1、發酵工程原理第三章1第1頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二本章主要內容第一節 微生物的次級代謝第二節 芳香族化合物的微生物代謝第三節 H2和CO2等的微生物代謝第四節 曲酒的發酵機制2第2頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二第一節 微生物的次級代謝次級代謝的概念次級代謝產物的類型 次級代謝產物的生物合成 3第3頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二一、次級代謝的概念 次級代謝：是指微生物在一定的生長時期(一般是穩定生長期)，以初級代謝產物為前體，合成一些對微生物的生命活動沒有明確功能的物質的過程。微生物在這一過程產生的產物即為次級代謝

2、產物。 4第4頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二二、次級代謝產物的類型1，根據產物合成途徑區分類型 與糖代謝有關的類型 與脂肪酸代謝有關的類型與萜烯和甾體化合物有關的類型與TCA環有關的類型與氨基酸代謝有關的類型5第5頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二（1）與糖代謝有關的類型 以糖或糖代謝產物為前體合成次級代謝產物有三種情況：直接由葡萄糖合成次級代謝產物。例如，曲霉屬(Aspergillus)產生的曲酸，放線菌產生的鏈霉素以及大環內酯抗生素中的糖苷等。 次級代謝產物的類型曲酸6第6頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二次級代謝產物的

3、類型由預苯酸合成芳香族次級代謝產物，如放線菌產生的氯霉素（chloromycetin）、新霉素（neomycin）等。新霉素氯霉素7第7頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二由磷酸戊糖合成的次級代謝產物。磷酸戊糖首先合成重要的初級代謝產物核苷類物質，進一步合成次級代謝產物，如嘌呤霉素、抗潰瘍間型霉素、殺稻瘟菌素S以及多氧霉素等。次級代謝產物的類型嘌呤霉素Puromycin8第8頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二（2）與脂肪酸代謝有關的類型此類型有兩種情況：以脂肪酸為前體，經過幾次脫氫、-氧化之后，生成比原來脂肪酸碳數少的聚乙炔(po1yacetylene

4、)脂肪酸。這種次級代謝物多在高等植物中存在。擔子菌中也能見到。次級代謝產物的類型9第9頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二次級代謝產物不經過脂肪酸，而是從丙酮酸開始生成乙酰CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰CoA。在初級代謝中由此進一步合成脂肪酸，而在次級代謝中所生成的丙二酰CoA等鏈中的羰基不被還原，而生成聚酮或-多酮次甲基鏈。由此進一步生成不同的次級代謝產物。例如四環素抗生素類。紅霉素內酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一個經脫羧的甲基丙二酸的C3單位，最后由七酮形成內酯環，再與紅霉糖、脫氧氨基已糖，以糖苷的形式結合而成為紅霉素。 次級代謝產物的類型10第10頁，共

5、68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二（3）與萜烯和甾體化合物有關的類型 與萜烯和甾體化合物有關的次級代謝產物，主要是由霉菌產生的，例如煙曲霉素(三個異戊烯單位聚合而成)、赤霉素(四個異戊烯單位聚合而成)、梭鏈孢酸(由六個異戊烯單位聚合而成)及由八個異戊二烯單位聚合成的-胡蘿卜素等。 次級代謝產物的類型煙曲霉素梭鏈孢酸11第11頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二（4）與TCA環有關的類型一類是從TCA環得到的中間產物進一步合成次級產物，例如由 -酮戊二酸還原生成戊烯酸，由烏頭酸脫羧生成衣康酸。另一類是由乙酸得到的有機酸與TCA環上的中間產物縮合生成次級產物，例

6、如，脂肪酸-亞甲基與草酰乙酸或-酮戊二酸羧基或羰基縮合。擔子菌產生的松覃 (三)酸(-十六烷基檸檬酸)就是由十八烷酸(C17H33COOH)的-亞甲基與草酰乙酸的羰基縮合而成。 次級代謝產物的類型衣康酸松蕈(三)酸12第12頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二（5）與氨基酸代謝有關的類型由一個氨基酸形成的次級代謝產物，如放線菌產生的環絲氨酸、氮絲氨酸；擔子菌由色氨酸合成口磨氨酸。 次級代謝產物的類型氮絲氨酸口蘑氨酸13第13頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二由二個氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。是由二個氨基酸先以肽鍵結合，閉環生成二

