发酵学基本理论框架
第五章
2004.8 发酵原理 2
本章提示：
1.对于学科来说，其基本理论的建立往往
是其走向成熟的标志吗？能不能说《发酵
原理》课程是发酵学科向生物工程学科系
统升级的关键课程？
2.发酵工程的基本理论的组成。
3,试述自然规律（ the order of nature）
的含义，并比较自然规律与假说这两个概
念。
4.什么叫创新？什么叫创新思路？
5.试述真理的含义，并比较相对真理和绝
对真理这两个概念。
2004.8 发酵原理 3
对于学科来说，其基
本理论的建立，往往是其
走向成熟的标志。
2004.8 发酵原理 4
上个世纪下半叶，有关发酵工程的科学研
究已经显示了发酵学科与其相关学科的相互交
叉和融合； 21世纪这种交叉和融合将更加突出。
发酵科学研究中，生物化学、分子生物学、微
生物代谢生理学、细胞学等生物学分支学科的
相互交叉和融合，发酵学、化学、生物学的相
互交叉和融合，以及自然科学、社会科学和哲
学的相互交叉和融合，正在推动发酵科学理论
和方法的发展。这样的相互交叉和融合催生了
发酵学基本理论框架，并 正在促进发酵学科的
成熟和发酵学的形成。
2004.8 发酵原理 5
本章将要对发酵学基本理论框
架作一个归纳性的小结，目的不但
在于使已学过的知识系统化，更重
要的是让您沿着研究者走过的思想
之路走一遍，用自己的头脑好好想
一想，该怎样去发现发酵科学的规
律，该怎样去建立发酵科学自成系
统的理论。
第一节 科学研究与科学方法
2004.8 发酵原理 7
另有课前讲座《科学
研究和科学方法》，紧接
在《绪论》后面讲。
第二节 发酵工程的基本理论
2004.8 发酵原理 9
发酵工程的基本理论由自然规律、应
用性预测和创新思路等部分组成，目前已
形成以下框架结构：
①自然规律：微生物生命活动的三个基本
假说（分析自然现象，发现自然规律）；
②应用性预测：工业发酵的八个预测（出
于人类功利，预测未来生产）；
③创新思路：细胞机器的工作模式；微生
物代谢的五段式；工业发酵的五字策略。
2004.8 发酵原理 10
5.2.1 自然规律：
微生物生命活动的三个基本假说
5.2.2 应用性推理：
工业发酵的八个预测
5.2.3 创新思路
2004.8 发酵原理 11
5.2.1 自然规律：微生物生命
活动的三个基本假说
2004.8 发酵原理 12
在上个世纪 70年代形成的现代
生物学关于物质流动、能量流动、
以及信息流动这三种流动的观点的
启发下，跨出了认真研究工业发酵
复杂系统的第一步。
2004.8 发酵原理 13
工业发酵是微生物群体活动的
动态过程。此过程靠如下三种流动
来维系，即伴随能量形式的转换而
发生的电子流动、伴随异化和同化
作用而发生的物质流动以及伴随不
同水平上的代谢调节而发生的信息
流动。
2004.8 发酵原理 14
关于微生物生命活动的三个基
本假说，是在分析自然现象（微生
物的初级代谢）的基础上，发现的
关于微生物初级代谢的自然规律。
因为这三个基本假说以工业发酵为
切入点，在工业发酵领域应用，所
以把它们称为发酵学假说。
2004.8 发酵原理 15
5.2.1.1 发酵学第一假说 · 代谢能支撑假说
微生物是工业发酵的灵魂，没有微生
物就没有工业发酵；微生物细胞的生命活
动必须由代谢能来支撑（持续地供应代谢
能），工业发酵必须由活的微生物细胞来
支撑。因此，代谢能支撑假说确定了工业
发酵的生物学属性。
2004.8 发酵原理 16
代谢能支撑假说：
能直接推动生命活动（做细胞
功）的能量形式叫做代谢能。微生
物细胞依靠其自备的能量转换机构，
把化学能或光能持续地转化成代谢
能，并直接用来支撑其自身的生命
活动。
2004.8 发酵原理 17
因为微生物细胞独立存在自主生
存，微生物细胞的生命活动需要的代
谢能要靠微生物细胞自己解决，其解
决的办法就是用它自备的能量转换机
构把其他形式的能量转化成代谢能。
工业发酵的过程是依靠微生物细胞生
命活动获得目的产物的过程，从根本
上区别于化学合成工业和生化工业。
2004.8 发酵原理 18
代谢能支撑假说提示：
工业发酵成功的
底线是要有微生物生
命活动。
2004.8 发酵原理 19
讨论要点
①什么是“代谢能”？
②什么是“细胞功”？
③什么是“自备的能量转换机
构”？
④支撑的含义是什么？
2004.8 发酵原理 20
5.2.1.2 发酵学第二假说 · 代谢网络假说
代谢网络假说描述了代谢网络的存
在方式和代谢的双重功能，对碳架物质
在微生物细胞内的有序流动的现象做出
了解释。
2004.8 发酵原理 21
代谢网络假说：
代谢途径与输送系统在蛋白质水
平上整合、在辅因子水平上协调而形
成的横跨微生物活细胞内外的代谢网
络，是可调节的、无尺度的网络，代
谢网络作为一个整体来承担微生物细
胞的物质代谢和能量代谢。
2004.8 发酵原理 22
由生化反应网络和跨膜输送系统组
成的代谢网络既没有绝对的起点，也没
有绝对的终点，可以认为 代谢网络是类
似于互联网的无尺度网络 。对于工业发
酵来说，代谢网络假设把代谢形象化为
一个虚拟的网络 —— 新原料和新产品开
发的蓝图。
2004.8 发酵原理 23
代谢网络假说提示：
工业发酵是可以操作的，
开拓新产品和新原料是有理论
根据的。
2004.8 发酵原理 24
讨论要点：
①什么是代谢网络？它有什么特点？
②为什么代谢网络是一个整体？
③代谢网络承担什么任务？
④明确概念：代谢途径，载流途径、
载流路径、网络板块、亚网络。
2004.8 发酵原理 25
5.2.1.3发酵学第三假说 · 细胞经济假说
细胞经济假说阐述了微生物细胞为
了生存和竞争而进行自身调整的保障机
制。微生物是自然界长期进化的产物，
它之所以能生存至今，自然有它的独特
的优越性。在我们对微生物改造之前，
它们自身已经形成了完整的细胞经济体
系。
2004.8 发酵原理 26
细胞经济假说：
微生物细胞是个远离平衡状态的
不平衡的开放体系，是在物竞天择的
基础上形成的细胞经济体系。细胞经
济体系是微生物细胞生存的保障体系，
它为细胞的适应性、经济性和代谢的
持续性提供保障。
2004.8 发酵原理 27
细胞经济假说是建立在代谢能支
撑假说和代谢网络假说基础上，又是
为代谢能支撑假说和代谢网络假说服
务的。细胞经济假说为代谢能的开支、
代谢网络中各种代谢物库的大小，以
及代谢流中碳架物质的流量大小和分
支处的流量分配提供了解释的依据。
2004.8 发酵原理 28
细胞经济假说提示：
人的主观能动性的发挥
是建立在对微生物代谢的充
分了解的基础之上的。
2004.8 发酵原理 29
讨论要点：
①什么是细胞经济体系？
②为什么说细胞经济体系是微生物
细胞生存的保障体系？
③为什么说细胞经济运行状况可以
改变，管理原则不会改变？
2004.8 发酵原理 30
5.2.1.4 基本假说之间的关系
微生物活细胞是远离平衡状态的、
不平衡的开放体系，又是个实现能量
形式转换和支配有限资源的经济实体，
它的生命过程就是在代谢能支撑下的
