微生物發酵機制發酵的類型

根據微生物的種類不同，可分為好氧性發酵、厭氧性發酵和兼性發酵。（1）好氧性發酵：在發酵過程中需要通入一定量的無菌空氣，滿足微生物呼吸需要。

2微生物發酵機制（2）厭氧性發酵：在發酵過程中不需要供給無菌空氣。

（3）兼性發酵：在有氧、無氧條件下均能生活。如釀酒酵母，在缺氧條件下進行厭氣性發酵積累酒精，而在有氧條件下則進行好氧發酵，大量繁殖菌體細胞。3微生物發酵機制發酵機制：微生物通過其代謝活動，利用基質（底物）合成人們所需要的代謝產物的內在規律積累的產物微生物菌體酶代謝產物厭氣發酵：酒精、甘油、乳酸、丙酮、丁醇等好氣發酵：有機酸、氨基酸、蛋白質、核苷酸、抗生素、維生素等4微生物發酵機制代謝控制發酵：人為的改變微生物的代謝調控機制，使有用的代謝產物過量的積累。發酵機制研究的內容：1.微生物的生理代謝規律（就是各種代謝產物合成途徑及代謝調節機制）；2.環境因素（營養條件、培養條件等）對代謝的影響及改變代謝的措施；5微生物發酵機制糖酵解途徑及調節機制

葡萄糖經EMP途徑：C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD2CH3COCOOH+2ATP+2NADH26微生物發酵機制EMP糖酵解途徑7微生物發酵機制糖酵解途徑及特點EMP途徑大致可分為三個階段1，6-二磷酸果糖的生成，消耗2分子ATP；1，6-二磷酸果糖降解為3-磷酸甘油醛；3-磷酸甘油醛經五步反應轉化為丙酮酸，產生4分子ATP它是動物、植物、微生物細胞中G分解產生能量的共同途徑。EMP的每一步都是由酶催化的。己糖激酶；磷酸果糖激酶（該酶受ATP、檸檬酸的抑制，為AMP所激活）；丙酮酸激酶；3-磷酸甘油醛脫氫酶（受碘乙酸抑制）；烯醇化酶（受氟化物抑制）。8微生物發酵機制

當以其他糖類作為碳源和能源時，先通過少數幾步反應轉化為糖酵解途徑的中間產物，然后沿著糖酵解途徑進行降解。丙酮酸的不同去路。反應中生成的NADH2不能積存，必須被重新氧化為NAD后，才能繼續不斷地推動全部反應，在不同的機體，在不同的環境下（如氧氣的有無），氫的受體不同，丙酮酸的去路也不同。9微生物發酵機制

在無氧條件下：

在乳酸菌中受乳酸脫氫酶的作用，丙酮酸作為受氫體而被還原為乳酸，即同型乳酸發酵；

在酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脫羧酶的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脫氫酶的作用下作為受氫體被還原為乙醇，即酒精發酵；

在梭狀芽孢桿菌中，丙酮酸脫羧生成乙酰COA，然后經一系列變化生成丁酰COA、丁醛，兩者作為受氫體被還原生成丁醇，生成物中還有丙酮、乙醇，所以稱為丙酮-丁醇發酵。10微生物發酵機制乙醇乳酸11微生物發酵機制在好氧發酵條件丙酮酸進入TCA環，進行代謝，產生各種好氧代謝產物或完全氧化獲得能量。12微生物發酵機制B、

三羧酸循環三羧酸循環一定需要氧才能進行。在三羧酸循環中脫下的氫，形成NADH和FADH2，然后再逐步傳遞給氧。13微生物發酵機制丙酮酸三個二氧化碳三羧酸循環14微生物發酵機制A.厭氧發酵機制15微生物發酵機制第一節酒精發酵機制1酵母菌的酒精發酵

16微生物發酵機制

1.1酒精生成機制(1)葡萄糖（glucose）EMP丙酮酸（pyruvicacid）己糖磷酸化作用EMP六碳糖轉變為三碳糖磷酸丙糖丙酮酸(2)丙酮酸乙醇丙酮酸丙酮酸脫羧酶乙醛（acetaldehyde）乙醛乙醇脫氫酶乙醇（alcohol）

由葡萄糖生成乙醇的總反應式為

C6H12O6+2ADP+2H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATP17微生物發酵機制酵母菌在無氧的條件下，通過以上12步反應，1分子G生成２分子的乙醇，２分子的CO2和2分子ATP。則1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理論轉化率為2×46.05/180.1×100%=51.1%但是在生產中大約有5%的葡萄糖用于合成酵母細胞和副產物，實際上乙醇生成量約為理論值的95%，則乙醇對糖的實際轉化率約為48.5%。

18微生物發酵機制巴斯德效應巴斯德效應:好氣條件下，酵母菌發酵能力下降（細胞內糖代謝降低，乙醇積累減少）；好氣條件下，代謝進入TCA環→檸檬酸↑、ATP↑→抑制激酶→6-P-葡萄糖↑→反饋抑制己糖激酶→抑制葡萄糖進入細胞內→葡萄糖利用降低。

19微生物發酵機制同時，好氣條件下，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活性降低所致。丙酮酸激酶活性↓→使磷酸烯醇式丙酮酸↑→反饋抑制己糖激酶活性→糖酵解速度↓20微生物發酵機制

