第三章 工业微生物的基础物质代谢 1
第三章 工业微生物的基础物质代谢 －－五大代谢
糖代谢
脂类代谢
烃类代谢
氮硫代谢
能量代谢
第三章 工业微生物的基础物质代谢 2
分解代谢－微生物通过氧化有机物质
（如葡萄糖和其它碳水化
? 基础物质代谢 合物）获得能量的反应
合成代谢－（获得能量后）合成自新物
质的反应
? 能量通过细胞内 ATP进行传递和转移。
? 工业生产中,分解 己糖 或 烷烃 可获得大量的细胞和产物, 是
最重要的产物转化途径 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 3
§ 1 糖代谢
要点,（一）糖的分解代谢
－糖酵解 (glycolysis)途径
－ TCA循环 (三羧酸循环 )
－ DCA循环 (乙醛酸循环 )
－ CO2固定反应 (丙酮酸羧化支路 )
（二）糖的中间代谢
－磷酸戊糖循环 (HMP途径 )
－脱氧酮糖酸途径 (ED途径 )
－糖醛酸途径 (Glucuronic acid cycle)
第三章 工业微生物的基础物质代谢 4
（三）糖的合成代谢
－糖异生 (Gluconeogenesis)
－多糖及糖原的分解与合成
（四）糖代谢调节
第三章 工业微生物的基础物质代谢 5
㈠ 糖的分解代谢 （包括糖酵解,TCA循环,DCA循环,CO2固定）
1.糖酵解 (glycolysis)途径, 是动物、植物、微生物细胞中葡
萄糖分解产生能量的共同代谢途
径，每一步反应都不需要氧。
葡萄糖 丙酮酸＋ ATP
?? ?? E M P
第三章 工业微生物的基础物质代谢 6 各种己糖进入糖酵解的途径
丙酮酸 继续向下分解
第三章 工业微生物的基础物质代谢 7
2.TCA循环 (三羧酸循环 ),大多数动、植物和微生物在
有氧条件下，将 丙酮酸 经一系列氧化、脱羧,
最终生成 CO2和 H2O，并产生能量的过程。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 8
TCA循环及 DCA循环
第三章 工业微生物的基础物质代谢 9
3.DCA循环 (乙醛酸循环 )
4.CO2固定反应 (丙酮酸羧化支路 )
第三章 工业微生物的基础物质代谢 10
CO2固定反应
① 苹果酸酶
②丙酮酸羧化酶
③磷酸烯醇丙酮
酸羧化酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 11
㈡ 糖的中间代谢
1.磷酸戊糖循环 (HMP途径 ),微生物体内合成脂肪酸,
胆固醇，合成氨基酸等，异型乳酸发酵等
2.脱氧酮糖酸途径 (ED途径 ),也称 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸
葡萄糖酸裂解途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 12
HMP途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 13
3.糖醛酸途径 (Glucuronic acid cycle),是从 6-磷酸葡萄
糖或 1-磷酸葡萄糖开始，经 UDP-葡萄糖醛酸
生成糖醛酸的途径。
? 糖醛酸途径生理意义,
(1)在肝脏中起到解毒作用；
(2)是许多重要的粘多糖的前体物质；
(3)合成抗坏血酸；
(4)生成木糖醇、木酮糖，从而与磷酸戊糖途径相联系。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 14
㈢ 糖的合成代谢
1.糖异生 (Gluconeogenesis),从非糖物质合成葡萄糖的
过程，即形成“新”糖。
2.多糖及糖原的分解与合成
第三章 工业微生物的基础物质代谢 15
糖异生途径的前体
第三章 工业微生物的基础物质代谢 16
㈣ 糖代谢调节
? 糖代谢 的调节主要是受能荷的控制，也就是受细胞内能量水
平的控制。
? 糖代谢最重要的生理功能是以 ATP的形式供给能量。
? 当生物体内生物合成或其他需能反应加强时，细胞内 ATP分
解生成 ADP或 AMP,ATP减少,ADP或 AMP增加,
即能荷降低；
当能荷高时，即细胞内能量水平高时,AMP,ADP都转变
成 ATP,ATP增加。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 17
? 厌氧代谢产物的发酵机制
? 葡萄糖经 EMP途径生成丙酮酸后, 在无氧状态
下继续降解, NADH2在不同微生物, 不同环境
下, 将氢交给不同的有机物, 形成各种不同的
代谢产物 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 18
微生物嫌气发酵类型及主要产物
1-乙醇发酵 (酵母 )；
2-乳酸发酵 (乳酸菌,
链球菌、乳酸杆菌 )；
3-丙酸发酵 (丙酸菌 )；
4-混合酸发酵 (大肠杆菌）；
5-丁酸发酵 (梭状芽孢
杆菌 )。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 19
(１ ) 酵母菌的酒精发酵
? 酵母菌把可发酵性糖, 经过细胞内酒化酶的作用, 生成
乙醇和 CO２, 然后透过细胞膜将这些产物排出体外 。
? 因为酒精酵母不含 ?-淀粉酶和 ?-淀粉酶等淀粉
酶, 所以它不能直接利用淀粉进行酒精发酵 。 因
此在利用淀粉原料生产酒精时, 必须把淀粉转化
成可发酵性糖, 才能被淀粉所利用 。
1,酒精发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 20
? 酒精发酵是酵母菌的 Ⅰ 型发酵,
? 总反应式,
? 理论转化率,51.11%
第三章 工业微生物的基础物质代谢 21
葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖
三磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮
1,3-二磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
2-磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸
丙酮酸
乙醛 +CO2
乙醇
甘油
① ②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨ ⑩ ⑩
乙
醇
发
酵
机
理
图
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
EMP途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 22
? 少数假单胞杆菌 (Pseudomonas)
如，林氏假单胞菌 (Ps,lindneri)
嗜热假单胞菌 (Ps,saccharophila)等
能利用葡萄糖经 ED途径进行酒精发酵。
? 总反应式,
(２ ) 细菌的酒精发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 23
? 重要的有机溶剂和化工原料
? 医药工业和医疗事业
? 食品工业
? 染料工业
? 国防工业
? 酒精发酵生产的副产物
? 酒精的用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 24
我国将推广使用燃料酒精
? 中国的汽车很快就要用上燃料酒精了。今年上半年，河南省
郑州、洛阳、南阳等城市将在 93号汽油中添加 10％的 变性酒精,
作为汽车的新型燃料推向市场。
? 酒精的生产原料是粮食, 由于我国很长时间内难以解决 温饱
问题, 使用燃料酒精始终是个遥不可及的话题 。
? 过去也曾为 改善汽油抗暴性 而搀入的化学制剂, 如四乙基铅,
由于对人体有害, 1997年已经在世界上被禁止使用； MTBE
（ 甲基叔丁基醚 ） 生产难度大, 包括我国在内的许多国家都依
赖进口, 并且, 它不易分解, 对地下水有一定污染, 还有少量
气味, 使驾驶者不舒服 。
使用酒精汽油, 可明显降低
汽车废气的排放, 因此酒精
汽油也叫, 环保汽油, 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 25
?国家, 十五, 期间重点建设项目 ——60万吨燃料乙醇工程在吉
林市正式开工 。 建成这个新兴能源的示范项目, 对于国家调整能
源结构, 开发石油代资源具有十分重要的战略意义, 是我国为实
现可持续发展战略的一项重要举措 。 推广使用燃料乙醇对于解决
农产品的产销矛盾, 有效实现玉米等粮食作物的转化, 促进农业
产业化, 具有十分重要的现实意义 。
?项目采用了, 新型絮凝性酵母及连续发酵生产燃料酒精新工
艺,,, 酒精生产副产物的综合利用, 及, 燃料酒精分离新方
法,,, 槽液全回收处理法及辐射技术在玉米纤维原料生产酒精
中的应用, 等新技术 。
2001年 10月吉林 60万吨燃料乙醇工程开工
第三章 工业微生物的基础物质代谢 26
中国发展燃料乙醇的产业背景
(一 )中国粮食生产的可持续发展受到挑战
(二 )城市大气环境质量亟待改善
(三 )石油资源日益紧缺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 27
目前, 使用燃料酒精已成为一个世界潮流 。 我国 1999年全
国汽油消费量约 5000万吨, 以加入 15％ 的酒精计算, 需 750
万吨, 可消化粮食 2250万吨, 占 1999年全国粮食收购量的 45
％ 。 而且, 酒精的加入量可大可小, 有很大的调节空间, 如
推广使用酒精汽油, 等于使政府, 拥有一个巨大的粮食转化
机器,, 丰年多转化, 歉年少转化 。 这样做不仅能增加农民
收入, 保护农民种粮的积极性, 而且能很容易地把国家粮食
储备保持在想保持的任何水平上, 极大地减轻因粮食过剩而
造成的数百亿元财政负担, 彻底解决我国粮食生产, 消费和
储备上的一系列问题 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 28
酒精工业