7、酮吡嗪(diketopiperazine)進一步形成的。次級代謝產物的類型14第14頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二由三個以上氨基酸縮合而成的次級產物，氨基酸之間多以肽鍵結合成直鏈狀，例如鐮刀菌(Fusarium)產生的恩鐮孢菌素(enniatine)。放線菌產生的很多次生物質屬于此類型。例如短桿菌A、放線菌素、短桿菌酪素、多粘菌素、桿菌肽及紫霉素等。此外，還有二個以上氨基酸經過復雜的縮合后形成含氮芳香環如麥角生物堿。次級代謝產物的類型15第15頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二2，根據產物的作用區分類型抗生素激素生物堿毒素維生素色素次級代謝產物的

8、類型16第16頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二抗生素：這是微生物所產生的，具有特異抗菌作用的一類次級產物。日前發現的抗生素已有2500-3000種，青霉素、鏈霉素、四環素類、紅霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、利福平、放線菌素(更生霉素)、博萊霉家(爭光霉素)等幾十種抗生素已進行工業生產。次級代謝產物的類型17第17頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二激素：微生物產生的一些可以刺激動、植物生長或性器官發育的一類次級物質。例如赤霉菌(Gibberella fujikuroi)產生的赤霉素。生物堿：大部分生物堿是由植物產生的。麥角菌(Claviceps

9、purpurea)可以產生麥角生物堿。次級代謝產物的類型18第18頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二毒素：大部分細菌產生的毒素是蛋白質類的物質。如破傷風梭菌(Clostridium tetani)產生的破傷風毒素，白喉桿菌(Corynebacterium diphtheriae)產生的白喉毒素，肉毒梭菌(Cbotulinum)產生的肉毒素及蘇云金桿菌(Bacillus thuringiensis)產生的伴孢晶體等。放線菌，真菌也產生毒素。例如黃曲霉(Aspergillus flavus)產生的黃曲霉毒素。擔子菌產生的各種蘑菇毒素等。次級代謝產物的類型19第19頁，共68頁

10、，2022年，5月20日，4點49分，星期二色素：不少微生物在代謝過程中產生各種有色的產物。例如由粘質賽氏桿菌(Serratia marcescens)產生靈菌紅素，在細胞內積累，使菌落呈紅色。有的微生物將產生的色素分泌到細胞外，使培養基呈現顏色。次級代謝產物的類型20第20頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二維生素：作為次生物質，是指在特定條件下，微生物產生的遠遠超過自身需要量的那些維生素，例如丙酸細菌(Propionibacterium sp)產生維生素B12，分枝桿菌(Mycobacterium)產生吡哆素和煙酰胺，假單胞菌產生生物素，以及霉菌產生的核黃素和-胡蘿卜素

11、等。次級代謝產物的類型21第21頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二三、次級代謝產物的生物合成 次級代謝產物的合成過程可以概括為如下模式：22第22頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二 次級代謝產物的合成是以初級代謝產物為前體，進入次級代謝產物合成途徑后，大約經過三個步驟，合成次級代謝產物。前體聚合：前體單元在合成酶催化下進行聚合。結構修飾：聚合后的產物再經過修飾反應如環化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用 RH+O2+NADPH2ROH+H2O十NADP氯化反應 RH+H2O2+Cl-+H+RCl+2H2O次級代謝產物的生物合成23第23頁，共68頁，2

12、022年，5月20日，4點49分，星期二次級代謝產物的生物合成不同組分的裝配：如新生霉素24第24頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二諾卡霉素A(nocardicinA)分子裝配 次級代謝產物的生物合成25第25頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二第五節 芳香族化合物的微生物代謝芳香烴的分解 甲苯的分解鄰苯二酚的降解原兒茶酸的降解 26第26頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二一、芳香烴的分解微生物對芳香烴的分解是在有氧條件下進行的，首先以形成二元酚如鄰苯二酚、原兒茶酸等作為環裂解底物，再進一步氧化分解。苯的氧化首先是生成二羥基已二烯