1.2酒精發酵中副產物的形成

主產物（product）：乙醇（alcohol）副產物（byproduct）：40多種二氧化碳（carbondioxide）甘油（glycerol）乙醛（acetaldehyde）琥珀酸（succinicacid）乙酸（aceticacid）酯（ester）高級醇（higheralcohol）雙乙酰（diacetyl）21微生物發酵機制1.2.1雜醇油的生成雜醇油是碳原子數大于2的脂肪族醇類的統稱，主要由正丙醇、異丁醇、異戊醇和活性戊醇組成，這些高級醇是構成酒類風味的重要組成成分之一，當其過量時會影響產品質量，是酒類產品中質量指標之一，應予以控制。1.2.1.1酒精發酵中高級醇的形成途徑a.氨基酸氧化脫氨作用b．由葡萄糖直接生成22微生物發酵機制酒精發酵中高級醇形成的途徑（1）氨基酸氧化脫氨作用纈氨酸異丁醇異亮氨酸活性戊醛酪氨酸酪醇苯丙氨酸苯乙醇

亮氨酸＋ɑ－酮戊二酸ɑ－酮異己酸轉氨酶+谷氨酸異戊醇異戊酸醇脫氫酶23微生物發酵機制（2）由葡萄糖直接生成ɑ－酮酸（碳原子低的）活性乙醛ɑ－酮酸（碳原子高的）還原、異構、脫水醇＋纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸醇24微生物發酵機制1.2.1.2影響雜醇油形成的條件a.菌種:在同樣的條件下，不同菌種的雜醇油生成量相差很大。酵母的雜醇油生成量與醇脫氫酶活性關系密切，該酶活力高，雜醇油生成量大。b.培養基組成:培養基中支鏈氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸）的存在，可增加相應的高級醇（異戊醇、活性戊醇和異丁醇）的生成量。培養基中氮水平高，形成雜醇油量少，雜醇油總形成量因氮水平高而降低。c.發酵條件:一般發酵溫度高，高級醇生成量高，通風有利于高級醇生成。高級醇的生成與乙醇的生成是平行的，隨乙醇的生成而生成。25微生物發酵機制1.2.2雙乙酰（diacetyl）1.2.2.1雙乙酰合成途徑雙乙酰是啤酒生產過程中的重要成分，它是酵母細胞內生物合成纈氨酸、亮氨酸的中間產物；也是衡量啤酒成熟和質量水平的主要指標。它賦予啤酒一種不愉快的餿味，淡色貯藏啤哂的雙乙酰含量應控制在0.1mg/L以下。雙乙酰是α-乙酰乳酸在酵母細胞外非酶氧化的產物，是酵母在生長繁殖時，在酵母細胞體內用可發酵性糖經α-乙酰乳酸合成它所需的纈氨酸、亮氨酸途徑中的副產物，中間產物α-乙酰乳酸部分排出酵母細胞體外，經氧化脫羧作用生成雙乙酰。26微生物發酵機制CH3CHO-TPP(活性乙醛)CH3COCOOH-乙酰乳酸纈氨酸雙乙酰2,3-丁二醇非酶氧化酵母還原+雙乙酰合成消除途徑27微生物發酵機制1.2.2.2雙乙酰的消除措施:１.提高麥汁中氨基氮的含量；提高麥汁中纈氮酸的含量通過反饋作用，抑制從丙酮酸合成纈氨酸的支路代謝作用。２.利用酵母的還原作用，將雙乙酰轉變成2,3-丁二醇；３.利用二氧化碳的洗滌作用，排除雙乙酰。4.加入-乙酰乳酸脫羧酶;5.使用基因工程構建的含有-乙酰乳酸脫羧酶的酵母菌株28微生物發酵機制

酯是啤酒香味的主要組成成分，它是通過酯酰輔酶A與醇縮合而形成的。傳統淡色啤酒以酒花香為主體香，含有適量的酯，才使啤酒香味豐滿協調。過高的酯含量會使啤灑有不愉快的香味。近代啤酒中的酯含量與高級醇一樣，普遍有升高的趨勢。有的酒其乙酸乙酯大于閾值，有淡雅的果實香味，也成為一種獨特的風味。1.3酯類物質29微生物發酵機制啤酒的香味果酒的香味酒花香麥芽香發酵過程形成的各種酯類的香味果香發酵香陳釀香形成途徑：通式：R-CO-SCOA+ROHRCOOR+COA-SHR-CO-SCOA脂肪酸的激活作用酮酸的氧化作用30微生物發酵機制在ATP的作用下，使脂肪酸活化酮酸的氧化作用R-COOH+ATP+COA-SHRCO－SCOA+AMP+PPi

RCOCOOH+NAD+COASHRCO-SCOA+NADH2+CO2

影響酯含量因素:a.酵母菌種，不同的酵母菌種，發酵時形成的酯量是不同的；b.發酵溫度高，有利于酯類的形成；c.接種量大，酯類的形成量低。31微生物發酵機制2.細菌的酒精發酵（alcoholicfermentationofbacteria)

菌種為運動發酵單孢菌（ZymomonasMobilis），少數假單胞桿菌（Pseudomonas），如林氏假單胞菌（Ps.lindneri）能利用G經ED途徑進行酒精發酵?？偡磻綖?/p>

