页数：52页文件大小：70.27 MB来源： 发酵工艺学ppt课件
本课件从糖代谢途径与细胞呼吸入手，区分好氧、厌氧与兼性发酵，依次分析酒精发酵、乳酸发酵、甘油发酵、丙酸丁酸发酵、己酸生成与沼气甲烷发酵的代谢机制。
厌氧发酵机制：第五章厌养发酵机制(一)基础理论
微生物代谢途径总图
糖代谢的四条途径
EMP途径C6 磷酸葡萄糖C6 2C3
厌氧路径示意图：厌氧路径
酵母的呼吸与发酵
细胞呼吸三阶段：。细胞呼吸三阶段
分解代谢与合成代谢
细胞呼吸与ATP生成：细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径，主要在线粒体中进行，在温和条件和酶的参与调控下，通过一系列氧化还原反应，将储藏在葡萄糖等中的化学能释放，并以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中。
细胞呼吸的化学过程包括3个阶段。糖酵解发生在细胞质中，将1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸。
Krebs循环发生在线粒体中，进一步分解丙酮酸形成二氧化碳、NADH和FADH2。
通过第三阶段电子传递链，储存于NADH和FADH2的高能电子沿分布于线粒体膜上的呼吸链传递，最后达到分子氧，高能电子逐步释放的能量合成了更多的ATP。
生物细胞通过底物水平磷酸化和与电子传递系统偶联的磷酸化2种途径合成ATP。。1分子葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP。。蛋白质中的氨基酸与脂肪中的脂肪酸氧化是先转变为某种中间产物，然后进入糖酵解或三羧酸循环。。食物分子的氧化分解捕获能量，分解产物又为生物大分子的合成和细胞、组织和生物体的组成提供原料。概述
发酵的三种类型
糖酵解与EMP途径：糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径）三羧酸环（糖的最后氧化途径）糖酵解（glycolysis）是生物细胞所分泌的酶将G降解成丙酮酸，并伴随着生成ATP的过程，简称EMP途径，总反应式为：C6H12O6+2NAD+2H3PO4+2ADP →2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP
EMP途径的特点：糖酵解途径及特点它是动物、植物、微生物细胞中G分解产生能量的共同途径EMP途径大致可分1，6-二磷酸果糖的生成；
1，6-二磷酸果糖分解为两个磷酸丙糖；磷酸丙糖转化为丙酮酸；
供应ATP能量和还原力。产生多种中间产物为合成反应提供前体物质通过逆反应进行多糖合成
丙酮酸的无氧代谢去向：在无氧条件下：在乳酸菌中受乳酸脱氢酶的作用，丙酮酸作为受氢体而被还原为乳酸，即同型乳酸发酵；
在酵母菌中，丙酮酸受丙酮酸脱羧酶的作用生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶的作用下作为受氢体被还原为乙醇，即酒精发酵；
在梭状芽孢杆菌中，丙酮酸脱羧生成乙酰COA，然后经一系列变化生成丁酰COA、丁醛，两者作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、乙醇，所以称为丙酮-丁醇发酵。
自然发酵学说的否定：第一节酒精发酵机制一、酵母菌的酒精发酵1. 自然发酵学说：无生命的水浸液能产生微生物产生微生物需要种子，空气才能产生微生物巴斯德通过实验否定了自然发酵学说。
（１）（２）水浸液烧开后不会腐败，不烧开会腐败；如果去掉瓶塞，烧开后也会腐败。
酒精生成的反应步骤：2 酒精生成机制(1 ) 葡萄糖（glucose）EMP 丙酮酸（pyruvic acid）己糖磷酸化作用EMP 六碳糖转变为三碳糖磷酸丙糖丙酮酸(2) 丙酮酸乙醇丙酮酸（pyruvic acid ）脱羧乙醛（acetaldehyde）乙醛还原乙醇（alcohol）酵母菌在无氧的条件下，通过以上12步反应，1分子G生成２分子的乙醇，２分子的CO2和2分子ATP。