经代谢网络进行能量代谢和物质代谢
的过程，即细胞的经济运行过程。
2004.8 发酵原理 31
微生物生命活动的第一假设反
映微生物生命活动的前提（代谢能
的持续供应），第二假设体现微生
物生命活动的内容（能量、物质的
转化关系），第三假设揭示微生物
生命活动的法则（人和微生物合作
的切入点）。
2004.8 发酵原理 32
三个假说是相互联系的有机整体，
其中物质流是基础，能量是实现这一
流动的驱动力，而信息则是使物质和
能量向着预定的方向流动的总指挥棒。
三个假说分别从能量，物质和信息三
个角度支撑发酵工业的“细胞机器”
的正常运转。
2004.8 发酵原理 33
微生物生命活动的三个基本假设从三个
不同的角度来分析同一个问题（微生物的生
命活动的问题），并体现了三者的相互联系
和相互协调。第一假设从生物能学和代谢能
对生命活动的支撑的角度认定微生物细胞是
代谢能转换器，第二假设从生化学和代谢的
角度认定微生物细胞是生化反应器和生物材
料加工器，第三假设从生物信息学和代谢调
节的角度认定微生物细胞是生物信息编码器，
信息传感、传递和处理系统。
2004.8 发酵原理 34
综上所述，能量代谢需借
助代谢网络来实现，代谢网络
的运行需要代谢能的支撑。能
量代谢和物质代谢相互交叉，
并且都受细胞经济规律的规范
和制约。
2004.8 发酵原理 35
5.2.2 应用性推理：工业
发酵的八个预测
2004.8 发酵原理 36
现代发酵工程建立在对代谢能支撑、
代谢网络和细胞经济等三个基本假设的
深刻研究的基础上。代谢网络中代谢流
的流动依赖于代谢能支撑，受制于细胞
经济规律；而对代谢能支撑和细胞经济
的研究，又必须借助于它们的载体 ——
代谢网络。
2004.8 发酵原理 37
代谢能支撑假设揭示了工业发酵的原动
力，揭示了化能异养型微生物细胞能量代谢
的氧化还原本质；代谢网络假设把代谢途径
和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体，
称为代谢网络，以有利于从宏观上把握微生
物的代谢，为工业发酵中原料的利用和产物
的合成提供了分析的依据和实际操作的指导；
细胞经济的概念的提出，为正确处理工业发
酵中人的主观愿望与微生物生命活动的客观
规律的对立统一关系提供了理论依据。
2004.8 发酵原理 38
按本章 5.2.1介绍，假说是建立在观
察和其他知识源泉的基础上的，并且可
以预言在特定的条件下某类事件将怎样
发生。我们要通过检验假说的预测能力，
审查该假说是否正确。如果假说是不正
确的，就把它否定掉，并必须构建新的
假说。因此我们从这三个假说做出了若
干个预测。
2004.8 发酵原理 39
探索自然规律，目的在于应用，首
先预测未来的工业发酵。在三个假说的
基础上，主要从典型的工业发酵（本章
5.2.3）着手，对未来工业发酵做出的预
测，从预测的结果检验假说是否不正确，
是否得到工业生产实践的支持。在探索
真理的过程中，这一步是关键性的一步。
因此这八个预测还要经受进一步的观察
和实验的检验。
2004.8 发酵原理 40
另外，出于人类功利，也有必
要对未来发酵工业生产做出预测。
运用演绎推理的思维方法，根据以
上关于微生物初级代谢的三个基本
假说做出应用性预测，以便于调动
微生物为工业生产服务。
以下列出发酵工业生产的若干
应用性预测：
2004.8 发酵原理 41
【预测 1】物质能量转化的预测
如果假说 1,2成立，微生物细胞
可以经物质代谢和能量代谢，将其从
生存环境中获得的营养和能源物质，
转化成能量，包括代谢能和其他形式
的能量，以及其他物质，包括细胞、
可溶性有机物和气体。
2004.8 发酵原理 42
说明：
能量流与物质流是紧密联系在一起的，
没有物质流的运转，能量流无从谈起。而没
有能量流的存在，物质流也不能形成。能量
转化过程中自由能的损耗以热量的形式放出，
导致培养物温度升高。在发酵生产中，物质
流是我们追求的物质体现；营养物质经微生
物细胞的代谢生成细胞的中间代谢物和能量
代谢副产物，它们都是可溶性有机化合物；
有氧呼吸中还有有机物氧化的终端产物二氧
化碳生成。
2004.8 发酵原理 43
【预测 2】细胞资产流失的预测
如果预测 1 和假说 1,3 成立，
那么，进入细胞的物质中的一部分
将以胞外产物（包括物质代谢中间
产物和能量代谢副产物）和热能的
形式从细胞流失。
2004.8 发酵原理 44
说明：
代谢中间产物是细胞的分子模块，如果
作为工业发酵的目的产物而从细胞抽出，将
影响细胞的生长速度。能量代谢副产物不参
与细胞组成，及时排出细胞有利于能量代谢
的持续进行。在细胞机器运行的过程中，胞
外产物（包括物质代谢中间产物和能量代谢
副产物）和热能都要从总收入（进入细胞的
有机化合物）开支，从微生物细胞的角度来
看是细胞资产的流失。
2004.8 发酵原理 45
【预测 3】原料与产物的预测
如果预测 1,2和假说 2 成立，那
么代谢网络中任何一种中间产物，包
括借助生物学、化学方法可与代谢网
络联网的任何一种有机化合物，都有
可能被开发成为工业发酵的原料或目
的产物。
2004.8 发酵原理 46
说明：
物质代谢和能量代谢是同一过程
（代谢过程）的两个方面：生物体赖
以生存的代谢能的转化寓于物质转化
（微生物细胞自主解决代谢能问题）
之中；代谢网络假设把代谢形象化为
一个虚拟的网络 —— 新原料、新产品
开发的蓝图。
2004.8 发酵原理 47
代谢网络中任何一种中间产物原则上都
可能开发成工业发酵的新原料或新产品；如
果希望使用的有机原料或希望生产的产品
（有机化合物）不能在代谢网络上找到，按
计算机网络联网的思路，借助生物学（代谢
途径联网）、化学方法（化学反应联网）使
目标化合物（原料或产品）与微生物的代谢
网络联网，最终可能被开发成为工业发酵的
原料或目的产物。这就是由联网引起的代谢
网络的延伸。
2004.8 发酵原理 48
【预测 4】新的过程参数的预测
如果假说 1 成立，那么微生物生
成和分泌的能量代谢副产物的种类和
产量的变化，所放出的热量也将成为
工业发酵过程的工艺控制的重要数量
依据。
2004.8 发酵原理 49
说明：
在供氧条件或营养条件发生变化的情
况下，兼性厌氧微生物细胞内脱氢酶的辅
酶把它在脱氢反应中接受的电子转交给内
源的电子受体，生成能量代谢副产物排出
细胞，同时辅酶自身得到再生，再生后又
可回用于下一轮的脱氢反应，从而使用能
量代谢继续进行下去。因此，胞外能量代
谢副产物的种类和浓度的变化，以及群体
细胞所放出热量的变化能够反应细胞代谢
状况的变化。
2004.8 发酵原理 50
以往，因为代谢方面的知识的不
足，也因为受检测仪器和方法的限制，
对有关的能量代谢副产物在线检测和
记录工作没有跟上。预测在不远的将
来，这种情况会的到改善。乳酸、乙
酸,TCA环的某些羧酸的浓度，以及
所放出热量的变化可能成为新的发酵
过程参数。
2004.8 发酵原理 51
【预测 5】细胞机器的预测之一 （ 细胞机器