白酒工业 —— 蒸馏酒 （还包括威士忌，俄得克，白兰地,
老姆，金酒，阿拉克，烧酎，等）
葡萄酒工业
黄酒工业
啤酒工业
酿造酒
? 与酒精发酵密切相关的行业
第三章 工业微生物的基础物质代谢 29
(１ )亚硫酸盐法甘油发酵
? 酵母菌的 Ⅱ 型发酵,
? 总反应式,
2.甘油发酵机制
难
溶
（不生成 ATP）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 30
(２ ) 碱法甘油发酵
? 发酵液的 pH7.6以上，生成等量的乙醇和乙酸和两分子甘油。
? 酵母菌的 Ⅲ 型发酵,
? 总反应式,（不生成 ATP）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 31
A,?-磷酸甘油脱氢酶的活性大于乙醇脱氢酶的活性，
使磷酸二羟丙酮成为受氢体
B,发酵醪中添加抑制剂 NaHSO3，使乙醛不能作为受
氢体 （酵母菌 Ⅱ 型发酵）
C,或者 在碱性条件下（ pH7.6），乙醛发生歧化反
应，使乙醛不能作为受氢体 （酵母菌 Ⅲ 型发酵）
? 生成甘油的条件
第三章 工业微生物的基础物质代谢 32
? 乳酸产生菌一般不能直接利用淀粉质原料, 只利用糖质原
料 。 因为 大多数乳酸菌不具有丙酮酸脱羧酶, 因此, 丙酮
酸不能脱羧生成乙醛, 而在 乳酸脱氢酶 的催化下, 以丙酮
酸为受氢体, 被还原为乳酸
? 依据菌种, 发酵反应过程及产物的不同, 可分为 同型乳酸
发酵 和 异型乳酸发酵 两种类型 。
3.乳酸发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 33
? 菌种,德氏乳杆菌 (Lac,delbriickii)
乳酸链球菌 (Str,lactis)
酪乳杆菌 (Lac,casei)
保加利亚乳杆菌 (Lac,bulgaricus)等
? 总反应式,（理论转化率 100%）
１, 同型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 34
乳酸脱氢酶
? 由葡萄糖的同型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 35
? 菌种,肠膜状明串珠菌 (Lac,mesenteroides)
甘露醇乳杆菌 (Lac,manitopoeum)
番茄乳杆菌 (Lac,lycopersici)
短乳杆菌 (Lac,brevis)
戊糖乙酸乳杆菌 (Lac,pentoaceticus)
及真菌中的根霉菌 (Rhizopus)等
? 发酵总反应式,
C6H12O6+2ADP+ 2H3PO3 CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH+ CO2+2ATP
乳酸 乙醇
(２ ) 异型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 36
? 葡萄糖的异型乳酸发酵,
? １ mol葡萄糖生成１ mol
乳酸，理论转化率 50%,
副产物较多。
? 经由 HMP途径，再进入
EMP途径
HM
P
EMP
第三章 工业微生物的基础物质代谢 37
? 当用果糖等酮糖进行发酵时，引起甘露醇发酵，发酵型式
变为,
? 若大肠杆菌（ E.coli）等大肠菌群（有时称为假性乳酸菌）,
分解己糖生成乳酸的反应式为,
? 戊糖分解时，同型乳酸菌、异型乳酸菌按下式生成乳酸和
醋酸,
3 C6H12O6+ H2O 2 C6H12O6 + CH3CHOHCOOH+ CH3COOH+CO2+ H2
2C6H12O6+ H2O 2CH3CHOHCOOH+ CH3COOH+ CH3CH2OH +2CO2+ 2H2
葡萄糖 甘露糖 乳酸 醋酸
C5H12O5 CH3CHOHCOOH+ CH3COOH
第三章 工业微生物的基础物质代谢 38
? 双歧杆菌进行的乳酸发酵
有两个磷酸酮解酶参与；
没有氧化作用和脱氢作用。
? ２分子葡萄糖分解为３分
子乙酸和２分子 3-磷酸甘
油醛，接着在磷酸甘油醛
脱氢酶和乳酸脱氢酶参与
下,3-磷酸甘油醛转化为
乳糖。
? 理论转化率 50%。
３, Bijidus途径（双歧途径）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 39
? 乳酸是一种重要的有机酸
? 酸性稳定
? 在食品工业中广泛用作酸味剂、防腐剂、还原剂等
? 可用于清凉饮料、糖果、糕点的生产和鱼肉、蔬菜的加工
和保藏。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 40
糖密处理 → 加水稀释 → 升温 70℃ 灭菌 → 加入粗糖 → 流加碳
酸钙 → 冷却至 50℃ → 加入麦根 → 接种 20%培养物 → 发酵 →
继续补加硫酸钙和蔗糖液 → 发酵完成（残糖降至 2g/L以下）
发酵时间大约 6天 → 立即加入石灰乳 → pH上升至 9～ 10→ 升
温至 70℃ → ～静置 6～ 12h→ 去掉清液 → 将沉渣压滤提取
发酵蔗糖的菌种一般采用德氏乳杆菌
? 以蔗糖为原料的乳酸发酵工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 41
? 双歧杆菌酸奶的两种生产工艺
A,共同发酵生产工艺
（ 双歧杆菌与嗜热链
球菌, 保加利亚乳
杆菌共同发酵 ）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 42
第三章 工业微生物的基础物质代谢 43
（双歧杆菌与生香酵
母菌共生发酵）
B,共生发酵生产工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 44
? 微生物类群：梭状芽孢杆菌（ Clostridium）
（专性嫌气发酵）
? 此类菌都能分泌淀粉酶，所以可以直接利用淀粉质原
料发酵。
丁酸发酵
? 包括 丙酮丁醇发酵（已工业化）
丁醇异丙醇发酵
4.丁酸型发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 45
包括, a.丙酮－丁醇发酵；
b.丁醇－异丙醇发酵；
c.丙酮－乙酸发酵；
d.丁醇发酵。
? 1976年 Petidemang,H 提出的丙酮－丁醇发酵学说,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 46
? 丁醇型发酵
代谢途径,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 47
葡萄糖
↓EMP
丙酮酸
↓
乙酰 CoA
↓
乙酰乙酰 CoA → 乙酰乙酸 → 丙 酮
↓ ↓
β-羟丁酰 CoA
↓
丁酰 CoA → 丁 酸
↓
丁 醛
↓
丁 醇
乙 酸 ← 乙酰磷酸 ← → 乙 醛 → 乙 醇
异丙醇
? 产物：除丁酸外，还分别产生乙酸、乙醇、丁醇、异丙醇、丙酮等。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 48
1,概述
2,菌种
分类地位,
裂殖菌纲,
真细菌目,
真亚细菌亚目,
芽孢杆菌科,
羧状属,
厌气性有鞭毛的杆状菌 我国主要生产菌种,
乙酪酸梭状芽孢杆菌（ Clostridium acetobutyricum）
糖 -丁基丙酮梭菌（ C,saccharobutylacetonicum）
? 丙酮 —— 丁醇生产
第三章 工业微生物的基础物质代谢 49
己酸的形成属于合成发酵
? 梭状芽孢杆菌在脂肪合成时的代谢途径,
5,由乙醇、乙酸生成己酸的发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 50
? 若乙醇和乙酸的比例不同，则丁酸和己酸形成的比例也不
同,
乙酸多时主要产物为丁酸,
C2H5OH + CH3COOH → CH 3CH2CH2COOH + H2O
乙醇多时主要为己酸, C2H5OH
2C2H5OH + CH3COOH → CH3(CH 2)4COOH + 2H2O
有没有醋酸乙酯和己酸乙酯生成？
第三章 工业微生物的基础物质代谢 51
? 甲烷发酵是有机物厌氧分解过程中的主要过程,在有机废物
处理中起重要作用。
? 有机物的甲烷发酵不是单一的甲烷菌所能完成的。
? 甲烷发酵至少分三个阶段,各阶段均有不同的微生物参与。
6.沼气（甲烷）发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 52
第一阶段，有机聚合物水解生成单体化合物，进而分解成
各种脂肪酸,CO2、和 H2；（各类微生物）
第二阶段，各类脂肪酸进行分解，生成乙酸,CO2、和 H2；
（产酸菌，兼性厌气细菌）
第三阶段，由乙酸,CO2、和 H2反应生成甲烷。
（甲烷菌，严格厌气菌）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 53
? 前两个阶段也是 产酸阶段, 也叫液化阶段 。 参与的微生物
大部分是兼性厌氧细菌和少量的原生动物, 霉菌和酵母 。
? 甲烷产生阶段 主要是甲烷产生菌参与反应 。 甲烷菌是严格
嫌气菌, 不产孢子, 20多种以上 。 甲烷菌将 H2,HCO3-
（ 生物碳酸盐 ） 或醋酸转化为甲烷 （ CH4）, 并产生 ATP。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 54
?甲烷发酵过程,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 55
? 1979年,Balch 将 甲烷菌分为三类,
第一类：包括 Methanobacterium和 Methanobrevi-
bacterium在内的 Methanobacteriales；
第二类：包括 Methanococci在内的 Metanococcales；
第三类：分为两个属,
第一属包括 Methanomicrobium,
Methanogenium和 Methanospirillum；
第二属包括 Methanosarcrina berkeri等细菌。