酒精发酵的主副产物：3 酒精发酵中付产物的形成主产物（product）：酒精（alcohol）副产物（by product）：二氧化碳（carbon dioxide）甘油（glycerol）乙醛（acetaldehyde）琥珀酸（succinic acid ）乙酸（acetic acid）酯（ester）高级醇（higher alcohol）
双乙酰的生成途径
(1)双乙酰VDK（diacetyl）
双乙酰的控制措施
酯类物质的形成途径
酯类形成的影响因素：在ATP的作用下，使脂肪酸活化酮酸的氧化作用R-COOH + ATP + COA-SH RCO－SCOA + AMP + PPiRCOCOOH + NAD +COASH RCO-SCOA + NADH2 + CO2影响因素:酵母菌种，不同的酵母菌种，发酵时形成的酯量是不同的；
发酵温度高，有利于酯类的形成；接种量大，酯类的形成量低。
啤酒中的含硫化合物：3 含硫化合物麦芽制造、麦汁制备都能生成挥发性的含硫化合物，但这些物质在煮沸时被消除掉了，因此，啤酒中的含硫化合物大都是在发酵过程中形成的。
含硫化合物非挥发性的，是挥发性含硫化合物的来源。挥发性的（硫醇）：影响啤酒的风味含量低时（8-10ppb ），对啤酒的风味起加成作用；
含量高时，构成啤酒的生青味和氧化味。一般阈值很低，如H2S ,为５ppb 。
二甲基硫的含量对比：下表列出相关数据。
| 啤酒类型 | DMS含量（ppb） |
|---|---|
| 英国上面啤酒（Ale） | 14 |
| 英国底面啤酒 | 60~27 |
| 欧洲大陆底面啤酒 | 44~114 |
说明：原文英国底面啤酒写作「60--27 ppb」，区间顺序存疑（疑为 27~60 ppb），此处按原文数值保留，建议对照原图核对。
细菌的酒精发酵：二、细菌的酒精发酵（alcoholic fermentation of bacteria) 菌种为运动发酵单孢菌（Zymomonas Mobilis）。
少数假单胞杆菌（Pseudomonas），如林氏假单胞菌（Ps.lindneri）也能利用G经ED途径进行酒精发酵。
总反应式为C6H12O6+ADP+H3PO4→ 2C2H5OH+2CO2+ATP产物和酵母菌的酒精发酵相同，产能水平各异。
在末端假单胞菌中能使2分子丙酮酸脱羧，然后还原乙醛生成2分子乙醇和2分子CO2；
而在其他假单胞菌中氢载体再氧化后，生成1分子的乙醇、1分子乳酸和1分子CO2。
ED途径的三个阶段
细菌酒精发酵的特点
细菌酒精发酵的特点
同型乳酸发酵：第二节乳酸发酵机制一、同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌。
(P50)它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。
发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵，如乳链球菌（Streptococcus lactis）、乳酪链球菌（Streptococcus cremoris）、干酪乳杆菌（lactobacillus casei）、保加利亚乳杆菌（Lac. bulgaricus）等。
2HC6H12O6EMP 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH 同型乳酸发酵的特点：1mol的G产生2mol以上的乳酸，理论转化率是100%。
另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
异型乳酸发酵与双歧途径
亚硫酸盐法甘油发酵：第三节甘油合成机制（切断乙醛受氢）一、亚硫酸盐法甘油发酵酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等盐类，它能与乙醛起加成作用，生成难溶的结晶状亚硫酸纳加成物，这样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在α-磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）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。