的推出 ）
如果预测 1,2和假说 1,2,3 成立，那
么根据工业生产对目的产物的种类和产量分
布的要求，借助菌种改良和发酵工艺控制，
可以对微生物细胞的代谢进行有目的的导向，
调整微生物细胞合成和分泌目的产物的种类
和产量分布，从而使微生物细胞成为工业发
酵生产线上的生物机器 —— 细胞机器。
2004.8 发酵原理 52
说明：关于细胞机器 5.2.3将有
详细介绍。
2004.8 发酵原理 53
【预测 6】细胞机器的预测之二（细胞
机器的监测）
如果预测 1,2,5 和假说 1,2,3
成立，微生物细胞作为发酵工厂生产线
上不可缺少的细胞机器，其数量和质量
对于工业生产的效率至关重要。因此，
不论是液体发酵法生产还是固体发酵法
生产，都有必要监测细胞数（或菌丝体
的量）和细胞生理状态。
2004.8 发酵原理 54
说明：
工业发酵依靠微生物细胞群体的代
谢活动。工业发酵生产的产率是细胞机
器群体的共同贡献。细胞机器的数量和
质量（生产效率）不应该混为一谈，应
该分别监测。因此就有必要建立相应的
监测方法和生产效率考核方法，而生产
效率的考核必须与细胞数量挂钩。
2004.8 发酵原理 55
【预测 7】细胞机器的预测之三（ 细胞机器
的控制 ）
如果预测 2,3,4,5 和假说 1,2,3
成立，除了与生长高度偶联的工业发酵外，
应区别对待工业发酵过程中细胞增殖（细胞
机器制造）阶段和目的产物合成（细胞机器
运转）阶段，建立与不同阶段相应的工艺规
程，并提供可执行此规程的设备条件，为两
个阶段之间的代谢的平稳过渡和生产任务的
完成提供保证。
2004.8 发酵原理 56
说明：
工业发酵中细胞机器的控制是个很复杂
的问题。要根据微生物细胞的代谢来制订发
酵生产的工艺规程，执行工艺规程还需有配
套的设备。这里涉及到细胞经济学的研究、
代谢工程的研究和发酵新设备的研究。工业
发酵生物学属性的发现和肯定，将会使 21世
纪的工业发酵向生物学靠拢，在化学、生物
学和工程学的共同支撑下，成为生物工业名
副其实的开路先锋。
2004.8 发酵原理 57
【预测 8】扩大能量流失的预测
如果预测 1,2 和假说 1,3 成立，
那么，就有可能借助于菌种改良和培
养条件的控制，对细胞的代谢进行有
限的导向，扩大代谢过程中能量的流
失，实现生物降解与细胞增长的
,脱钩,,从而限制有机废水净化
的过程中微生物细胞的增殖。
2004.8 发酵原理 58
说明：
如果在物竞天择的基础上建立的细胞
经济体系是微生物细胞生存的保障体系的
话，反其意而用之，就有可能借助于菌种
改良和培养条件的控制，通过对细胞的代
谢的有限的导向，譬如，扩大代谢过程中
能量的流失，以求生物降解过程与细胞群
体增长过程的分离，使微生物细胞成为有
机废水净化的生物催化剂（指生物降解过
程中细胞量基本维持在一个水平上）。
2004.8 发酵原理 59
5.2.3 创新思路
2004.8 发酵原理 60
对于微生物细胞生命活动（初级代谢）的
三个基本假说，我们已从信息、实验找到大量
的支持；从这些假说做出这些预测的也得到了
研究和生产事实的支持。在我们的在研究的范
围内，并没有发现假说和预测是不正确的。尽
管如此，所有这些还不能证明这三个假说是正
确的。如前所述，还必须通过对可供替代的假
说进行证伪，借助于逐个消除的办法来逼近假
说的真实性。只有当这些假说经受住所有证伪
的考验而依然没有被推翻，这三个假说才能被
接纳为相对的正确。
2004.8 发酵原理 61
然而，这三个假说及八个预测对某
一类事物提供的可能的解释，有些早已
不自觉地、不系统地作为推理的基础，
实验的指南，用于研究和生产，并获得
预期的效果。应该考虑怎样把这些假说
和事实组合成一个广泛适用的模式，建
立理论的框架；并期望在更多同行的共
同努力下，在不久的将来，使它上升为
系统的理论。
2004.8 发酵原理 62
理论是指已经实验证实的、可
以用来解释有关事实、偶然事件或
自然现象的原则，是根据客观存在
的普遍原理对事物做出解释的思想
体系。理论的存在并不意味着检验
的停止。
2004.8 发酵原理 63
为了研究的方便，已对复杂
而多样的工业发酵进行切合当前
发酵生产实际情况的合理分类和
梳理，找到了最有代表性的工业
发酵类型，并把它作为我们进行
研究的出发点。
当今最有代表性的工业发酵
有三个共性：
2004.8 发酵原理 64
典型的工业发酵：
①生产菌属于化能异养型微生物；
②目的产物是在初级代谢产物；
③细胞内合成的目的产物被排放到细
胞外。
把具有以上共性的工业发酵定义
为典型的工业发酵。工业发酵理论的
研究从这个基础水平上开始。
2004.8 发酵原理 65
在微生物细胞生命活动（初级
代谢）的八个基本假说和关于工业
发酵的八个预测的基础上，以典型
的工业发酵为研究的对象，已经形
成如下自成系统的创新思路：
2004.8 发酵原理 66
创新思路
⑴ 细胞机器的工作模式
⑵ 微生物代谢的五段式
⑶ 工业发酵的五字策略
2004.8 发酵原理 67
5.2.3.1细胞机器的工作模式
1,微生物细胞机器的概念：
微生物细胞能独立存在和自主生
活（ free-living ）。 现代发酵工程依
靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产
线上的不可缺少的加工（或转化）步
骤，在这个意义上，微生物活细胞就
是发酵工厂发酵生产线上不可缺少的
生产机器 —— 微生物生物机器。
2004.8 发酵原理 68
微生物细胞能独立存在和自主
生活，单个微生物细胞能独立地完
成能量转化及其自身的生长、繁殖
等生命过程，而不直接依赖于其他
同一类型的或不同类型的细胞，因
此微生物生物机器也就是微生物细
胞机器，简称细胞机器。
2004.8 发酵原理 69
工业发酵中的活细胞是
储存了生物信息的自动化的
细胞机器。细胞机器与普通
意义上的机器不同，主要表
现在以下三个方面：
2004.8 发酵原理 70
① 细胞机器必须由其自供的代谢能
（ metabolic energy） 直接驱动；
② 在发酵工厂的生产线上的细胞机
器,必须完成微生物细胞机器自身
的,在线制造,（细胞增殖）和
,生产运行,（目的产物的合成和
输出）的双重任务；
2004.8 发酵原理 71
③工业发酵的细胞机器来源于
自然界的细胞（生产菌种从野
生菌株育成），其细胞的构造
原理和运行机制尚未完全掌握；
而普通意义上的机器则完全是
由人设计和制造的，因此是知
根知底的。
2004.8 发酵原理 72
细胞机器与微生物细胞不
同，主要表现在以下方面：
2004.8 发酵原理 73
①细胞机器是经过人改造或引导
的、体现人的意志的细胞，而天
然的微生物细胞则是经过自然竞
争考验的；
②细胞机器一般要求有配套的环
境条件才能实现其功能，而天然
的微生物细胞相比之下对环境有
较强的适应性；
2004.8 发酵原理 74
③人对细胞机器的代谢调节机
制已有一定的了解，而对天然
的微生物细胞一般没有专一的