? 各种甲烷菌之间载荷蛋白 RNA排序上都很相似，都具
有嗜盐性，而且耐温、耐酸。
? 与 真细菌 的主要区别,抵抗破坏细胞壁的抗生素的作用 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 56
（一）柠檬酸发酵机制
1,柠檬酸生物合成途径
? 黑曲霉存在 EMP途径和 TCA循环所有的酶，可以发酵生
产柠檬酸。
? 提供草酰乙酸的两个系统（ CO2固定系统）,
Ⅰ, PEP＋ CO2＋ ADP 草酰乙酸＋ ATP
Ⅱ, PYR＋ CO2＋ ATP 草酰乙酸＋ ADP＋ Pi
? 总反应式：（理论转化率 106.7%）
? 好氧代谢产物发酵机制
Mg2+,K+
Mg2+,K+
生物素
第三章 工业微生物的基础物质代谢 57
TCA循环及 DCA循环
第三章 工业微生物的基础物质代谢 58
＋ 激活
－ 抑制
2,柠檬酸积累的生物调节
PFK——磷酸果糖激酶
1——丙酮酸脱氢酶
2——柠檬酸合成酶
3——乌头酸水合酶
4——异柠檬酸脱氢酶
8——琥珀酸脱氢酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 59
? 积累柠檬酸的必要条件
?柠檬酸合成酶, 磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和丙酮酸羧化酶要强大；
?乌头酸水合酶, 异柠檬酸脱氢酶, 异柠檬酸裂解酶, 草酰乙酸
水解酶等要微弱；
?乌头酸水合酶失活, 该酶需 Fe2+；
?调节营养成分 （ 如锰 ） 与氧的供给, 使 EMP途径的关键酶磷酸
果糖激酶 （ PFK） 不受抑制；
?提供缺锰培养基, 以提高细胞内 NH4+浓度；
?供氧以提高呼吸活性使 EMP代谢加强 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 60
1—磷酸果糖激酶
2—丙酮酸脱氢酶
3—柠檬酸合成酶
4—乌头酸水合酶
5—异柠檬酸脱氢酶
6—?-酮戊二酸脱氢酶
7—琥珀酸脱氢酶
8—富马酸酶
9—苹果酸脱氢酶
10—草酰乙酸水解酶
激活
抑制
NH4+
10
第三章 工业微生物的基础物质代谢 61
⑴ 由 Mn2+缺乏抑制了蛋白质 和核酸合成, 因 而导致细胞内
NH4+ 浓度升高, 丙酮酸和草酰乙酸水平升高, 并减少柠
檬酸对 PFK的抑制； 一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生
ATP,这两方面的因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代
谢调节, 促进了 EMP途径畅通；
⑵ 由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸；
⑶ 在控制 Fe2+含量的情况下, 乌头酸水合酶活性低, 从而不
能及时转化柠檬酸；
结论,（ 柠檬酸积累机理）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 62
⑸ 黑曲霉中 TCA循环的另一个特点是,?-酮戊二酸脱氢酶被
葡萄糖和 NH4+ 抑制，在 柠檬酸生成期，菌体内不存在 ?-
酮戊二酸脱氢酶或活力很低。
⑷ 一旦柠檬酸浓度升高，就会抑制柠檬酸脱氢酶，从而进一
步促进了柠檬酸自身的积累。
结论,（ 续）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 63
1—磷酸果糖激酶
2—丙酮酸脱氢酶
3—柠檬酸合成酶
4—乌头酸水合酶
5—异柠檬酸脱氢酶
6—?-酮戊二酸脱氢酶
7—琥珀酸脱氢酶
8—富马酸酶
9—苹果酸脱氢酶
10—草酰乙酸水解酶
激活
抑制
NH4+
10
第三章 工业微生物的基础物质代谢 64
? 淀粉质原料或糖质原料,
黑曲霉 （ Aspergillus niger ）
? 正烷烃为原料,
解脂假丝酵母 （ Candida lipolytica ）
热带假丝酵母 （ C,tropicalis ）
3,柠檬酸生产菌
第三章 工业微生物的基础物质代谢 65
酵母的 烷烃 发酵,柠檬酸的积累是在培养基中
的氮源消耗耗尽开始, 细胞内的 AMP陡然下降,
抑制了 NAD-异柠檬酸脱羧酶的活性, 致使柠檬
酸的合成远大于分解 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 66
采用 亚硝基胍, 亚硝基脲, 乙基胺, ?射线, 紫外线 等，
原生质体融合, 异宗结合的单倍体和双倍体 以及 准性生
殖中的二倍体分离子 等，获得 突变株 或 工程菌
? 我国对柠檬酸生产菌（黑曲霉）常用的育种方法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 67
1,概述
? 柠檬酸 （ citric acid）,
又名枸橼酸，学名 3-羟基 -3-羧基戊二酸 (C6H8O7)
? 是生物体主要代谢产物之一，广泛分布于自然界、动物
及人的器官中
? 1784年，瑞典化学家 Scheel最早从柠檬汁中提取出柠
檬酸
4.柠檬酸的生产
HOOCCH2CHOHCOOHCH2COOH
第三章 工业微生物的基础物质代谢 68
柠檬酸被称为第一食用酸味剂
饮料 ——不仅赋予饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲,
抗氧化等作用，能是饮料中的糖、香精、色素等
成分交融协调
果酱和果冻，酿造酒，冰激淋和人造奶油（增加乳化稳定
性）、腌制品（除腥去臭、抗氧化）、罐头食品、豆制
品和调味品
? 柠檬酸在食品方面的应用
第三章 工业微生物的基础物质代谢 69
? 国外柠檬酸发酵技术发展的三个历史时期
1893年至 1917年：青霉菌生产（德国微生物学者 Wehmer
首先用青霉菌生产柠檬酸）；
1917年至 1938年：黑曲霉，浅盘发酵，奠定了大规模生
产的基础；
1938年至 1951年：深层发酵，用糖蜜为原料（ 1951年美
国 Miles公司首先采用深层发酵法）。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 70
?我国在 20世纪 40年代初开始 浅盘发酵 ； 60年代末开始 深
层发酵 （ 先为 薯干原料, 后发展到 精淀粉 或 糖蜜原料 ） ；
1970年开始进行 石油 为原料发酵柠檬酸 (C10～ 22链烷烃等 ）
?1995年, 我国柠檬酸生产厂已过百家, 年生产能力达 20
多万吨, 居世界第二位
第三章 工业微生物的基础物质代谢 71
? 对于典型的好氧发酵，工业上的生产方法,
-液体表面发酵法
-固态发酵法
-液态深层发酵法 —— 利用液体中的溶解氧
利用气相中的氧
5,柠檬酸生产工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 72
糖蜜原料 → 加等体积沸水 → 搅拌煮沸 → pH值 6.8～ 7.2
(15～ 30min)
硫酸或硫酸钠
糖蜜浓度
12～ 16%
（以蔗糖计）
冷却至
60～ 70℃ ←
↓
↓
加营养盐
和抗菌剂
入室装盘
（ 40～ 45 ℃
液层深 8～ 20㎝ ）
← ←
↓
冷却至 35℃ → 接种
黑曲霉干孢子
（ 75mg/m2表面积）
↑
通风培养
（ 35℃, 3天） →
控温发酵至结束
26～ 28 ℃, pH2.5 →
最大通风量
(15～ 18m3/m2·h,
湿度 75%以上 )
↑
（总发酵时间,8～ 9天）
A,液体表面发酵工艺过程和要求
第三章 工业微生物的基础物质代谢 73
固体发酵是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支持物（载体）上
发酵
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅰ 原料的处理； Ⅱ 种子培养； Ⅲ 发酵生产； Ⅳ 提取精制
B,固体发酵工艺过程和要求
第三章 工业微生物的基础物质代谢 74
柠檬酸样品
第三章 工业微生物的基础物质代谢 75
三级过滤
↓
无菌空气
黑曲霉
↓
空气
↓ 原料,配料 ↓
灭菌
柠檬酸（盐）
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
C,液体深层发酵工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 76
? 同固体发酵相似，液体深层发酵也分为几个部分,
Ⅰ, 菌种的制备；
Ⅱ, 原料处理；
Ⅲ, 无菌空气的制备；
Ⅳ, 发酵生产；
Ⅴ, 提取和精制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 77
柠檬酸发酵车间
第三章 工业微生物的基础物质代谢 78
? 除了菌种和设备的影响外，影响柠檬酸液体深层
发酵产率的工艺因素有,
a,碳源及其浓度；
b,其它营养源及浓度；
c,pH值；
d,液层的深度；
e,通风量及方式；
f,温度
第三章 工业微生物的基础物质代谢 79
? 国内液体发酵罐一般为 50～ 80m3，可发酵蔗糖,
淀粉水解液、糖蜜、薯干粉及精淀粉
? 国内以薯干粉为原料生产柠檬酸，一般产酸量
为 10.9 %～ 13.8 %，转化率可达 91 %～ 104 %,
发酵周期为 4 天
第三章 工业微生物的基础物质代谢 80
薯干粉深层发酵工艺流程
第三章 工业微生物的基础物质代谢 81
无菌空气制备和有氧发酵系统（气升式发酵罐）
空 气
成 熟 醪
菌 种 液
原 料
16— 第二分过滤器
第三章 工业微生物的基础物质代谢 82
柠檬酸提取工艺流程
D,柠檬酸的提取
第三章 工业微生物的基础物质代谢 83
1,醋杆菌发酵酒精成醋酸
? 乙醇向醋酸的转化是分两步进行，中间产物是乙醛,
CH3CHOH CH3CHO CH3COOH
? 用淀粉质或糖脂等原料生产食醋时，首先要进行酒化，第
二步才是醋化。
? 醋酸杆菌是革兰氏阴性好气菌；理论转化率 130%。
?? ?? E2?? ?? E1
（二）醋酸（食醋）发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 84
