发酵工程原理第三章精.ppt

发酵工程原理第三章1第1页，本讲稿共68页本章主要内容第一节微生物的次级代谢第二节芳香族化合物的微生物代谢第三节H2和CO2等的微生物代谢第四节曲酒的发酵机制2第2页，本讲稿共68页第一节 微生物的次级代谢次级代谢的概念次级代谢产物的类型 次级代谢产物的生物合成 3第3页，本讲稿共68页一、次级代谢的概念一、次级代谢的概念 次级代谢：是指微生物在一定的生长时期(一般是稳定生长期)，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。微生物在这一过程产生的产物即为次级代谢产物。4第4页，本讲稿共68页二、次级代谢产物的类型1，根据产物合成途径区分类型 与糖代谢有关的类型 与脂肪酸代谢有关的类型与萜烯和甾体化合物有关的类型与TCA环有关的类型与氨基酸代谢有关的类型5第5页，本讲稿共68页（1）与糖代谢有关的类型与糖代谢有关的类型 以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物有三种情况：直接由葡萄糖合成次级代谢产物。例如，曲霉属(Aspergillus)产生的曲酸，放线菌产生的链霉素以及大环内酯抗生素中的糖苷等。次级代谢产物的类型曲酸曲酸6第6页，本讲稿共68页次级代谢产物的类型v由预苯酸合成芳香族次级代谢产物，如放线菌产生的氯霉素（chloromycetin）、新霉素（neomycin）等。新霉素新霉素氯霉素氯霉素7第7页，本讲稿共68页v由磷酸戊糖合成的次级代谢产物。磷酸戊糖首先合成重要的初级代谢产物核苷类物质，进一步合成次级代谢产物，如嘌呤霉素、抗溃疡间型霉素、杀稻瘟菌素S以及多氧霉素等。次级代谢产物的类型嘌呤霉素嘌呤霉素Puromycin8第8页，本讲稿共68页（2）与脂肪酸代谢有关的类型）与脂肪酸代谢有关的类型此类型有两种情况：此类型有两种情况：以以脂脂肪肪酸酸为为前前体体，经经过过几几次次脱脱氢氢、-氧氧化化之之后后，生生成成比比原原来来脂脂肪肪酸酸碳碳数数少少的的聚聚乙乙炔炔(po1yacetylene)脂脂肪肪酸酸。这这种种次次级级代代谢谢物物多多在在高高等等植植物物中中存存在在。担担子子菌菌中中也能见到。也能见到。次级代谢产物的类型9第9页，本讲稿共68页次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰CoA，再在羧化酶催化，再在羧化酶催化下生成丙二酰下生成丙二酰CoA。在初级代谢中由此进一步合成脂肪酸，而在次级代谢中。在初级代谢中由此进一步合成脂肪酸，而在次级代谢中所生成的丙二酰所生成的丙二酰CoA等链中的羰基不被还原，而生成聚酮或等链中的羰基不被还原，而生成聚酮或-多酮次甲多酮次甲基链。由此进一步生成不同的次级代谢产物。例如四环素抗生素类。红基链。由此进一步生成不同的次级代谢产物。例如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一个经脱羧的甲基丙霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一个经脱羧的甲基丙二酸的二酸的C3单位，最后由七酮形成内酯环，再与红霉糖、脱氧氨基已糖，以糖苷的单位，最后由七酮形成内酯环，再与红霉糖、脱氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而成为红霉素。形式结合而成为红霉素。次级代谢产物的类型10第10页，本讲稿共68页（3）与萜烯和甾体化合物有关的类型 与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是由霉与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是由霉菌产生的，例如烟曲霉素菌产生的，例如烟曲霉素(三个异戊烯单位聚合而成三个异戊烯单位聚合而成)、赤、赤霉素霉素(四个异戊烯单位聚合而成四个异戊烯单位聚合而成)、梭链孢酸、梭链孢酸(由六个异戊由六个异戊烯单位聚合而成烯单位聚合而成)及由八个异戊二烯单位聚合成的及由八个异戊二烯单位聚合成的-胡萝胡萝卜素等。卜素等。