了解；
④ 微生物细胞是生物学的概念，
细胞机器是工程学的概念。
2004.8 发酵原理 75
2,细胞机器的工作模式
经过抽象思维，为细胞机器建立工作
模式，画出了细胞机器的个体工作模式图。
工作模式适用范围：典型的工业发酵。
典型的工业发酵：
①生产菌属于化能异养型微生物；
②目的产物是在初级代谢产物；
③细胞内合成的目的产物被排放到细
胞外。
2004.8 发酵原理 76
微生物细胞机器的工作模式
Working pattern of bio-machines in
Industrial Fermentation
2004.8 发酵原理 77
这个抽象的图式很简单，它由一个椭圆
和一条贯穿这个椭圆的、有方向性的曲线组
成。椭圆代表细胞机器的界面，曲线代表生
物加工的路径。细胞机器是由界面包围的、
能自动响应环境变化的机器，处于生产状态
的细胞机器通过一条贯穿机器的路经将环境
中的有机原料转化成指定的工业发酵产品。
工业发酵生产过程是 亿万同样的 细胞机器一
起运转的过程 。
2004.8 发酵原理 78
这个工作模式把细胞机器的工
作抽象成三步：
① 输入：培养基中的有机营养物质
跨膜进入微生物活细胞；
② 暗箱操作：微生物细胞的代谢促
成工业发酵的目的产物在胞内生成；
③ 输出：工业发酵的目的产物跨过
细胞膜被排放到细胞外。
2004.8 发酵原理 79
图中界面包围部分是进行暗箱操
作的地方，曲线代表路径，借助于这
条路径有机原料（生产原料）进入细
胞，经过代谢转换，以一种变化了的
物质形式（目的产物）输出；代谢转
换形成的代谢能，用来保证细胞机器
的运转及基本的结构和功能的维护。
2004.8 发酵原理 80
5.2.3.2 微生物代谢的五段式
在细胞机器工作模式的基
础上，提出了工业发酵中微生
物代谢的五段式。
2004.8 发酵原理 81
1,起始段,2,向心段,3,中心段,4,离心段,5,完成段
微 生 物 代 谢 的 五 段 式
胞外降解
及跨膜步
骤
向
心
途
径
中心（代谢）途径
离
心
途
径
跨膜步骤
和胞外修
饰
① ② ③ ④ ⑤
2004.8 发酵原理 82
载流路径是指细胞机器生物加工的
路径。 细胞外的营养物质首先从培养环
境（培养基）跨膜进入细胞；然后，一
般要经过向心途径、中心途径和离心途
径等三段连续的代谢途径的代谢，才能
在胞内生成目的产物；最后，目的产物
经过细胞质膜排出细胞，回到环境（发
酵醪液）。
2004.8 发酵原理 83
因此，典型的载流路径（有碳架物
质流过的途径）应该由存在于代谢网络
中的以上五段承担不同代谢分工的依次
衔接的代谢途径组成的、依次穿过代谢
网络的三个板块（ 向心板块、中心板块、
离心板块 ）的路径。这就是 载流路径的
五段式。 这五段依次为：① 起始段,②
向心段,③ 中心段,④ 离心段,⑤ 完成
段 。
2004.8 发酵原理 84
在这条载流路径上流动的代
谢主流也有对应的五段，从而派
生出工业发酵 代谢主流的五段式 。
载流路径的五段式与工业发酵 代
谢主流的五段式 总称为 微生物代
谢的五段式。
2004.8 发酵原理 85
5.2.3.3 工业发酵的五字策略
在代谢网络假说、微生物细胞
机器的工作模式和微生物代谢的五
段式的基础上，提出了工业发酵菌
种选育和工艺控制的五字策略，简
称工业发酵的五字策略。
2004.8 发酵原理 86
工业发酵的五字策略的示意图
N PP
进 出通 节 堵
2004.8 发酵原理 87
这五个字的含义分别是：
①进：促进细胞对碳源等营养物质的吸收；
②通：使来自上游和各个注入分支的碳架物质
能畅通地流向目的产物；
③节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大
的代谢支流，使碳架物质相对集中地流
向目的产物；
④堵：消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；
⑤出：促进目的产物向胞外空间分泌。
2004.8 发酵原理 88
五字策略是建立在人一厢情愿基础上
的统筹策略。尽管按五字策略制定育种方
案，是以代谢途径及其调节机制为依据的，
但目前还不可能把未知的代谢刚性因素全
部考虑在内，在实施时也就不可能完全达
到预期目标。因此，在做育种（特别是分
子生物学育种）工作前仍需用代谢流量分
析、代谢网络分析来校验、补充和修正按
五字策略制定的方案。
2004.8 发酵原理 89
对载流路径上的主要节点（产物形成时代
谢流量发生明显改变的节点）的性质要做到心
中有数。如果目标节点为挠性节点（ flexible
node） 或弱刚性节点（ weakly rigid node），
按五字策略制定的方案就具有可行性，因为挠
性节点对代谢流的导向是最顺从的。对于刚性
节点，仅仅改变下游反应的酶水平或活性，是
不可能对代谢流进行顺利导向的，就必须进行
具体分析，在弄清该刚性节点形成原因，设计
补救的条件，经过实验，仍有可能实现一定程
度的代谢导向。
2004.8 发酵原理 90
通过物理，化学或生物的方法来促
使微生物的基因发生突变，在 DNA水平
上，对代谢流进行导向，属于育种的范
畴。五字策略的目的是拓宽并理顺直达
目的点（目的产物）的路径，增加通往
终点的流量，尽量减少分支的消耗，使
碳架物质在尽可能经理想载流路径流往
目的产物。这个思路对生产率的提高无
疑有着深远的意义。
2004.8 发酵原理 91
五字策略与代谢工程的分子育种有
关分析是互补的，各有侧重的。采用五
字策略进行常规育种，实验成本低、周
期短，一般（五个字中只要有两三个字
有效）都能取得比较好的效果；而且，
常规育种的成果菌种往往作为基因供体
菌，用于代谢工程育种。因此，从长计
议，五字策略作为宏观指导，不论对哪
一类育种方法都是有潜力的。
2004.8 发酵原理 92
发酵过程中，人们通过培养
基配方、温度,pH,供氧、搅拌
速率、接种量、补料、流加，甚
至发酵方式、产品抽出等的调控，
将意见转达给微生物，对微生物
的代谢进行导向；工艺的优化是
人类与微生物交流的一种最简便
的方式。
2004.8 发酵原理 93
对信息流的把握使我们和微
生物之间的对话变的越加容易和
准确，也正是对信息流的把握使
我们对物质和能量流的控制成为
可能，准确调动代谢流的理想也
正在促进着对信息流的研究和探
索。
2004.8 发酵原理 94
在发酵工业中，生物信息的有效
应用将取代以往以利用增加投入来提
高收益的陈旧思路。我们对生物体了
解的越多，我们利用微生物的自由度
就越大，所以细胞经济假说在发酵工
业中起着举足轻重的作用。谁掌握了
最先进的生物信息和细胞经济信息，
谁就可能在工业发酵的竞争中占有绝
对的优势。
2004.8 发酵原理 95
小结：创造性思维比死记书本知识
更重要，因为书本知识是有限的，
而创造性思维则可以尽可能多地概
括现存的信息，推动生产的发展、
社会的进步，是人类先进思想和文
化的源泉。大学教学的目的是要培
养有创新意识的、无师自通的人。
