發(fā)酵機制及控制

關(guān)于發(fā)酵機制及控制§4-1糖的代謝與調(diào)節(jié)本節(jié)主要介紹糖代謝的幾條代謝途徑，和其調(diào)節(jié)機制，并簡單介紹糖代謝厭氧發(fā)酵產(chǎn)物乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)。第2頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、糖代謝的途徑糖代謝的主要途徑有：1、糖的酵解途徑——EMP途徑2、TCA循環(huán)3、HMP途徑（磷酸戊糖途徑）4、ED途徑第3頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1、糖的酵解途徑——EMP途徑

其產(chǎn)物是：丙酮酸

丙酮酸有氧氧化生成：乙酰輔酶A

丙酮酸無氧代謝：脫羧，生成乙醛，乙醛還原生成乙醇第4頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、TCA循環(huán)

丙酮酸在有氧的條件下，在丙酮酸氧化脫羧酶系（脫氫酶）的作用下，氧化脫羧生成乙酰輔酶A（CH3-CO-SCoA）進入TCA循環(huán)，徹底氧化成CO2和H2O。總的反應(yīng)式：

C6H12O6=6CO2+6H2O+32ATP第5頁,共90頁，2024年2月25日，星期天TCA一圈，即每分子乙酰輔酶A氧化，有：

2.5ATP*3+1.5+1+2.5

總計：2*（2.5ATP*3+1.5+1+2.5）+2.5*2+2=32ATP第6頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

將葡萄糖徹底氧化成CO2和H2O，并有29分子的ATP生成

特點：（1）中間代謝產(chǎn)物中有，C7

、C5

、C4

有利于微生物的合成代謝。（2）只有NADP參入氧化脫氫反應(yīng)，可以產(chǎn)生大量的NADPH

（3）是一條高產(chǎn)能的氧化途徑。反應(yīng)式：C6H12O6=6CO2+6H2O+29ATP3、HMP途徑（磷酸戊糖途徑）第7頁,共90頁，2024年2月25日，星期天常見的是細菌的ED途徑，發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。反應(yīng)式：

C6H12O6=2丙酮酸+2TP+NADPH+NADH例如：在谷氨酸發(fā)酵中，菌體生長期：EMP/HMP=38%GA合成期：EMP/HMP=26%4、ED途徑第8頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

1.糖代謝的能荷調(diào)節(jié)

能荷=[ATP]+1/2[ADP]/[ATP]+[ADP]+[AMP]

顯然，能荷在0—1之間糖原←葡萄糖→產(chǎn)生ATP關(guān)鍵酶：G磷酸化酶磷酸果糖激酶（PFK)

異檸檬酸脫氫酶檸檬酸合成酶因此，能荷對糖代謝的調(diào)節(jié)是方向性的。二、糖代謝的調(diào)節(jié)機制第9頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、生物素的調(diào)節(jié)

生物素對糖代謝的調(diào)節(jié)與能荷的調(diào)節(jié)是不同的，后者是對糖代謝流的調(diào)節(jié)，而生物素的主要作用是對糖降解速率的調(diào)節(jié)，通常生物素能夠促進糖的EPM途徑，對TCA循環(huán)也有促進作用，對糖的HMP途徑也有促進作用，但是，對上述三條途徑的促進作用的大小卻不同，對EMP途徑的促進作用較大……。3、磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用三、酵母菌的酒精發(fā)酵生產(chǎn)簡介第10頁,共90頁，2024年2月25日，星期天§4-2酵母菌的甘油發(fā)酵一、行業(yè)簡介

1、應(yīng)用化工領(lǐng)域：環(huán)氧氯丙烷，改性醇酸樹脂、酚醛樹脂等醫(yī)藥工業(yè)：添加劑，潤滑劑等食品工業(yè)：甜味劑、保濕劑，對風(fēng)味也有獨特的影響在造紙、皮革、玻璃、化妝品等行業(yè)：約1700多種產(chǎn)品需要。第11頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、生產(chǎn)方法：（1）天然油脂為原料：天然油脂肥皂，廢水回收甘油原煙臺第二化工廠生產(chǎn)軍用甘油，其副產(chǎn)品……（2）以丙烯為原料合成殼牌的氯化法，過乙酸法（3）發(fā)酵法甘油生產(chǎn)：厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵第12頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、我國發(fā)酵甘油在技術(shù)上與國外主要存在以下差距：

