第6章微生物发酵机理

第第6 6章章 微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理微生物发酵机理p第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢p第二节第二节 厌氧发酵产物的合成机制厌氧发酵产物的合成机制p第三节第三节 好氧发酵产物的合成机制好氧发酵产物的合成机制第一节第一节 微生物基础物质代谢微生物基础物质代谢p物质代谢物质代谢p能量代谢能量代谢微生物的能量代谢微生物的能量代谢 日光日光 （光能营养菌）（光能营养菌）最初能源最初能源 有机物（化能异养菌）有机物（化能异养菌）ATPATP 还原态无机物（化能自养菌）还原态无机物（化能自养菌）中心任务是将外界环境中各种形式的中心任务是将外界环境中各种形式的最初能源最初能源转变成转变成能量货币能量货币ATPATP。化能异养微生物的能量代谢化能异养微生物的能量代谢 底物失氢（电子）底物失氢（电子）传递体递氢（电子）传递体递氢（电子）受体受氢（电子）受体受氢（电子）没有电子传递链没有电子传递链 内源性有机物内源性有机物 发酵发酵 有机物有机物 有电子传递链有电子传递链 OO2 2 有氧（好氧）呼吸有氧（好氧）呼吸 除除OO2 2外的无机物或延胡外的无机物或延胡 索酸索酸 无氧无氧 呼吸呼吸 呼吸呼吸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸2CO2乙醛乙醛+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇乙醇糖酵解和酒精发酵的全过程糖酵解和酒精发酵的全过程三三羧羧酸酸循循环环反反应应过过程程P105GTP呼吸链呼吸链1NADH-3ATP1FADH-2ATP1FADH-2ATPFADH2FADH2化能自养菌的能量代谢化能自养菌的能量代谢以无机物氧化获得能量，以无机物氧化获得能量，无机物作为氢供体无机物作为氢供体 化能无机营养型化能无机营养型以无机物氧化获得能量，以无机物氧化获得能量，COCO2 2作为唯一碳源作为唯一碳源 化能自养菌化能自养菌 氧化过程氧化过程 底物失氢底物失氢 传递体递氢传递体递氢 受体得氢受体得氢 无机物无机物 一般一般呼吸链呼吸链 一般一般OO2 2（无氧（无氧NONO3 3-、COCO3 32-2-）化能自养菌的底物和呼吸链化能自养菌的底物和呼吸链底物有底物有NHNH4 4+、H H2 2S S、S S、NONO2 2-、SOSO3 32-2-、S S2 2OO3 32-2-、Fe Fe、H H2 2等等NAD Fe Q Cytcc1 Cyt a1 Cyt aa3 O (NO3-)H2NH4+、SO32-、S2-Fe、S2O32-NO2-ATPATPATPATPNADH光能微生物的能量代谢光能微生物的能量代谢循环光合磷酸化循环光合磷酸化非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合磷酸化只存在于能进行光合作用的生物中，具有只存在于能进行光合作用的生物中，具有叶绿素叶绿素或或细菌叶绿素细菌叶绿素，或者，或者细菌视紫红质细菌视紫红质循环光合磷酸化（环式光合磷酸化）循环光合磷酸化（环式光合磷酸化）一般光合细菌一般光合细菌 细菌叶绿素细菌叶绿素特点特点 可在厌氧条件下进行可在厌氧条件下进行,只一个只一个光反应系统光反应系统 产物产物ATPATP，无，无NADNAD（P P）H H，也不产生分子氧。也不产生分子氧。非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化绿色植物、藻类和蓝细菌绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产所共有的产ATPATP方式。方式。特点：特点：两个光系统两个光系统 水光解提供电子水光解提供电子 产物除产物除ATPATP外，外，产生产生NADPHNADPH和和OO2 2。细菌视紫红质细菌视紫红质的光合作用的光合作用Bacteriorhodopsin第二节第二节 厌氧发酵产物的合成机制厌氧发酵产物的合成机制p酒精发酵机制酒精发酵机制p甘油发酵机制甘油发酵机制p乳酸发酵机制乳酸发酵机制p沼气发酵沼气发酵机制机制葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸2CO2乙醛乙醛+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+乙醇乙醇糖酵解和酒精发酵的全过程糖酵解和酒精发酵的全过程酵母菌酒精酵母菌酒精发酵发酵主产物：乙醇、主产物：乙醇、CO2CO2副产物副产物4040多种多种醇（杂醇油）醇（杂醇油）醛（糠醛）醛（糠醛）酸（琥珀酸）酸（琥珀酸）酯酯甲醇甲醇酒精发酵中的副产物酒精发酵中的副产物酒精发酵中的主要副产物酒精发酵中的主要副产物p杂醇油的生成杂醇油的生成p琥珀酸的生成琥珀酸的生成p酯类的生成酯类的生成p糠醛、甲醇等的生成糠醛、甲醇等的生成 酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强，乙醛作为氢受体被还原成乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量乙醇的反应进行得很彻底，因此，在乙醇发酵中甘油的生成量很少。