第五章
2004.8 发酵原理 2
本章提示：
1.对于学科来说，其基本理论的建立往往
是其走向成熟的标志吗？能不能说《发酵
原理》课程是发酵学科向生物工程学科系
统升级的关键课程？
2.发酵工程的基本理论的组成。
3,试述自然规律（ the order of nature）
的含义，并比较自然规律与假说这两个概
念。
4.什么叫创新？什么叫创新思路？
5.试述真理的含义，并比较相对真理和绝
对真理这两个概念。
2004.8 发酵原理 3
对于学科来说，其基
本理论的建立，往往是其
走向成熟的标志。
2004.8 发酵原理 4
上个世纪下半叶，有关发酵工程的科学研
究已经显示了发酵学科与其相关学科的相互交
叉和融合； 21世纪这种交叉和融合将更加突出。
发酵科学研究中，生物化学、分子生物学、微
生物代谢生理学、细胞学等生物学分支学科的
相互交叉和融合，发酵学、化学、生物学的相
互交叉和融合，以及自然科学、社会科学和哲
学的相互交叉和融合，正在推动发酵科学理论
和方法的发展。这样的相互交叉和融合催生了
发酵学基本理论框架，并 正在促进发酵学科的
成熟和发酵学的形成。
2004.8 发酵原理 5
本章将要对发酵学基本理论框
架作一个归纳性的小结，目的不但
在于使已学过的知识系统化，更重
要的是让您沿着研究者走过的思想
之路走一遍，用自己的头脑好好想
一想，该怎样去发现发酵科学的规
律，该怎样去建立发酵科学自成系
统的理论。
第一节 科学研究与科学方法
2004.8 发酵原理 7
另有课前讲座《科学
研究和科学方法》，紧接
在《绪论》后面讲。
第二节 发酵工程的基本理论
2004.8 发酵原理 9
发酵工程的基本理论由自然规律、应
用性预测和创新思路等部分组成，目前已
形成以下框架结构：
①自然规律：微生物生命活动的三个基本
假说（分析自然现象，发现自然规律）；
②应用性预测：工业发酵的八个预测（出
于人类功利，预测未来生产）；
③创新思路：细胞机器的工作模式；微生
物代谢的五段式；工业发酵的五字策略。
2004.8 发酵原理 10
5.2.1 自然规律：
微生物生命活动的三个基本假说
5.2.2 应用性推理：
工业发酵的八个预测
5.2.3 创新思路
2004.8 发酵原理 11
5.2.1 自然规律：微生物生命
活动的三个基本假说
2004.8 发酵原理 12
在上个世纪 70年代形成的现代
生物学关于物质流动、能量流动、
以及信息流动这三种流动的观点的
启发下，跨出了认真研究工业发酵
复杂系统的第一步。
2004.8 发酵原理 13
工业发酵是微生物群体活动的
动态过程。此过程靠如下三种流动
来维系，即伴随能量形式的转换而
发生的电子流动、伴随异化和同化
作用而发生的物质流动以及伴随不
同水平上的代谢调节而发生的信息
流动。
2004.8 发酵原理 14
关于微生物生命活动的三个基
本假说，是在分析自然现象（微生
物的初级代谢）的基础上，发现的
关于微生物初级代谢的自然规律。
因为这三个基本假说以工业发酵为
切入点，在工业发酵领域应用，所
以把它们称为发酵学假说。
2004.8 发酵原理 15
5.2.1.1 发酵学第一假说 · 代谢能支撑假说
微生物是工业发酵的灵魂，没有微生
物就没有工业发酵；微生物细胞的生命活
动必须由代谢能来支撑（持续地供应代谢
能），工业发酵必须由活的微生物细胞来
支撑。因此，代谢能支撑假说确定了工业
发酵的生物学属性。
2004.8 发酵原理 16
代谢能支撑假说：
能直接推动生命活动（做细胞
功）的能量形式叫做代谢能。微生
物细胞依靠其自备的能量转换机构，
把化学能或光能持续地转化成代谢
能，并直接用来支撑其自身的生命
活动。
2004.8 发酵原理 17
因为微生物细胞独立存在自主生
存，微生物细胞的生命活动需要的代
谢能要靠微生物细胞自己解决，其解
决的办法就是用它自备的能量转换机
构把其他形式的能量转化成代谢能。
工业发酵的过程是依靠微生物细胞生
命活动获得目的产物的过程，从根本
上区别于化学合成工业和生化工业。
2004.8 发酵原理 18
代谢能支撑假说提示：
工业发酵成功的
底线是要有微生物生
命活动。
2004.8 发酵原理 19
讨论要点
①什么是“代谢能”？
②什么是“细胞功”？
③什么是“自备的能量转换机
构”？
④支撑的含义是什么？
2004.8 发酵原理 20
5.2.1.2 发酵学第二假说 · 代谢网络假说
代谢网络假说描述了代谢网络的存
在方式和代谢的双重功能，对碳架物质
在微生物细胞内的有序流动的现象做出
了解释。
2004.8 发酵原理 21
代谢网络假说：
代谢途径与输送系统在蛋白质水
平上整合、在辅因子水平上协调而形
成的横跨微生物活细胞内外的代谢网
络，是可调节的、无尺度的网络，代
谢网络作为一个整体来承担微生物细
胞的物质代谢和能量代谢。
2004.8 发酵原理 22
由生化反应网络和跨膜输送系统组
成的代谢网络既没有绝对的起点，也没
有绝对的终点，可以认为 代谢网络是类
似于互联网的无尺度网络 。对于工业发
酵来说，代谢网络假设把代谢形象化为
一个虚拟的网络 —— 新原料和新产品开
发的蓝图。
2004.8 发酵原理 23
代谢网络假说提示：
工业发酵是可以操作的，
开拓新产品和新原料是有理论
根据的。
2004.8 发酵原理 24
讨论要点：
①什么是代谢网络？它有什么特点？
②为什么代谢网络是一个整体？
③代谢网络承担什么任务？
④明确概念：代谢途径，载流途径、
载流路径、网络板块、亚网络。
2004.8 发酵原理 25
5.2.1.3发酵学第三假说 · 细胞经济假说
细胞经济假说阐述了微生物细胞为
了生存和竞争而进行自身调整的保障机
制。微生物是自然界长期进化的产物，
它之所以能生存至今，自然有它的独特
的优越性。在我们对微生物改造之前，
它们自身已经形成了完整的细胞经济体
系。
2004.8 发酵原理 26
细胞经济假说：
微生物细胞是个远离平衡状态的
不平衡的开放体系，是在物竞天择的
基础上形成的细胞经济体系。细胞经
济体系是微生物细胞生存的保障体系，
它为细胞的适应性、经济性和代谢的
持续性提供保障。
2004.8 发酵原理 27
细胞经济假说是建立在代谢能支
撑假说和代谢网络假说基础上，又是
为代谢能支撑假说和代谢网络假说服
务的。细胞经济假说为代谢能的开支、
代谢网络中各种代谢物库的大小，以
及代谢流中碳架物质的流量大小和分
支处的流量分配提供了解释的依据。
2004.8 发酵原理 28
细胞经济假说提示：
人的主观能动性的发挥
是建立在对微生物代谢的充
分了解的基础之上的。
2004.8 发酵原理 29
讨论要点：
①什么是细胞经济体系？
②为什么说细胞经济体系是微生物
细胞生存的保障体系？
③为什么说细胞经济运行状况可以
改变，管理原则不会改变？
2004.8 发酵原理 30
5.2.1.4 基本假说之间的关系
微生物活细胞是远离平衡状态的、
不平衡的开放体系，又是个实现能量
形式转换和支配有限资源的经济实体，
它的生命过程就是在代谢能支撑下的