（1）殘?zhí)歉撸?/p>

（2）規(guī)?；^少，……4、我國甘油市場的構(gòu)成與西方發(fā)達國家相比也有較大的差異：

中國：涂料，49%；醫(yī)藥食品，10%

美國：涂料，10%；醫(yī)藥食品，54%以上第13頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、甘油的厭氧發(fā)酵1、酵母菌代謝合成機制第14頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

1,6—二磷酸果糖丙酮酸葡萄糖（磷酸化，葡萄糖激酶）（磷酸果糖激酶）ATPATP3-磷酸甘油醛磷酸烯醇式丙酮酸NADH磷酸二羥丙酮NAD+NADH乙醛α-磷酸甘油NADH（甘油激酶）乙醇甘油（乙醇脫氫酶）醛縮酶第15頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、亞硫酸鹽法甘油發(fā)酵酵母菌在酒精發(fā)酵時，如加入亞硫酸氫鈉等鹽類，它能與乙醛起加成作用，生成難溶的結(jié)晶狀亞硫酸納加成物，這樣就使乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體，在α-磷酸甘油脫氫酶（NAD為輔酶）催化下生成α-磷酸甘油，后者在α-磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α-甘油。CH2OHOH││C6H12O6+NaHSO3→CHOH+CH3-

C-OSO2Na+CO2↑

││

CH2OH

O

H第16頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、堿法甘油發(fā)酵雙分子歧化反應(yīng)乙醛+乙醛==乙醇+乙酸則，NADH沒有受體，使得菌體的代謝流轉(zhuǎn)向合成甘油的方向進行，從而生產(chǎn)大量的甘油。第17頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

4、厭氧甘油發(fā)酵的能量和轉(zhuǎn)化率的問題：以葡萄糖為原料的甘油的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)率不可能突破50%的轉(zhuǎn)化率。

5、厭氧甘油發(fā)酵的缺點：（1）堿性條件、無能量產(chǎn)生，導(dǎo)致菌體死亡率較高，……。（2）轉(zhuǎn)化率較低。第18頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、甘油的好氧發(fā)酵在甘油發(fā)酵過程中通風(fēng)，以減少酵母細胞的死亡率；另一方面，在適當?shù)难醯拇嬖谙拢湍讣毎梢赃M行有限的有氧代謝，為其自身的生長提供必需的ATP。

這種有限的好氧發(fā)酵，使得丙酮酸進行TCA循環(huán)的同時，也增加了TCA循環(huán)過程中的許多中間性產(chǎn)物，對于甘油的提取帶來了不利的影響。第19頁,共90頁，2024年2月25日，星期天§4-3檸檬酸發(fā)酵機制與代謝調(diào)控一、行業(yè)簡介1.我國的檸檬酸發(fā)酵采用的菌種（黑曲霉）具有雙重功能。2.盡管采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝，但發(fā)酵周期只有64小時。3.檸檬酸的產(chǎn)酸速度大大地高于國外水平。平均產(chǎn)酸速率是國外的2倍。第20頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

葡萄糖

丙酮酸+丙酮酸乙酰輔酶A(CH3CO-CoA)

CO2固定反應(yīng)草酰乙酸+

（檸檬酸合成酶）

檸檬酸第21頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、檸檬酸的生物合成途徑用圖示之：特點：順烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶酶的活性喪失或非常微弱三、檸檬酸生物合成中的代謝調(diào)節(jié)與控制

1.磷酸果糖激酶（PFK）活性的調(diào)節(jié)研究表明，微生物體內(nèi)的NH4+，可以解除檸檬酸對PFK的這種反饋抑制作用，在較高的NH4+的濃度下，細胞可以大量形成檸檬酸，那么NH4+濃度是如何升高的呢？第22頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