次级代谢产物的类型烟曲霉素烟曲霉素梭链孢酸梭链孢酸11第11页，本讲稿共68页（4）与TCA环有关的类型一一类类是是从从TCA环环得得到到的的中中间间产产物物进进一一步步合合成成次次级级产产物物，例例如如由由-酮酮戊戊二二酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。另一类是由乙酸得到的有机酸与另一类是由乙酸得到的有机酸与TCA环上的中间产物缩合生成次级产物，环上的中间产物缩合生成次级产物，例如，脂肪酸例如，脂肪酸-亚甲基与草酰乙酸或亚甲基与草酰乙酸或-酮戊二酸羧基或羰基缩合。担子酮戊二酸羧基或羰基缩合。担子菌产生的松覃菌产生的松覃(三三)酸酸(-十六烷基柠檬酸十六烷基柠檬酸)就是由十八烷酸就是由十八烷酸(C17H33COOH)的的-亚甲基与草酰乙酸的羰基缩合而成。亚甲基与草酰乙酸的羰基缩合而成。次级代谢产物的类型衣康酸衣康酸松蕈松蕈(三三)酸酸12第12页，本讲稿共68页（5）与氨基酸代谢有关的类型由由一一个个氨氨基基酸酸形形成成的的次次级级代代谢谢产产物物，如如放放线线菌菌产产生生的的环环丝丝氨氨酸酸、氮氮丝丝氨氨酸酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸。担子菌由色氨酸合成口磨氨酸。次级代谢产物的类型氮丝氨酸氮丝氨酸口蘑氨酸口蘑氨酸13第13页，本讲稿共68页由由 二二 个个 氨氨 基基 酸酸 形形 成成 的的 曲曲 霉霉 酸酸、支支 霉霉 粘粘 毒毒(gliotoxin)。是是由由二二个个氨氨基基酸酸先先以以肽肽键键结结合合，闭闭环生成二酮吡嗪环生成二酮吡嗪(diketopiperazine)进一步形成的。进一步形成的。次级代谢产物的类型14第14页，本讲稿共68页由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物，氨基酸之间多以肽键结合成直链状，例如镰刀菌(Fusarium)产生的恩镰孢菌素(enniatine)。放线菌产生的很多次生物质属于此类型。例如短杆菌A、放线菌素、短杆菌酪素、多粘菌素、杆菌肽及紫霉素等。此外，还有二个以上氨基酸经过复杂的缩合后形成含氮芳香环如麦角生物碱。次级代谢产物的类型15第15页，本讲稿共68页2，根据产物的作用区分类型抗生素抗生素激素激素生物碱生物碱毒素毒素维生素维生素色素色素次级代谢产物的类型16第16页，本讲稿共68页抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗菌作用的一类次级产物。日前发现的抗生素菌作用的一类次级产物。日前发现的抗生素已有已有2500-3000种，青霉素、链霉素、四环素种，青霉素、链霉素、四环素类、红霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、类、红霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、利福平、放线菌素利福平、放线菌素(更生霉素更生霉素)、博莱霉家、博莱霉家(争争光霉素光霉素)等几十种抗生素已进行工业生产。等几十种抗生素已进行工业生产。次级代谢产物的类型17第17页，本讲稿共68页激素：微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物质。例如赤霉菌(Gibberellafujikuroi)产生的赤霉素。生物碱：大部分生物碱是由植物产生的。麦角菌(Clavicepspurpurea)可以产生麦角生物碱。次级代谢产物的类型18第18页，本讲稿共68页毒素：大部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。如破伤风梭菌(Clostridium tetani)产生的破伤风毒素，白喉杆菌(Corynebacterium diphtheriae)产生的白喉毒素，肉毒梭菌(Cbotulinum)产生的肉毒素及苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis)产生的伴孢晶体等。放线菌，真菌也产生毒素。例如黄曲霉(Aspergillus flavus)产生的黄曲霉毒素。担子菌产生的各种蘑菇毒素等。次级代谢产物的类型19第19页，本讲稿共68页色素：不少微生物在代谢过程中产生各种有色的产物。