很少。如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替如果采取某些手段阻止乙醛作为氢受体时，磷酸二羟丙酮则替代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母代乙醛作为氢受体形成甘油，这样发酵转为甘油发酵（酵母型发酵）。型发酵）。NaHSO3可作为抑制剂：可作为抑制剂：乙醛乙醛+NaHSO3 乙醛亚硫酸氢钠乙醛亚硫酸氢钠甘油发酵机制甘油发酵机制2ATP2ATP2ADP2ADP2ADP2ADP2ATP2ATPCOCO2 2NaHSONaHSO3 3NADNADNADH+HNADH+HNADH+HNADH+HNADNADH H2 2O OPiPi甘油发酵甘油发酵葡葡萄萄糖糖1.6-1.6-二磷二磷酸果酸果糖糖3-3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛磷酸二羟丙磷酸二羟丙酮酮丙酮酸丙酮酸乙乙醛醛乙醛乙醛HSO3HSO3-磷酸甘磷酸甘油油甘甘油油乳酸发酵乳酸发酵乳酸菌的同型乳酸发酵（产物中只乳酸菌的同型乳酸发酵（产物中只有乳酸）有乳酸）明串珠菌等的异型乳酸发酵（产物明串珠菌等的异型乳酸发酵（产物除乳酸外尚有乙醇，除乳酸外尚有乙醇，COCO2 2）乳酸发酵机制乳酸发酵机制葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸ATPADP果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPMg2+果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮磷酸磷酸2Pi1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2ADP2ATP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2H2OMg2+磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2ATP2ADP烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸+2H+2NAD+2(NADH+H+)+2H+同型乳酸发酵同型乳酸发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵分两种途径分两种途径1 1、6-6-磷酸葡糖酸途径（磷酸酮解途径）磷酸葡糖酸途径（磷酸酮解途径）2 2、双歧途径（也是磷酸酮解途径）、双歧途径（也是磷酸酮解途径）葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1NADNADHH6磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2NADNADHH5磷酸核酮糖磷酸核酮糖35磷酸木酮糖磷酸木酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoANADHHNAD乙醛乙醛NADHHNAD乙醇乙醇3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHH485766磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇1.己糖激酶己糖激酶2.6磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶3.6磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶4.5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向异构酶差向异构酶5.磷酸解酮酶磷酸解酮酶6.磷酸转乙酰酶磷酸转乙酰酶7.乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶8.醇脱氢酶醇脱氢酶葡萄糖葡萄糖ATPADP6磷酸果糖磷酸果糖6磷酸果糖磷酸果糖ADPPi4磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛7磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核糖磷酸核糖乙酰磷酸乙酰磷酸ATP乙酰乙酰5磷酸木酮糖磷酸木酮糖5磷酸核酮糖磷酸核酮糖乙酰磷酸乙酰磷酸2 分子分子3磷酸甘油醛磷酸甘油醛乳酸乳酸ADPATPNADNADHHNADNADHHADPATP3分子乙酸分子乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸葡萄糖经双歧途径发酵生成乳酸和乙酸13245671.6-磷酸果糖解酮酶磷酸果糖解酮酶2.转二羟基丙酮基酶转二羟基丙酮基酶3.