Mn2+

缺乏如何會使NH4+濃度升高呢？外源氮源分解產(chǎn)生氨基酸 菌體生長合成蛋白質(zhì)）氨基化合成氨基酸（消耗NH4+）第23頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.順烏頭酸酶活性的控制該酶的喪失或失活是阻斷TCA循環(huán)，大量生成檸檬酸的必要條件。通常檸檬酸產(chǎn)生菌體內(nèi)該酶的活性本身就要求很弱，但在發(fā)酵過程中仍需要控制它的活性。由于該酶的活性受到Fe2+的影響，控制培養(yǎng)基中的Fe2+的濃度，可以使該酶失活。但是在檸檬酸發(fā)酵過程中，培養(yǎng)基中的Fe2+的濃度有要求不能夠低于0.1mg/L，原因目前尚沒有搞清楚。第24頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.能荷調(diào)節(jié)對檸檬酸發(fā)酵的影響側(cè)系呼吸鏈：NAD(P)H經(jīng)過該呼吸鏈，可以正常的傳遞H+，將其氧化為H2O，但是并沒有氧化磷酸化生成ATP，能夠正常產(chǎn)生ATP的呼吸鏈稱之為標準呼吸鏈。只長菌不產(chǎn)酸：第25頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四、檸檬酸發(fā)酵的產(chǎn)率

1.無CO2固定反應(yīng)的產(chǎn)率

192/(180*1.5)==71.1%2.通過CO2固定反應(yīng)提供C4二羧酸

192/180==106.6%C6H12O6C6H8O7(C沒有增加)

可見，CO2固定反應(yīng)堆與檸檬酸發(fā)酵的重要性。第26頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

在檸檬酸產(chǎn)生菌內(nèi)，存在下列CO2固定反應(yīng)

1）磷酸烯醇式丙酮酸+CO2==草酰乙酸（C4二羧酸）酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（2）丙酮酸+CO2===草酰乙酸（C4二羧酸）酶：丙酮酸羧化酶以上兩種CO2固定反應(yīng)所需要的輔酶都是生物素。第27頁,共90頁，2024年2月25日，星期天在檸檬酸發(fā)酵過程中，存在三個控制要點：（1）點：EMP暢通無阻控制Mn2+NH4+濃度升高，解除檸檬酸對PFK的抑制；防止側(cè)系呼吸鏈失活。（2）點：通過CO2固定反應(yīng)生成C4二羧酸，強化這一反應(yīng)的方法和意義？…………（生物素、錳離子、鎂離子、罐壓等）（3）點：檸檬酸后述的酶的酶活性喪失或很低：方法：控制培養(yǎng)基中的Fe2+的濃度第28頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、檸檬酸產(chǎn)生菌的育種

1.透明圈大的菌株平板：10%甘薯+2%的瓊脂+0.5%CaCO3

誘變后，涂布，透明圈大的則好，為何？淀粉的水解能力。2.顯色圈大小平板：麥汁培養(yǎng)基+pH值指示劑誘變后，33℃培養(yǎng)3天，顯色圈大的則好。

第29頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3.不分解檸檬酸的菌株不利用檸檬酸為碳源進行生長的菌株，說明其TCA循環(huán)中檸檬酸后述的酶的活性較低，或者喪失，這有利于檸檬酸的積累。方法：以檸檬酸為唯一的碳源的培養(yǎng)基上，選擇生長不好的突變株。4.選育不長孢子、少長孢子、遲長孢子的菌株在培養(yǎng)基中如果菌株能夠大量合成積累檸檬酸，自然會使TCA循環(huán)中的中間產(chǎn)物濃度降低，這樣不利于孢子的形成。第30頁,共90頁，2024年2月25日，星期天§4-4GA的生物合成機制與代謝調(diào)節(jié)一、GA的生物合成途徑二、GA生物合成的內(nèi)在因素三、GA生物合成的最理想途徑與轉(zhuǎn)化率四、生物素在GA發(fā)酵中的作用五、細胞膜通透性的調(diào)節(jié)六、GA發(fā)酵的外在因素七、GA發(fā)酵生產(chǎn)中的異?，F(xiàn)象及其處理第31頁,共90頁，2024年2月25日，星期天一、GA的生物合成途徑（1）EMP:丙酮酸，ATP,NADH（2）HMP:6－磷酸果糖

3－磷酸甘油酸

NADPH:

－酮戊二酸還原氨基化必需的供氫體。（3）TCA循環(huán):生成谷氨酸前體物質(zhì)－酮戊二酸。（4）CO2固定反應(yīng):補充草酰乙酸。（5）乙醛酸循環(huán):使琥鉑酸、延胡索酸和蘋果酸的量得到補充，維持TCA循環(huán)的正常運轉(zhuǎn)。