? 反应式,
由己糖或戊糖生成醋酸的理论产率都是 100%；
发酵时需加入中和剂，生产醋酸盐。
2,热醋酸梭菌生产醋酸
第三章 工业微生物的基础物质代谢 85
? 热醋酸梭菌
醋酸发酵途
径（厌氧）
THF-四氢叶酸
第三章 工业微生物的基础物质代谢 86
1,Bentley 学说,
葡萄糖经 EMP途径和 TCA循环合成柠檬酸之后，再脱水、
脱羧生成衣康酸。
柠檬酸是依康酸发酵的中间产物。
依康酸对糖的理论转化率为 72%。
（三）衣康酸发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 87
第三章 工业微生物的基础物质代谢 88
2,Shimi 学说,
? 葡萄糖经 EMP 途径后由乙醇转化为乙酸和琥珀酸，缩合
后脱羧生成衣康酸，对糖的理论转化率为 48%。
? 简式如下,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 89
（四）苹果酸发酵机制
1,乙醛酸循环
合成苹果酸,
? 理论转化率,
74.4%
? 反应式,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 90
2,乙醛酸循环和丙酮酸
羧化合成苹果酸,
? 理论产率,111.6%
? 反应式,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 91
3,丙酮酸羧化合成苹果酸（不需氧）,
? 理论产率,148.8%
? 反应式,
? 发酵依赖于 CaCO3或
其他碳酸盐
第三章 工业微生物的基础物质代谢 92
（五）葡萄糖酸发酵机制
1,真菌葡萄糖酸发酵,
? 菌种,黑曲霉 ( Asp,niger ),青霉 ( Penicillium )等
第三章 工业微生物的基础物质代谢 93
2,细菌葡萄糖酸发酵,
? 主要菌种,葡萄糖酸杆菌, 假单胞菌 ( Pseudomones ),芽
生菌 ( Pullularia ),微球菌 ( Micrococcus )等
第三章 工业微生物的基础物质代谢 94
3,葡萄糖酸的
代谢途径,
? 理论产率,
108.8%
葡萄糖氧化酶,
即需氧脱氢酶,
是一种黄素蛋
白, 从葡萄糖
上夺取 2 个 H
而自身被还原 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 95
§ 2 脂类代谢
? 脂类物质包括脂肪、磷脂、甾醇 (固醇 )和蜡等
㈠脂肪及脂肪酸的降解
? 脂肪,是由三分子脂肪酸与甘油分子中的三个羧基
形成的酯，也称甘油三酯。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 96
脂肪＋ H2O 甘油＋脂肪酸
磷酸甘油激酶
α－磷酸甘油
α－磷酸甘油脱氢酶
磷酸二羟丙酮
EMP途径 G
或
TCA循环
继续降解
?? ?? 逆向
脂肪酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 97
? 脂肪酸和糖一样，在生物体内可以彻底氧化成 CO2和
H2O，并释放大量能量
? 分解脂肪酸主要是通过 ?-氧化途径
? 反应从羧基端开始，逐步地将碳原子成对地从脂肪链
上切下来，以每氧化一次失去两个碳原子的方式逐步
使碳链缩短
? 偶数碳链（ C2n） n个乙酰 CoA
奇数碳链（ C2n-1） n-1个乙酰 CoA+丙酰 CoA
第三章 工业微生物的基础物质代谢 98
脂肪酸 β－氧化途径
最终产物
第三章 工业微生物的基础物质代谢 99
㈡ 脂肪酸及脂肪的合成
? 微生物都是利用糖 (或乙酸 )作碳源来合成脂肪的。
? 糖分解后分别合成 α－磷酸甘油和脂肪酸，然后二者合
成脂肪 。
葡萄糖 磷酸二羟丙酮
α－磷酸甘油脱氢酶
α－磷酸甘油
磷酸甘油激酶
甘油
?? ?? E M P
第三章 工业微生物的基础物质代谢 100
乙酰 CoA 丙二酰 CoA
CO2 C2
,引物,
＋
ACP-SH
乙酰 ACP 脂肪酸
α-磷酸甘油 + 2脂酰 CoA α-磷酸甘油二酯
＋
甘油三酯 脂酰 CoA
??????? ?? 羧化酶乙酰 C o A
????? ?? 磷酸脱酸酶
酰基载体蛋白
第三章 工业微生物的基础物质代谢 101
㈢ 糖代谢与脂肪生物合成的关系
糖代谢与脂肪合成之间的关系
第三章 工业微生物的基础物质代谢 102
§ 3 烃类代谢
? 烃类分为链烃和环烃
? 以烃类为原料可生产：菌体蛋白、氨基酸、有机酸,
核苷酸、维生素、脂类、糖类等
㈠链烃的代谢
? 各种烃类都能被微生物
利用。 C2～ 16的链烃被
广泛作为基质
1,正烷烃的代谢
a.末端氧化
b.两末端氧化
c.次末端氧化 TCA
第三章 工业微生物的基础物质代谢 103
2.异构烷烃的代谢
? 微生物氧化一般只作用于烃主链；
远离侧链的一端较易氧化。
3.不饱和链烃的代谢
? 大多集中于对烯烃的研究。
例如解脂假丝酵母对十六烯的代谢 。
4.辅氧化作用
? 指某些微生物在其能够同化的烃类存在下，对本来不
能同化的烃类也能氧化。
烷烃 包括
正烷烃
和异构烷烃
第三章 工业微生物的基础物质代谢 104
5.烃类代谢机制
? 微生物对不同烃类的共同点,首先进行羟基化，生成醇
? 羟基化三种类型,
(1)借助单加氧酶的羟基化反应，可将烃氧化为醇（假单孢菌）
(2)借助脱氢酶和水合酶的羟基化反应，先生成烯烃再生成伯醇
（皱褶假丝酵母）
(3)借助生成过氧化物的羟基化反应，先形成氢过氧化物，再还
原为醇（革兰氏阴性菌）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 105
㈡ 环烃代谢
? 可作为谷氨酸、柠檬酸、反丁烯二酸的发酵原料。
1.脂环烃代谢
? 短杆菌 JOB5和诺卡氏菌 R9
是氧化脂环烃能力最强的菌。
2.芳香烃代谢
(1)苯环代谢：生成物均可进入 TCA循环
(2)奈环代谢：奈环易被微生物代谢
(3)蒽和菲代谢：易被微生物同化，但在自然界中较少
(4)带取代基的芳香烃代谢：先从侧链开始氧化
环烃 包括
脂环烃和芳香烃,
脂环烃难被微生物
所氧化
第三章 工业微生物的基础物质代谢 106
§ 4 氮硫代谢
1.氮代谢
? 氮是微生物体内维持生命的氨基酸、核酸、维生素等
的必须组成成分。
? 微生物为合成自身的组成分，一般能代谢有机氮和无
机氮。
2.硫代谢
? 硫不仅是蛋氨酸、半胱氨酸、辅酶 A的构成成分，而且
在形成蛋白质的次级结构中具有重要作用。
CH2OHCHNH2COOH + H2S → CH2SHCHNH2COOH + H2O
（丝氨酸） （半胱氨酸）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 107
§ 5 能量代谢
㈠ 生物氧化及途径
1.生物氧化的概念、方式及特点
? 生物体内，一切氧化作用释放能量的反应都称为“生物
氧化作用” 。
有氧代谢
生物氧化
无氧代谢
? 生物氧化的本质是脱氢、失去电子或与氧直接化合的过程。
2O有无分子
有
无
能量最初都
来自于太阳
能
第三章 工业微生物的基础物质代谢 108
2.基本途径
生物氧化的基本途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 109
? 第一阶段：从代谢物中产生的电子和氢离子，由一级
电子接受体将电子接去，成为底物水平上的磷酸化作
用。
? 第二阶段：电子从一级电子接受体出发，通过构成电
子传递体系的一连串氧化还原体系链条，称为氧化磷
酸化。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 110
? 生物氧化 特点 是在酶催化下进行，反应条件温和，能
量逐步释放。
? 生物氧化所释放的能量常贮存在高能化合物（如 ATP）
中，通过其转移作用满足机体吸能反应的需要。
? 研究中，可以通过测量生物体的耗氧量和 CO2的 生成量
来衡量物质被氧化的相对量，及生物体消耗的能量。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 111
3,生物氧化反应和酶类
? 脱氢反应,是所有底物水平上发生的氧化反应。在这
个过程中，底物分子被移去两个氢原子，即两个氢离
子和两个电子。
? 脱羧反应,是把羧基转化为 CO2的过程。与脱氢反应同
步发生。
?,预制件”反应,指反应中一个底物分子受到了改造，
为能参与下一步脱氢反应做好准备，即能生成原来分
子中并不存在的 —CHOH—或 —CH2CH2—基团。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 112
㈡ 氧化磷酸化作用
1.底物水平磷酸化,底物在氧化过程中因分子内部能量
重新分布而形成高能化合物，它的磷酸基团和高能
键可转移到 ADP上生成 ATP。
2.电子水平磷酸化－也称氧化磷酸化,
氧的消耗受到能量的调节（这个调节过程称为呼
吸控制）。氧的消耗和 ATP生成个数之间关系用
P/O比值来表示（每消耗一个原子的氧所生成的
ATP分子个数的多少）。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 113
㈢ 生物氧化反应的细胞定位
发生于 线粒体外 的－如葡萄糖降解为丙酮
酸，及脂肪酸降解为乙酰 CoA
? 生物氧化
发生于 线粒体内 的－如丙酮酸氧化成乙酰
CoA，脂酰 CoA氧化成乙酰 CoA,
乙酰 CoA氧化成 CO2和水
第三章 工业微生物的基础物质代谢 114
实例 Ⅰ,辅酶 A
第三章 工业微生物的基础物质代谢 115
第三章 工业微生物的基础物质代谢 116
辅酶 A制备方法,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 117
2,以酵母为原料的提取法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 118
3,微生物生物合成法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 119
