为:%100%1001802902、异型乳酸发酵、异
8、型乳酸发酵 1 mol 葡萄糖生成葡萄糖生成1 mol 乳酸和乳酸和l mol 乙醇。乙醇。乳酸对糖的理论转化率是乳酸对糖的理论转化率是50。肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等肠膜明串珠菌和葡聚糖明串珠菌等。14双歧杆菌双歧杆菌 在这个途径中,在这个途径中,2molGlc可以生成可以生成2mol乳酸和乳酸和3mol 乙酸,乙酸,乳酸对糖的转化率理论上只有乳酸对糖的转化率理论上只有50%。15四、甘油发酵机制四、甘油发酵机制H2COHCHOHH2COH 甘油甘油(丙三醇)(丙三醇)1、亚硫酸盐法甘油发酵、亚硫酸盐法甘油发酵酵母菌酵母菌 酵母的第酵母的第型发酵型发酵良好溶剂,广泛用于化妆品和医药行业;
9、炸药。良好溶剂,广泛用于化妆品和医药行业;炸药。16发酵液中加入亚硫酸氢钠发酵液中加入亚硫酸氢钠(NaHSO3)亚硫酸钠加成物亚硫酸钠加成物()CH3CHOSO2NaOH原理:阻遏乙醇的生物合成原理:阻遏乙醇的生物合成乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶171.从能量守恒可知,要生成甘油则必须有等摩尔量的乙醛从能量守恒可知,要生成甘油则必须有等摩尔量的乙醛生成。即生成。即 酵母进行甘油发酵时必须依靠部分酒精发酵酵母进行甘油发酵时必须依靠部分酒精发酵以获得能量(以获得能量(ATP和和NADH+H+)。)。2.生成部分乙醇不可避免。生成部分乙醇不可避免。因为乙醛与因为乙醛与NaHSO3复合反应复合反应效率低于效率
10、低于89%;且酵母体内有乙醇脱氢酶存在。;且酵母体内有乙醇脱氢酶存在。实际上甘油发酵过程中总会有一些乙醇生成,因为:实际上甘油发酵过程中总会有一些乙醇生成,因为:C6H12O6 C3H5(OH)3 +CH3CHO +CO2总反应式为:总反应式为:酵母的第酵母的第型发酵型发酵182、碱法甘油发酵、碱法甘油发酵酒精酵母酒精酵母 酵母的第酵母的第型发酵型发酵如果碱性(如果碱性(pH值值7.6以上)以上)两分子乙醛发生歧化反应形成各一分子的乙酸和乙醇。两分子乙醛发生歧化反应形成各一分子的乙酸和乙醇。2C6H12O6+H2O 2C3H5(OH)3+CH3COOH+C2H5OH+2CO219五、甲烷(沼气
11、)发酵五、甲烷(沼气)发酵 甲烷发酵的机理是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质甲烷发酵的机理是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋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。复杂有机物低级脂肪酸甲甲烷烷、CO2等可溶性简单有机物(醋酸、丙酸、丁酸等)发酵细菌产酸菌产气菌(严格嫌气菌)产酸阶段(兼性厌氧)三阶段三阶段 废物利用废物利用第二节第二节 好氧发酵机制与代谢调控好氧发酵机制与代谢调控一、一、柠檬酸柠檬酸发酵机制发酵机制1.柠檬酸及其衍生物的用途柠檬酸及其衍生物的用途(1)食品工业:酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、)食品工业:酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂
12、、螯合剂等;除腥脱臭剂、螯合剂等;(2)药物、化妆品;)药物、化妆品;(3)工业上:去垢、无土栽培、胶粘剂等。)工业上:去垢、无土栽培、胶粘剂等。(4)柠檬酸盐类具有溶解度高、生理宽容性大、酸根可直)柠檬酸盐类具有溶解度高、生理宽容性大、酸根可直接吸收和代谢。补钾、抗凝血、柠檬酸钠。接吸收和代谢。补钾、抗凝血、柠檬酸钠。(5)柠檬酸酯(三酯等):树脂增塑剂(抗霉),化工原)柠檬酸酯(三酯等):树脂增塑剂(抗霉),化工原 料,药物等。料,药物等。21菌种:菌种:黑曲霉黑曲霉和假丝酵母和假丝酵母 好氧好氧发酵发酵发酵原料:玉米、干薯、木薯、小麦、糖蜜等。发酵原料:玉米、干薯、木薯、小麦、糖蜜等。2
13、.柠檬酸的生物合成途径柠檬酸的生物合成途径黑曲霉偏好于无机氮源。黑曲霉偏好于无机氮源。无机氮源被利用后,对无机氮源被利用后,对M的的pH值有影响。值有影响。T:黑曲霉生长最适:黑曲霉生长最适3337,柠檬酸积累,柠檬酸积累32。pH值:黑曲霉生长最适值:黑曲霉生长最适pH37,柠檬酸积累,柠檬酸积累pH 2。22柠檬酸的生物合成途径柠檬酸的生物合成途径56723要使柠檬酸积累,必须解决两个问题:要使柠檬酸积累,必须解决两个问题:(1)设法阻断柠檬酸的进一步代谢;)设法阻断柠檬酸的进一步代谢;可见,由可见,由Glc生成柠檬酸的生物合成途径包括生成柠檬酸的生物合成途径包括:EMP、TCA 循环和循
14、环和 CO2固定固定作用。作用。(2)途径被阻断后,要采取合适的策略来补充阻断点之后的)途径被阻断后,要采取合适的策略来补充阻断点之后的物质(主要是草酰乙酸),以维持发酵的继续进行。物质(主要是草酰乙酸),以维持发酵的继续进行。24(1)阻断柠檬酸的进一步代谢:使)阻断柠檬酸的进一步代谢:使顺乌头酸酶顺乌头酸酶失活失活(2)加强)加强 EMP途径途径3.柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节 25(3)TCA循环的调节循环的调节(4)及时补加草酰乙酸)及时补加草酰乙酸 TCA循环被切断循环被切断,必须由另外的途径来补充草酰乙酸。必须由另外的途径来补充草酰乙酸。26 主要主要 黑曲霉中没有苹果
15、酸酶黑曲霉中没有苹果酸酶27二、二、醋酸醋酸发酵机制发酵机制 传统食醋多为固态发酵(需传统食醋多为固态发酵(需4060 d),淋醋工艺法(又),淋醋工艺法(又称速酿法)只需称速酿法)只需 5天。天。发酵三阶段:发酵三阶段:原料的液化与糖化;原料的液化与糖化;酒精发酵;酒精发酵;醋酸发酵。醋酸发酵。CH3CH2OHCH3CHOCH3COOH或乙醇氧化酶乙醇脱氢酶乙醛脱氢酶例如,醋杆菌发酵酒精成醋酸例如,醋杆菌发酵酒精成醋酸 纯醋酸:化学合成法;纯醋酸:化学合成法;食醋:发酵法食醋:发酵法 原料:大米原料:大米28 氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。由于发酵产物氨氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵。由于
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