C6H12O6+ADP+H3PO4→2C2H5OH+2CO2+ATP

產物和酵母菌的酒精發酵相同，但產能水平各異。

32微生物發酵機制ED途徑(脫氧酮糖酸途徑)由部分EMP途徑、部分HMP途徑組成

ED途徑的

三個階段

1、G氧化分解6--磷酸葡萄糖酸+NADP·H（HMP）

2、6--磷酸葡萄糖酸三碳糖

6---P--葡萄糖酸脫水酶

6---P--葡萄糖酸2--酮--3--脫氧--6--P--葡萄糖酸2--酮--3--脫氧--6--P--葡萄糖酸丙酮酸+3--P--甘油醛3、氧化產能階段

3--P--甘油醛EMP丙酮酸

總反應式C6H12O6+NADP++NAD++ADP+Pi2CH3COCOOH+NAD·2H++NADP·2H+ATP

33微生物發酵機制

細菌酒精發酵的特點代謝速度快；發酵周期短，比酵母菌的酒精產率高；厭氧且耐高溫；能利用多種糖類發酵工藝技術要求高優點：缺點：34微生物發酵機制第二節乳酸發酵機制一、同型乳酸發酵：

進行乳酸發酵的主要是細菌。它們利用糖經糖酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸還原產生乳酸。發酵產物中主要為乳酸的稱為同型乳酸發酵。如乳鏈球菌（Streptococcuslactics）、乳酪鏈球菌（Streptococcuscremoris）、干酪乳桿菌（lactobacilluscasei）、保加利亞乳桿菌（Lac.bulgaricus）等。35微生物發酵機制

2H（乳酸脫氫酶）C6H12O6

EMP

2CH3COCOOH

2CH3CHOHCOOH

同型乳酸發酵的特點：

1mol的G產生2mol乳酸，理論轉化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。36微生物發酵機制二、異型乳酸發酵

發酵產物中除乳酸外同時還有比例較高的乙酸、乙醇、二氧化碳等，稱為異型乳酸發酵。其生物合成途徑有兩種。

1.6-磷酸葡萄糖酸途徑：葡萄糖經6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖，再經差向異構作用生成5-磷酸木酮糖；后者經磷酸解酮酶催化，分解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。乙酰磷酸經磷酸轉乙酰酶作用變為乙酰CoA，再經乙醛脫氫酶作用生成乙醇。而3-磷酸甘油醛經EMP途徑生成丙酮酸。后者經乳酸脫氫酶催化還原為乳酸。

37微生物發酵機制葡萄糖ATPADP6－磷酸葡萄糖1NADNADH＋H＋6－磷酸葡萄糖酸2NADNADH＋H＋5－磷酸核酮糖35－磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰乙酰CoANADH＋H＋NAD乙醛NADH＋H＋NAD乙醇3－磷酸甘油醛乳酸ADPATPNADNADH＋H＋NADNADH＋H＋485766－磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇己糖激酶6－磷酸葡萄糖脫氫酶6－磷酸葡萄糖酸脫氫酶4.5－磷酸核酮糖－3－差向異構酶5.磷酸解酮酶6.磷酸轉乙酰酶7.乙醛脫氫酶8.醇脫氫酶38微生物發酵機制

通過該途徑，1mol的G產生1mol的乳酸，乳酸對糖的理論轉化率是50%。另外有比例較高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。

腸膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）及葡聚糖明串珠菌（Leuconostocdextranicum）通過該途徑進行異型乳酸發酵。39微生物發酵機制2.Bifidus途徑（雙歧途徑）：雙歧桿菌（Bifidobacteriumbifidum)進行的乳酸發酵也是一條磷酸解酮酶途徑。該途徑的特點是：①有兩個磷酸解酮酶參與；

②在沒有氧化作用和脫氫作用下，2分子G分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛。接著，在3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶的參與下，3-磷酸甘油醛轉化為乳酸，轉化率為50%。40微生物發酵機制葡萄糖ATPADP6－磷酸果糖6－磷酸果糖ADPPi4－磷酸赤蘚糖3－磷酸甘油醛7－磷酸景天庚酮糖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ADPATPNAD＋NADH＋H＋NAD＋NADH＋H＋ADPATP3分子乙酸葡萄糖經雙歧途徑發酵生成乳酸和乙酸13245676-磷酸果糖解酮酶轉二羥基丙酮基酶轉羥乙醛基酶5－磷酸核糖異構酶5－磷酸核酮糖－3－差向異構酶5－磷酸木酮糖磷酸酮解酶乙酸激酶

41微生物發酵機制第三節甘油發酵機制一、亞硫酸鹽法甘油發酵酵母菌在酒精發酵時，如加入亞硫酸氫鈉等鹽類，它能與乙醛起加成作用，生成難溶的結晶狀亞硫酸鈉加成物，這樣就使乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體，在α-磷酸甘油脫氫酶（NAD為輔酶）催化下生成α-磷酸甘油，后者在α-磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α-甘油。CH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+CH3-

C-HOSO2Na+CO2

CH2OH

42微生物發酵機制2ATP2ADP2ADP2ATPCO2NaHSO3NAD﹢NADH+H﹢NADH+H＋NAD﹢H2OPi酵母菌酒精發酵Ⅱ型葡萄糖1.6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮丙酮酸乙醛乙醛HSO3α-磷酸甘油甘油43微生物發酵機制

1mol葡萄糖只產生1mol甘油，不產生ATP，整個過程無ATP積余，可見在甘油發酵過程中亞硫酸鹽不能加得太多，否則會使酵母菌因得不到能量而終止發酵，必須留一部分酒精發酵，以使獲得一些能量，供生命活動所需。該過程也稱酵母菌的II型發酵。

