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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,第五章 微生物的代谢与发酵控制编写人:工程系,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,本章目录,第一节微生物代谢的基本知识,回本章目录,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,一、微生物的代谢 代谢是生物细胞内发生的各种,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
2、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,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,（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，也是生物体新陈代谢的重要基本反应。,回本章目录,（一）微生物的生物氧化类型 生物氧化作用是,1.好氧呼吸,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,2.厌氧呼吸,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。,3.发酵作用,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
3、最少。,1.好氧呼吸 以分子态的氧作为最终电子受体,回本章目录,微生物是否需氧生物氧化类型实例好氧微生物 aerobe是有氧,（二）生物氧化链,回本章目录,（二）生物氧化链回本章目录,1.概念,微生物从呼吸底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,2.组成,脱氢酶、辅酶Q（CoQ）、细胞色素,1.概念 微生物从呼吸底物脱下氢和电子向最终,（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
4、学能。由光能生成ATP的过程称为光和磷酸化；以化学能生成ATP的过程称为氧化磷酸化。,回本章目录,（三）ATP的生成ATP是生物体内能量的主要传递者回本章目录,植物光和磷酸化,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,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,氧化磷酸化可分为：底物磷酸化；回本章目录,三、微生物的分解代谢,1.蛋白质的分解2.氨基酸的分解（1）脱氨作用（2）脱羧作用,回本章目录,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,三、微生物的分解代谢1.蛋白质的分解回本章目录氧化脱氨,（二）糖类物
5、质的分解代谢,1.多糖的分解（1）淀粉的分解（2）纤维素的分解2.单糖的利用（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,（二）糖类物质的分解代谢1.多糖的分解回本章目录-淀粉酶（,回本章目录,回本章目录,回本章目录,回本章目录,TCA循环,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,（2）无氧酵解酒精发酵回本章目录（三）脂肪和脂肪酸的分解,四、微生物的合成代谢,回本章目录,四、微生物的合成代谢回本章目录,回本章目录,回本章目录,（一）糖类的合
6、成,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,（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,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。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,一、微生物代谢调节的概念与内涵 微生物代谢调节是指对微生,二、酶的活性调节,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
7、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,二、酶的活性调节 酶活性调节是指对一定数量已存在的酶分子,（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,同工酶协同反馈抑制积累反馈抑制顺序反馈抑制,（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,酶活性的调节,回本章目录,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。组成酶也称为结构酶，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。诱导酶则指酶的生成需要某些物质的诱导。,回本章目录,三、酶的合成
8、调节 依据微生物生长繁殖的需要可以将各种酶划,（一）诱导酶的酶量调节,回本章目录,（二）分解代谢产物的阻遏,（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,回本章目录,两种调节的对比酶合成的调节酶活性的调节不同点调节通过酶量的变,第三节 微生物代谢的控制,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：,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。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。改变细胞膜的通透性，使最终代谢
9、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,突破微生物的自我代谢调节机制，使代谢产物积累的,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,抑制,回本章目录,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,人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸,高丝氨酸脱氢酶,不能合成,可以大量积累,人工诱变的菌种不能产生,回本章目录,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天冬,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：微生物菌体本身的性能控制；微生物发酵环境条件控制。,回本章目录,一、发酵过程控制 微
10、生物发酵的过程控制应该从两个方面来实,（一）发酵过程的一般性规律1.发酵的基本过程,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,（一）发酵过程的一般性规律1.发酵的基本过程原料的预处理,2.发酵过程的一般性规律,（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,2.发酵过程的一般性规律（1）发酵用培养基回本章目录,（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
11、基,回本章目录,（3）发酵工艺控制调控发酵条件包括：回本章目录,发酵控制要解决的两个问题：,发酵代谢途径问题发酵代谢速度问题,回本章目录,发酵控制要解决的两个问题：发酵代谢途径问题回本章目录,（二）发酵过程需要过程控制,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,发酵原料的控制发酵菌体的控制发酵条件的控制,回本章目录,（三）发酵过程控制的基本途径发酵原料的控制回本章目录,二、微生物代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,a酮戊二酸,抑 制,回本章目录,二、微生物代谢调节与发酵控制实例分析葡萄糖中间产物a酮戊二,只有选择细胞膜通透较强，在细胞
12、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,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,培养基的选择,回本章目录,培养基的选择成 分酸碱度水无机盐氮源碳源生长因子豆饼,发酵罐示意图,回本章目录,发酵罐示意图电动机pH检测及培养液无菌空气排气口冷却水出口冷,发酵条件控制,发酵温度：谷氨酸菌最适生长温度3534；最适发酵温度3537发酵pH：7.07.2发酵溶解氧:大量氧气,回本章目录,发酵条件控制发酵温度：谷氨酸菌最适生长温度3534；最适,从自然界分离
13、的菌种,基因工程,生产用菌种,扩大培养,原 料,分离提纯,回本章目录,从自然界分离的菌种产 品基因工程诱变育种诱变育种生产用菌种,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1.纯种发酵对生产菌种的要求2.纯种发酵对生产过程的要求生产过程无菌化,回本章目录,高产性；无害型；适应性；稳定性,三、微生物的纯种发酵与,3.纯种发酵的生产特点,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,3.纯种发酵的生产特点菌种单一，易于生产控制回本章目录,（二）多菌种的协同发酵,多菌种协同发酵的特点：多菌种的协同作用发酵界面复杂且产品风味多样化产品的区域性特征显著设备投入少，生产灵活性强发酵机理不清，生产经验性强,回本章目录,（二）多菌种的协同发酵多菌种协同发酵的特点：回本章目录,