例如由粘质赛氏杆菌(Serratia marcescens)产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。有的微生物将产生的色素分泌到细胞外，使培养基呈现颜色。次级代谢产物的类型20第20页，本讲稿共68页维生素：作为次生物质，是指在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需要量的那些维生素，例如丙酸细菌(Propionibacteriumsp)产生维生素B12，分枝杆菌(Mycobacterium)产生吡哆素和烟酰胺，假单胞菌产生生物素，以及霉菌产生的核黄素和-胡萝卜素等。次级代谢产物的类型21第21页，本讲稿共68页三、次级代谢产物的生物合成 次次级级代代谢谢产产物物的的合合成成过过程程可可以以概概括括为如下模式：为如下模式：22第22页，本讲稿共68页次级代谢产物的合成是以初级代谢产物为前体，进入次级代谢产物合成途径后，大约经过三个步骤，合成次级代谢产物。前体聚合：前体单元在合成酶催化下进行聚合。结构修饰：聚合后的产物再经过修饰反应如环化、氧化、甲基化、氯化等。氧化作用RH+O2+NADPH2ROH+H2O十NADP氯化反应RH+H2O2+Cl-+H+RCl+2H2O次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成23第23页，本讲稿共68页次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成不同组分的装配：如新生霉素24第24页，本讲稿共68页诺卡霉素A(nocardicinA)分子装配次级代谢产物的生物合成次级代谢产物的生物合成25第25页，本讲稿共68页第五节第五节 芳香族化合物的微生芳香族化合物的微生物代谢物代谢芳香烃的分解 甲苯的分解邻苯二酚的降解原儿茶酸的降解 26第26页，本讲稿共68页一、芳香烃的分解一、芳香烃的分解微生物对芳香烃的分解是在有氧条件下进行的，首先以形成二元酚如邻苯二酚、原儿茶酸等作为环裂解底物，再进一步氧化分解。苯的氧化首先是生成二羟基已二烯，再转化为邻苯二酚。27第27页，本讲稿共68页二、甲苯转化成邻苯二酚的途径Kitagawa用(Paeruiginosa)试验指出该菌分解甲苯是将甲基氧化成羧基，再将苯甲酸转化为邻苯二酚，甲苯与苯甲酸之间的中间产物是苯甲醇和苯甲醛，Walker用Pseudomonas菌试验证明甲苯分解存在另一条途径，即二羟化反应将甲苯转化成3-甲基邻苯二酚作为裂解底物。28第28页，本讲稿共68页三、邻苯二酚环裂解及其降解邻苯二酚通过两邻苯二酚通过两种途径之一进行种途径之一进行降解降解在两个羟基之间在两个羟基之间裂解裂解(邻位裂解邻位裂解)在羟基旁裂解在羟基旁裂解(间间位裂解位裂解)。邻苯二酚酶邻苯二酚酶变邻苯二酚酶变邻苯二酚酶29第29页，本讲稿共68页原儿茶酸的降解邻位裂解，终产物是琥珀酸间位裂解，终产物是两分子丙酮酸。30第30页，本讲稿共68页第六节 H2和CO2的微生物代谢H2的微生物代谢CO2的微生物代谢31第31页，本讲稿共68页一、一、H H2 2的微生物代谢的微生物代谢1，分解代谢，分解代谢氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能，也能利用其它有机物进行生长。利用其它有机物进行生长。32第32页，本讲稿共68页在有分子氢和氧的条件下，氢细菌在生长过程中实际上包括两个过程：分子氢氧化成水，放出能量；分子氢还原CO2成为细胞物质，总的结果是以6：2：l的比例消耗H2，O2和CO 2，四分子氢氧化成水所放出的能量可产生一分子ATP，用于还原CO2构成细胞物质和维持细菌的生长。H H2 2的微生物代谢的微生物代谢33第33页，本讲稿共68页氢化酶氢化酶氢氢化化酶酶是是氢氢细细菌菌进进行行无无机机化化能能营营养养方方式式生生长长的的关关键键酶酶，在在多多数数氢氢细细菌菌中中，有有两两种种氢氢化酶，其结构和功能各不相同化酶，其结构和功能各不相同 颗粒状氢化酶颗粒状氢化酶(particulate hydrogenase)结结构构：结结合合在在细细胞胞质质膜膜上上，直直接接与与呼呼吸吸链链偶偶联。联。功功能能：不不经经过过依依赖赖于于NAD+的的脱脱氢氢酶酶作作中中间间体体，催催化化氢氢的的氧氧化化，并并把把电电子子直直接接传传给给呼呼吸吸链链产产生生ATP。