05 第五章 微生物的代谢.ppt

第1页：第五章微生物的代谢与发酵控制封面

微生物的代谢与发酵控制

第2页：本章目录

第一节微生物代谢的基本知识第二节微生物代谢的调节第三节微生物代谢的控制

第3页：第一节微生物代谢的基本知识

微生物代谢的基本知识

第4页：微生物的代谢

一、微生物的代谢代谢是生物细胞内发生的各种生物化学反应的总称，也就是发生在微生物细胞内各种生物化学反应的总称。

分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）

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第6页：微生物的能量代谢

二、微生物的能量代谢生物体内一切通过氧化作用释放能量的反应称为生物氧化。

整个生物氧化反应共分为三个环节：脱氢、递氢和受氢。

第7页：微生物的生物氧化类型

生物氧化作用是在微生物细胞内酶的催化下，完成营养物质氧化的过程，也是生物体新陈代谢的重要基本反应。

第8页：好氧呼吸与厌氧呼吸

1.好氧呼吸以分子态的氧作为最终电子受体的生物氧化过程。

彻底氧化，放能最多。

2.厌氧呼吸在无氧的条件下，微生物以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。

不需要氧气，放能多。

3.发酵作用电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程。

不彻底氧化，放能最少。

第9页：微生物类型与生物氧化类型比较

依与氧的关系，微生物可分为好氧、厌氧与兼性厌氧三类，其生物氧化方式各不相同。

第10页：生物氧化链

生物氧化链

第11页：生物氧化链的概念

1.概念微生物从呼吸底物脱下氢和电子向最终受氢（电子）体转移的过程中，要经过一系列的中间传递体，而这些中间传递体按一定的顺序排列成链，按顺序将氢和电子转移，最终将电子传给氢，这种“链”称为呼吸链，也称为生物氧化链。

2.组成脱氢酶、辅酶Q（CoQ）、细胞色素

第12页：ATP的生成

ATP是生物体内能量的主要传递者ATP的生成需要能量，这些能量来自光能及化学能。

由光能生成ATP的过程称为光和磷酸化；

以化学能生成ATP的过程称为氧化磷酸化。

第13页：植物光合磷酸化

植物光和磷酸化

第14页：光合细菌的光合磷酸化

光和细菌光和磷酸化

第15页：底物磷酸化与电子传递磷酸化

氧化磷酸化可分为：底物磷酸化；电子传递磷酸化

第16页：蛋白质的分解与氨基酸分解

• 三、微生物的分解代谢1.蛋白质的分解2.氨基酸的分解
• （1）脱氨作用
• （2）脱羧作用氧化脱氨还原脱氨直接脱氨脱水脱氨水解脱氨氧化还原偶联脱氨

第17页：糖类物质的分解代谢

• 1.多糖的分解
• （1）淀粉的分解
• （2）纤维素的分解2.单糖的利用
• （1）单糖的微生物有氧降解
• ①EMP途径
• ②HMP途径α-淀粉酶（液化酶）水解产物为糊精β-淀粉酶（糖化酶）水解产物为麦芽糖

第18页：

第19页：

第20页：TCA循环

TCA循环

第21页：无氧酵解与脂肪分解

• 无氧酵解酒精发酵甘油发酵乳酸发酵
• （三）脂肪和脂肪酸的分解

第22页：微生物的合成代谢

四、微生物的合成代谢

第23页：

第24页：糖类的合成

糖类的合成

第25页：氨基酸的合成

氨基酸的合成

第26页：第二节微生物代谢的调节

微生物代谢的调节

第27页：微生物代谢调节的概念

一、微生物代谢调节的概念与内涵微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节。

代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。

代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。

第28页：酶的活性调节

酶的活性调节

二、酶活性调节是指对一定数量已存在的酶分子，通过对其分子构象或结构的改变来调节其催化的生物化学反应速率，这种调节能够最大限度的使微生物细胞对周围环境变化作出快速反应。

第29页：反馈调节与分支途径调节

• 反馈调节包括反馈抑制和反馈阻遏
• （二）分支合成途径调节1.同工酶2.协同反馈抑制3.积累反馈抑制4.顺序反馈抑制

第30页：酶活性的调节方式

酶活性的调节

第31页：酶的合成调节

三、酶的合成调节依据微生物生长繁殖的需要可以将各种酶划分为两类，即组成酶和诱导酶。

组成酶也称为结构酶，是微生物细胞固有的酶类，其生成受菌体固有酶的合成机构所控制。

诱导酶则指酶的生成需要某些物质的诱导。

第32页：诱导酶与分解代谢产物阻遏

• 诱导酶的酶量调节
• （二）分解代谢产物的阻遏

第33页：两种调节方式的对比

两种调节的对比酶合成的调节酶活性的调节不同点调节对象通过酶量的变化控制代谢速率控制酶活性，不涉及酶量变化调节效果相对缓慢快速、精细调节机制基因水平调节，调节控制酶合成代谢调节，它调节酶活性相同点细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。