CH2OHOHC6H12O6+NaHSO3→CHOH+CH3-C-OSO2Na+CO2CH2OHOH
甘油发酵的能量平衡：1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP积余，可见在甘油发酵过程中亚硫酸盐不能加得太多，否则会使酵母菌因得不到能量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以使获得一些能量，供生命活动所需。
2ATP CO2 NaHSO33-磷酸甘油醛→→丙酮酸→乙醛→乙醛亚硫酸加成物葡萄糖EMP→1.6-二磷酸果糖Pi2H磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油→甘油该过程也称酵母菌的II型发酵。
PiC6 C3 ×乙醇C3 甘油
碱法甘油发酵：二碱法甘油发酵酒精酵母在碱性（ＰＨ７．６以上）的条件下，发酵产生的乙醛不能作为受氢体，而是２分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。
此时，由３－磷酸甘油醛脱氢生成的NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油．CH2OH2C6H12O6+H2O2CHOH +C2H5OH+CH3COOH+2CO2CH2OH碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生ATP，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。
丙酸发酵机制：第四节丙酸丁酸发酵一、丙酸发酵机制自1923年以来，微生物发酵生产丙酸的专利很多，所用的微生物集中在丙酸杆菌属(Propionibacterium)。
丙酸生产的代谢途径一般认为经EMP途径：葡萄糖EMPCO2 乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→苹果酸→富马酸→琥珀酸→丙酸乙酸+ CO2
丙酸发酵的难点
丁酸发酵机制：二、丁酸发酵机制丁酸发酵是丁酸梭状芽孢杆菌所进行的一类发酵，是专性厌氧性发酵.丁酸型发酵的产物有：丁醇、丙酮、乙醇、CO2、H2、乙酸和丁酸等。
糖丙酮酸乙酰辅酶Ａ缩合还原丁酸。２分子的丙酮酸产生２分子的乙酰CoA，缩合成乙酰乙酰辅酶Ａ，后者被还原成－羟丁酰CoA，脱水生成乙烯基乙酰CoA，再还原成丁酰CoA，最后生成丁酸。
白酒香型与己酸乙酯：第五节由乙醇、乙酸生成己酸的发酵机制浓香型：己酸乙酯和丁酸乙酯；
清香型：乙酸乙酯和乳酸乙酯；酱香型：一般认为是4--乙基愈疮木酚；
兼香型：如董酒。己酸乙酯是浓香型大曲酒的主体香气成分，是由已酸和乙醇酯化形成的。
己酸的形成属于合成发酵。在发酵过程中，乙醇和乙酸结合生成丁酸，丁酸再与乙醇结合生成己酸。
若乙醇和乙酸的比率不同，则丁酸和已酸形成的比率也不同。
丁酸与己酸的生成条件：乙酸多时主要产物为丁酸：CH3CH2OH+ CH3COOH→CH3CH2CH2COOH+ H2O乙醇多时主要产物为己酸：2CH3CH2OH+ CH3COOH →CH3CH2CH2CH2CH2COOH+2 H2O在乙醇含量远高于乙酸的酒醅（fermenting grains）中，这个过程实际上是及其复杂的代谢过程。
在大曲酒发酵过程中，淀粉质原料首先被糖化，然后有己酸菌将糖转化成己酸、乙酸、CO2和H2O。
己酸乙酯的合成途径：己酸与乙醇酯化主要通过酰基辅酶A的形式进行，如下：CH3CH2CH2CH2CH2COOH+ATP+CoASH→CH3CH2CH2CH2CH2COSCoA+AMP+Pi + H2OCH3CH2CH2CH2CH2COSCoA+CH3CH2OH→CH3CH2CH2CH2CH2COO C2H5+CoASH己酸乙酯
芽孢杆菌合成己酸乙酯：但在大曲发酵中，通过上述途径生成的己酸乙酯只是一部分，另一部分则是通过芽孢杆菌利用乙酸乙酯为接受体，加入乙醇生成丁酸乙酯，然后再与乙醇反应生成己酸乙酯：CH3COO C2H5 +CH3CH2OH→CH3CH2CH2COO C2H5+ H2OCH3CH2CH2COOC2H5+CH3CH2OH→CH3CH2CH2CH2CH2COO C2H5+ H2O 可以看出，乙醇、乙酸和乙酸乙酯是成香的前体物质，其含量变化会导致酒质量的波动。