44微生物發酵機制二堿法甘油發酵

酒精酵母的發酵液在保持堿性（pH7.6以上）的條件下，乙醛不能作為正常的受氫體，乙醛在堿性溶液里２分子乙醛之間發生歧化反應，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸。此時，由３－磷酸甘油醛脫氫生成的NADH+H+用來還原磷酸二羥丙酮，并進而生成甘油．CH2OH2C6H12O6+H2O2CHOH+C2H5O

H+CH3COOH+2CO2

CH2OH

堿法甘油發酵的產品有甘油、乙醇、乙酸，也不產生ATP，所以此法只能在酵母的非生長情況下進行發酵。該過程也稱酵母菌的Ⅲ型發酵。45微生物發酵機制

第四節沼氣發酵機制沼氣（biogas）(甲烷，methane)

甲烷發酵屬于厭氧消化(anaerobicdigestion)處理，是有機物厭氧分解過程中的主要過程。利用厭氧菌將工廠廢水、下水污泥中所含有的有機物進行分解，不用對培養基進行滅菌和純種培養和接種操作。它可以作為好氧處理的前階段處理。甲烷氣體（沼氣）是生物燃氣的主要成員。

46微生物發酵機制

一、甲烷發酵機理

甲烷發酵是厭氧菌將碳水化合物、脂肪、蛋白質等復雜的有機物最終分解成甲烷和CO2，甲烷發酵不是由單一的甲烷產生菌所能完成的，甲烷發酵至少由三個階段組成：

第一個階段是有機聚合物水解生成單體化合物，進而分解成各種脂肪酸、CO2和H2；第二階段是各類脂肪酸進行分解，生成乙酸、CO2和H2；第三個階段是由乙酸和CO2及H2反應生成甲烷；

47微生物發酵機制前兩個階段也可統稱為產酸階段，產酸階段也叫液化階段，參與這一階段反應的微生物大部分是兼性厭氧細菌，只有少數的原生動物、霉菌和酵母參與這一反應。發酵液中這一類非甲烷產生菌的數量大體上與甲烷產生菌相等。第三個階段的產氣稱為甲烷發酵，參與這一過程的細菌總稱為甲烷菌。

48微生物發酵機制

復雜有機物

←發酵細菌

可溶性簡單有機物

←產酸菌

揮發性脂肪酸（丙酸，異丁酸，異戊酸）專性質子還原菌醋酸H2+HCO3純醋酸菌CH4

甲烷菌CH4

HCO3H+HCO3H2CO3H2O+CO2H2O49微生物發酵機制

二、甲烷發酵的微生物

產酸階段也叫液化階段，參與的微生物大部分是兼性厭氧菌，只有少量的原生動物、霉菌和酵母參與這一反應。產酸階段的細菌有：梭菌屬（Clostridium）；芽孢桿菌（Bacillus）；葡萄球菌屬（Staphlococccus）；變形桿菌屬（Froteis）；桿菌屬(Bacterium)。

50微生物發酵機制甲烷產生階段主要是甲烷產生菌參與。產甲烷菌是嚴格厭氧菌，不產孢子。采用新的厭氣培養技術，可以分離得到20種以上的甲烷產生菌，如：甲烷桿菌屬（Methanobacterium）；甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacterium）；產甲烷菌屬（Methanococci）；甲烷微球菌屬（Methanomicrobium）等細菌。51微生物發酵機制

各種甲烷菌之間在RNA排列順序上都很相似，它們都是具有嗜鹽性，而且比典型的細菌耐溫和耐酸。所以有人將甲烷菌和嗜鹽菌、嗜熱菌、嗜酸菌等一起分類屬于古細菌。甲烷菌和非甲烷菌叫沼氣菌（biogasproducingbacteria）。發酵液中非甲烷產生菌的數量與甲烷產生菌相等，達106~108個/ml。甲烷發酵的三個階段是相互依賴和連續進行的，并保持動態平衡。如果平衡遭到破壞，沼氣發酵就受到影響，甚至停止。52微生物發酵機制三、甲烷發酵的各種條件

1)菌種培養：取自然界正在進行甲烷發酵的河溝或沼澤底部的污泥或工廠廢水加入甲烷發酵槽，保持適當溫度，使細菌繁殖；2)發酵溫度：中溫發酵37C~38C；高溫發酵53C~54C；在一種溫度下長期持續培養，在另一種溫度下就很難獲得滿意的效果，這是因為兩類甲烷菌種類不同造成的。高溫發酵處理能力較低溫發酵大2.5倍。53微生物發酵機制3)廢水組成：廢水中要有營養，除作為能源的碳源外，還有氮源。廢水中的磷不足，可用化肥補充，甲烷發酵的最適pＨ值為7，不適時，可進行中和；4)污泥濃度：甲烷發酵中，持續進行的厭氧污泥將在液體中積累，含有甲烷細菌體、碳酸鹽、氫氧化鈉、硫化物、未分解的污泥殘渣，污泥越多，越能促進甲烷發酵；5)抑制物：有硫化物、硝酸鹽、許多重金屬、洗滌劑和醇類特別是不飽和醇，首先抑制甲烷菌，使氣體減少，抑制物濃度再高，產酸菌也受到抑制。54微生物發酵機制B.好氧發酵機制55微生物發酵機制

