《微生物发酵机理》ppt课件

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1、主讲：鲍成满,第六章 微生物发酵机理,微生物发酵机理：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。 代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调控机制，使有用中间代谢产物过量积累。,第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好氧发酵产物的合成机制,第一节 微生物基础物质代谢,淀粉、纤维素等，最重要的葡萄糖。 不同类型的微生物对葡萄糖分解方式和途径也不一样： 厌氧分解：酒精、乳酸、丙酮和丁醇等 好氧分解：柠檬酸、谷氨酸和抗生素等,一 微生物对培养基中碳源的代谢,氮源：蛋白质及其分解产物，无机含氮物，分子态氮。 过程：蛋白质被肽酶分解生成氨基酸，经脱氨作用

2、生成有机酸，脱羧作用生成氨类。,二 微生物对培养基中氮源的代谢,物质代谢,微生物能量代谢：把最初能源转换成生命活动能使用的通用能源ATP。,三、微生物的能量代谢,日光 （光能营养菌） 最初能源 有机物（化能异养菌） ATP 还原态无机物（化能自养菌）,微生物能量的获取方式,1 微生物的厌氧发酵 ATP生成靠底物水平磷酸化,底物水平磷酸化：物质在生物氧化过程中生成的一些含有高能键的化合物，它们可以不经电子传递链，而直接偶联ATP或GTP的合成，这种反应称为底物水平磷酸化。,EMP途径将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸；产生2分子ATP和2分子NADH。 HMP途径将一分子6-磷酸葡萄糖转变为1分子

3、3-磷酸甘油醛，3分子CO2和6分子NADPH。 ED途径将1分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸，1分子ATP，1分子NADPH和1分子NADH。 PK途径将1分子葡萄糖转变为1分子乳酸、1分子CO2和一分子乙醇或乙酸。,葡萄糖的分解途径主要有：EMP途径、HMP途径、ED途径和PK途径等四种。,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,ATP,ADP,(1),果糖-6-磷酸,ATP,ADP,Mg2+,(2),果糖-1，6-二磷酸,(3),甘油醛- 3-磷酸,二羟丙酮 磷酸,(4),(5),2Pi,(6),1，3-二磷酸甘油酸,2ADP,2ATP,(7),3-磷酸甘油酸,(8),2-磷酸甘油酸,2H2O,Mg2+,

4、(9),磷酸烯醇式丙酮酸,2ATP,2ADP,(10),烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,(11),2CO2,乙醛,+2H+,(12),(13),2NAD+,2(NADH+H+),+2H+,乙醇,(14),糖酵解全过程（EMP途径）,己糖激酶,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶,EMP途径,GTP,三羧酸循环反应过程,磷酸戊糖途径(HMP),电子载体： 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)，又称辅酶 (Co ) 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)，又称辅酶

5、 (Co ) 黄素单核苷酸 FMN,FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)的生物化学功能： 主要使饱和酰基衍生物脱氢形成,-不饱和酰基衍生物。,辅酶 A用HSCoA表示；其乙酰 化产物：CH3COSCoA，是一个新陈代谢的调节者，也可以看作是新陈代谢的钥匙，在生物化学中占有重要的位置。,2 微生物的呼吸 将电子交给NAD（P）或FAD（或FMN）等点子载体，通过电子传递链，经逐步释放出能量后再交给最终电子受体。,电子传递链 O2 有氧（好氧）呼吸 除O2外的无机物或延胡索酸 无氧 呼吸,1NADH-3ATP 1FADH-2ATP,FADH2,根据代谢物脱下的氢的最初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH

6、2呼吸链,3 光能微生物的能量代谢 光合细菌中存在菌绿素 通过环式光合磷酸化作用产生ATP。 4 化能自养微生物的能量代谢 无机物氧化获得ATP和NADH或NADPH,第二节厌氧发酵产物的合成机制,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1, 6-二磷酸果糖,二羟丙酮 磷酸,甘油醛- 3-磷酸,1, 3 二磷酸甘油酸,3磷酸甘油酸,2磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,Hexokinase,Phosphoglucose isomerase,Phospho fructokinase,Aldolase,Triose phosphate isomerase,Glyceraldehyde

7、 3-phosphate dehydrogenase,Phospho glycerate kinase,Phospho glycerate mutase,Enolase,Pyruvate kinase,Lactate dehydrogenase,NADH NAD,NADH NAD,ATP,ATP,ATP,ATP,ADP,ADP,ADP,ADP,2Pi,C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD+ 2CH3COCOOH +2ATP+2NADH2,己糖激酶,变构抑制,磷酸果糖激酶,抑制,丙酮酸激酶,分解,ADP,AMP,抑制解除,ATP,产物激活,糖代谢的调节,1.酵母菌的乙醇发酵：,一 乙醇、甘