CoA质量标准及其用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 120
实例 Ⅱ,三磷酸腺苷钠
第三章 工业微生物的基础物质代谢 121
第三章 工业微生物的基础物质代谢 122
三磷酸腺苷钠的制备
第三章 工业微生物的基础物质代谢 123
三磷酸腺苷钠的质量标准及其用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 124
THE END
第三章 工业微生物的基础物质代谢 －－五大代谢
糖代谢
脂类代谢
烃类代谢
氮硫代谢
能量代谢
第三章 工业微生物的基础物质代谢 2
分解代谢－微生物通过氧化有机物质
（如葡萄糖和其它碳水化
? 基础物质代谢 合物）获得能量的反应
合成代谢－（获得能量后）合成自新物
质的反应
? 能量通过细胞内 ATP进行传递和转移。
? 工业生产中,分解 己糖 或 烷烃 可获得大量的细胞和产物, 是
最重要的产物转化途径 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 3
§ 1 糖代谢
要点,（一）糖的分解代谢
－糖酵解 (glycolysis)途径
－ TCA循环 (三羧酸循环 )
－ DCA循环 (乙醛酸循环 )
－ CO2固定反应 (丙酮酸羧化支路 )
（二）糖的中间代谢
－磷酸戊糖循环 (HMP途径 )
－脱氧酮糖酸途径 (ED途径 )
－糖醛酸途径 (Glucuronic acid cycle)
第三章 工业微生物的基础物质代谢 4
（三）糖的合成代谢
－糖异生 (Gluconeogenesis)
－多糖及糖原的分解与合成
（四）糖代谢调节
第三章 工业微生物的基础物质代谢 5
㈠ 糖的分解代谢 （包括糖酵解,TCA循环,DCA循环,CO2固定）
1.糖酵解 (glycolysis)途径, 是动物、植物、微生物细胞中葡
萄糖分解产生能量的共同代谢途
径，每一步反应都不需要氧。
葡萄糖 丙酮酸＋ ATP
?? ?? E M P
第三章 工业微生物的基础物质代谢 6 各种己糖进入糖酵解的途径
丙酮酸 继续向下分解
第三章 工业微生物的基础物质代谢 7
2.TCA循环 (三羧酸循环 ),大多数动、植物和微生物在
有氧条件下，将 丙酮酸 经一系列氧化、脱羧,
最终生成 CO2和 H2O，并产生能量的过程。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 8
TCA循环及 DCA循环
第三章 工业微生物的基础物质代谢 9
3.DCA循环 (乙醛酸循环 )
4.CO2固定反应 (丙酮酸羧化支路 )
第三章 工业微生物的基础物质代谢 10
CO2固定反应
① 苹果酸酶
②丙酮酸羧化酶
③磷酸烯醇丙酮
酸羧化酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 11
㈡ 糖的中间代谢
1.磷酸戊糖循环 (HMP途径 ),微生物体内合成脂肪酸,
胆固醇，合成氨基酸等，异型乳酸发酵等
2.脱氧酮糖酸途径 (ED途径 ),也称 2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸
葡萄糖酸裂解途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 12
HMP途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 13
3.糖醛酸途径 (Glucuronic acid cycle),是从 6-磷酸葡萄
糖或 1-磷酸葡萄糖开始，经 UDP-葡萄糖醛酸
生成糖醛酸的途径。
? 糖醛酸途径生理意义,
(1)在肝脏中起到解毒作用；
(2)是许多重要的粘多糖的前体物质；
(3)合成抗坏血酸；
(4)生成木糖醇、木酮糖，从而与磷酸戊糖途径相联系。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 14
㈢ 糖的合成代谢
1.糖异生 (Gluconeogenesis),从非糖物质合成葡萄糖的
过程，即形成“新”糖。
2.多糖及糖原的分解与合成
第三章 工业微生物的基础物质代谢 15
糖异生途径的前体
第三章 工业微生物的基础物质代谢 16
㈣ 糖代谢调节
? 糖代谢 的调节主要是受能荷的控制，也就是受细胞内能量水
平的控制。
? 糖代谢最重要的生理功能是以 ATP的形式供给能量。
? 当生物体内生物合成或其他需能反应加强时，细胞内 ATP分
解生成 ADP或 AMP,ATP减少,ADP或 AMP增加,
即能荷降低；
当能荷高时，即细胞内能量水平高时,AMP,ADP都转变
成 ATP,ATP增加。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 17
? 厌氧代谢产物的发酵机制
? 葡萄糖经 EMP途径生成丙酮酸后, 在无氧状态
下继续降解, NADH2在不同微生物, 不同环境
下, 将氢交给不同的有机物, 形成各种不同的
代谢产物 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 18
微生物嫌气发酵类型及主要产物
1-乙醇发酵 (酵母 )；
2-乳酸发酵 (乳酸菌,
链球菌、乳酸杆菌 )；
3-丙酸发酵 (丙酸菌 )；
4-混合酸发酵 (大肠杆菌）；
5-丁酸发酵 (梭状芽孢
杆菌 )。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 19
(１ ) 酵母菌的酒精发酵
? 酵母菌把可发酵性糖, 经过细胞内酒化酶的作用, 生成
乙醇和 CO２, 然后透过细胞膜将这些产物排出体外 。
? 因为酒精酵母不含 ?-淀粉酶和 ?-淀粉酶等淀粉
酶, 所以它不能直接利用淀粉进行酒精发酵 。 因
此在利用淀粉原料生产酒精时, 必须把淀粉转化
成可发酵性糖, 才能被淀粉所利用 。
1,酒精发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 20
? 酒精发酵是酵母菌的 Ⅰ 型发酵,
? 总反应式,
? 理论转化率,51.11%
第三章 工业微生物的基础物质代谢 21
葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖
三磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮
1,3-二磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
2-磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸
丙酮酸
乙醛 +CO2
乙醇
甘油
① ②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨ ⑩ ⑩
乙
醇
发
酵
机
理
图
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
EMP途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 22
? 少数假单胞杆菌 (Pseudomonas)
如，林氏假单胞菌 (Ps,lindneri)
嗜热假单胞菌 (Ps,saccharophila)等
能利用葡萄糖经 ED途径进行酒精发酵。
? 总反应式,
(２ ) 细菌的酒精发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 23
? 重要的有机溶剂和化工原料
? 医药工业和医疗事业
? 食品工业
? 染料工业
? 国防工业
? 酒精发酵生产的副产物
? 酒精的用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 24
我国将推广使用燃料酒精
? 中国的汽车很快就要用上燃料酒精了。今年上半年，河南省
郑州、洛阳、南阳等城市将在 93号汽油中添加 10％的 变性酒精,
作为汽车的新型燃料推向市场。
? 酒精的生产原料是粮食, 由于我国很长时间内难以解决 温饱
问题, 使用燃料酒精始终是个遥不可及的话题 。
? 过去也曾为 改善汽油抗暴性 而搀入的化学制剂, 如四乙基铅,
由于对人体有害, 1997年已经在世界上被禁止使用； MTBE
（ 甲基叔丁基醚 ） 生产难度大, 包括我国在内的许多国家都依
赖进口, 并且, 它不易分解, 对地下水有一定污染, 还有少量
气味, 使驾驶者不舒服 。
使用酒精汽油, 可明显降低
汽车废气的排放, 因此酒精
汽油也叫, 环保汽油, 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 25
?国家, 十五, 期间重点建设项目 ——60万吨燃料乙醇工程在吉
林市正式开工 。 建成这个新兴能源的示范项目, 对于国家调整能
源结构, 开发石油代资源具有十分重要的战略意义, 是我国为实
现可持续发展战略的一项重要举措 。 推广使用燃料乙醇对于解决
农产品的产销矛盾, 有效实现玉米等粮食作物的转化, 促进农业
产业化, 具有十分重要的现实意义 。
?项目采用了, 新型絮凝性酵母及连续发酵生产燃料酒精新工
艺,,, 酒精生产副产物的综合利用, 及, 燃料酒精分离新方
法,,, 槽液全回收处理法及辐射技术在玉米纤维原料生产酒精
中的应用, 等新技术 。
2001年 10月吉林 60万吨燃料乙醇工程开工
第三章 工业微生物的基础物质代谢 26
中国发展燃料乙醇的产业背景
(一 )中国粮食生产的可持续发展受到挑战
(二 )城市大气环境质量亟待改善
(三 )石油资源日益紧缺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 27
目前, 使用燃料酒精已成为一个世界潮流 。 我国 1999年全
国汽油消费量约 5000万吨, 以加入 15％ 的酒精计算, 需 750
万吨, 可消化粮食 2250万吨, 占 1999年全国粮食收购量的 45
％ 。 而且, 酒精的加入量可大可小, 有很大的调节空间, 如
推广使用酒精汽油, 等于使政府, 拥有一个巨大的粮食转化