经代谢网络进行能量代谢和物质代谢
的过程，即细胞的经济运行过程。
2004.8 发酵原理 31
微生物生命活动的第一假设反
映微生物生命活动的前提（代谢能
的持续供应），第二假设体现微生
物生命活动的内容（能量、物质的
转化关系），第三假设揭示微生物
生命活动的法则（人和微生物合作
的切入点）。
2004.8 发酵原理 32
三个假说是相互联系的有机整体，
其中物质流是基础，能量是实现这一
流动的驱动力，而信息则是使物质和
能量向着预定的方向流动的总指挥棒。
三个假说分别从能量，物质和信息三
个角度支撑发酵工业的“细胞机器”
的正常运转。
2004.8 发酵原理 33
微生物生命活动的三个基本假设从三个
不同的角度来分析同一个问题（微生物的生
命活动的问题），并体现了三者的相互联系
和相互协调。第一假设从生物能学和代谢能
对生命活动的支撑的角度认定微生物细胞是
代谢能转换器，第二假设从生化学和代谢的
角度认定微生物细胞是生化反应器和生物材
料加工器，第三假设从生物信息学和代谢调
节的角度认定微生物细胞是生物信息编码器，
信息传感、传递和处理系统。
2004.8 发酵原理 34
综上所述，能量代谢需借
助代谢网络来实现，代谢网络
的运行需要代谢能的支撑。能
量代谢和物质代谢相互交叉，
并且都受细胞经济规律的规范
和制约。
2004.8 发酵原理 35
5.2.2 应用性推理：工业
发酵的八个预测
2004.8 发酵原理 36
现代发酵工程建立在对代谢能支撑、
代谢网络和细胞经济等三个基本假设的
深刻研究的基础上。代谢网络中代谢流
的流动依赖于代谢能支撑，受制于细胞
经济规律；而对代谢能支撑和细胞经济
的研究，又必须借助于它们的载体 ——
代谢网络。
2004.8 发酵原理 37
代谢能支撑假设揭示了工业发酵的原动
力，揭示了化能异养型微生物细胞能量代谢
的氧化还原本质；代谢网络假设把代谢途径
和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体，
称为代谢网络，以有利于从宏观上把握微生
物的代谢，为工业发酵中原料的利用和产物
的合成提供了分析的依据和实际操作的指导；
细胞经济的概念的提出，为正确处理工业发
酵中人的主观愿望与微生物生命活动的客观
规律的对立统一关系提供了理论依据。
2004.8 发酵原理 38
按本章 5.2.1介绍，假说是建立在观
察和其他知识源泉的基础上的，并且可
以预言在特定的条件下某类事件将怎样
发生。我们要通过检验假说的预测能力，
审查该假说是否正确。如果假说是不正
确的，就把它否定掉，并必须构建新的
假说。因此我们从这三个假说做出了若
干个预测。
2004.8 发酵原理 39
探索自然规律，目的在于应用，首
先预测未来的工业发酵。在三个假说的
基础上，主要从典型的工业发酵（本章
5.2.3）着手，对未来工业发酵做出的预
测，从预测的结果检验假说是否不正确，
是否得到工业生产实践的支持。在探索
真理的过程中，这一步是关键性的一步。
因此这八个预测还要经受进一步的观察
和实验的检验。
2004.8 发酵原理 40
另外，出于人类功利，也有必
要对未来发酵工业生产做出预测。
运用演绎推理的思维方法，根据以
上关于微生物初级代谢的三个基本
假说做出应用性预测，以便于调动
微生物为工业生产服务。
以下列出发酵工业生产的若干
应用性预测：
2004.8 发酵原理 41
【预测 1】物质能量转化的预测
如果假说 1,2成立，微生物细胞
可以经物质代谢和能量代谢，将其从
生存环境中获得的营养和能源物质，
转化成能量，包括代谢能和其他形式
的能量，以及其他物质，包括细胞、
可溶性有机物和气体。
2004.8 发酵原理 42
说明：
能量流与物质流是紧密联系在一起的，
没有物质流的运转，能量流无从谈起。而没
有能量流的存在，物质流也不能形成。能量
转化过程中自由能的损耗以热量的形式放出，
导致培养物温度升高。在发酵生产中，物质
流是我们追求的物质体现；营养物质经微生
物细胞的代谢生成细胞的中间代谢物和能量
代谢副产物，它们都是可溶性有机化合物；
有氧呼吸中还有有机物氧化的终端产物二氧
化碳生成。
2004.8 发酵原理 43
【预测 2】细胞资产流失的预测
如果预测 1 和假说 1,3 成立，
那么，进入细胞的物质中的一部分
将以胞外产物（包括物质代谢中间
产物和能量代谢副产物）和热能的
形式从细胞流失。
2004.8 发酵原理 44
说明：
代谢中间产物是细胞的分子模块，如果
作为工业发酵的目的产物而从细胞抽出，将
影响细胞的生长速度。能量代谢副产物不参
与细胞组成，及时排出细胞有利于能量代谢
的持续进行。在细胞机器运行的过程中，胞
外产物（包括物质代谢中间产物和能量代谢
副产物）和热能都要从总收入（进入细胞的
有机化合物）开支，从微生物细胞的角度来
看是细胞资产的流失。
2004.8 发酵原理 45
【预测 3】原料与产物的预测
如果预测 1,2和假说 2 成立，那
么代谢网络中任何一种中间产物，包
括借助生物学、化学方法可与代谢网
络联网的任何一种有机化合物，都有
可能被开发成为工业发酵的原料或目
的产物。
2004.8 发酵原理 46
说明：
物质代谢和能量代谢是同一过程
（代谢过程）的两个方面：生物体赖
以生存的代谢能的转化寓于物质转化
（微生物细胞自主解决代谢能问题）
之中；代谢网络假设把代谢形象化为
一个虚拟的网络 —— 新原料、新产品
开发的蓝图。
2004.8 发酵原理 47
代谢网络中任何一种中间产物原则上都
可能开发成工业发酵的新原料或新产品；如
果希望使用的有机原料或希望生产的产品
（有机化合物）不能在代谢网络上找到，按
计算机网络联网的思路，借助生物学（代谢
途径联网）、化学方法（化学反应联网）使
目标化合物（原料或产品）与微生物的代谢
网络联网，最终可能被开发成为工业发酵的
原料或目的产物。这就是由联网引起的代谢
网络的延伸。
2004.8 发酵原理 48
【预测 4】新的过程参数的预测
如果假说 1 成立，那么微生物生
成和分泌的能量代谢副产物的种类和
产量的变化，所放出的热量也将成为
工业发酵过程的工艺控制的重要数量
依据。
2004.8 发酵原理 49
说明：
在供氧条件或营养条件发生变化的情
况下，兼性厌氧微生物细胞内脱氢酶的辅
酶把它在脱氢反应中接受的电子转交给内
源的电子受体，生成能量代谢副产物排出
细胞，同时辅酶自身得到再生，再生后又
可回用于下一轮的脱氢反应，从而使用能
量代谢继续进行下去。因此，胞外能量代
谢副产物的种类和浓度的变化，以及群体
细胞所放出热量的变化能够反应细胞代谢
状况的变化。
2004.8 发酵原理 50
以往，因为代谢方面的知识的不
足，也因为受检测仪器和方法的限制，
对有关的能量代谢副产物在线检测和
记录工作没有跟上。预测在不远的将
来，这种情况会的到改善。乳酸、乙
酸,TCA环的某些羧酸的浓度，以及
所放出热量的变化可能成为新的发酵
过程参数。
2004.8 发酵原理 51
【预测 5】细胞机器的预测之一 （ 细胞机器