转羟乙醛基酶转羟乙醛基酶4.5磷酸核糖异构酶磷酸核糖异构酶5.5磷酸核酮糖磷酸核酮糖3差向异构差向异构酶酶6.5磷酸木酮糖磷酸酮解酶磷酸木酮糖磷酸酮解酶7.乙酸激酶乙酸激酶 沼气发酵沼气发酵1 1水解阶段水解阶段2 2发酵阶段发酵阶段生物化学本质来说，就是一生物化学本质来说，就是一种由种由产甲烷菌进行的甲烷形产甲烷菌进行的甲烷形成过程成过程。分为四个阶段。分为四个阶段 第三节第三节 好氧发酵产物的合成机制好氧发酵产物的合成机制p柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制p氨基酸氨基酸的的发酵机制发酵机制柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制p柠檬酸在食品中的应用柠檬酸在食品中的应用p柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵微生物p柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理1)1)饮料与冰淇淋饮料与冰淇淋p柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软饮料饮料p柠檬酸本身是果汁的柠檬酸本身是果汁的天然成分天然成分之一，不仅赋于之一，不仅赋于饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分等作用，能使饮料中的糖、香精、色素等成分交融协调，形成适宜的口味和风味；添加柠檬交融协调，形成适宜的口味和风味；添加柠檬酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性，酸可以改善冰淇淋的口味，增加乳化稳定性，防止氧化作用。防止氧化作用。2)2)果酱与酿造酒果酱与酿造酒p柠檬酸在柠檬酸在果酱果酱与与果冻果冻中同样可以增进风味，并使产中同样可以增进风味，并使产品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一定范围的定范围的pHpH值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一值，添加一定量的柠檬酸可以满足这一要求。要求。p当葡萄或其它当葡萄或其它酿酒酿酒原料成熟过度而酸度不足时，可原料成熟过度而酸度不足时，可以用柠檬酸调节，以防止所酿造的酒口味单薄。柠以用柠檬酸调节，以防止所酿造的酒口味单薄。柠檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用，檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用，以保护果汁的新鲜感和防止变色。以保护果汁的新鲜感和防止变色。3)3)腌制品腌制品 p各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。4)4)罐头食品罐头食品 p加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类似的作用。似的作用。5)5)豆制品及调味品豆制品及调味品p用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。葵花子蛋白的水解，生产出风味别致的调味品。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。它也可以用于成熟调味品（酱油等）的调味。6)6)其它其它p柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂；柠檬酸钠可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜可用作输血剂；柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。及无公害洗涤剂。柠檬酸的消费领域：柠檬酸的消费领域：饮料行业占饮料行业占40404545 食品添加剂等占食品添加剂等占15152020 洗涤剂占洗涤剂占20203030 医药占医药占5 5 其它占其它占1010 2004 2004年全球柠檬酸产量约年全球柠檬酸产量约120120万吨，欧盟万吨，欧盟和美国为最大消费市场。和美国为最大消费市场。p柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产，产量最大的有机酸。量最大的有机酸。p我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约我国是柠檬酸的第一大生产国，估计年产约5050万吨万吨p欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约欧洲是柠檬酸的第二大生产地，产量约3030万吨万吨p 美国柠檬酸年产量约美国柠檬酸年产量约2525万吨万吨 柠檬酸发酵微生物柠檬酸发酵微生物 p 黑曲霉黑曲霉分生孢子头分生孢子头柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理p柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理柠檬酸发柠檬酸发酵酵机理机理柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p 糖酵解糖酵解及丙酮酸代谢的调节及丙酮酸代谢的调节 黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高黑曲霉在缺锰的培养基中培养时，可提高NHNH4 4+浓度，高浓度浓度，高浓度NHNH4 4+可有效解除可有效解除ATPATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制。柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p三羧酸循环三羧酸循环的调节的调节柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶含含铁铁的非血红蛋白，以的非血红蛋白，以FeFe4 4S S4 4作为辅基。作为辅基。且反应需要且反应需要FeFe+适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），与FeFe+生成络合生成络合物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。物，则酶失活或活性减少，而积累柠檬酸。诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的缺损或活力很低，同样积累柠檬酸或活力很低，同样积累柠檬酸。高能硫酯键高能硫酯键能量能量柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸外加草酰乙酸外加草酰乙酸回补途径旺盛的菌种回补途径旺盛的菌种 组成型的丙酮酸羧化酶组成型的丙酮酸羧化酶回补途径回补途径柠檬酸积累的代谢调节柠檬酸积累的代谢调节p糖酵解及丙酮酸代谢糖酵解及丙酮酸代谢的调节的调节p三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节p及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸回补途径回补途径1 1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而导致细胞内的而导致细胞内的NHNH4 4+浓度升高，促进了浓度升高，促进了EMPEMP途径的畅通。途径的畅通。2 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。草酰乙酸。柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理黑曲霉黑曲霉柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理3 3、在控制在控制FeFe+含量的情况下，顺乌头酸酶活性含量的情况下，顺乌头酸酶活性低，从而使柠檬酸积累。低，从而使柠檬酸积累。顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸90 90：3 3：7 7 4 4、丙酮酸氧化脱丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固定和丙酮酸固定COCO反应相平衡反应相平衡柠檬酸合成酶不柠檬酸合成酶不被抑制，增强了合被抑制，增强了合成柠檬酸的能力。成柠檬酸的能力。柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理回补途径回补途径柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理5 5、柠檬酸积累增加，柠檬酸积累增加，pHpH降低，在低降低，在低pHpH条件下，条件下，顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。进一步促进了柠檬酸自身的积累。柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制p氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。动生产各种氨基酸的现代工业。p氨基酸发酵是典型的氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵代谢控制发酵。发酵所生成的产物发酵所生成的产物氨基酸，都是微生物的中间氨基酸，都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。抑制。氨基酸发酵的关键是取决于其氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否能够被控制机制是否能够被解除解除，是否能，是否能打破微生物的正常代谢调节打破微生物的正常代谢调节，人为地，人为地控制微生物的代谢控制微生物的代谢。