13、，再轉化為鄰苯二酚。27第27頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二二、甲苯轉化成鄰苯二酚的途徑Kitagawa用(Paeruiginosa)試驗指出該菌分解甲苯是將甲基氧化成羧基，再將苯甲酸轉化為鄰苯二酚，甲苯與苯甲酸之間的中間產物是苯甲醇和苯甲醛，Walker用Pseudomonas菌試驗證明甲苯分解存在另一條途徑，即二羥化反應將甲苯轉化成3-甲基鄰苯二酚作為裂解底物。28第28頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二三、鄰苯二酚環裂解及其降解鄰苯二酚通過兩種途徑之一進行降解在兩個羥基之間裂解(鄰位裂解)在羥基旁裂解(間位裂解)。鄰苯二酚酶變鄰苯二酚酶29

14、第29頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二原兒茶酸的降解鄰位裂解，終產物是琥珀酸間位裂解，終產物是兩分子丙酮酸。 30第30頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二第六節 H2和CO2的微生物代謝H2的微生物代謝CO2的微生物代謝31第31頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二一、H2的微生物代謝1，分解代謝氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養菌。它們能利用分子氫氧化產生的能量同化CO2，也能利用其它有機物進行生長。32第32頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二在有分子氫和氧的條件下，氫細菌在生長過程中實際上包括兩個

15、過程：分子氫氧化成水，放出能量；分子氫還原CO2成為細胞物質，總的結果是以6：2：l的比例消耗H2，O2和CO 2，四分子氫氧化成水所放出的能量可產生一分子ATP，用于還原CO2構成細胞物質和維持細菌的生長。 H2的微生物代謝33第33頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二氫化酶氫化酶是氫細菌進行無機化能營養方式生長的關鍵酶，在多數氫細菌中，有兩種氫化酶，其結構和功能各不相同 顆粒狀氫化酶(particulate hydrogenase) 結構：結合在細胞質膜上，直接與呼吸鏈偶聯。功能：不經過依賴于NAD+的脫氫酶作中間體，催化氫的氧化，并把電子直接傳給呼吸鏈產生ATP。H2

16、的微生物代謝34第34頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二可溶性氫化酶(so1uble hydrogenase)結構：存在于細胞質中，由四聚體復合組成，還含有黃素單核苷酸和FeS中心。功能：可溶性氫化酶催化氫的氧化，它的主要功能是為菌體生長提供固定CO2的還原力。另外，它可直接運送電子進入呼吸鏈。H2的微生物代謝35第35頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二氫細菌是一類兼性化能自養菌，在有O2無H2時，可利用糖或有機酸或氨基酸而生長。有的還可利用嘌呤和嘧啶進行生長。H2的微生物代謝36第36頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二氫效應當

17、氫細菌以無機化能營養方式生長時，H2的存在能阻抑菌體對有機物(如對果糖)的利用，這種現象稱為氫效應。其原因有兩方面：果糖的利用是通過ED途徑進行的。當有氫存在時，分子氫使ED途徑中酶合成的誘導受到抑制，因而不能利用ED途徑分解有機物，包括果糖。果糖經ED途徑分解的關鍵是進行脫氫氧化。在氫細菌體內NAD(P)+是有限的，當有O2和H2時，氫化酶催化生成NAD(P)H，菌體內NAD(P)+減少。由于果糖分解脫下的氫不能交給NAD(P)+(因消耗于環境中氫的還原)故在這種情況下不能利用果糖等有機物。其實質是氫細菌中的氫化酶與ED途徑的關鍵酶，脫氫酶爭奪體內有限的NAD(P)+，而使生長停止。H2的微

18、生物代謝37第37頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二2，合成代謝I. Dark fermentative bacteriaH2asessugarsH2 + organic acidsN2asesorganic acidsH2 + CO2lightII. Photosynthetic anoxygenic bacteriaIII. Photosynthetic oxygenic green algaeH2OH2 + O2lightIV. Photosynthetic oxygenic cyanobacteriaH2 + O2H2OlightN2asesH2ases38第38

19、頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二CO2的微生物代謝 CO2是自養微生物的唯一碳源。異養微生物也能利用CO2作為補助的碳源。將空氣中的CO2同化成細胞物質的過程稱為CO2固定作用。CO2的固定方式有自養型和異養型兩種。 39第39頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二自養型CO2固定 自養微生物（包括光能自養和化能自養）固定CO2的途徑：二磷酸核酮糖環 這個途徑最初是由卡爾文(Calvin)等研究綠藻的光合作用時查明的，所以又稱為卡爾文環。二磷酸核酮糖環是所有光能自養和化能自養微生物所共有的途徑。 經卡爾文循環固定CO2的過程可分為三個階段：羧化、還原、