沼气发酵的意义：第六节沼气(甲烷，methane)发酵机制甲烷发酵属于厌氧消化(anaerobic digestion)处理，是有机物厌氧分解过程中的主要过程。
利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。
它可以作为好氧处理的前阶段处理。甲烷气体（沼气）是生物燃气的主要成员。
甲烷发酵的两个阶段：一、甲烷发酵机理甲烷发酵是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂的有机物最分解成甲烷和CO2，其反应机理可分以下两个阶段：第一个阶段：是有机聚合物先被一群产酸菌分解成各种脂肪酸。
第二个阶段：是在甲烷菌的作用下的产气过程称为甲烷发酵。
有机物的甲烷发酵是许多厌氧菌同时进行产酸和产气的复合发酵。
甲烷发酵的代谢流程：复杂有机物←发酵细菌可溶性简单有机物←产酸菌挥发性脂肪酸（丙酸，异丁酸，异戊酸）专性质子还原菌醋酸H2+HCO3纯醋酸菌C H4甲烷菌CH4HCO3H+ HCO3H2CO3 H2O+CO2 H2O
专性质子还原菌的作用：复杂的有机物受到各类微生物的作用，生成简单的可溶性有机物，可溶性有机物经产酸菌的代谢生成H2、醋酸和其它脂肪酸（3~5碳），丙酸等3~5个碳的脂肪酸，不能直接被甲烷菌转化生成甲烷，而先要有一种专性质子还原菌或醋酸菌将它们转化为醋酸和氢。
甲烷菌将H2、HCO3（生成碳酸盐）或醋酸转化为甲烷（CH4），并产生ATP。
沼气中甲烷的比例：生成碳酸盐在溶液中和碳酸相平衡，后者与溶解态的CO2相平衡，液相CO2又与气相CO2相平衡。
最终的产物是生物气体（CH4+ CO2）。两者比例与基质、细菌分解途径、PH、和发酵液的缓冲能力有关，CH4占的比例为50%~90%。
产酸阶段的微生物：二、甲烷发酵的微生物产酸阶段也叫液化阶段，参与的微生物大部分是兼性厌氧菌，只有少量的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。
产酸阶段的细菌有：梭菌属（Clostridium）；
芽孢杆菌（Bacillus）；葡萄球菌属（Staphlococccus）；
变形杆菌属（Froteis）；杆菌属(Bacterium)。
甲烷产生阶段主要是甲烷产生菌参与。甲烷菌是严格厌氧菌，不产孢子。。采用新的厌气培养技术，可以分离得到20种以上的甲烷产生菌。
甲烷菌的分类特征：产甲烷杆菌（Methanobacterium ）；
甲烷短杆菌（Methanobrevibacterium ）；
甲烷球菌（Methanococci ）；甲烷微球菌（Methanomicrobium ）等细菌。
各种甲烷菌之间在RNA排列顺序上都很相似，它们都是具有嗜盐性，而且比典型的细菌耐温和耐酸。
所以有人将甲烷菌和嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌等一起分类属于古细菌。。甲烷菌和非甲烷菌叫沼气菌（biogas producing bacteria）。。发酵液中非甲烷产生菌的数量与甲烷产生菌相等，达106~108个/ml。。甲烷发酵的两个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。
甲烷发酵的菌种与温度
废水组成与抑制物
第五章重点掌握内容
章节重点
第五章思考题：Q ：1、发酵作用与呼吸作用有什么不同？2、空气对酵母菌有何作用？
实际生产中应如何操作？3、酵母的酒精发酵与细菌的酒精发酵有什么异同？
4、说明碱法甘油发酵和亚硫酸盐法甘油发酵的区别。5、厌氧发酵的产物有哪些？
微生物有哪些？6、甲烷发酵的过程分哪几个阶段？各起什么作用？
甲烷发酵的微生物是什么？7、EMP途径在有氧和无氧代谢中起何不同的作用？。8、了解微生物的TCA循环对微生物代谢控制有何意义？
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