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1、第五章 微生物的代谢与发酵控制编写人:工程系食品微生物精品课程课题组本章目录第一节 微生物代谢的基本知识第二节 微生物代谢的调节第三节 微生物代谢的控制第一节微生物代谢的基本知识回本章目录一、微生物的代谢 代谢代谢是生物细胞内发生的各种生物化学反应的总称，也就是发生在微生物细胞内各种生物化学反应的总称。分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）回本章目录回本章目录二、微生物的能量代谢 生物体内一切通过氧化作用释放能量的反应称为生物氧化生物氧化。整个生物氧化反应共分为三个环节：脱氢、递氢和受氢。回本章目录（一）微生物的生物氧化类型 生物氧化作用是在微生物细胞内酶的催化下，完成营养物质氧化的过程，也
2、是生物体新陈代谢的重要基本反应。回本章目录 以分子态的氧作为最终电子受体的生物氧化过程。彻底氧化，放能最多。回本章目录 在无氧的条件下，微生物以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。不需要氧气，放能多。 电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程。不彻底氧化，放能最少。微生物类型是否需氧生物氧化类型实例好氧微生物 aerobe是有氧呼吸多数细菌全部的霉菌厌氧微生物 anaerobe否无氧呼吸或发酵作用肉毒梭菌破伤风梭菌兼性厌氧微生物facultative aerobe 兼性有氧呼吸和无氧呼吸或有氧呼吸和发酵作用酵母菌回本章目录（二）生物氧化链回本章目录 微生物从呼吸底
3、物脱下氢和电子向最终受氢（电子）体转移的过程中，要经过一系列的中间传递体，而这些中间传递体按一定的顺序排列成链，按顺序将氢和电子转移，最终将电子传给氢，这种“链”称为呼吸链，也称为生物氧化链。回本章目录脱氢酶、辅酶Q（CoQ）、细胞色素（三）ATP的生成ATP是生物体内能量的主要传递者ATP的生成需要能量，这些能量来自光能及化学能。由光能生成ATP的过程称为光和磷酸化光和磷酸化；以化学能生成ATP的过程称为氧化磷酸化氧化磷酸化。回本章目录植物光和磷酸化回本章目录光和细菌光和磷酸化回本章目录氧化磷酸化可分为：底物磷酸化；电子传递磷酸化回本章目录三、微生物的分解代谢（1）脱氨作用（2）脱羧作用回本
4、章目录氧化脱氨还原脱氨直接脱氨脱水脱氨水解脱氨氧化还原偶联脱氨（二）糖类物质的分解代谢（1）淀粉的分解（2）纤维素的分解（1）单糖的微生物有氧降解EMP途径HMP途径回本章目录-淀粉酶（液化酶）水解产物为糊精-淀粉酶（糖化酶）水解产物为麦芽糖回本章目录回本章目录TCA循环回本章目录（2）无氧酵解酒精发酵甘油发酵乳酸发酵回本章目录（三）脂肪和脂肪酸的分解四、微生物的合成代谢回本章目录回本章目录（一）糖类的合成回本章目录（二）氨基酸的合成回本章目录第二节 微生物代谢的调节回本章目录一、微生物代谢调节的概念与内涵 微生物代谢调节微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节
5、。 代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。 代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。回本章目录二、酶的活性调节 酶活性调节酶活性调节是指对一定数量已存在的酶分子，通过对其分子构象或结构的改变来调节其催化的生物化学反应速率，这种调节能够最大限度的使微生物细胞对周围环境变化作出快速反应。回本章目录（一）反馈调节包括反馈抑制和反馈阻遏回本章目录（二）分支合成途径调节1.同工酶2.协同反馈抑制3.积累反馈抑制4.顺序反馈抑制酶活性的调节回本章目录三、酶的合成调节 依据微生物生长繁殖的需要可以将各种酶划分为两类，即组成酶和诱导酶。 组成酶组成酶也称为结
6、构酶，是微生物细胞固有的酶类，其生成受菌体固有酶的合成机构所控制。 诱导酶诱导酶则指酶的生成需要某些物质的诱导。回本章目录（一）诱导酶的酶量调节回本章目录（二）分解代谢产物的阻遏两种调节的对比酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节不不同同点点调节对象象通通过酶量的量的变化控制代化控制代谢速率速率控制控制酶活性，不涉及活性，不涉及酶量量变化化调节效果效果相相对缓慢慢快速、精快速、精细调节机制机制基因水平基因水平调节，调节控控制制酶合成合成代代谢调节，它，它调节酶活活性性相同相同点点细胞内两种方式同胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代存在，密切配合，高效、准确控制代谢的的正常