机器,, 丰年多转化, 歉年少转化 。 这样做不仅能增加农民
收入, 保护农民种粮的积极性, 而且能很容易地把国家粮食
储备保持在想保持的任何水平上, 极大地减轻因粮食过剩而
造成的数百亿元财政负担, 彻底解决我国粮食生产, 消费和
储备上的一系列问题 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 28
酒精工业
白酒工业 —— 蒸馏酒 （还包括威士忌，俄得克，白兰地,
老姆，金酒，阿拉克，烧酎，等）
葡萄酒工业
黄酒工业
啤酒工业
酿造酒
? 与酒精发酵密切相关的行业
第三章 工业微生物的基础物质代谢 29
(１ )亚硫酸盐法甘油发酵
? 酵母菌的 Ⅱ 型发酵,
? 总反应式,
2.甘油发酵机制
难
溶
（不生成 ATP）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 30
(２ ) 碱法甘油发酵
? 发酵液的 pH7.6以上，生成等量的乙醇和乙酸和两分子甘油。
? 酵母菌的 Ⅲ 型发酵,
? 总反应式,（不生成 ATP）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 31
A,?-磷酸甘油脱氢酶的活性大于乙醇脱氢酶的活性，
使磷酸二羟丙酮成为受氢体
B,发酵醪中添加抑制剂 NaHSO3，使乙醛不能作为受
氢体 （酵母菌 Ⅱ 型发酵）
C,或者 在碱性条件下（ pH7.6），乙醛发生歧化反
应，使乙醛不能作为受氢体 （酵母菌 Ⅲ 型发酵）
? 生成甘油的条件
第三章 工业微生物的基础物质代谢 32
? 乳酸产生菌一般不能直接利用淀粉质原料, 只利用糖质原
料 。 因为 大多数乳酸菌不具有丙酮酸脱羧酶, 因此, 丙酮
酸不能脱羧生成乙醛, 而在 乳酸脱氢酶 的催化下, 以丙酮
酸为受氢体, 被还原为乳酸
? 依据菌种, 发酵反应过程及产物的不同, 可分为 同型乳酸
发酵 和 异型乳酸发酵 两种类型 。
3.乳酸发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 33
? 菌种,德氏乳杆菌 (Lac,delbriickii)
乳酸链球菌 (Str,lactis)
酪乳杆菌 (Lac,casei)
保加利亚乳杆菌 (Lac,bulgaricus)等
? 总反应式,（理论转化率 100%）
１, 同型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 34
乳酸脱氢酶
? 由葡萄糖的同型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 35
? 菌种,肠膜状明串珠菌 (Lac,mesenteroides)
甘露醇乳杆菌 (Lac,manitopoeum)
番茄乳杆菌 (Lac,lycopersici)
短乳杆菌 (Lac,brevis)
戊糖乙酸乳杆菌 (Lac,pentoaceticus)
及真菌中的根霉菌 (Rhizopus)等
? 发酵总反应式,
C6H12O6+2ADP+ 2H3PO3 CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH+ CO2+2ATP
乳酸 乙醇
(２ ) 异型乳酸发酵
第三章 工业微生物的基础物质代谢 36
? 葡萄糖的异型乳酸发酵,
? １ mol葡萄糖生成１ mol
乳酸，理论转化率 50%,
副产物较多。
? 经由 HMP途径，再进入
EMP途径
HM
P
EMP
第三章 工业微生物的基础物质代谢 37
? 当用果糖等酮糖进行发酵时，引起甘露醇发酵，发酵型式
变为,
? 若大肠杆菌（ E.coli）等大肠菌群（有时称为假性乳酸菌）,
分解己糖生成乳酸的反应式为,
? 戊糖分解时，同型乳酸菌、异型乳酸菌按下式生成乳酸和
醋酸,
3 C6H12O6+ H2O 2 C6H12O6 + CH3CHOHCOOH+ CH3COOH+CO2+ H2
2C6H12O6+ H2O 2CH3CHOHCOOH+ CH3COOH+ CH3CH2OH +2CO2+ 2H2
葡萄糖 甘露糖 乳酸 醋酸
C5H12O5 CH3CHOHCOOH+ CH3COOH
第三章 工业微生物的基础物质代谢 38
? 双歧杆菌进行的乳酸发酵
有两个磷酸酮解酶参与；
没有氧化作用和脱氢作用。
? ２分子葡萄糖分解为３分
子乙酸和２分子 3-磷酸甘
油醛，接着在磷酸甘油醛
脱氢酶和乳酸脱氢酶参与
下,3-磷酸甘油醛转化为
乳糖。
? 理论转化率 50%。
３, Bijidus途径（双歧途径）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 39
? 乳酸是一种重要的有机酸
? 酸性稳定
? 在食品工业中广泛用作酸味剂、防腐剂、还原剂等
? 可用于清凉饮料、糖果、糕点的生产和鱼肉、蔬菜的加工
和保藏。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 40
糖密处理 → 加水稀释 → 升温 70℃ 灭菌 → 加入粗糖 → 流加碳
酸钙 → 冷却至 50℃ → 加入麦根 → 接种 20%培养物 → 发酵 →
继续补加硫酸钙和蔗糖液 → 发酵完成（残糖降至 2g/L以下）
发酵时间大约 6天 → 立即加入石灰乳 → pH上升至 9～ 10→ 升
温至 70℃ → ～静置 6～ 12h→ 去掉清液 → 将沉渣压滤提取
发酵蔗糖的菌种一般采用德氏乳杆菌
? 以蔗糖为原料的乳酸发酵工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 41
? 双歧杆菌酸奶的两种生产工艺
A,共同发酵生产工艺
（ 双歧杆菌与嗜热链
球菌, 保加利亚乳
杆菌共同发酵 ）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 42
第三章 工业微生物的基础物质代谢 43
（双歧杆菌与生香酵
母菌共生发酵）
B,共生发酵生产工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 44
? 微生物类群：梭状芽孢杆菌（ Clostridium）
（专性嫌气发酵）
? 此类菌都能分泌淀粉酶，所以可以直接利用淀粉质原
料发酵。
丁酸发酵
? 包括 丙酮丁醇发酵（已工业化）
丁醇异丙醇发酵
4.丁酸型发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 45
包括, a.丙酮－丁醇发酵；
b.丁醇－异丙醇发酵；
c.丙酮－乙酸发酵；
d.丁醇发酵。
? 1976年 Petidemang,H 提出的丙酮－丁醇发酵学说,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 46
? 丁醇型发酵
代谢途径,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 47
葡萄糖
↓EMP
丙酮酸
↓
乙酰 CoA
↓
乙酰乙酰 CoA → 乙酰乙酸 → 丙 酮
↓ ↓
β-羟丁酰 CoA
↓
丁酰 CoA → 丁 酸
↓
丁 醛
↓
丁 醇
乙 酸 ← 乙酰磷酸 ← → 乙 醛 → 乙 醇
异丙醇
? 产物：除丁酸外，还分别产生乙酸、乙醇、丁醇、异丙醇、丙酮等。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 48
1,概述
2,菌种
分类地位,
裂殖菌纲,
真细菌目,
真亚细菌亚目,
芽孢杆菌科,
羧状属,
厌气性有鞭毛的杆状菌 我国主要生产菌种,
乙酪酸梭状芽孢杆菌（ Clostridium acetobutyricum）
糖 -丁基丙酮梭菌（ C,saccharobutylacetonicum）
? 丙酮 —— 丁醇生产
第三章 工业微生物的基础物质代谢 49
己酸的形成属于合成发酵
? 梭状芽孢杆菌在脂肪合成时的代谢途径,
5,由乙醇、乙酸生成己酸的发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 50
? 若乙醇和乙酸的比例不同，则丁酸和己酸形成的比例也不
同,
乙酸多时主要产物为丁酸,
C2H5OH + CH3COOH → CH 3CH2CH2COOH + H2O
乙醇多时主要为己酸, C2H5OH
2C2H5OH + CH3COOH → CH3(CH 2)4COOH + 2H2O
有没有醋酸乙酯和己酸乙酯生成？
第三章 工业微生物的基础物质代谢 51
? 甲烷发酵是有机物厌氧分解过程中的主要过程,在有机废物
处理中起重要作用。
? 有机物的甲烷发酵不是单一的甲烷菌所能完成的。
? 甲烷发酵至少分三个阶段,各阶段均有不同的微生物参与。
6.沼气（甲烷）发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 52
第一阶段，有机聚合物水解生成单体化合物，进而分解成
各种脂肪酸,CO2、和 H2；（各类微生物）
第二阶段，各类脂肪酸进行分解，生成乙酸,CO2、和 H2；
（产酸菌，兼性厌气细菌）
第三阶段，由乙酸,CO2、和 H2反应生成甲烷。
（甲烷菌，严格厌气菌）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 53
? 前两个阶段也是 产酸阶段, 也叫液化阶段 。 参与的微生物
大部分是兼性厌氧细菌和少量的原生动物, 霉菌和酵母 。
? 甲烷产生阶段 主要是甲烷产生菌参与反应 。 甲烷菌是严格
嫌气菌, 不产孢子, 20多种以上 。 甲烷菌将 H2,HCO3-
（ 生物碳酸盐 ） 或醋酸转化为甲烷 （ CH4）, 并产生 ATP。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 54
?甲烷发酵过程,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 55
? 1979年,Balch 将 甲烷菌分为三类,
第一类：包括 Methanobacterium和 Methanobrevi-
bacterium在内的 Methanobacteriales；