H H2 2的微生物代谢的微生物代谢34第34页，本讲稿共68页v可溶性氢化酶可溶性氢化酶(so1uble hydrogenase)-结结构构：存存在在于于细细胞胞质质中中，由由四四聚聚体体复复合合组组成，还含有黄素单核苷酸和成，还含有黄素单核苷酸和FeS中心。中心。-功能：可溶性氢化酶催化氢的氧化，它的功能：可溶性氢化酶催化氢的氧化，它的主要功能是为菌体生长提供固定主要功能是为菌体生长提供固定CO2的还的还原力。另外，它可直接运送电子进入呼吸原力。另外，它可直接运送电子进入呼吸链。链。H H2 2的微生物代谢的微生物代谢35第35页，本讲稿共68页氢细菌是一类兼性化能自养菌，在有氢细菌是一类兼性化能自养菌，在有O2无无H2时，可利用糖或有机酸或氨基时，可利用糖或有机酸或氨基酸而生长。有的还可利用嘌呤和嘧啶酸而生长。有的还可利用嘌呤和嘧啶进行生长。进行生长。H H2 2的微生物代谢的微生物代谢36第36页，本讲稿共68页氢效应当氢细菌以无机化能营养方式生长时，H2的存在能阻抑菌体对有机物(如对果糖)的利用，这种现象称为氢效应。其原因有两方面：果糖的利用是通过ED途径进行的。当有氢存在时，分子氢使ED途径中酶合成的诱导受到抑制，因而不能利用ED途径分解有机物，包括果糖。果糖经ED途径分解的关键是进行脱氢氧化。在氢细菌体内NAD(P)+是有限的，当有O2和H2时，氢化酶催化生成NAD(P)H，菌体内NAD(P)+减少。由于果糖分解脱下的氢不能交给NAD(P)+(因消耗于环境中氢的还原)故在这种情况下不能利用果糖等有机物。其实质是氢细菌中的氢化酶与ED途径的关键酶，脱氢酶争夺体内有限的NAD(P)+，而使生长停止。H H2 2的微生物代谢的微生物代谢37第37页，本讲稿共68页2，合成代谢I.Dark fermentative bacteriaH2asessugarsH2+organic acidsN2asesorganic acidsH2+CO2lightII.Photosynthetic anoxygenic bacteriaIII.Photosynthetic oxygenic green algaeH2OH2+O2lightIV.Photosynthetic oxygenic cyanobacteriaH2+O2H2OlightN2asesH2ases38第38页，本讲稿共68页CO2的微生物代谢 CO2是是自自养养微微生生物物的的唯唯一一碳碳源源。异异养养微微生物也能利用生物也能利用CO2作为补助的碳源。作为补助的碳源。将将空空气气中中的的CO2同同化化成成细细胞胞物物质质的的过过程程称为称为CO2固定作用固定作用。CO2的固定方式有自养型和异养型两种。的固定方式有自养型和异养型两种。39第39页，本讲稿共68页自养型CO2固定 自养微生物（包括光能自养和化能自养）固定CO2的途径：二磷酸核酮糖环 这个途径最初是由卡尔文(Calvin)等研究绿藻的光合作用时查明的，所以又称为卡尔文环。二磷酸核酮糖环是所有光能自养和化能自养微生物所共有的途径。经卡尔文循环固定CO2的过程可分为三个阶段：羧化、还原、再生。COCO2 2的微生物代谢的微生物代谢40第40页，本讲稿共68页COCO2 2的微生物代谢的微生物代谢41第41页，本讲稿共68页异养型CO2固定异养型C02的固定主要是合成TCA环的中间产物。从理论上来讲，利用1分子草酰乙酸就可以不断地推动TCA环的运行(因为草酰乙酸可通过TCA环再生)。异养微生物依靠固定C02生成四碳二羧酸，补充TCA环的中间产物。催化这类反应的酶有以下几种：42第42页，本讲稿共68页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产生无机磷酸43第43页，本讲稿共68页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，同时使ADP转为ATP44第44页，本讲稿共68页磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶它所催化的反应与相同，但需要二碳酸和无机磷酸，后者本身能变成焦磷酸45第45页，本讲稿共68页丙酮酸羧化酶它催化丙酮酸羧化成草酰乙酸，并使ATP转化成ADP和Pi，反应中还需要生物素。