发酵生物化学基础(编辑修改稿)

发酵生物化学基础(编辑修改稿)内容摘要：

转为 ATP 3，磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶：它所催化的反应与②相同，但需要二碳酸和无机磷酸，后者本身能变成焦磷酸． 4，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。 5，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。 6，异柠檬酸脱氢酶：它催化 α酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸，需要 NAD(P)H2。 毫无疑问，以上六种酶，并不同时存在于一个有机体中，例如肠杆菌科中就以磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶为主，催化固定 CO2的反应。 三羧酸循环的中间产物的消耗 (用于生物合成 )，可由这些固定作用加以补充。 以上固定 CO2 的途径可归纳如图 6— l0。 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。 在核苷酸合成中也有固定 CO2 的反应，如嘌呤核苷酸合成中， 5氨基咪唑核糖 5磷酸与 CO2反应，生成 5氨基 4羧基咪唑核糖 5 磷酸。 还有 CO2 和 NH3在氨甲酰磷酸合成酶催化下，生成氨甲酰磷酸，作为合成 UMP 的起始物或参与瓜氨酸的合成。 异养型固定 CO2 的方式，在许多微生物中都有，甚至某些自养的光合细菌也有此种反应方式。 这种固定 CO2方式的特点是 CO2 被固定在某种有机物 (主 要是有机酸 )中，结果是加长了碳链，使来自 CO2的碳原子也可用于某些物质的生物合成。 第七节 微生物的光合作用 光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，除高等植物外，还有光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌 (包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等 )。 在植物、藻类和蓝细菌的光合作用中，还原 CO2 的电子是来自水的光解，并有氧的释放。 把这类光合作用称为放氧型光合作用。 在光合细菌中，光合作用还原 CO 2 的电子是来自还原型无机硫、氢或有机物，没有氧的释放，把这种类型的光合作用称为非放氧型光合作用。 光合作用的本质是指生物 (包括植物、藻类和光合细菌 )将光能转变为化学能，并以稳定形式贮藏的过程。 前者是指光化反应阶段，后者是指暗反应阶段。 现分别介绍几种光合细菌的能量转化。 紫色细菌的光能转化 紫色细菌的光能电子传递见下图。 紫色细菌的光能点子传递途径 从图中可知，紫色细菌是以环式电子传递方式进行的。 其过程可分为五步：（ 1）光的吸收，紫色细菌通过光捕获复合体 (Bchl 十类胡萝卜素十 B870)；（ 2）使反应中心叶绿素 (P870)处于激发态 (P*870)；（ 3）电荷分离， P*870 失去一个电子为 P+870，高能电子跃升到电子受体细 菌脱镁叶绿素 (Bph)形成 Bph；（ 4）电子沿醌铁蛋白 (QFe)， Q 细胞色素 b 到 C 2 顺序移动，电子在细胞色素 b 至 C2 时偶联磷酸化产生 ATP；（ 5）低能电子返回到 P+870 形成 P870，然后整个系统又接受光量子重复上述过程。 紫色细菌在生物合成中需要 NAD(P)H。 当其在氢中生长时，可以利用分子氢直接还原NAD(P)+为 NAD(P)H。 在异养生长时，各种氧化还原电位较高的基质对 NAD+的还原一般都是由光能推动的。 红螺菌科中醌铁复合体的氧化还原电位不够低，不能直接还原 NAD+，它们是通过环式电子传递 产生 ΔP，再由 ΔP推动从琥珀酸到 NAD+的电子逆转，以还原 NAD+为 NADH。 紫色细菌光能转化的特点是：①紫色细菌能利用长波光， Bchl 吸收光的峰值为 870nm；②紫色细菌是环式电子传递方式进行的； ③ 在异养生长时一般不能直接还原 NAD+为NADH。 第四章 培养基及其制备 第一节 原料 一 、 原料的 定义及选择 （一）原料的定义 从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。 （ 二 ）选择原料的依据 1，原料选择的原则 选择淀粉质原料生产酒精时，从工艺 的角度着眼，凡任何含有可发酵性糖或可变为发酵糖的原料，都可作为酒精生产的原料。 