氨基酸发酵机制氨基酸发酵机制p氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制p谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件控制细胞渗透性控制细胞渗透性控制旁路代谢控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度降低反馈作用物的浓度消除终产物的反馈抑制与阻遏消除终产物的反馈抑制与阻遏促进促进ATPATP的积累，以利于氨基酸的生物合成的积累，以利于氨基酸的生物合成氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影响。影响。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷氨酸谷氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则就几乎不积累谷氨酸。件，否则就几乎不积累谷氨酸。控制发酵的环境条件控制发酵的环境条件氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换氨基酸发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换环境因子环境因子发发 酵酵 产产 物物 转转 换换溶解氧溶解氧谷氨酸谷氨酸乳酸和琥珀酸乳酸和琥珀酸酮戊二酸酮戊二酸（通气不足）（通气不足）（适中）（适中）（通风过量，转速过快）（通风过量，转速过快）NHNH4 4+酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺（适量）（适量）（缺乏）（缺乏）（过量）（过量）pHpH值值谷氨酰胺，谷氨酰胺，N-N-乙酰谷酰胺乙酰谷酰胺谷氨酸谷氨酸（pHpH值值5 58 8，NHNH4 4+过多）过多）（中性或微碱性）（中性或微碱性）磷酸磷酸缬缬 氨氨 酸酸谷氨酸谷氨酸（高浓度磷酸盐）（高浓度磷酸盐）（磷酸盐适中）（磷酸盐适中）生物素生物素乳酸或琥珀酸乳酸或琥珀酸谷氨酸谷氨酸（过量）（过量）（限量）（限量）控制细胞渗透性控制细胞渗透性谷氨酸的生物合成途径谷氨酸的生物合成途径控制细胞渗透性控制细胞渗透性谷氨酸的生物合成途径谷氨酸的生物合成途径控制细胞渗透性控制细胞渗透性影响细胞膜通透性影响细胞膜通透性，有利于代谢产物分，有利于代谢产物分泌出来，避免了泌出来，避免了末端产物的反馈调节末端产物的反馈调节，有利于提高发酵产量。有利于提高发酵产量。控制细胞渗透性控制细胞渗透性生物素生物素油酸油酸表面活性剂表面活性剂其作用是引起细胞膜的脂肪其作用是引起细胞膜的脂肪成分的改变，尤其是改变油成分的改变，尤其是改变油酸的含量，从而改变细胞膜酸的含量，从而改变细胞膜通透性通透性一一二：二：青霉素青霉素：抑制细胞壁的合成：抑制细胞壁的合成影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质p生物素生物素是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙乙酰酰CoACoA羧化酶羧化酶的辅酶的辅酶,参与了脂肪酸的合成参与了脂肪酸的合成,特别特别是是不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸的合成的合成,进而影响脂肪酸的合成进而影响脂肪酸的合成.进而影响进而影响磷脂合成，磷脂合成，当磷脂合成量少到正常的当磷脂合成量少到正常的1/21/2左右时左右时,细胞膜结构不完全，细胞膜结构不完全，细胞变形细胞变形,Glu,Glu向向膜外泄漏膜外泄漏.表面活性剂表面活性剂对不饱和脂肪酸的生物合成对不饱和脂肪酸的生物合成有拮抗作用有拮抗作用，从而抑制不饱和脂肪酸的，从而抑制不饱和脂肪酸的生物合成，导致形成磷脂含量不足的不生物合成，导致形成磷脂含量不足的不完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨完全细胞膜，从而解除了细胞膜对谷氨酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外酸渗透的屏障，使谷氨酸易于排出胞外p其作用是抑制细胞壁其作用是抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链肽聚糖合成中肽链的交联的交联，由于细胞膜失去细胞壁的保护，由于细胞膜失去细胞壁的保护，细胞膜受到物理损伤，从而使渗透性增细胞膜受到物理损伤，从而使渗透性增强。强。控制旁路代谢控制旁路代谢D-D-苏氨酸苏氨酸L-L-苏氨酸苏氨酸-酮基丁酸酮基丁酸L-L-异亮氨酸异亮氨酸L-L-苏氨酸苏氨酸脱氢酶脱氢酶反馈抑制反馈抑制D-D-苏氨酸苏氨酸脱氢酶脱氢酶降低反馈作用物的浓度降低反馈作用物的浓度谷氨酸谷氨酸N-N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸N-N-乙酰乙酰-谷氨酰磷酸谷氨酰磷酸N-N-乙酰谷氨酸半缩醛乙酰谷氨酸半缩醛N-N-乙酰鸟氨酸乙酰鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸反馈抑制反馈抑制瓜氨酸营养缺陷型瓜氨酸营养缺陷型通过使用抗氨基酸结通过使用抗氨基酸结构类似物突变株的方构类似物突变株的方法来进行法来进行S-S-（氨基乙基）氨基乙基）-L-L半胱氨酸半胱氨酸 (AEC)(AEC)赖氨酸结构类似物赖氨酸结构类似物AECAEC苏氨酸苏氨酸平板？