谷氨酸脫氫酶（6）還原氨基化反應(yīng):－酮戊二酸─────→谷氨酸第32頁,共90頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共90頁，2024年2月25日，星期天葡萄糖中間產(chǎn)物a－酮戊二酸谷氨

酸谷氨酸脫氫酶NH4＋抑制谷氨酸的生物合成模式第34頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、GA生物合成的內(nèi)在因素--產(chǎn)生菌的生化特點1、α—KGA脫氫酶酶活性微弱或喪失2、GA產(chǎn)生菌體內(nèi)的NADPH的在氧化能力欠缺或喪失3、產(chǎn)生菌體內(nèi)必須有乙醛酸循環(huán)（DCA）的關(guān)鍵酶——異檸檬酸裂解酶。4、菌體有強烈的L—谷氨酸脫氫酶活性

α-KGA+NH4++NADPH→GA+NADP反應(yīng)機制如下：第35頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

異檸檬酸α—KGANADPHNADPα—KGAGA第36頁,共90頁，2024年2月25日，星期天三、GA生物合成的最理想途徑與轉(zhuǎn)化率1、在前述GA合成所必需的條件的基礎(chǔ)上（……，封閉乙醛酸循環(huán)）體系不存在CO2固定反應(yīng)，則有：則有：

3/2C6H12O6+NH4+→C5H9O4+4CO2

（來自何方？）產(chǎn)率：147/（180*3/2）=54.4%第37頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3/2Glucose丙酮酸丙酮酸丙酮酸++++乙酰輔酶A乙酰輔酶ACO2乙酰輔酶A檸檬酸（DCA循環(huán)封閉）

谷氨酸第38頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

2、在前述GA合成所必需的條件的基礎(chǔ)上（封閉乙醛酸循環(huán)），存在CO2固定反應(yīng)，則有：

C6H12O6+NH4+→C5H9O4+CO2

（來自何方？）產(chǎn)率：147/180=81.7%第39頁,共90頁，2024年2月25日，星期天Glucose丙酮酸丙酮酸++C4二羧酸CO2乙酰輔酶A檸檬酸（DCA循環(huán)封閉）

谷氨酸CO2第40頁,共90頁，2024年2月25日，星期天在GA產(chǎn)生菌菌體內(nèi)CO2固定反應(yīng)有以下兩條途徑：（1）磷酸丙酮酸羧化酶的作用下

磷酸丙酮酸+CO2+GTP→草酰乙酸+GDP

(2)蘋果酸合成酶的作用下

丙酮酸+CO2+NADH→蘋果酸+NAD上述反應(yīng)需要Mg2+、Mn+做催化劑，所以，在GA發(fā)酵過程中需要向培養(yǎng)基中補充Mn+第41頁,共90頁，2024年2月25日，星期天四、生物素在GA發(fā)酵中的作用1、生物素對發(fā)酵液pH值的影響

2、乙醛酸循環(huán)的封閉

DCA循環(huán)的關(guān)鍵酶是異檸檬酸裂解酶，研究表明，該酶受以下幾個因素的影響：為醋酸誘導(dǎo)受琥珀酸的阻遏，其活性受琥珀酸的抑制第42頁,共90頁，2024年2月25日，星期天當VH缺乏時：（1）丙酮酸的有氧氧化就會減弱(由于VH對TCA循環(huán)的促進作用)，則：乙酰輔酶A的生成量就會少，醋酸濃度降低，它的誘導(dǎo)作用降低；（2）VH對TCA循環(huán)的促進作用的降低，使得其中間產(chǎn)物琥珀酸的氧化速度降低，其濃度得到積累，這樣它的阻遏和抑制作用加強；兩者綜合的作用使得，異檸檬酸裂解酶的活性喪失，DCA循環(huán)得到封閉。第43頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、生物素對菌體生長的促進作用一方面提供了大量的“中間性產(chǎn)物”——菌體增殖的物質(zhì)基礎(chǔ)另一方面，菌體的能和水平得到提高?！w增殖的能量的保證

以上分析說明，GA發(fā)酵過程中，前期，菌體的增殖期，一定的量的生物素是菌體增殖所必需的；而在產(chǎn)物合成期，則要限制生物素的濃度，以保證產(chǎn)物的正常合成。第44頁,共90頁，2024年2月25日，星期天五、菌體細胞膜滲透性的調(diào)節(jié)與控制意義：細胞膜滲透性的調(diào)節(jié)對于GA發(fā)酵時非常重要的，正如前述，當菌體進入產(chǎn)物合成期時，開始有GA的產(chǎn)生，這是如果能夠大量的把產(chǎn)物及時的排泄到細胞膜外，可以解除GA對L—谷氨酸脫氫酶活性的抑制作用，從而實現(xiàn)由Glucose→GA的高效率轉(zhuǎn)化；反之，如果……第45頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