对于工业上大规模投入生产的原料，除了要提出工艺上的要求外，还要提出生产管理和经济上的要求，因此，在选择工业上大规模生产酒精的原料时，应考虑到下列诸条件： （ 1）因地制宜，就地取材，原料产地离工厂要近，便于运输，节省费用。 （ 2）要求原料内碳水化合物含量较多，蛋白质含量要适当，适合与微生物的需要和吸收利用。 （ 3）原料资源要丰富，容易收集。 由于酒精生产需要大量原料，要保证一定的库存量。 （ 4）原料要容易贮藏。 应考虑到新鲜原料内含水量 多，不耐久藏，最好选择经，干燥后，含水极少的干原料，易与保藏，不宜霉烂。 （ 5）对人民的身体无寻损害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含。 （ 6）原料价格低廉，可降低产品成本。 此外，还应当考虑到大力节约粮食原料，尽量少用或不用粮食原料，充分利用当地的非粮食原料，广泛利用野生植物原料，同时利用农林副产物和植物纤维原料，以及亚硫酸盐纸浆废液等，对于节约粮食原料有着重要意义。 另外，利用石油原料化学合成制造酒精，也是发展酒精的主要途径。 2， 在确定原料选择原则时需注意的问题 （ 1）所选用的培养基与所使 用的发酵器的结构有关。 例如 ICI 公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行设计新的发酵罐。 同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受到培养基组份改变的影响。 （ 2）从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。 （ 3）培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成的需要外，还要考虑到培养基的 pH 变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有前体和代谢抑制剂的需要。 二、常用主要原料及其化学组成 （ 一 ）原料的种类 发酵 生产的原料，一般可分成下列几类： 1， 薯类 ： 甘薯、马铃薯、木薯、山药等。 2， 粮谷类 ： 高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等。 3， 野生植物 橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等。 4， 农产品加工副产物 米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。 （ 二 ） 常用原料的化学组成 原料所含的化学成分，不仅关系着生产率的高低，同时也影响生产的工艺过程。 常用原料中主要的化学成分如下： 碳水化学物 ： 原料中所含的淀粉，或与淀粉类似的菊糖、蔗糖、麦芽糖、果糖及葡萄糖等，这些物质都可以发酵生成 产品 ，同时也是霉菌和酵母的营养及能源，原料中含这 些物质越多，生成酒精也就越多，所以它和产量有着密切的关系。 碳水化合物中的五碳糖多存在于原料的皮层，如麸皮、高粱糠，谷糠、花生壳等都含有很多，它不但影响淀粉数字偏高，发酵中也易生成有害的糠醛。 纤维素虽属于碳水化合物，但不被淀粉水解，只起填充作用，对于发酵没有什么直接影响。 蛋白质 ： 原料含有的蛋白质，在 发酵 生产过成中，经蛋白酶水解后，可为 微生物 生长繁殖的重要营养成分，而微生物细胞中， 30~50%（干重）是蛋白质。 一般的说，当培养基内氮的含量适当，则 微生物 生长旺盛，酶的含量也较高。 有些原料所含蛋白质有时不能满足微生物生长和繁殖的要求，则应从外界加入氮源。 蛋源一般包括有机蛋源和无机氮源两种，根据不同情况，添加不同种类的氮源。 脂肪 ： 对发酵有影响，如高粱糠、米糠等含油脂多，则生酸较快，生酸幅度也较大。 一些 发酵 厂如采用玉米作为原料，总是把玉米坯芽除去。 灰分 ： 灰分中的磷、硫、镁、钾、钙等是构成菌体系胞的和辅霉的重要成分，还有调节渗透压的作用，是微生物生长不可却少的，在一般原料中，灰分的含量一足够。 三、工业发酵培养基的设计 1，为何要进行培养基的设计。 完善的培养基设计是实验室的试验、实验工厂和生产规模的放大中的一个重 要步骤。 在发酵过程中，我们的目的产品是菌体或代谢产物。 而发酵培养基是否适合于菌体的生长或积累代谢产物，对最终产品的得率具有非常大的影响。 2，培养基设计的基本原则 培养基的组成必需 满足 细胞的生长和代谢产物所需的元素，并能 提供 生物合成和细胞维持活力所需要的能量。 3，如何进行培养基的设计 （ 1）作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡 碳源和能源 +氮源 +其他需要→细胞 +产物 +CO2+H2O++热量 通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需的营养物的最低数量。 