平板？消除终产物的反馈抑制与阻遏消除终产物的反馈抑制与阻遏天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰胺磷酸天冬氨酰胺磷酸天冬氨酸半缩醛天冬氨酸半缩醛高丝氨酸高丝氨酸苏氨酸苏氨酸赖氨酸赖氨酸天冬氨天冬氨酸激酶酸激酶协同反协同反馈抑制馈抑制AECAEC谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制p生物素营养缺陷型生物素营养缺陷型p-酮戊二酸脱氢酶活性微弱或丧失酮戊二酸脱氢酶活性微弱或丧失p具有具有COCO2 2 固定反应的酶系固定反应的酶系p有强烈的有强烈的L-L-谷氨酸脱氢酶活性谷氨酸脱氢酶活性pNADPHNADPH氧化能力欠缺或丧失氧化能力欠缺或丧失-酮戊二酸酮戊二酸+NH+NH3 3+NAD+NADH L-H L-谷氨酸谷氨酸+H+H2 2O+NADO+NAD+L-L-谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶生物素营养缺陷型生物素营养缺陷型p使用该类突变株必须限制发酵培养基中使用该类突变株必须限制发酵培养基中生物素生物素亚适量亚适量(5-10(5-10 g/L).g/L).在发酵初期在发酵初期(0-8(0-8小时小时),),细胞正常生长细胞正常生长,当生物素耗尽后当生物素耗尽后,在在菌的再次倍增时菌的再次倍增时,开始出现异常形态细胞开始出现异常形态细胞,即完成了细胞从生长型到积累型转换即完成了细胞从生长型到积累型转换.-酮戊二酸脱氢酶酶活性微弱或丧失酮戊二酸脱氢酶酶活性微弱或丧失p只有当体内只有当体内-酮戊酮戊二酸二酸脱氢酶活性很低脱氢酶活性很低时，时，TCATCA循环才能够循环才能够停止，停止，-酮戊二酸酮戊二酸才得以积累，为谷氨才得以积累，为谷氨酸的生成奠定物质基酸的生成奠定物质基础。础。-酮戊二酸酮戊二酸脱氢酶脱氢酶具有具有COCO2 2 固定反应的酶系固定反应的酶系p菌种能利用菌种能利用COCO2 2 产生大量草酰乙产生大量草酰乙酸酸,有利于谷氨有利于谷氨酸的大量积累。酸的大量积累。糖酵解与三羧酸循环途径的调节丙酮酸丙酮酸 G细胞液细胞液柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰CoA柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸酮戊二酸乙酰乙酰CoA丙酮酸丙酮酸 线粒体线粒体 G-6-P F-6-P F-1.6-2P 磷酸果磷酸果糖激酶糖激酶 PEPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP NADH O2ATPATP ADP+PiADP+PiAMP+ATP 2ADPAMP+ATP 2ADP PiPiPiPi PEP 羧激酶羧激酶+-+-己糖激酶己糖激酶 丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶 柠檬酸柠檬酸合成酶合成酶-酮戊二酸酮戊二酸 脱氢酶脱氢酶糖类脂类氨基酸和核苷酸之间的代谢联系PEP丙酮酸丙酮酸生酮氨基酸生酮氨基酸-酮戊二酸酮戊二酸核糖核糖-5-磷酸磷酸 甘氨酸甘氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨丙氨酸丙氨酸 甘氨酸甘氨酸丝氨酰丝氨酰苏氨酸苏氨酸半胱氨酸半胱氨酸 氨基酸氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮乙酰乙酰CoA甘油甘油脂肪酸脂肪酸胆固醇胆固醇亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸酪酰氨酪酰氨色氨酸色氨酸笨丙氨酸笨丙氨酸异亮氨酸异亮氨酸亮氨酸亮氨酸色氨酸色氨酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoA脂肪脂肪核苷酸核苷酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸苯丙酰氨苯丙酰氨酪氨酸酪氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫酰氨甲硫酰氨苏氨酸苏氨酸缬氨酸缬氨酸琥珀酰琥珀酰CoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸乙醛酸乙醛酸蛋白质蛋白质淀粉淀粉、糖原、糖原核酸核酸生糖氨基酸生糖氨基酸谷氨酰氨谷氨酰氨组氨酸组氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸谷氨酸谷氨酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸丙二单酰丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