第二类：包括 Methanococci在内的 Metanococcales；
第三类：分为两个属,
第一属包括 Methanomicrobium,
Methanogenium和 Methanospirillum；
第二属包括 Methanosarcrina berkeri等细菌。
? 各种甲烷菌之间载荷蛋白 RNA排序上都很相似，都具
有嗜盐性，而且耐温、耐酸。
? 与 真细菌 的主要区别,抵抗破坏细胞壁的抗生素的作用 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 56
（一）柠檬酸发酵机制
1,柠檬酸生物合成途径
? 黑曲霉存在 EMP途径和 TCA循环所有的酶，可以发酵生
产柠檬酸。
? 提供草酰乙酸的两个系统（ CO2固定系统）,
Ⅰ, PEP＋ CO2＋ ADP 草酰乙酸＋ ATP
Ⅱ, PYR＋ CO2＋ ATP 草酰乙酸＋ ADP＋ Pi
? 总反应式：（理论转化率 106.7%）
? 好氧代谢产物发酵机制
Mg2+,K+
Mg2+,K+
生物素
第三章 工业微生物的基础物质代谢 57
TCA循环及 DCA循环
第三章 工业微生物的基础物质代谢 58
＋ 激活
－ 抑制
2,柠檬酸积累的生物调节
PFK——磷酸果糖激酶
1——丙酮酸脱氢酶
2——柠檬酸合成酶
3——乌头酸水合酶
4——异柠檬酸脱氢酶
8——琥珀酸脱氢酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 59
? 积累柠檬酸的必要条件
?柠檬酸合成酶, 磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和丙酮酸羧化酶要强大；
?乌头酸水合酶, 异柠檬酸脱氢酶, 异柠檬酸裂解酶, 草酰乙酸
水解酶等要微弱；
?乌头酸水合酶失活, 该酶需 Fe2+；
?调节营养成分 （ 如锰 ） 与氧的供给, 使 EMP途径的关键酶磷酸
果糖激酶 （ PFK） 不受抑制；
?提供缺锰培养基, 以提高细胞内 NH4+浓度；
?供氧以提高呼吸活性使 EMP代谢加强 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 60
1—磷酸果糖激酶
2—丙酮酸脱氢酶
3—柠檬酸合成酶
4—乌头酸水合酶
5—异柠檬酸脱氢酶
6—?-酮戊二酸脱氢酶
7—琥珀酸脱氢酶
8—富马酸酶
9—苹果酸脱氢酶
10—草酰乙酸水解酶
激活
抑制
NH4+
10
第三章 工业微生物的基础物质代谢 61
⑴ 由 Mn2+缺乏抑制了蛋白质 和核酸合成, 因 而导致细胞内
NH4+ 浓度升高, 丙酮酸和草酰乙酸水平升高, 并减少柠
檬酸对 PFK的抑制； 一条呼吸活性强的侧系呼吸链不产生
ATP,这两方面的因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代
谢调节, 促进了 EMP途径畅通；
⑵ 由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸；
⑶ 在控制 Fe2+含量的情况下, 乌头酸水合酶活性低, 从而不
能及时转化柠檬酸；
结论,（ 柠檬酸积累机理）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 62
⑸ 黑曲霉中 TCA循环的另一个特点是,?-酮戊二酸脱氢酶被
葡萄糖和 NH4+ 抑制，在 柠檬酸生成期，菌体内不存在 ?-
酮戊二酸脱氢酶或活力很低。
⑷ 一旦柠檬酸浓度升高，就会抑制柠檬酸脱氢酶，从而进一
步促进了柠檬酸自身的积累。
结论,（ 续）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 63
1—磷酸果糖激酶
2—丙酮酸脱氢酶
3—柠檬酸合成酶
4—乌头酸水合酶
5—异柠檬酸脱氢酶
6—?-酮戊二酸脱氢酶
7—琥珀酸脱氢酶
8—富马酸酶
9—苹果酸脱氢酶
10—草酰乙酸水解酶
激活
抑制
NH4+
10
第三章 工业微生物的基础物质代谢 64
? 淀粉质原料或糖质原料,
黑曲霉 （ Aspergillus niger ）
? 正烷烃为原料,
解脂假丝酵母 （ Candida lipolytica ）
热带假丝酵母 （ C,tropicalis ）
3,柠檬酸生产菌
第三章 工业微生物的基础物质代谢 65
酵母的 烷烃 发酵,柠檬酸的积累是在培养基中
的氮源消耗耗尽开始, 细胞内的 AMP陡然下降,
抑制了 NAD-异柠檬酸脱羧酶的活性, 致使柠檬
酸的合成远大于分解 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 66
采用 亚硝基胍, 亚硝基脲, 乙基胺, ?射线, 紫外线 等，
原生质体融合, 异宗结合的单倍体和双倍体 以及 准性生
殖中的二倍体分离子 等，获得 突变株 或 工程菌
? 我国对柠檬酸生产菌（黑曲霉）常用的育种方法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 67
1,概述
? 柠檬酸 （ citric acid）,
又名枸橼酸，学名 3-羟基 -3-羧基戊二酸 (C6H8O7)
? 是生物体主要代谢产物之一，广泛分布于自然界、动物
及人的器官中
? 1784年，瑞典化学家 Scheel最早从柠檬汁中提取出柠
檬酸
4.柠檬酸的生产
HOOCCH2CHOHCOOHCH2COOH
第三章 工业微生物的基础物质代谢 68
柠檬酸被称为第一食用酸味剂
饮料 ——不仅赋予饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲,
抗氧化等作用，能是饮料中的糖、香精、色素等
成分交融协调
果酱和果冻，酿造酒，冰激淋和人造奶油（增加乳化稳定
性）、腌制品（除腥去臭、抗氧化）、罐头食品、豆制
品和调味品
? 柠檬酸在食品方面的应用
第三章 工业微生物的基础物质代谢 69
? 国外柠檬酸发酵技术发展的三个历史时期
1893年至 1917年：青霉菌生产（德国微生物学者 Wehmer
首先用青霉菌生产柠檬酸）；
1917年至 1938年：黑曲霉，浅盘发酵，奠定了大规模生
产的基础；
1938年至 1951年：深层发酵，用糖蜜为原料（ 1951年美
国 Miles公司首先采用深层发酵法）。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 70
?我国在 20世纪 40年代初开始 浅盘发酵 ； 60年代末开始 深
层发酵 （ 先为 薯干原料, 后发展到 精淀粉 或 糖蜜原料 ） ；
1970年开始进行 石油 为原料发酵柠檬酸 (C10～ 22链烷烃等 ）
?1995年, 我国柠檬酸生产厂已过百家, 年生产能力达 20
多万吨, 居世界第二位
第三章 工业微生物的基础物质代谢 71
? 对于典型的好氧发酵，工业上的生产方法,
-液体表面发酵法
-固态发酵法
-液态深层发酵法 —— 利用液体中的溶解氧
利用气相中的氧
5,柠檬酸生产工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 72
糖蜜原料 → 加等体积沸水 → 搅拌煮沸 → pH值 6.8～ 7.2
(15～ 30min)
硫酸或硫酸钠
糖蜜浓度
12～ 16%
（以蔗糖计）
冷却至
60～ 70℃ ←
↓
↓
加营养盐
和抗菌剂
入室装盘
（ 40～ 45 ℃
液层深 8～ 20㎝ ）
← ←
↓
冷却至 35℃ → 接种
黑曲霉干孢子
（ 75mg/m2表面积）
↑
通风培养
（ 35℃, 3天） →
控温发酵至结束
26～ 28 ℃, pH2.5 →
最大通风量
(15～ 18m3/m2·h,
湿度 75%以上 )
↑
（总发酵时间,8～ 9天）
A,液体表面发酵工艺过程和要求
第三章 工业微生物的基础物质代谢 73
固体发酵是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支持物（载体）上
发酵
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅰ 原料的处理； Ⅱ 种子培养； Ⅲ 发酵生产； Ⅳ 提取精制
B,固体发酵工艺过程和要求
第三章 工业微生物的基础物质代谢 74
柠檬酸样品
第三章 工业微生物的基础物质代谢 75
三级过滤
↓
无菌空气
黑曲霉
↓
空气
↓ 原料,配料 ↓
灭菌
柠檬酸（盐）
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
C,液体深层发酵工艺
第三章 工业微生物的基础物质代谢 76
? 同固体发酵相似，液体深层发酵也分为几个部分,
Ⅰ, 菌种的制备；
Ⅱ, 原料处理；
Ⅲ, 无菌空气的制备；
Ⅳ, 发酵生产；
Ⅴ, 提取和精制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 77
柠檬酸发酵车间
第三章 工业微生物的基础物质代谢 78
? 除了菌种和设备的影响外，影响柠檬酸液体深层
发酵产率的工艺因素有,
a,碳源及其浓度；
b,其它营养源及浓度；
c,pH值；
d,液层的深度；
e,通风量及方式；
f,温度
第三章 工业微生物的基础物质代谢 79
? 国内液体发酵罐一般为 50～ 80m3，可发酵蔗糖,
淀粉水解液、糖蜜、薯干粉及精淀粉
? 国内以薯干粉为原料生产柠檬酸，一般产酸量
为 10.9 %～ 13.8 %，转化率可达 91 %～ 104 %,
发酵周期为 4 天
第三章 工业微生物的基础物质代谢 80
薯干粉深层发酵工艺流程
第三章 工业微生物的基础物质代谢 81
无菌空气制备和有氧发酵系统（气升式发酵罐）
空 气
成 熟 醪
菌 种 液
原 料
16— 第二分过滤器
第三章 工业微生物的基础物质代谢 82
柠檬酸提取工艺流程
D,柠檬酸的提取
第三章 工业微生物的基础物质代谢 83
1,醋杆菌发酵酒精成醋酸
? 乙醇向醋酸的转化是分两步进行，中间产物是乙醛,
CH3CHOH CH3CHO CH3COOH
? 用淀粉质或糖脂等原料生产食醋时，首先要进行酒化，第
二步才是醋化。
? 醋酸杆菌是革兰氏阴性好气菌；理论转化率 130%。