好氧性發酵(aerobicfermentation)：在發酵過程中需要不斷地通入一定量的無菌空氣，如利用黑曲霉進行檸檬酸的發酵、利用棒狀桿菌進行谷氨酸的發酵、利用黃單孢菌進行黃原膠－多糖的發酵等等．糖的分解代謝包括糖酵解（糖的共同分解途徑）和三羧酸環（糖的最后氧化途徑）。56微生物發酵機制第一節檸檬酸的發酵機制一、檸檬酸的合成途徑

黑曲霉(Asp.niger)原料：糖類，乙醇，醋酸途徑：EMP（HMP）丙酮酸羧化TCA環黑曲霉生長，EMP與HMP途徑的比率是2：1，生產檸檬酸時為4：1。葡萄糖檸檬酸(citricacid)理論轉化率：106.7%57微生物發酵機制檸檬酸的發酵機制檸檬酸在食品中的應用檸檬酸發酵微生物檸檬酸發酵機理58微生物發酵機制1)

飲料與冰淇淋檸檬酸廣泛用于配制各種水果型的飲料以及軟飲料檸檬酸本身是果汁的天然成分之一，不僅賦于飲料水果風味，而且具有增溶、緩沖、抗氧化等作用，能使飲料中的糖、香精、色素等成分交融協調，形成適宜的口味和風味；添加檸檬酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化穩定性，防止氧化作用。59微生物發酵機制2)

果醬與釀造酒檸檬酸在果醬與果凍中同樣可以增進風味，并使產品抗氧化作用。由于果醬、果凍的凝膠性質需要一定范圍的pH值，添加一定量的檸檬酸可以滿足這一要求。當葡萄或其它釀酒原料成熟過度而酸度不足時，可以用檸檬酸調節，以防止所釀造的酒口味單薄。檸檬酸加到這些果汁中還有抗氧化和保護色素的作用，以保護果汁的新鮮感和防止變色。60微生物發酵機制3)

腌制品

各種肉類和蔬菜在腌制加工時，加入或涂上檸檬酸可以改善風味，除腥去臭，抗氧化。61微生物發酵機制4)

罐頭食品

加入檸檬酸除了調酸作用之外，還有螯合金屬離子的作用，保護其中的抗壞血酸，使之不被金屬離子破壞。檸檬酸添加到植物油中也有類似的作用。62微生物發酵機制5)

豆制品及調味品用含有檸檬酸的水浸漬大豆，可以脫腥并便于后續加工。檸檬酸可以用于大豆等豆類蛋白、葵花子蛋白的水解，生產出風味別致的調味品。它也可以用于成熟調味品（醬油等）的調味。63微生物發酵機制6)

其它檸檬酸在醫藥、化學等其它工業中也有一定的作用。檸檬酸鐵胺可以用作補血劑；檸檬酸鈉可用作輸血劑；檸檬酸可制造食品包裝用薄膜及無公害洗滌劑。64微生物發酵機制檸檬酸的消費領域：飲料行業占40～45％食品添加劑等占15～20％洗滌劑占20～30％醫藥占5％其它占10％2004年全球檸檬酸產量約120萬噸，歐盟和美國為最大消費市場。65微生物發酵機制檸檬酸是目前世界上以生物化學方法生產，產量最大的有機酸。我國是檸檬酸的第一大生產國，估計年產約50萬噸歐洲是檸檬酸的第二大生產地，產量約30萬噸美國檸檬酸年產量約25萬噸66微生物發酵機制

檸檬酸發酵微生物

黑曲霉分生孢子頭67微生物發酵機制檸檬酸發酵機理TCA循環與乙醛酸循環檸檬酸積累的代謝調節檸檬酸積累機理68微生物發酵機制磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰輔酶A檸檬酸順烏頭酸衣康酸異檸檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖蘋果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰輔酶A123316451567891012111413TCA循環與乙醛酸循環檸檬酸合成酶ATP降低限速反應延胡索酸酶關鍵酶α-酮戊二酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶順烏頭酸酶69微生物發酵機制磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰輔酶A檸檬酸順烏頭酸衣康酸異檸檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖蘋果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰輔酶A123316451567891012111413TCA循環與乙醛酸循環反饋抑制蘋果酸脫氫酶CO2參與嘌呤和嘧啶的合成脂肪酸天冬氨酸參與蛋白質合成參與蛋白質合成丙酮酸脫氫酶70微生物發酵機制葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2檸檬酸的生物合成途徑實現檸檬酸積累：一、設法阻斷代謝途徑，實現檸檬酸的積累二、代謝途徑被阻斷部位之后的產物，必須有適當的補充機制CO2ATPADPCO2ADPATP磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶順烏頭酸酶抑制劑阻斷71微生物發酵機制檸檬酸發酵機理葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoACO2檸檬酸的生物合成途徑順烏頭酸酶抑制劑阻斷72微生物發酵機制檸檬酸積累的代謝調節