8、油发酵,C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,丙酮酸脱羧酶,乙醇脱氢酶,C6H12O6+2ADP+2Pi 2CH3CH2OH +2ATP+2CO2,葡萄糖生产乙醇的总反应式：,概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。,通风对酵母代谢的影响,巴斯德效应,现象：,酵母菌乙醇发酵中的副产物,影响：消耗糖分，带来杂质，提高或降低产品质量。,酵母酒精发酵,主产物：乙醇、CO2,副产物,醇类（杂醇油） 醛类（糠醛） 酸类（琥珀酸） 酯类,杂醇油：C原子数大于2的脂肪族醇类的统称；高沸点、颜色呈黄色

9、或棕色，具有特殊气味。酒类风味物质，质量指标。杂醇油的产量一般为0.3一0.7 。,2.细菌的乙醇发酵：,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醛 乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,+ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED,酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 丙酮酸脱羧酶 乙醇脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 通过EMP途径产生乙醇，总反应式为： C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 细菌（在pH5时）的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP,3.甘

10、油发酵,别名：丙三醇, 分子式: CH2OHCHOHCH2OH,用途： 1 医学方面，用以制取各种制剂、溶剂、吸湿剂、防冻剂 2 食品中用作甜味剂、烟草剂的保湿剂 3 工业汽车和飞机燃料以及油田的防冻剂,甘油发酵机制：,酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。,如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母型发酵）。,亚硫酸盐法甘油发酵 NaHSO3可作为抑制剂：,乙醛 + NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠,2ATP,2ADP,2ADP,2ATP,CO2,NaHSO3

11、,NAD,NADH+H,NADH+H,NAD,H2O,Pi,葡萄糖,1.6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,丙酮酸,乙醛,乙醛HSO3,-磷酸甘油,甘油,碱法甘油发酵 酒精酵母在碱性（pH7.6以上）的条件下，发酵产生的乙醛不能作为受氢体，而是分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。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,2C6H12O6+H2O,+C2H5OH+CH3COOH+2CO2,碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，不产生ATP ，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。,二 乳酸发酵,2-羟基丙酸；-羟基丙

12、酸；丙醇酸 分子式: CH3CH(OH)COOH 用途： 1 食品工业保鲜、调味剂 2 医学方面，乳酸蒸汽消毒、防腐剂、聚乳酸手术缝线 3 其它工业，控制发酵PH、清洁去垢等。,乳酸菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。 同型乳酸发酵：在乳酸发酵过程中，发酵产物中只有乳酸；（经EMP途径） 异型乳酸发酵：发酵产物中除乳酸外，还有乙醇、乙酸及CO2等其它产物的。（磷酸酮解途径）,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,2NAD+ 2NADH2,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus lactis（乳酸乳

13、球菌） Lactobacillus plantarum（植物乳杆菌）,EMP途径,2NAD+ 2NADH2,1 同型乳酸发酵：,乳酸脱氢酶,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADPH2,NAD+ NADPH2,ATP ADP,乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,乙醇,Leuconostoc mesenteroides（肠膜明串珠菌）,NAD+ NADPH2,NAD+ NADPH2,2 异型乳酸发酵：,葡萄糖,6-磷酸葡糖酸途径,1分子乳酸，一份子乙醇,6-磷酸果糖解酮酶 转二羟基丙酮基酶 转羟乙醛基酶 5磷酸核糖异

14、构酶 5磷酸核酮糖3差向异构酶 5磷酸木酮糖磷酸酮解酶 乙酸激酶,双歧途径：两歧双歧杆菌,第三节 好氧发酵产物合成机制,柠檬酸发酵机制 氨基酸发酵机制,GTP,TCA循环,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,柠檬酸,顺乌头酸,衣康酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,酮戊二酸,谷氨酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,葡萄糖,苹果酸,草酰乙酸,乙醛酸,乙酰辅酶A,1,2,3,3,16,4,5,15,6,7,8,9,10,12,11,14,13,反馈抑制,CO2,参与嘌呤和嘧啶的合成,脂肪酸,天冬氨酸,参与蛋白 质合成,参与蛋白 质合成,物质代谢,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。 我

15、国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约50万吨 欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约30万吨 美国柠檬酸年产量约25万吨,柠檬酸发酵,用途 1 食品：配制各种水果型的饮料以及软饮料,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； 2 化工纺织：可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂； 3 化妆品：用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、抗老化用品。,黑曲霉,分生孢子头,葡萄糖,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰CoA,CO2,柠檬酸的生物合成途径,实现柠檬酸积累： 一、设法阻断代谢途径，实现柠檬酸的积累 二、代谢途径被阻断部位之后的产物，必须有适当的补充机制,CO2,ATP,ADP,CO2,ADP,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶,丙酮酸羧化酶,顺乌头酸酶