控制細胞膜的滲透性的途徑(1)通過生理學(xué)手段控制細胞膜滲透性(2)通過細胞膜缺損突變控制細胞膜滲透性生物素谷氨酸細胞膜滲透性青霉素谷氨酸油酸缺陷型油酸第46頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1、VH對菌體細胞膜滲透性的影響葡萄糖丙二酰輔酶A丙酮酸丙酮酸++CO2乙酰輔酶AC4CO2乙酰輔酶A乙酰輔酶A羧化酶CO2C6丙二酰輔酶A第47頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

脂肪酸＋甘油磷酸磷脂＋蛋白質(zhì)生物膜因此，脂肪酸是組成細胞膜類脂的必要成分。生物素限量，不利于脂肪酸的合成，有利于谷氨酸透過細胞膜分泌至體外。第48頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

其中，將乙酰輔酶A羧化生成丙二酰輔酶A的酶是乙酰輔酶A羧化酶，該酶的輔酶是VH，VH在此反應(yīng)過程中起到傳遞CO2的作用。當培養(yǎng)基中VH的濃度較低時，細胞膜的合成就會受影響。

92%培養(yǎng)基中生物素限量時，胞內(nèi)AA──→胞外

12%培養(yǎng)基中生物素豐富時，胞內(nèi)AA──→胞外第49頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、使之合成不完整的細胞膜，造成膜的缺損，提高細胞膜的滲透性

甘油、油酸營養(yǎng)缺陷型的選育3、青霉素的使用

抑制肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶的活性，引起肽聚糖結(jié)構(gòu)中肽橋無法交聯(lián)，造成細胞壁缺損，在膨脹壓的作用下代謝物外滲，從而提高細胞膜的滲透性4、表面活性劑等第50頁,共90頁，2024年2月25日，星期天六、GA發(fā)酵的外在因素1、培養(yǎng)基成分：主要是玉米漿

2、供氧濃度

過量：

NADPH的再氧化能力會加強，使α—KGA的還原氨基化受到影響，不利于GA的生成。供氧不足：

積累大量的乳酸，使發(fā)酵液的pH值下降，不利于GA的產(chǎn)生，同時，一部分葡萄糖轉(zhuǎn)成了乳酸，影響了糖酸轉(zhuǎn)化率，降低了產(chǎn)物的提出率。第51頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

3、NH4+濃度

（1）影響到發(fā)酵液的pH值（2）與產(chǎn)物的形成有關(guān)：過低，不利于α—KGA的還原氨基化;過高，產(chǎn)生谷氨酰胺（在谷氨酰胺合成酶的作用下，谷氨酰胺的缺點？）

NH4+的供給方式：（1）液氨（2）流加尿素，條件和優(yōu)缺點？副反應(yīng)：第52頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4、磷酸鹽不足：……過量：（1）促進EMP途徑，打破EMP與TCA之間的平衡，積累丙酮酸，產(chǎn)生乳酸等……

（2）產(chǎn)生并積累Val。帶來的問題是：（1）可以抑制葡萄糖→丙酮酸，進而使GA的生物合成受到阻止（2）消耗了丙酮酸，降低了糖酸轉(zhuǎn)化率（3）發(fā)酵液中的Val存在，嚴重的影響GA的結(jié)晶、提出。第53頁,共90頁，2024年2月25日，星期天焦磷酸硫胺素（TPP）葡萄糖活性乙醛丙酮酸丙酮酸+Valα—乙酰乳酸第54頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5、金屬離子（1）Mg2+