糖酵解及丙酮酸代謝的調節黑曲霉在缺錳的培養基中培養時，可提高NH4+濃度，高濃度NH4+可有效解除ATP、檸檬酸對磷酸果糖激酶的抑制。73微生物發酵機制葡萄糖葡萄糖-6-磷酸ATPADP⑴果糖-6-磷酸ATPADPMg2+⑵果糖-1，6-二磷酸⑶甘油醛-3-磷酸二羥丙酮磷酸⑷⑸2Pi⑹1，3-二磷酸甘油酸2ADP2ATP⑺3-磷酸甘油酸⑻2-磷酸甘油酸2H2OMg2+⑼磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP⑽烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸⑾2CO2乙醛+2H+⑿⒀2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇⒁糖酵解和酒精發酵的全過程磷酸果糖激酶AMP無機磷NH4+活化抑制解除檸檬酸74微生物發酵機制檸檬酸積累的代謝調節三羧酸循環的調節檸檬酸×順烏頭酸×異檸檬酸∵順烏頭酸酶含鐵的非血紅蛋白，以Fe4S4作為輔基。且反應需要Fe++∴１適量加入亞鐵氰化鉀（黃血鹽），與Fe++生成絡合物，則酶失活或活性減少，而積累檸檬酸。∴２誘變或其他方法，造成生產菌種順烏頭酸酶的缺損或活力很低，同樣積累檸檬酸。75微生物發酵機制磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰輔酶A檸檬酸順烏頭酸衣康酸異檸檬酸草酰琥珀酸α－酮戊二酸谷氨酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸葡萄糖蘋果酸草酰乙酸乙醛酸乙酰輔酶A123316451567891012111413TCA循環與乙醛酸循環CO2檸檬酸合成酶高能硫酯鍵能量Fe2+Fe2+亞鐵氰化鉀順烏頭酸酶76微生物發酵機制葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA檸檬酸積累的代謝調節及時補加草酰乙酸外加草酰乙酸回補途徑旺盛的菌種組成型的丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶回補途徑順烏頭酸酶抑制劑阻斷77微生物發酵機制檸檬酸積累的代謝調節糖酵解及丙酮酸代謝的調節三羧酸循環的調節及時補加草酰乙酸葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸乙酰CoA丙酮酸羧化酶回補途徑丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸順烏頭酸酶抑制劑阻斷78微生物發酵機制

1、由于錳的缺乏，抑制了蛋白質的合成，而導致細胞內的NH4+濃度升高，促進了EMP途徑的暢通。2、由組成型的丙酮酸羧化酶源源不斷提供草酰乙酸。

檸檬酸積累機理黑曲霉79微生物發酵機制檸檬酸積累機理3、在控制Fe++含量的情況下，順烏頭酸酶活性低，從而使檸檬酸積累。順烏頭酸水合酶在催化時建立如下平衡檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸＝90：3：780微生物發酵機制4、丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶Ａ和丙酮酸固定CO２反應相平衡檸檬酸合成酶不被抑制，增強了合成檸檬酸的能力。

檸檬酸積累機理葡萄糖蘋果酸檸檬酸草酰乙酸順烏頭酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA丙酮酸羧化酶回補途徑81微生物發酵機制檸檬酸積累機理5、檸檬酸積累增加，pH降低，在低pH條件下，順烏頭酸水合酶和異檸檬酸脫氫酶失活，從而進一步促進了檸檬酸自身的積累。檸檬酸×順烏頭酸×異檸檬酸×草酰琥珀酸82微生物發酵機制目的產物提供4C化合物TCA循環83微生物發酵機制

由于TCA循環降低，ATP的生成減少，蛋白質和核酸合成受阻，細胞內的NH4+異常高，從而降低了檸檬酸對PFK的抑制。檸檬酸發酵需要下述環境條件：磷酸鹽濃度低；氮源為NH4+鹽；pH值低（低于2.0）；溶氧量高；Mn2+、Fe2+、

Zn2+含量極低。檸檬酸發酵中黑曲霉對Mn2+極端敏感。黑曲霉在缺錳的條件下發酵，細胞有生理和代謝的變化。Mn2+的效應可以認為是NH4+水平升高而減弱了檸檬酸對EMP途徑關鍵酶（PFK）的抑制。84微生物發酵機制

檸檬酸積累機理

1、由于錳的缺乏，抑制了蛋白質的合成，而導致細胞內的NH4+濃度升高，促進了EMP途徑的暢通。2、由組成型的丙酮酸羧化酶源源不斷提供草酰乙酸。3、在控制Fe++含量的情況下，順烏頭酸酶活性低，從而使檸檬酸積累。順烏頭酸水合酶在催化時建立如下平衡檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸＝90：3：785微生物發酵機制

第二節醋酸發酵機制淀粉糖酒精醋酸1.醋桿菌發酵酒精成醋酸乙醇向醋酸轉化是分兩步進行的，中間產物是乙醛。CH3CH2OHE1

CH3CHOE2

CH3COOH

E1乙醇脫氫酶或乙醇氧化酶，它依賴于NAD。

E2乙醛脫氫酶，需要NADP作輔酶。

醋桿菌為G-，好氧菌，1mol乙醇轉化為1mol醋酸，理論轉化率是130％。86微生物發酵機制

2熱醋酸梭菌生產醋酸熱醋酸梭菌在發酵糖類時，由糖到醋酸一步完成，還可以將CO2還原為醋酸。CO2是通過甲酰四氫葉酸（THF）和類咕啉蛋白形成醋酸的。但該菌沒有氫化酶活性，不能利用氫氣。C6H12O6+2H2O2CH3COOH+2CO2+8H++8e

2CO2+8H++8eCH3COOH+2H2O凈反應C6H12O63CH3COOH反應在厭氧條件下進行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理論產率都是100％。熱醋酸梭菌為產芽孢菌，Ｇ＋，周生鞭毛，耐高溫，最適生長溫度55～60°C，轉化率高，嚴格厭氧，還可以利用戊糖。但這種方法發酵時需中和劑，因此只適合于醋酸鹽。