?? ?? E2?? ?? E1
（二）醋酸（食醋）发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 84
? 反应式,
由己糖或戊糖生成醋酸的理论产率都是 100%；
发酵时需加入中和剂，生产醋酸盐。
2,热醋酸梭菌生产醋酸
第三章 工业微生物的基础物质代谢 85
? 热醋酸梭菌
醋酸发酵途
径（厌氧）
THF-四氢叶酸
第三章 工业微生物的基础物质代谢 86
1,Bentley 学说,
葡萄糖经 EMP途径和 TCA循环合成柠檬酸之后，再脱水、
脱羧生成衣康酸。
柠檬酸是依康酸发酵的中间产物。
依康酸对糖的理论转化率为 72%。
（三）衣康酸发酵机制
第三章 工业微生物的基础物质代谢 87
第三章 工业微生物的基础物质代谢 88
2,Shimi 学说,
? 葡萄糖经 EMP 途径后由乙醇转化为乙酸和琥珀酸，缩合
后脱羧生成衣康酸，对糖的理论转化率为 48%。
? 简式如下,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 89
（四）苹果酸发酵机制
1,乙醛酸循环
合成苹果酸,
? 理论转化率,
74.4%
? 反应式,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 90
2,乙醛酸循环和丙酮酸
羧化合成苹果酸,
? 理论产率,111.6%
? 反应式,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 91
3,丙酮酸羧化合成苹果酸（不需氧）,
? 理论产率,148.8%
? 反应式,
? 发酵依赖于 CaCO3或
其他碳酸盐
第三章 工业微生物的基础物质代谢 92
（五）葡萄糖酸发酵机制
1,真菌葡萄糖酸发酵,
? 菌种,黑曲霉 ( Asp,niger ),青霉 ( Penicillium )等
第三章 工业微生物的基础物质代谢 93
2,细菌葡萄糖酸发酵,
? 主要菌种,葡萄糖酸杆菌, 假单胞菌 ( Pseudomones ),芽
生菌 ( Pullularia ),微球菌 ( Micrococcus )等
第三章 工业微生物的基础物质代谢 94
3,葡萄糖酸的
代谢途径,
? 理论产率,
108.8%
葡萄糖氧化酶,
即需氧脱氢酶,
是一种黄素蛋
白, 从葡萄糖
上夺取 2 个 H
而自身被还原 。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 95
§ 2 脂类代谢
? 脂类物质包括脂肪、磷脂、甾醇 (固醇 )和蜡等
㈠脂肪及脂肪酸的降解
? 脂肪,是由三分子脂肪酸与甘油分子中的三个羧基
形成的酯，也称甘油三酯。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 96
脂肪＋ H2O 甘油＋脂肪酸
磷酸甘油激酶
α－磷酸甘油
α－磷酸甘油脱氢酶
磷酸二羟丙酮
EMP途径 G
或
TCA循环
继续降解
?? ?? 逆向
脂肪酶
第三章 工业微生物的基础物质代谢 97
? 脂肪酸和糖一样，在生物体内可以彻底氧化成 CO2和
H2O，并释放大量能量
? 分解脂肪酸主要是通过 ?-氧化途径
? 反应从羧基端开始，逐步地将碳原子成对地从脂肪链
上切下来，以每氧化一次失去两个碳原子的方式逐步
使碳链缩短
? 偶数碳链（ C2n） n个乙酰 CoA
奇数碳链（ C2n-1） n-1个乙酰 CoA+丙酰 CoA
第三章 工业微生物的基础物质代谢 98
脂肪酸 β－氧化途径
最终产物
第三章 工业微生物的基础物质代谢 99
㈡ 脂肪酸及脂肪的合成
? 微生物都是利用糖 (或乙酸 )作碳源来合成脂肪的。
? 糖分解后分别合成 α－磷酸甘油和脂肪酸，然后二者合
成脂肪 。
葡萄糖 磷酸二羟丙酮
α－磷酸甘油脱氢酶
α－磷酸甘油
磷酸甘油激酶
甘油
?? ?? E M P
第三章 工业微生物的基础物质代谢 100
乙酰 CoA 丙二酰 CoA
CO2 C2
,引物,
＋
ACP-SH
乙酰 ACP 脂肪酸
α-磷酸甘油 + 2脂酰 CoA α-磷酸甘油二酯
＋
甘油三酯 脂酰 CoA
??????? ?? 羧化酶乙酰 C o A
????? ?? 磷酸脱酸酶
酰基载体蛋白
第三章 工业微生物的基础物质代谢 101
㈢ 糖代谢与脂肪生物合成的关系
糖代谢与脂肪合成之间的关系
第三章 工业微生物的基础物质代谢 102
§ 3 烃类代谢
? 烃类分为链烃和环烃
? 以烃类为原料可生产：菌体蛋白、氨基酸、有机酸,
核苷酸、维生素、脂类、糖类等
㈠链烃的代谢
? 各种烃类都能被微生物
利用。 C2～ 16的链烃被
广泛作为基质
1,正烷烃的代谢
a.末端氧化
b.两末端氧化
c.次末端氧化 TCA
第三章 工业微生物的基础物质代谢 103
2.异构烷烃的代谢
? 微生物氧化一般只作用于烃主链；
远离侧链的一端较易氧化。
3.不饱和链烃的代谢
? 大多集中于对烯烃的研究。
例如解脂假丝酵母对十六烯的代谢 。
4.辅氧化作用
? 指某些微生物在其能够同化的烃类存在下，对本来不
能同化的烃类也能氧化。
烷烃 包括
正烷烃
和异构烷烃
第三章 工业微生物的基础物质代谢 104
5.烃类代谢机制
? 微生物对不同烃类的共同点,首先进行羟基化，生成醇
? 羟基化三种类型,
(1)借助单加氧酶的羟基化反应，可将烃氧化为醇（假单孢菌）
(2)借助脱氢酶和水合酶的羟基化反应，先生成烯烃再生成伯醇
（皱褶假丝酵母）
(3)借助生成过氧化物的羟基化反应，先形成氢过氧化物，再还
原为醇（革兰氏阴性菌）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 105
㈡ 环烃代谢
? 可作为谷氨酸、柠檬酸、反丁烯二酸的发酵原料。
1.脂环烃代谢
? 短杆菌 JOB5和诺卡氏菌 R9
是氧化脂环烃能力最强的菌。
2.芳香烃代谢
(1)苯环代谢：生成物均可进入 TCA循环
(2)奈环代谢：奈环易被微生物代谢
(3)蒽和菲代谢：易被微生物同化，但在自然界中较少
(4)带取代基的芳香烃代谢：先从侧链开始氧化
环烃 包括
脂环烃和芳香烃,
脂环烃难被微生物
所氧化
第三章 工业微生物的基础物质代谢 106
§ 4 氮硫代谢
1.氮代谢
? 氮是微生物体内维持生命的氨基酸、核酸、维生素等
的必须组成成分。
? 微生物为合成自身的组成分，一般能代谢有机氮和无
机氮。
2.硫代谢
? 硫不仅是蛋氨酸、半胱氨酸、辅酶 A的构成成分，而且
在形成蛋白质的次级结构中具有重要作用。
CH2OHCHNH2COOH + H2S → CH2SHCHNH2COOH + H2O
（丝氨酸） （半胱氨酸）
第三章 工业微生物的基础物质代谢 107
§ 5 能量代谢
㈠ 生物氧化及途径
1.生物氧化的概念、方式及特点
? 生物体内，一切氧化作用释放能量的反应都称为“生物
氧化作用” 。
有氧代谢
生物氧化
无氧代谢
? 生物氧化的本质是脱氢、失去电子或与氧直接化合的过程。
2O有无分子
有
无
能量最初都
来自于太阳
能
第三章 工业微生物的基础物质代谢 108
2.基本途径
生物氧化的基本途径
第三章 工业微生物的基础物质代谢 109
? 第一阶段：从代谢物中产生的电子和氢离子，由一级
电子接受体将电子接去，成为底物水平上的磷酸化作
用。
? 第二阶段：电子从一级电子接受体出发，通过构成电
子传递体系的一连串氧化还原体系链条，称为氧化磷
酸化。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 110
? 生物氧化 特点 是在酶催化下进行，反应条件温和，能
量逐步释放。
? 生物氧化所释放的能量常贮存在高能化合物（如 ATP）
中，通过其转移作用满足机体吸能反应的需要。
? 研究中，可以通过测量生物体的耗氧量和 CO2的 生成量
来衡量物质被氧化的相对量，及生物体消耗的能量。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 111
3,生物氧化反应和酶类
? 脱氢反应,是所有底物水平上发生的氧化反应。在这
个过程中，底物分子被移去两个氢原子，即两个氢离
子和两个电子。
? 脱羧反应,是把羧基转化为 CO2的过程。与脱氢反应同
步发生。
?,预制件”反应,指反应中一个底物分子受到了改造，
为能参与下一步脱氢反应做好准备，即能生成原来分
子中并不存在的 —CHOH—或 —CH2CH2—基团。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 112
㈡ 氧化磷酸化作用
1.底物水平磷酸化,底物在氧化过程中因分子内部能量
重新分布而形成高能化合物，它的磷酸基团和高能
键可转移到 ADP上生成 ATP。
2.电子水平磷酸化－也称氧化磷酸化,
氧的消耗受到能量的调节（这个调节过程称为呼
吸控制）。氧的消耗和 ATP生成个数之间关系用
P/O比值来表示（每消耗一个原子的氧所生成的
ATP分子个数的多少）。
第三章 工业微生物的基础物质代谢 113
㈢ 生物氧化反应的细胞定位
发生于 线粒体外 的－如葡萄糖降解为丙酮
酸，及脂肪酸降解为乙酰 CoA
? 生物氧化
发生于 线粒体内 的－如丙酮酸氧化成乙酰
CoA，脂酰 CoA氧化成乙酰 CoA,
乙酰 CoA氧化成 CO2和水
第三章 工业微生物的基础物质代谢 114
实例 Ⅰ,辅酶 A
第三章 工业微生物的基础物质代谢 115
第三章 工业微生物的基础物质代谢 116
辅酶 A制备方法,
第三章 工业微生物的基础物质代谢 117
2,以酵母为原料的提取法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 118
3,微生物生物合成法
第三章 工业微生物的基础物质代谢 119
CoA质量标准及其用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 120
实例 Ⅱ,三磷酸腺苷钠
第三章 工业微生物的基础物质代谢 121
第三章 工业微生物的基础物质代谢 122
三磷酸腺苷钠的制备
第三章 工业微生物的基础物质代谢 123
三磷酸腺苷钠的质量标准及其用途
第三章 工业微生物的基础物质代谢 124
THE END