（2）Mn2+第55頁,共90頁，2024年2月25日，星期天七、GA發(fā)酵生產(chǎn)中的異?，F(xiàn)象及其處理1、發(fā)酵前期pH值過高危害：影響因素：（1）耗糖速度過慢，就是糖的代謝速度過慢。（2）初脲量大、菌種脲酶活力高導(dǎo)致銨離子濃度高（3）前期感染phqge（4）培養(yǎng)基中缺乏磷酸鹽等。第56頁,共90頁，2024年2月25日，星期天處理方法：（1）耗糖速度慢，通過測定糖的含量確定，可以強化通風(fēng)、適當添加生物素等。（2）初脲量大，停止通風(fēng)，或者小通風(fēng)，以使尿素緩慢釋放銨離子。（3）感染phqge，（4）缺乏磷酸鹽……第57頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2、初期pH值偏低（1）初脲添加量不夠，提前酌情流加尿素。（2）跑尿：（3）培養(yǎng)基中的磷酸鹽過高，代謝平衡被打破，酸性產(chǎn)物的積累（4）供氧不足第58頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、接種后菌體生長不良、OD值偏低、耗糖速度緩慢危害：發(fā)酵周期長、菌體活力低、糖酸轉(zhuǎn)化率偏低（1）可能感染phage（2）培養(yǎng)基存在問題：缺乏生物素缺乏磷酸鹽存在抑制性物質(zhì)：淀粉水解產(chǎn)生的抑制性物質(zhì)：培養(yǎng)基滅菌產(chǎn)生的第59頁,共90頁，2024年2月25日，星期天（3）通風(fēng)量過大，溶氧水平高。使得菌體耗糖速度降低。（能荷的問題）（4）種子不良，種子衰老；接種溫度過高，導(dǎo)致菌體被燙死。（5）前期通風(fēng)較少，pH值偏低，代謝產(chǎn)物積累較多的酸性物質(zhì)，不利于菌體的生長。第60頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4、中后期，OD值繼續(xù)升高，好糖快，但是產(chǎn)酸很低危害：生生產(chǎn)上說的：只長菌、不產(chǎn)酸產(chǎn)生原因：（1）生物素濃度過高（2）可能是感染了雜菌鏡檢初步判斷是否感染了雜菌第61頁,共90頁，2024年2月25日，星期天5、發(fā)酵中后期pH值低，耗糖快，但是產(chǎn)酸低或者不產(chǎn)酸（1）可能是感染了雜菌，上述情況。（2）供氧不足，導(dǎo)致酸性產(chǎn)物的積累（3）生物素濃度過高、磷酸鹽濃度過高，導(dǎo)致OD值增長太快，這些都是菌體大量增殖的有利條件。處理方法：大量的通風(fēng)、提前流加尿素，迅速提升發(fā)酵液的pH值。第62頁,共90頁，2024年2月25日，星期天6、發(fā)酵過程中發(fā)酵液泡沫太多危害：……（1）淀粉質(zhì)量差、雜質(zhì)多，蛋白質(zhì)含量高（2）糖化不完全，糖化液中含有糊精（3）糖化工藝不合理，復(fù)合物形成過多（4）可能是感染雜菌（5）泡敵選擇不理想第63頁,共90頁，2024年2月25日，星期天7、發(fā)酵過程中，產(chǎn)酸后，GA又下降危害：……原因：（1）pH值過高，谷氨酰胺合成酶活性加強，使得GA+NH4+

谷氨酰胺（2）感染雜菌：？8、谷氨酸濃度急劇的增加危害：感染了phage第64頁,共90頁，2024年2月25日，星期天§4-5Lys的生物合成機制與代謝調(diào)節(jié)一、行業(yè)簡介我國的Lys生產(chǎn)與國外的差距主要表現(xiàn)在：（1）菌種性能的差異，Lys是菌體代謝過程中的中間性產(chǎn)物，但不是主鏈上的產(chǎn)物，其生成機制很復(fù)雜，對菌種的要求很高，國內(nèi)菌種的產(chǎn)酸水平為：35—55g/L，轉(zhuǎn)化率為：20—25%。遠低于國外的生產(chǎn)水平。（2）提出率較低。（3）生產(chǎn)規(guī)模較小。第65頁,共90頁，2024年2月25日，星期天二、賴氨酸的生物合成機制細菌類發(fā)酵與酵母菌發(fā)酵的比較：