第34页：第三节微生物代谢的控制

微生物代谢的控制

第35页：突破代谢调节的三项措施

突破微生物的自我代谢调节机制，使代谢产物积累的有效措施有三种：1.应用营养缺陷型菌株，利用其合成代谢途径中某一步发生的缺陷，解除反馈调节作用，从而使产物大量积累。

2.选育抗反馈调节的突变菌株，使其不再受正常反馈调节的影响，最终达到产物积累的目的。

3.改变细胞膜的通透性，使最终代谢产物不能在细胞内大量积累达到引起反馈调节的浓度，从而达到解除反馈调节的目的。

第36页：黄色短杆菌赖氨酸发酵

天冬氨酸例人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸黄色短杆菌的代谢过程甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ抑制高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶

第37页：黄色短杆菌代谢途径的人工控制

天冬氨酸人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ甲硫氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶不能合成可以大量积累赖氨酸人工诱变的菌种不能产生

第38页：发酵过程的控制方向

一、发酵过程控制微生物发酵的过程控制应该从两个方面来实现：微生物菌体本身的性能控制；微生物发酵环境条件控制。

第39页：发酵的基本过程

发酵过程的一般性规律1.发酵的基本过程原料的预处理发酵培养基的制备灭菌大型发酵发酵液的预处理和固液分离发酵液的纯化发酵液的精制及成品加工

第40页：发酵过程的一般性规律

• 2.发酵过程的一般性规律
• （1）发酵用培养基供菌种生长、繁殖和合成产物使用。
• （2）种子扩大培养提供大量菌体，应使用处于对数增长期末期的菌种。

第41页：发酵工艺控制

调控发酵条件包括：发酵温度、发酵醪基质浓度、含氧量、酸碱度、发酵时间控制方法有:通风、供热（冷）、调节培养基

第42页：发酵控制要解决的两个问题

1.发酵代谢途径问题2.发酵代谢速度问题

第43页：发酵过程需要控制的环节

发酵过程需要过程控制

第44页：发酵过程控制的基本途径

1.发酵原料的控制2.发酵菌体的控制3.发酵条件的控制

第45页：谷氨酸棒状杆菌的合成途径

二、微生物代谢调节与发酵控制实例分析谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径葡萄糖中间产物a－酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶NH4＋抑制

第46页：谷氨酸发酵的菌种选择

只有选择细胞膜通透较强，在细胞内不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌种才有可能获得大量的谷氨酸。

菌种的选择谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢?

第47页：谷氨酸发酵的培养基选择

培养基的选择成分酸碱度水无机盐氮源碳源生长因子豆饼水解液、玉米浆中的水磷酸二氢钾氧化钾硫酸镁尿素豆饼水解液、玉米浆生物素pH7-8

第48页：发酵罐的结构示意

发酵罐示意图电动机pH检测及控制装置培养液无菌空气排气口冷却水出口冷却水进口搅拌器加料口放料口

第49页：谷氨酸发酵的条件控制

发酵条件控制1.发酵温度：谷氨酸菌最适生长温度35~34℃；

最适发酵温度35~37℃2.发酵pH：7.0~7.23.发酵溶解氧:大量氧气

第50页：菌种选育与发酵生产流程

从自然界分离的菌种产品基因工程诱变育种诱变育种生产用菌种扩大培养原料微生物菌体代谢产物分离提纯发酵罐发酵条件控制接种培养基配置灭菌

第51页：微生物的纯种发酵

• 三、微生物的纯种发酵与多菌种的协同发酵
• （一）微生物的纯种发酵1.纯种发酵对生产菌种的要求2.纯种发酵对生产过程的要求生产过程无菌化高产性；无害型；适应性；稳定性

第52页：纯种发酵的生产特点

• 3.纯种发酵的生产特点
• ①菌种单一，易于生产控制
• ②液态基质，易于自动化控制
• ③产品安全，可靠性强
• ④产品风味纯正

第53页：多菌种的协同发酵

多菌种协同发酵的特点：1.多菌种的协同作用2.发酵界面复杂且产品风味多样化3.产品的区域性特征显著4.设备投入少，生产灵活性强5.发酵机理不清，生产经验性强