87微生物發酵機制第三節谷氨酸發酵機制

氨基酸發酵工業是利用微生物的生長和代謝活動生產各種氨基酸的現代工業。氨基酸發酵是典型的代謝控制發酵。由發酵所生成的產物——氨基酸，都是微生物的中間代謝產物，它的積累是建立于對微生物正常代謝的抑制。也就是說，氨基酸發酵的關鍵是取決于其控制機制是否能夠被解除，是否能打破微生物的正常代謝調節，人為地控制微生物的代謝。88微生物發酵機制一.谷氨酸生物合成途徑

谷氨酸的生物合成途徑有EMP途徑、HMP途徑、TCA循環、乙醛酸循環和CO2固定反應。葡萄糖先生成谷氨酸，依次經鳥氨酸，谷氨酸生物合成精氨酸。谷氨酸的生物合成途徑如圖所示。89微生物發酵機制90微生物發酵機制三.谷氨酸發酵的代謝控制

谷氨酸發酵的代謝控制一般采取下列措施。1．控制發酵的環境條件氨基酸發酵受菌種的生理特征和環境條件的影響，對專性好氧菌來說，環境條件的影響更大。谷氨酸發酵必須嚴格控制菌體生長的環境條件，否則就幾乎不積累谷氨酸。谷氨酸生產菌因環境條件改變而引起的發酵轉換，這也就是說氨基酸發酵是人為地控制環境條件而使發酵發生轉換的一個典型例子。91微生物發酵機制

2．控制細胞膜滲透性在發酵過程中，控制使用那些影響細胞膜通透性的物質，有利于代謝產物分泌出來，從而避免了末端產物的反饋調節，有利于提高發酵產量。以葡萄糖為原料，利用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸時，谷氨酸生產菌為α-酮戊二酸脫氫酶缺失突變株，當谷氨酸的合成達到50mg/g（干細胞）時，由于反饋調節作用，谷氨酸的合成便終止。如果改變細胞膜通透性，使胞內代謝產物谷氨酸滲透到胞外，有利于提高發酵產量。

92微生物發酵機制

所以代謝產物的細胞滲透性是氨甚酸發酵必須考慮的重要因素。對于谷氨酸發酵來說，生物素是谷氨酸發酵的關鍵物質。當細胞內的生物素水平高時，谷氨酸不能透過細胞膜，因而得不到谷氨酸。谷氨酸發酵生產中，谷氨酸生產菌屬于生物素缺陷型菌種，生物素作為脂肪酸生物合成最初反應的關鍵酶乙酰CoA羧化酶的輔酶，參與了脂肪酸的合成，進而影響磷脂的合成。當磷脂合成減少到正常量的一半左右時，細胞變形，谷氨酸向膜外漏出，積累于發酵液中。93微生物發酵機制

因而可以通過限量控制生物素的含量，也就是通過控制生物素亞適量，提高細胞膜的滲透性。

在發酵的前期，滿足細胞的生長，合成完整的細胞膜；中期生物素耗盡，細胞膜合成不完整，完成長菌型細胞向產酸型細胞的轉變，細胞膜的滲透性增加，使得谷氨酸滲透到細胞外，在細胞內谷氨酸達不到引起反饋調節的程度，從而使谷氨酸能夠源源不斷被優先合成。

94微生物發酵機制

影響谷氨酸產生菌細胞膜通透性的物質可分為兩大類：一類是生物素、油酸和表面活性劑，其作用是引起細胞膜的脂肪酸成分或量的改變，尤其是改變油酸含量，從而改變細胞膜通透性；另一類是青霉素，其作用是抑制細胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯，由于細胞膜失去細胞壁的保護，細胞膜受到物理損傷，從而使滲透性增強。另外，代謝控制還包括控制支路代謝，消除終產物的反饋抑制和反饋阻遏等等。95微生物發酵機制

第五節抗生素發酵機制

次級代謝產物---(secondarymetabolite)分解代謝：將從環境中吸收的各種碳源、氮源等物質降解，為細胞的生命活動提供能源和小分子中間體。如TCA、EMP和HMP等。合成代謝：利用分解代謝的能量和中間體合成氨基酸、核酸等單體物質，及蛋白質、核酸、多糖等多聚物。代謝類型96微生物發酵機制一.初級代謝和次級代謝初級代謝：與生物生存有關的，涉及能量產生和能量消耗的代謝類型。產物都是有機體生存必不可少的物質，如單糖、核苷酸、脂肪酸，以及蛋白質、核酸、多糖、脂類等。次級代謝：某些微生物為了避免代謝過程中，某種代謝產物的積累造成的不利作用，而產生的一類有利于生存的代謝類型，通常是在生長后期產生。產物種類很多，最著名的是抗生素，其它還有氨基糖、香豆素、麥角生物堿、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。97微生物發酵機制

二、微生物合成抗生素與初級代謝的關系

1.從代謝方面分析：許多抗生素的基本結構是由少數幾種初級代謝產物構成的，所以次級產物是以初級產物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的，而是與初級代謝途徑有密切聯系的。糖代謝的中間體，既可以來合成初級代謝產物，又可以來合成次級代謝產物，這種中間體叫分叉中間體，如丙二酰CoＡ。