7、正常进行。行。回本章目录第三节 微生物代谢的控制回本章目录 突破微生物的自我代谢调节机制，使代谢产物积累的有效措施有三种：1.应用营养缺陷型菌株，利用其合成代谢途径中某一步发生的缺陷，解除反馈调节作用，从而使产物大量积累。2.选育抗反馈调节的突变菌株，使其不再受正常反馈调节的影响，最终达到产物积累的目的。3.改变细胞膜的通透性，使最终代谢产物不能在细胞内大量积累达到引起反馈调节的浓度，从而达到解除反馈调节的目的。回本章目录天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸例人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸黄色短杆菌的代谢过程甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸中
8、间产物中间产物中间产物中间产物 中间产物中间产物中间产物中间产物抑制抑制抑制抑制高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸回本章目录天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸中间产物中间产物中间产物中间产物 中间产物中间产物中间产物中间产物甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸不能合成可以大可以大量积累量积累赖赖 氨氨 酸酸人工诱变的人工诱变的人工诱变的人工诱变的菌种不能产生菌种不能产生菌种不能产生菌种不能产生回本章目录一、发酵过程控制 微生物发酵的过程控制应该从两个方面来实现：n微生物菌体本身的性能控制；n微生物发酵环境条件
9、控制。回本章目录原料的预处理发酵培养基的制备灭菌大型发酵发酵液的预处理和固液分离发酵液的纯化发酵液的精制及成品加工回本章目录（1）发酵用培养基供菌种生长、繁殖和合成产物使用。（2）种子扩大培养提供大量菌体，应使用处于对数增长期末期的菌种。回本章目录（3）发酵工艺控制调控发酵条件包括：发酵温度、发酵醪基质浓度、含氧量、酸碱度、发酵时间控制方法有:通风、供热（冷）、调节培养基回本章目录发酵控制要解决的两个问题：1.发酵代谢途径问题2.发酵代谢速度问题回本章目录（二）发酵过程需要过程控制回本章目录（三）发酵过程控制的基本途径1.发酵原料的控制2.发酵菌体的控制3.发酵条件的控制回本章目录二、微生物代
10、谢调节与发酵控制实例分析谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径 谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶NH4抑抑 制制回本章目录只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。 菌种的选择谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢?回本章目录培养基的选择成 分酸碱度水水无机无机盐氮源氮源碳源碳源生生长因子因子豆豆饼水解水解液、玉米液、玉米浆中的水中的水磷酸二磷酸二氢钾氧化氧化钾硫酸硫酸镁尿素尿素豆豆饼水水解液、解液、玉米玉米浆生物素生物素pHpH7-87-8 回本章目录发酵罐示意图电动机电动机电动机电动机pHpH
11、检测及检测及检测及检测及控制装置控制装置控制装置控制装置培养液培养液培养液培养液无菌空气无菌空气无菌空气无菌空气排气口排气口排气口排气口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水进口冷却水进口冷却水进口冷却水进口搅拌器搅拌器搅拌器搅拌器加料口加料口加料口加料口放料口放料口放料口放料口回本章目录发酵条件控制1.发酵温度：谷氨酸菌最适生长温度3534；最适发酵温度35372.发酵pH：3.发酵溶解氧:大量氧气回本章目录从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种从自然界分离的菌种产 品基因工程基因工程基因工程基因工程诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种诱变育种生产
12、用菌种生产用菌种生产用菌种生产用菌种扩大培养扩大培养扩大培养扩大培养原原原原 料料料料微生物菌体微生物菌体微生物菌体微生物菌体代谢产物代谢产物代谢产物代谢产物分离提纯分离提纯分离提纯分离提纯接种接种接种接种培养基配置培养基配置培养基配置培养基配置灭菌灭菌灭菌灭菌回本章目录三、微生物的纯种发酵与 多菌种的协同发酵（一）微生物的纯种发酵生产过程无菌化回本章目录高产性；无害型；适应性；稳定性菌种单一，易于生产控制液态基质，易于自动化控制产品安全，可靠性强产品风味纯正回本章目录（二）多菌种的协同发酵多菌种协同发酵的特点：1.多菌种的协同作用2.发酵界面复杂且产品风味多样化3.产品的区域性特征显著4.设备投入少，生产灵活性强5.发酵机理不清，生产经验性强回本章目录