優(yōu)點：（1）菌體體積較小，相對增殖所用的底物較少，產(chǎn)率高。（2）細菌的繁殖速度快，在合適的生長條件下，其繁殖速度只有幾分鐘，而酵母的增殖速度最少在一個小時以上，這就為細菌發(fā)酵縮短發(fā)酵周期創(chuàng)造了條件。（3）細菌的細胞膜的通透性易于調(diào)節(jié)，對于胞外產(chǎn)品，可以通過其細胞膜的通透性控制來促進產(chǎn)物的分泌，例如，GA的發(fā)酵；對于胞內(nèi)產(chǎn)物，其細胞壁比酵母的細胞壁易于破碎。第66頁,共90頁，2024年2月25日，星期天缺點：（1）細菌菌體較小，當需要從發(fā)酵液中把菌體分離出來（有利于產(chǎn)物的結(jié)晶提出，或產(chǎn)物就是菌體或菌體內(nèi)的胞內(nèi)物），細菌比酵母菌難以分離。（2）細菌發(fā)酵過程中的無菌程度要求非常嚴格，發(fā)酵過程中大部分的細菌對于溶氧的要求也很高，這就增加了細菌發(fā)酵的生產(chǎn)成本。（3）細菌發(fā)酵易感染噬菌體，……第67頁,共90頁，2024年2月25日，星期天1、大腸桿菌中的Lys的生物合成與代謝調(diào)控大腸桿菌賴氨酸代謝特點：關(guān)鍵酶：處于分枝代謝的分支點上，對于整個反應(yīng)起到限速作用的，酶活性往往受到后續(xù)產(chǎn)物的反饋抑制的酶。對于賴氨酸的上述代謝途徑，天冬氨酸激酶則是一個關(guān)鍵酶。第68頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

二羥吡啶羧酸天冬氨酸磷酸（asp-p）琥珀酰高絲氨酸LysEMPGlucose丙酮酸草酰乙酸Asp天冬氨酸β-半醛（同功酶）(天冬氨酸激酶AK，同功酶)高絲氨酸（Hos）O-磷酸高絲氨酸ThrMet第69頁,共90頁，2024年2月25日，星期天同功酶：催化同一反應(yīng)，但其活性受不同代謝產(chǎn)物體調(diào)節(jié)的酶，這種酶往往有多個不同的活性中心。上述代謝途徑中，天冬氨酸激酶是一個同功酶，分別受三個代謝產(chǎn)物的抑制，這三個終產(chǎn)物分別是：Lys、Met和Thr，只有當這三個代謝產(chǎn)物同時過量時，Asp激酶的活性才能完全被抑制。

第70頁,共90頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)上述代謝特點，要使菌體合成并積累Lys，可以選育Hos-：（1）既可以解除β—天冬氨酸的代謝支路，使代謝流向Lys的方向進行，提高了從底物葡萄糖到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率；（2）更重要的是由于Hos-，使得代謝過程中不可能產(chǎn)生過量的Met、Thr，盡管產(chǎn)生了大量的Lys，Lys可以抑制關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶1，但是天冬氨酸激酶2、3的活性由于Met、Thr的限量，并沒有受到抑制，也就是說，天冬氨酸β—半醛，仍可以大量的生成，這就保證了Lys的生物合成途徑的暢通無阻。第71頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.黃色短桿菌Lys生物合成的調(diào)控兩者代謝區(qū)別：（1）在黃色短桿菌中，天冬氨酸激酶（AK）仍然是一個關(guān)鍵酶，但是該酶是一個變構(gòu)酶，有兩個活性中心，分別受Lys、Thr的協(xié)同反饋抑制，

協(xié)同反饋抑制：該酶往往有多個活性中心，抑制物可以分別和某一個特定的活性中心結(jié)合，但是并不影響該酶的活性，只有當該酶的所有的活性中心都被抑制物結(jié)合后，其酶活性才會受到完全抑制。（2）黃色短桿菌中，存在兩個分支點的優(yōu)先合成機制

第72頁,共90頁，2024年2月25日，星期天

天冬氨酸磷酸（asp-p）琥珀酰高絲氨酸LysEMPGlucose丙酮酸草酰乙酸Asp天冬氨酸β-半醛（優(yōu)先合成）(天冬氨酸激酶，AK)高絲氨酸（Hos）二羥吡啶羧酸O-磷酸高絲氨酸ThrMet第73頁,共90頁，2024年2月25日，星期天阻遏：當代謝產(chǎn)物過量時，能夠?qū)υ撁傅纳锖铣善鸬椒忾]作用，使得該酶的合成受阻。黃色短桿菌生產(chǎn)Lys，選育Hos-，其意義在于：（1）解除了Hos的優(yōu)先合成機制，阻斷了代謝向Met、Thr的方向進行，節(jié)省了原料，可以使Asp-β-半醛這個中間代謝產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)入Lys的生物合成上。（2）在培養(yǎng)基中限量的供給Met、Thr（或者Hos）對于AK酶活性的調(diào)節(jié)有著重要意義。因為AK酶是一個協(xié)同反饋抑制的變構(gòu)酶，限制了其中某一個抑制物（Thr），則Lys的濃度再高，也不會影響到AK酶的活性，那么，代謝一直向著賴氨酸合成的方向進行，使得產(chǎn)物的合成暢通無阻。