G乙酰CoＡ丙二酰CoA脂肪酸（初級）

四環素或其他抗生素（次級）98微生物發酵機制

初級代謝和次級代謝的分叉中間體分叉中間體初級終點產物次級終點產物氨基己二糖賴氨酸青霉素,頭孢酶素丙二酰CoＡ脂肪酸四環素族,利福霉素族乙酰CoＡ大環內酯族,多烯族抗生素莽草酸對氨基苯丙氨酸氯霉素,綠膿菌素苯丙氨酸,酪氨酸新生霉素99微生物發酵機制由初級代謝產物衍生的次級代謝產物的途徑有七種：葡萄糖碳架摻入途徑、莽草酸途徑、與核苷有關的途徑、聚酮糖途徑、由氨基酸衍生的途徑、甲羥戊酸途徑、其它復合途徑。100微生物發酵機制

2.從遺傳方面分析：

初級產物和次級產物同樣都受到核內DNA的調節控制的。所不同的是次級代謝產物還受到“與初級代謝產物合成無關的遺傳物質”的控制，即受核內遺傳物質（染色體遺傳物質）和核外遺傳物質（質粒）的控制。有一部分代謝產物的形成，取決于由質粒信息產生的酶所控制的代謝途徑，這類物質稱為質粒產物。由于這類物質的形成直接或間接受質粒遺傳物質的控制,因而產生了質粒遺傳的觀點。當然也有只由染色體DNA控制的抗生素。因此，兩者在遺傳上既有相同的部分，又有不同的部分。

101微生物發酵機制

三抗生素生產菌的主要代謝調節機制

受DNA控制的酶合成的調節機制，包括酶的誘導和酶的阻遏（有終點產物和分解產物）；

酶活性的調節機制，包括終點產物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調節、酶原的活化和潛酶的活化；

細胞膜透性的調節；

微生物的代謝調節機制可從DNA水平研究酶合成的調節機制和從酶化學觀點研究酶活性的調節機制兩方面著手，可分為：102微生物發酵機制

微生物體內的次級代謝和初級代謝一樣，都受菌體代謝的調節。次級代謝產物生物合成的調節與初級代謝產物生物合成的調節在某些方面是相同的，也是調節參與生物合成的酶合成（誘導或阻遏）和控制酶活性（激活或抑制）。但次級代謝的調節也有其獨特的一面。以下是影響抗生素合成的主要代謝調節機制。103微生物發酵機制1初級代謝對次級代謝的調節

次級代謝產物的合成途徑并不是獨立存在的，而是與初級代謝產物合成途徑間存在著緊密的聯系。次級代謝產物往往都是以初級代謝產物為母體衍生而來的，而且催化特殊次級代謝產物合成反應的酶也可以從那些初級代謝途徑的酶演化而來。因此，微生物的初級代謝對次級代謝具有調節作用。

104微生物發酵機制

當初級代謝和次級代謝具有共同的合成途徑時，初級代謝的終產物過量，往往會抑制次級代謝的合成，這是因為這些終產物抑制了在次級代謝產物合成中重要的分叉中間體的合成。如賴氨酸和青霉素的生物合成過程中有共同中間體α-氨基己二酸，當培養液中賴氨酸過量時，則抑制α-氨基己二酸的合成，進而影響到青霉素的合成。105微生物發酵機制2碳代謝物的調節

一般情況下，凡是能被微生物快速利用、促進產生菌快速生長的碳源，對次級代謝產物的生物合成都表現出抑制作用。這種抑制作用并不是由于快速利用碳源直接作用的結果，而是由于其代謝過程中產生的中間產物引起的。這種阻遏作用是由于菌體在生長階段，速效碳源（如葡萄糖和檸檬酸等）的分解產物阻遏了次級代謝過程中酶系的合成，只有當這類碳源耗盡時，才能解除其對參與次級代謝的酶的阻遏，菌體才能轉入次級代謝產物的合成階段。106微生物發酵機制3氮代謝物的調節

許多次級代謝產物的生物合成同樣受到氮分解產物的影響。對不同氮源的研究發現，黃豆餅粉等利用較慢的氮源，可以防止和減弱氮代謝物的阻遏作用，有利于次級代謝產物的合成；而以無機氮或簡單的有機氮等容易利用的氮作為氮源（銨鹽、硝酸鹽、某些氨基酸）時，能促進菌體的生長，卻不利于次級代謝產物的合成。例如，易利用的銨鹽有利于灰色鏈霉菌迅速生長，但對鏈霉素合成則是最差的氮源。108微生物發酵機制4磷酸鹽的調節

磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養成分，還是調節次級代謝產物生物合成的重要因素。過量的磷酸鹽也象葡萄糖一樣抑制次級代謝產物的合成，這種抑制作用被稱為磷酸鹽調節。

109微生物發酵機制

★已發現過量磷酸鹽對四環素類、氨基糖苷類、多烯類和大環內酯類等32種抗生素的生物合成產生阻抑作用。這些次級代謝產物的生物合成只有在適當的磷酸鹽濃度下才能進行。磷酸鹽濃度≥10mmol/L往往對次級代謝產物的合成有抑制作用例如，10mmol/L的磷酸鹽就能完全抑制殺假絲菌素的合成。110微生物發酵機制★磷酸鹽濃度的高低還能調節次級代謝產物合成期出現的早晚，當磷酸鹽接近耗盡時，才開始進入次級代謝產物的合成期。磷酸鹽起始濃度高，耗盡時間長，合成期就向后拖延。如金霉素、萬古霉素等的發酵都有這些現象。★磷酸鹽還能使處于非生長狀態的、產抗生素的菌體逆轉成生長狀態的、不產抗生素的菌體。111微生物發酵機制5ATP調節

ATP直接影響次級代謝產物合成和糖代謝中某些酶的活性。在四環素的生