46第46页，本讲稿共68页苹果酸酶它催化丙酮酸还原羧化成苹果酸，以NAD(P)H2为供氢体。47第47页，本讲稿共68页异柠檬酸脱氢酶它催化-酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸，需要NAD(P)H2。48第48页，本讲稿共68页 此外，在脂肪酸合成中也有固定CO2的反应，如乙酰-CoA在乙酰-CoA羧化酶的催化下生成丙二酰-CoA，此反应得要生物素和ATP。49第49页，本讲稿共68页第三节 曲酒的发酵机制固态混菌发酵边糖化，边发酵主要由曲中的霉菌进行糖化，酵母进行发酵。50第50页，本讲稿共68页一、原料与白酒风格高梁：香含有较多单宁，分解为丁香酸等酚类物质玉米：甜植酸较多，分解为环己六醇（肌醇），支链淀粉液较多大米：净脂肪含量少，质地纯净大麦：冲蛋白质、木质素含量较高，产生较多糠醛、杂醇油、阿魏酸等51第51页，本讲稿共68页二、发酵机制酒精的发酵机制高级醇的产生机制有机酸的产生机制酯类物质的产生机制羰基类物质的产生机制芳香族化合物的合成机制52第52页，本讲稿共68页一）酒精发酵机制1.酵母的酒精发酵（EMP途径，酵母菌的型发酵）葡萄糖+2ADP+2磷酸2酒精+2二氧化碳+2ATP2.细菌的酒精发酵(假单胞菌，ED途径）葡萄糖+ADP+磷酸2酒精+二氧化碳+ATP两者途径不同，产能水平也不同同型发酵53第53页，本讲稿共68页主要是乳酸菌经过戊糖磷酸（PPP）途径葡萄糖酒精+乳酸异型发酵54第54页，本讲稿共68页二）高级醇的产生机制高级醇是酒类中最主要的风味物质之一。在小曲酒中表现得非常突出。与酵母增殖有关。与多元醇不同。55第55页，本讲稿共68页1907年，德国化学家伊里希(FelixEhrlish)提出由氨基酸形成高级醇的途径，可归纳为：有十种氨基酸，在发酵时酵母将其氨基转移到-酮戊二酸上，形成谷氨酸和-酮酸，后者经脱羧、还原，形成比原氨基酸少一个碳的高级醇。1953年，哈里斯(Harris)研究提出高级醇由糖代谢通过丙酮酸的合成的途径。56第56页，本讲稿共68页酵母在发酵中形成主要高级醇途径综合如下：葡萄糖正丙醇丙酮酸氨基酸反馈控制-酮基-甲基戊酸-酮基异戊酸-酮基异乙酸转氨转氨转氨CO2异亮氨酸CO2缬氨酸CO2亮氨酸甲基丁醛异丁醛异戊醛NADH2NADH2NADH2NADNADNAD活性异戊醇异丁醇异戊醇57第57页，本讲稿共68页三）有机酸的产生机制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+醋酸岐化反应2）乳酸（乳酸菌）同型乳酸发酵异型乳酸发酵（如酸，酒精和CO2）真菌（毛霉、根霉）产生L-型乳酸58第58页，本讲稿共68页3）丁酸葡萄糖丁酸+CO2+H24）由低级酸合成高级酸乙醇+乙酸丁酸+水丁酸+乙醇己酸+水5）其他酸蛋白质水解产生氨基酸，脂肪水解产生脂肪酸59第59页，本讲稿共68页四）酯类物质的产生机制1）一般为酸与醇作用生成2）己酸菌生成己酸乙酯乙酸乙酯+乙醇丁酸乙酯+水丁酸乙酯+乙醇己酸乙酯+水3）老熟过程中缓慢酯化。60第60页，本讲稿共68页途径：由霉菌得酯酶或脂肪酶催化合成酵母中的酰基转移酶、酯酶（胞内）催化合成61第61页，本讲稿共68页酯酯类类化化合合物物在在酵酵母母中中的的合合成成途途径径有有两两条条，反反应应途途径如下所示：径如下所示：62第62页，本讲稿共68页五）羰基类物质的产生机制Maillard反应产物主要包括乙醛、丙稀醛、糠醛等（1）醇氧化醇+氧醛+水（2）酸还原酸+氢醛+水酮酸醛+CO263第63页，本讲稿共68页（3）糖类生成醛葡萄糖乙醛+甘油+CO2多缩戊糖糠醛+水（4）缩醛乙醇+乙醛乙缩醛+水64第64页，本讲稿共68页（5）联酮类乙醛+乙酸双乙酰+水丙酮酸+乙醛-乙酰乳酸双乙酰葡萄糖乙醛3-羟基丁酮双乙酰2,3-丁二醇65第65页，本讲稿共68页六）芳香族化合物的合成机制主要来源于蛋白质（氨基酸），多在麦曲中或发酵生成。木质素发酵形成阿魏酸阿魏酸4一乙基愈疮木酚4一乙基愈疮木酚+氧香草醛+水单宁丁香酸66第66页，本讲稿共68页七）杂环类化合物美拉德反应（MaillardReaction)两个阶段三条路线主要是非酶促反应机理非常复杂，目前还不十分清楚与酱香、芝麻香有关67第67页，本讲稿共68页68第68页，本讲稿共68页