20、再生。CO2的微生物代謝40第40頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二CO2的微生物代謝41第41頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二異養型CO2固定異養型C02的固定主要是合成TCA環的中間產物。從理論上來講，利用1分子草酰乙酸就可以不斷地推動TCA環的運行(因為草酰乙酸可通過TCA環再生)。異養微生物依靠固定C02生成四碳二羧酸，補充TCA環的中間產物。催化這類反應的酶有以下幾種：42第42頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸并產生無機磷酸 43第43頁，共68頁，2022

21、年，5月20日，4點49分，星期二 磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶 它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸，同時使ADP轉為ATP44第44頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二磷酸烯醇式丙酮酸羧基轉磷酸化酶 它所催化的反應與相同，但需要二碳酸和無機磷酸，后者本身能變成焦磷酸 45第45頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二丙酮酸羧化酶 它催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，并使ATP轉化成ADP和Pi，反應中還需要生物素。 46第46頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二蘋果酸酶 它催化丙酮酸還原羧化成蘋果酸，以NAD(P)H2為供氫體。 47第47頁，共6

22、8頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二異檸檬酸脫氫酶 它催化-酮戊二酸還原羧化成異檸檬酸，需要NAD(P)H2。 48第48頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二 此外，在脂肪酸合成中也有固定CO2的反應，如乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶的催化下生成丙二酰-CoA，此反應得要生物素和ATP。 49第49頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二第三節 曲酒的發酵機制固態混菌發酵 邊糖化，邊發酵 主要由曲中的霉菌進行糖化，酵母進行發酵。50第50頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二一、原料與白酒風格高梁：香 含有較多單寧，分解為丁香

23、酸等酚類物質玉米：甜 植酸較多，分解為環己六醇（肌醇），支鏈淀粉液較多大米：凈 脂肪含量少，質地純凈大麥：沖 蛋白質、木質素含量較高，產生較多糠醛、雜醇油、阿魏酸等51第51頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二二、發酵機制酒精的發酵機制高級醇的產生機制有機酸的產生機制酯類物質的產生機制羰基類物質的產生機制芳香族化合物的合成機制52第52頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二一） 酒精發酵機制酵母的酒精發酵（EMP途徑，酵母菌的型發酵） 葡萄糖+2ADP+2磷酸2酒精+2二氧化碳+2ATP2. 細菌的酒精發酵(假單胞菌，ED途徑） 葡萄糖+ADP+磷酸2酒精

24、+二氧化碳+ATP 兩者途徑不同，產能水平也不同同型發酵53第53頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二主要是乳酸菌經過戊糖磷酸（PPP）途徑葡萄糖酒精+乳酸異型發酵54第54頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二二）高級醇的產生機制 高級醇是酒類中最主要的風味物質之一。 在小曲酒中表現得非常突出。 與酵母增殖有關。 與多元醇不同。55第55頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二 1907年，德國化學家伊里希(Felix Ehrlish)提出由氨基酸形成高級醇的途徑，可歸納為：有十種氨基酸，在發酵時酵母將其氨基轉移到-酮戊二酸上，形成谷氨酸

25、和-酮酸，后者經脫羧、還原，形成比原氨基酸少一個碳的高級醇。 1953年，哈里斯(Harris)研究提出高級醇由糖代謝通過丙酮酸的合成的途徑。56第56頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二酵母在發酵中形成主要高級醇途徑綜合如下： 葡萄糖正丙醇 丙酮酸 氨基酸反饋控制-酮基-甲基戊酸 -酮基異戊酸 -酮基異乙酸 轉氨 轉氨 轉氨 CO2 異亮氨酸 CO2 纈氨酸 CO2 亮氨酸 甲基丁醛 異丁醛 異戊醛 NADH2 NADH2 NADH2 NAD NAD NAD 活性異戊醇 異丁醇 異戊醇57第57頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二三）有機酸的產生機制1）乙酸 醋酸菌乙醇氧化 葡萄糖+水乙醇+醋酸+甘油+CO2 乙醛+水乙醇+醋酸 岐化反應2） 乳酸（乳酸菌） 同型乳酸發酵 異型乳酸發酵（如酸，酒精和CO2 ） 真菌（毛霉、根霉）產生L-型乳酸58第58頁，共68頁，2022年，5月20日，4點49分，星期二3）丁酸 葡萄糖丁酸+ CO2 + H24）由低級酸合成高級