的推出 ）
如果预测 1,2和假说 1,2,3 成立，那
么根据工业生产对目的产物的种类和产量分
布的要求，借助菌种改良和发酵工艺控制，
可以对微生物细胞的代谢进行有目的的导向，
调整微生物细胞合成和分泌目的产物的种类
和产量分布，从而使微生物细胞成为工业发
酵生产线上的生物机器 —— 细胞机器。
2004.8 发酵原理 52
说明：关于细胞机器 5.2.3将有
详细介绍。
2004.8 发酵原理 53
【预测 6】细胞机器的预测之二（细胞
机器的监测）
如果预测 1,2,5 和假说 1,2,3
成立，微生物细胞作为发酵工厂生产线
上不可缺少的细胞机器，其数量和质量
对于工业生产的效率至关重要。因此，
不论是液体发酵法生产还是固体发酵法
生产，都有必要监测细胞数（或菌丝体
的量）和细胞生理状态。
2004.8 发酵原理 54
说明：
工业发酵依靠微生物细胞群体的代
谢活动。工业发酵生产的产率是细胞机
器群体的共同贡献。细胞机器的数量和
质量（生产效率）不应该混为一谈，应
该分别监测。因此就有必要建立相应的
监测方法和生产效率考核方法，而生产
效率的考核必须与细胞数量挂钩。
2004.8 发酵原理 55
【预测 7】细胞机器的预测之三（ 细胞机器
的控制 ）
如果预测 2,3,4,5 和假说 1,2,3
成立，除了与生长高度偶联的工业发酵外，
应区别对待工业发酵过程中细胞增殖（细胞
机器制造）阶段和目的产物合成（细胞机器
运转）阶段，建立与不同阶段相应的工艺规
程，并提供可执行此规程的设备条件，为两
个阶段之间的代谢的平稳过渡和生产任务的
完成提供保证。
2004.8 发酵原理 56
说明：
工业发酵中细胞机器的控制是个很复杂
的问题。要根据微生物细胞的代谢来制订发
酵生产的工艺规程，执行工艺规程还需有配
套的设备。这里涉及到细胞经济学的研究、
代谢工程的研究和发酵新设备的研究。工业
发酵生物学属性的发现和肯定，将会使 21世
纪的工业发酵向生物学靠拢，在化学、生物
学和工程学的共同支撑下，成为生物工业名
副其实的开路先锋。
2004.8 发酵原理 57
【预测 8】扩大能量流失的预测
如果预测 1,2 和假说 1,3 成立，
那么，就有可能借助于菌种改良和培
养条件的控制，对细胞的代谢进行有
限的导向，扩大代谢过程中能量的流
失，实现生物降解与细胞增长的
,脱钩,,从而限制有机废水净化
的过程中微生物细胞的增殖。
2004.8 发酵原理 58
说明：
如果在物竞天择的基础上建立的细胞
经济体系是微生物细胞生存的保障体系的
话，反其意而用之，就有可能借助于菌种
改良和培养条件的控制，通过对细胞的代
谢的有限的导向，譬如，扩大代谢过程中
能量的流失，以求生物降解过程与细胞群
体增长过程的分离，使微生物细胞成为有
机废水净化的生物催化剂（指生物降解过
程中细胞量基本维持在一个水平上）。
2004.8 发酵原理 59
5.2.3 创新思路
2004.8 发酵原理 60
对于微生物细胞生命活动（初级代谢）的
三个基本假说，我们已从信息、实验找到大量
的支持；从这些假说做出这些预测的也得到了
研究和生产事实的支持。在我们的在研究的范
围内，并没有发现假说和预测是不正确的。尽
管如此，所有这些还不能证明这三个假说是正
确的。如前所述，还必须通过对可供替代的假
说进行证伪，借助于逐个消除的办法来逼近假
说的真实性。只有当这些假说经受住所有证伪
的考验而依然没有被推翻，这三个假说才能被
接纳为相对的正确。
2004.8 发酵原理 61
然而，这三个假说及八个预测对某
一类事物提供的可能的解释，有些早已
不自觉地、不系统地作为推理的基础，
实验的指南，用于研究和生产，并获得
预期的效果。应该考虑怎样把这些假说
和事实组合成一个广泛适用的模式，建
立理论的框架；并期望在更多同行的共
同努力下，在不久的将来，使它上升为
系统的理论。
2004.8 发酵原理 62
理论是指已经实验证实的、可
以用来解释有关事实、偶然事件或
自然现象的原则，是根据客观存在
的普遍原理对事物做出解释的思想
体系。理论的存在并不意味着检验
的停止。
2004.8 发酵原理 63
为了研究的方便，已对复杂
而多样的工业发酵进行切合当前
发酵生产实际情况的合理分类和
梳理，找到了最有代表性的工业
发酵类型，并把它作为我们进行
研究的出发点。
当今最有代表性的工业发酵
有三个共性：
2004.8 发酵原理 64
典型的工业发酵：
①生产菌属于化能异养型微生物；
②目的产物是在初级代谢产物；
③细胞内合成的目的产物被排放到细
胞外。
把具有以上共性的工业发酵定义
为典型的工业发酵。工业发酵理论的
研究从这个基础水平上开始。
2004.8 发酵原理 65
在微生物细胞生命活动（初级
代谢）的八个基本假说和关于工业
发酵的八个预测的基础上，以典型
的工业发酵为研究的对象，已经形
成如下自成系统的创新思路：
2004.8 发酵原理 66
创新思路
⑴ 细胞机器的工作模式
⑵ 微生物代谢的五段式
⑶ 工业发酵的五字策略
2004.8 发酵原理 67
5.2.3.1细胞机器的工作模式
1,微生物细胞机器的概念：
微生物细胞能独立存在和自主生
活（ free-living ）。 现代发酵工程依
靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产
线上的不可缺少的加工（或转化）步
骤，在这个意义上，微生物活细胞就
是发酵工厂发酵生产线上不可缺少的
生产机器 —— 微生物生物机器。
2004.8 发酵原理 68
微生物细胞能独立存在和自主
生活，单个微生物细胞能独立地完
成能量转化及其自身的生长、繁殖
等生命过程，而不直接依赖于其他
同一类型的或不同类型的细胞，因
此微生物生物机器也就是微生物细
胞机器，简称细胞机器。
2004.8 发酵原理 69
工业发酵中的活细胞是
储存了生物信息的自动化的
细胞机器。细胞机器与普通
意义上的机器不同，主要表
现在以下三个方面：
2004.8 发酵原理 70
① 细胞机器必须由其自供的代谢能
（ metabolic energy） 直接驱动；
② 在发酵工厂的生产线上的细胞机
器,必须完成微生物细胞机器自身
的,在线制造,（细胞增殖）和
,生产运行,（目的产物的合成和
输出）的双重任务；
2004.8 发酵原理 71
③工业发酵的细胞机器来源于
自然界的细胞（生产菌种从野
生菌株育成），其细胞的构造
原理和运行机制尚未完全掌握；
而普通意义上的机器则完全是
由人设计和制造的，因此是知
根知底的。
2004.8 发酵原理 72
细胞机器与微生物细胞不
同，主要表现在以下方面：
2004.8 发酵原理 73
①细胞机器是经过人改造或引导
的、体现人的意志的细胞，而天
然的微生物细胞则是经过自然竞
争考验的；
②细胞机器一般要求有配套的环
境条件才能实现其功能，而天然
的微生物细胞相比之下对环境有
较强的适应性；
2004.8 发酵原理 74
③人对细胞机器的代谢调节机
制已有一定的了解，而对天然
的微生物细胞一般没有专一的
了解；
