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1、乳酸发酵代谢及调控,乳酸是公认的三大有机酸之一,是一种用途广泛的三碳化合物,具有悠久的应用历史。,前言,目录,乳酸的性质及用途,Contents,乳酸发酵的代谢及调控,米根霉发酵产L-乳酸的代谢调控研究,乳酸的性质及用途,乳酸学名是-羟基丙酸,分子式为CH3CH(OH)COOH,分子量为90.08Da。纯品为粘稠状液体、微黄色、澄明、无嗅、味微酸、有较强吸湿性,可以与水、酒精和乙醚以任意比例混合。,乳酸分子结构中含有不对称碳原子,具有旋光性,分为L-乳酸、D-乳酸和DL-乳酸,而人体内只含有L-乳酸脱氢酶导致仅能消化利用L-乳酸。因此L-乳酸的用途较广,DL-乳酸只做工业用途,D-乳酸已基本不
2、生产。,乳酸的理化性质,乳酸的结构式,乳酸具有很强的防腐保鲜功效,在酿造啤酒时,加入适量乳酸既能调整pH值促进糖化,又利于酵母发酵,提高啤酒质量,又能增加啤酒风味,延长保质期。,天然乳酸是乳制品中的天然固有成分,它有着乳制品的口味和良好的抗微生物作用,已广泛用于调配酸奶奶酪、冰淇淋等食品中,成为备受青睐的乳制品酸味剂。,调味料方面,乳酸独特的口味可增加食物的美味,在色拉、酱油、醋等调味品中加入一定量的乳酸,可以保持产品中的微生物稳定性、安全性,同时使口味更佳温和。,在食品行业的用途,调节pH、抑菌,延长保质期、调味,保持食品色泽,在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸汽消毒,可有效杀灭空气中
3、的细菌。还可以直接配置成药物或日常保健品使用。,在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH调节剂等。,乳酸聚合得到聚乳酸,聚乳酸可以抽成纺成线,这种线是良好的手术缝线,缝口愈合后不用拆线,能自动降解成乳酸被人体吸收,无不良后果。尤其是体内手术缝线,避免二次手术拆线的麻烦。这种高分子化合物可做成粘结剂在器官移植和接骨中应用。,在医药行业的用途,1、乳酸在发酵工业中用于控制pH值和提高发酵物纯度2、在纺织行业中用来处理纤维,可使纤维易于着色,增加光泽,使触感柔软3、在涂料墨水工业中做pH调节剂和合成剂,4、在卷烟行业中可以保持烟草湿度,除去烟草中杂质,改变口味,还可中和尼古丁烟碱,减
4、少对人体有害成分提高烟草品质5、乳酸亦可作为聚乳酸起始原料,生成新一代的全生物降解塑料,6、在制革工业中,乳酸可脱去皮革中的石灰和钙质,使皮革柔软细密,从而制成高级皮革7、乳酸由于对镍具有独一无二的络合常数,长被用于镀镍工艺,它同时可作为电镀槽里的酸碱缓冲剂和稳定剂,8、乳酸作为pH调节和合成剂可应用于各种水基图层的粘合系统。如:电积物的图层9、乳酸具有清洁去垢等作用,用于洗涤清洁产品比传统的有机除垢剂性能更加。,在工业的用途,1、光学纯度高达99%以上的乳酸,在农药方面可用于生产缓释农药,例如除草剂,具有对农作物和土壤无毒无害且高效的特点2、乳酸聚合物用于成产农用薄膜,取代塑料地膜,能被细菌