第74頁,共90頁，2024年2月25日，星期天脫敏：使該酶具有抗反饋抑制或阻遏的能力，從而解除代謝產(chǎn)物對該酶的反饋抑制或者阻遏作用。如何使其脫敏呢？

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選育結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株？（X

r）

(1)S-L-半胱氨酸抗性突變株AECr(2)γ-甲基賴氨酸抗性突變株MLr（3）L-賴氨酸氧肟酸鹽抗性突變株LysHxr（4）蘇氨酸氧肟酸鹽抗性突變株ThrHxr第75頁,共90頁，2024年2月25日，星期天§4-6次級代謝產(chǎn)物的合成機制與代謝調(diào)節(jié)一、基本概念

1、初級代謝：是指微生物合成它們生長所必需的物質(zhì)的諸如：糖、氨基酸等以及由這些化合物形成的高分子物質(zhì)如：多糖、蛋白質(zhì)、核酸等的代謝，稱之為初級代謝。那么，這些化合物統(tǒng)稱之為：初級代謝產(chǎn)物。

2、次級代謝：是指微生物在生長后期進行的與他們的生長無明顯關(guān)系的代謝，這一類的物質(zhì)統(tǒng)稱之為：次級代謝產(chǎn)物。例如：抗生素、激素、某些酶制劑等。第76頁,共90頁，2024年2月25日，星期天3、分叉中間體從下圖可以看出，許多物質(zhì)處于代謝的分叉點上，例如：CH3CO-SCoA，是葡萄糖糖經(jīng)HMP、EMP生成的中間物質(zhì)，經(jīng)羧化后可形成丙二酰輔酶A，丙二酰輔酶A可用于脂肪酸的合成上，進而又可經(jīng)多次重復(fù)縮合、環(huán)化等形成四環(huán)類或其他抗菌素等次級代謝產(chǎn)物，而CH3COSCoA又可以進入TCA循環(huán)。這類物質(zhì)稱之為：分叉中間體。如：丙酮酸、乙酰輔酶A、草酰乙酸等這些個分叉中間體把微生物的次級代謝和初級代謝緊密地聯(lián)系起來第77頁,共90頁，2024年2月25日，星期天Met次級代謝產(chǎn)物GlucoseC3絲氨酸甘氨酸丙酮酸ValTCA循環(huán)莽草酸芳香族氨基酸芳香類次級代謝產(chǎn)物丙二酰輔酶A乙酰輔酶A脂肪酸次級代謝產(chǎn)物草酰乙酸、α-KGA谷氨酸天冬氨酸第78頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4、發(fā)酵逆轉(zhuǎn)的概念：

發(fā)酵中期當微生物群體進入產(chǎn)物合成期時，如果向發(fā)酵液中流加氮源或者改變……，使微生物群體返回到生長期而停止產(chǎn)物的合成，這種現(xiàn)象稱之為發(fā)酵逆轉(zhuǎn)，在次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵過程中是非常普遍的。具體例子：耐高溫α—淀粉酶發(fā)酵中，流加：G、GA，停電等第79頁,共90頁，2024年2月25日，星期天4-7微生物代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)一、提高初級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的方法

1.使用誘導(dǎo)物

對于許多酶類的發(fā)酵，特別是淀粉、蛋白質(zhì)的水解酶，其大部分是誘導(dǎo)酶，(意義？)

對于這一類的酶類的發(fā)酵，向培養(yǎng)基中添加誘導(dǎo)物，可以促進酶的合成與分泌，有利于提高產(chǎn)量。第80頁,共90頁，2024年2月25日，星期天2.選育組成型突變株誘導(dǎo)機制：目前最清楚的是大腸桿菌的乳糖操縱子：無誘導(dǎo)物