④ 微生物细胞是生物学的概念，
细胞机器是工程学的概念。
2004.8 发酵原理 75
2,细胞机器的工作模式
经过抽象思维，为细胞机器建立工作
模式，画出了细胞机器的个体工作模式图。
工作模式适用范围：典型的工业发酵。
典型的工业发酵：
①生产菌属于化能异养型微生物；
②目的产物是在初级代谢产物；
③细胞内合成的目的产物被排放到细
胞外。
2004.8 发酵原理 76
微生物细胞机器的工作模式
Working pattern of bio-machines in
Industrial Fermentation
2004.8 发酵原理 77
这个抽象的图式很简单，它由一个椭圆
和一条贯穿这个椭圆的、有方向性的曲线组
成。椭圆代表细胞机器的界面，曲线代表生
物加工的路径。细胞机器是由界面包围的、
能自动响应环境变化的机器，处于生产状态
的细胞机器通过一条贯穿机器的路经将环境
中的有机原料转化成指定的工业发酵产品。
工业发酵生产过程是 亿万同样的 细胞机器一
起运转的过程 。
2004.8 发酵原理 78
这个工作模式把细胞机器的工
作抽象成三步：
① 输入：培养基中的有机营养物质
跨膜进入微生物活细胞；
② 暗箱操作：微生物细胞的代谢促
成工业发酵的目的产物在胞内生成；
③ 输出：工业发酵的目的产物跨过
细胞膜被排放到细胞外。
2004.8 发酵原理 79
图中界面包围部分是进行暗箱操
作的地方，曲线代表路径，借助于这
条路径有机原料（生产原料）进入细
胞，经过代谢转换，以一种变化了的
物质形式（目的产物）输出；代谢转
换形成的代谢能，用来保证细胞机器
的运转及基本的结构和功能的维护。
2004.8 发酵原理 80
5.2.3.2 微生物代谢的五段式
在细胞机器工作模式的基
础上，提出了工业发酵中微生
物代谢的五段式。
2004.8 发酵原理 81
1,起始段,2,向心段,3,中心段,4,离心段,5,完成段
微 生 物 代 谢 的 五 段 式
胞外降解
及跨膜步
骤
向
心
途
径
中心（代谢）途径
离
心
途
径
跨膜步骤
和胞外修
饰
① ② ③ ④ ⑤
2004.8 发酵原理 82
载流路径是指细胞机器生物加工的
路径。 细胞外的营养物质首先从培养环
境（培养基）跨膜进入细胞；然后，一
般要经过向心途径、中心途径和离心途
径等三段连续的代谢途径的代谢，才能
在胞内生成目的产物；最后，目的产物
经过细胞质膜排出细胞，回到环境（发
酵醪液）。
2004.8 发酵原理 83
因此，典型的载流路径（有碳架物
质流过的途径）应该由存在于代谢网络
中的以上五段承担不同代谢分工的依次
衔接的代谢途径组成的、依次穿过代谢
网络的三个板块（ 向心板块、中心板块、
离心板块 ）的路径。这就是 载流路径的
五段式。 这五段依次为：① 起始段,②
向心段,③ 中心段,④ 离心段,⑤ 完成
段 。
2004.8 发酵原理 84
在这条载流路径上流动的代
谢主流也有对应的五段，从而派
生出工业发酵 代谢主流的五段式 。
载流路径的五段式与工业发酵 代
谢主流的五段式 总称为 微生物代
谢的五段式。
2004.8 发酵原理 85
5.2.3.3 工业发酵的五字策略
在代谢网络假说、微生物细胞
机器的工作模式和微生物代谢的五
段式的基础上，提出了工业发酵菌
种选育和工艺控制的五字策略，简
称工业发酵的五字策略。
2004.8 发酵原理 86
工业发酵的五字策略的示意图
N PP
进 出通 节 堵
2004.8 发酵原理 87
这五个字的含义分别是：
①进：促进细胞对碳源等营养物质的吸收；
②通：使来自上游和各个注入分支的碳架物质
能畅通地流向目的产物；
③节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大
的代谢支流，使碳架物质相对集中地流
向目的产物；
④堵：消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；
⑤出：促进目的产物向胞外空间分泌。
2004.8 发酵原理 88
五字策略是建立在人一厢情愿基础上
的统筹策略。尽管按五字策略制定育种方
案，是以代谢途径及其调节机制为依据的，
但目前还不可能把未知的代谢刚性因素全
部考虑在内，在实施时也就不可能完全达
到预期目标。因此，在做育种（特别是分
子生物学育种）工作前仍需用代谢流量分
析、代谢网络分析来校验、补充和修正按
五字策略制定的方案。
2004.8 发酵原理 89
对载流路径上的主要节点（产物形成时代
谢流量发生明显改变的节点）的性质要做到心
中有数。如果目标节点为挠性节点（ flexible
node） 或弱刚性节点（ weakly rigid node），
按五字策略制定的方案就具有可行性，因为挠
性节点对代谢流的导向是最顺从的。对于刚性
节点，仅仅改变下游反应的酶水平或活性，是
不可能对代谢流进行顺利导向的，就必须进行
具体分析，在弄清该刚性节点形成原因，设计
补救的条件，经过实验，仍有可能实现一定程
度的代谢导向。
2004.8 发酵原理 90
通过物理，化学或生物的方法来促
使微生物的基因发生突变，在 DNA水平
上，对代谢流进行导向，属于育种的范
畴。五字策略的目的是拓宽并理顺直达
目的点（目的产物）的路径，增加通往
终点的流量，尽量减少分支的消耗，使
碳架物质在尽可能经理想载流路径流往
目的产物。这个思路对生产率的提高无
疑有着深远的意义。
2004.8 发酵原理 91
五字策略与代谢工程的分子育种有
关分析是互补的，各有侧重的。采用五
字策略进行常规育种，实验成本低、周
期短，一般（五个字中只要有两三个字
有效）都能取得比较好的效果；而且，
常规育种的成果菌种往往作为基因供体
菌，用于代谢工程育种。因此，从长计
议，五字策略作为宏观指导，不论对哪
一类育种方法都是有潜力的。
2004.8 发酵原理 92
发酵过程中，人们通过培养
基配方、温度,pH,供氧、搅拌
速率、接种量、补料、流加，甚
至发酵方式、产品抽出等的调控，
将意见转达给微生物，对微生物
的代谢进行导向；工艺的优化是
人类与微生物交流的一种最简便
的方式。
2004.8 发酵原理 93
对信息流的把握使我们和微
生物之间的对话变的越加容易和
准确，也正是对信息流的把握使
我们对物质和能量流的控制成为
可能，准确调动代谢流的理想也
正在促进着对信息流的研究和探
索。
2004.8 发酵原理 94
在发酵工业中，生物信息的有效
应用将取代以往以利用增加投入来提
高收益的陈旧思路。我们对生物体了
解的越多，我们利用微生物的自由度
就越大，所以细胞经济假说在发酵工
业中起着举足轻重的作用。谁掌握了
最先进的生物信息和细胞经济信息，
谁就可能在工业发酵的竞争中占有绝
对的优势。
2004.8 发酵原理 95
小结：创造性思维比死记书本知识
更重要，因为书本知识是有限的，
而创造性思维则可以尽可能多地概
括现存的信息，推动生产的发展、
社会的进步，是人类先进思想和文
化的源泉。大学教学的目的是要培
养有创新意识的、无师自通的人。