在了解一定数量的生物体所能产生的产物数量后；就有可能计 算出形成产物时所需的底物数量。 这些培养基的组份的数量仅仅是供给细胞形成产物，而不包括生成细胞所需的营养。 所有上述各项数量，是不易获得其精确的数字。 （ 2）组成微生物的元素包括 C、 H、 O、 N、 S、 P、 Mg 和 K（见下表），这些元素都要在方程式中予以平衡 细菌、酵母和真菌的元素组成 (按干重％计 ) 在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如 P和 K。 而其它元素含量则接近最低值(如 Zn， Cu 等 )。 在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量，这一点，在设计培养基时要引起注意。 （ 3）有些微 生物无力的合成特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷酸。 一旦测出其中一种是生长因子，就要在培养基中加入适量的纯净的化合物或含有该物质的混合物。 （ 4）碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用，在需氧条件下，对碳源的需要量可以从菌体对底物的产率系数 (Yx/s)推算而得。 该系数的定义是：细胞干物质的产量／碳源底物的被利用量 下表中列出了一些 Yx/s 值。 如以葡萄糖为底物时，其 Y 值为 即表示每 1g葡萄糖能生成 细胞干物质。 为要获得 30gdm3 浓度的细胞，需要葡萄糖 30／ ＝ 60gdm3。 在发酵过程中，适当地补充碳源是必要的。 将碳源转化成产物的观察值与理论上最大值之间进行比较，才能进行深入的研究。 但由于对生物合成的知识的限制而难以作出精密的分析。 Cooney(1979)以青霉素生物合成的途径为基础，通过物质和能量平衡，计算出青霉素生物合成的理论值。 总的化学计算式为 方程式中的 a b c d e nz、 p2 和 q2 都是化学计算中的系数， PAA 代表苯乙酸。 解方程式．得： 按上述方程式计算每 1g 葡萄糖能产生 苄青霉素的理论值。 在青霉素分批发酵的一个简单模型中，用于合 成细胞、维持生命活力和转化成青霉素的葡萄糖，分别占总糖耗量的 2 61 和 11％。 在分批补料发酵时，则 26％的葡萄糖用于生长、 70％用于维持生命、 6％用于合成青霉素。 每克葡萄糖的最大青霉素转化产量为 ，这个理论值数倍于实验值。 4，发酵培养基的组成成分 （ 1） 水 （ 2） 碳源  影响选择碳源的因素 ：  原料成本占生产总成本的比例；  在某些发酵过程中，必须除去碳源中的杂质；  对碳源的选择，往往还受到政府政策的影响；  当地的法律条例指定了许多饮料业所使用的底物；  培养基的配制方法，特别是灭菌方法。 （ 3） 氮源 （ 4） 无机盐 （ 5） 维生素 （ 6） 缓冲剂 控制 pH 时对获得最佳生产能力是十分重要的。 在培养基中加入一种化合物作为缓冲剂或同时可作为营养源。 许多种培养基多加入碳酸钙作为缓冲剂，以达到 pH7． 0 左右。 如果pH 下降，则碳酸钙分解，如果是 pH 上升，可以自然地校正微生物的产酸量。 在许多培养基中，也用磷酸盐作为重要的缓冲剂。 碳源和氮源的平衡，也是控制 pH 的一种方式。 在玉米浆中的蛋白质、肽、氨基酸等也具有缓冲容量。 滴加氨，氢氧化钠和硫酸，可以严格地控制 pH 值。 （ 7）前体和代谢调节剂 （ 8）消沫剂 OHqCOpnPAAeSOHdOcNHbOHCa 222222422223261262  卞青霉素 OHCOSNOHCOHCSOHONHOHC 222418182884222136126610 922  第二节 原料处理 一、预处理的必要性 1，发酵工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序生产的正常和顺利进行。 2，为保证后续工序生产的正常和顺利进行，还需对原料进行适当加工。 3，为保证生产环境的清洁，必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。 二、预处理的方法（方式） （一）原料除杂 1， 筛选、风选 气流 筛式分离机：这类分离机主要用于谷物原料除杂用。 凡是厚度和宽度或空气动力学性质 (悬浮速度 )与所用谷物不同的杂质，都可用气流 筛式分离机将其分离。 2，磁力除铁 包括 永久性磁力除铁器和电磁除铁器两种方式。 （ 二 ）原料的粉碎 1，原料 粉碎的目的 把原料进行粉碎后成为粉末原料，其目的是要增加原料受热面积，有利于淀粉。