5、分解后让土壤吸收,利于环保3、在饲料中作为生长促进剂。乳酸可以降低胃内的pH值,起到活化消化酶、改善氨基酸消化的作用,并对肠道上皮的生长有好处。,4、乳酸还用作青饲料贮藏剂、牧草成熟剂5、乳酸抑制微生物的生长。哺乳期的畜类可能会染上由大肠杆菌和沙门氏菌引起的疾病,在饲料中加入乳酸可以加以预防6、乳酸可以作为饲料的防腐剂并增进饲料、谷物和肉类加工产品副产品的微生物稳定剂7、在家禽和家畜的饮水中加入乳酸,可有效地抑制病原菌的生长,动物体重增加速度提高,在农产品及农业上的用途,乳酸发酵的代谢及调控,1、同型乳酸发酵中乳酸是唯一的代谢产物,采用的是糖酵解途径(EMP parthway),人和大多数动植
6、物属于此类代谢类型。2、异型乳酸发酵通过磷酸戊糖途径(hexosemonophosphate pathway,HMP)生成乳酸、CO2、乙醇(或乙酸)3、混合乳酸是在特殊情况下,如葡萄糖浓度受到限制、pH升高或温度降低而发生的乳酸发酵机制无论哪条途径,乳酸都是经过丙酮酸转变而来的,丙酮酸也是此过程中关键的中间产物,乳酸的生物合成途径,同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖酵解途径生成丙酮酸。由于大多数乳酸菌不具有脱羧酶,因此,丙酮酸不能脱羧生成乙醛,而在乳酸脱氢酶的催化下(需要还原型辅酶),丙酮酸作为受氢体被还原为乳酸。,同型乳酸发酵,异性乳酸发酵除生成乳酸外,还生成CO2和乙醇或乙酸,其生物合成途径
7、有两种,即6-磷酸葡萄糖途径和双歧途径。,异性乳酸发酵,米根霉发酵产L-乳酸的代谢调控研究,微生物中具有代表性的乳酸发酵是米根霉(Rhizopus oryzae)等霉菌类,米根霉属真菌中的接台菌门(Zygomycota)接台菌纲(Zygomycetes)毛霉目(Mueorales)毛霉科(Mucoraceae)根霉属(RAeopus),发酵生产L-乳酸具有产物光学纯度高、营养需求简单、产物易提纯、可直接利用淀粉发酵等优点,米根霉,该网络表明,葡萄糖进入细胞内,通过糖酵解途径(EMP)生成丙酮酸。丙酮酸在细胞内主要有四种去向:1、是通过丙酮酸脱羧酶(PDC)、乙醇脱氢酶(ADH)进入乙醇的途径;
8、2、是通过丙酮酸羧化酶(PC)形成草酰乙酸,再通过苹果酸脱氢酶和富马酸酶生成苹果酸和富马酸,3、是通过L乳酸脱氢酶(LDH)直接生成k乳酸,这是目标产物形成途径;4、是通过丙酮酸脱氢酶系(PDH)将丙酮酸转化成乙酰CoA后进入三羧酸循环(TcA)以维持生物量平衡后的基本代谢。,米根霉产L-乳酸的代谢网络,米根霉发酵产L-乳酸的代谢流程中,葡萄糖经过EMP途径转化为丙酮酸,丙酮酸可以经LDH催化转成乳酸,也可以经过丙酮酸脱氢酶转化为乙醛,再经过ADH转化为乙醇。,已有研究表明,米根霉的乳酸产生量与LDH活力,以及乙醇产量与乙醇脱氢酶(ADH)活力都成正相关性。,为了提高乳酸的转化率,降低乙醇的转化率,可以考虑通过提高发酵过程中LDH活力,抑制ADH活力来实现。,实验研究的思路,根据两个酶的特性,可以把温度控制在30-50,加入Mg2+、Ca2+。抑制ADH,激活LDH。,该实验中重要的酶,乳酸脱氢酶三级结构,结论,基于微生物代谢控制及代谢控制育种理论,以米根霉碳代谢关键酶乳酸脱氢酶(LDH)与乙醇脱氢酶(ADH)为对象,较系统地研究了LDH及ADH的分离纯化与催化特性, Mg2+、Ca2+及不同通气条件下的米根霉发酵调控模式,进而筛选出米根霉高产L-乳酸的突变菌株。,Thank you,感谢聆听,