酶工程
第二章 酶的发酵工程
（二）培养条件对产酶的影响与调节控制
1. pH对产酶的影响与调节控制 细菌、放线菌：中性至微碱性；霉菌、酵母菌：微酸性 培养基pH的改变会影响产酶的种类或比例 调节控制 控制培养基的组分或比例；添加pH缓冲物种；流 加酸碱溶液或补料；提高空气流量
酶工程
第二章 酶的发酵工程
脂肪酶；理氏木霉—木聚糖酶、纤维素酶； 青霉—葡萄糖氧化酶、5/-磷酸二酯酶
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（二）产酶菌种的要求
（1）酶的产量高； （2）容易培养和管理，产酶细胞容易生长繁殖，适应性强，便 于管理； （3）菌株遗传性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体，保 证生产的稳定性； （4）菌株能利用廉价原料，发酵周期短，生产成本低； （5）有利于酶产品的分离纯化，最好是分泌型的胞外酶； （6）菌株安全可靠，非病原菌，不产毒素及其它有害物质，不 影响生产人员的身体健康； （7）基因工程菌必须符合安全性要求。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
6. 菌种的退化与复壮 （1）菌种退化现象：随着菌种保藏时间的延长或多次
的转接传代，菌种本身所具有的优良遗传性状发生了不利 于发酵生产的遗传变异现象。
（2）防止退化措施：创造合适的培养条件，采取有效 的菌种保藏方法，尽量减少传代次数。
（3）退化菌种的复壮：纯种分离和性能测定。包括已 发生退化菌种的复壮和菌种退化之前的复壮和提高。
4
Pr
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（三）酶生物合成的诱导作用
合成方式
酶
组成酶：细胞所固有的酶 诱导酶：在诱导物的诱导作用下合成的酶
诱导物 — 底物、产物、底物结构类似物（IPTG）
诱导 协同诱导：诱导物同时诱导几种酶的合成 作用 顺序诱导：先后诱导不同酶的合成
生物学意义：① 节约机制；② 环境适应能力
酶工程
第二章 酶的发酵工程
三、发酵方法
（一）液体深层发酵
优点： ① 产酶纯度高，质量稳定； ② 较易控制发酵条件，易自动化
控制； ③ 机械化程度高，劳动强度小； ④ 设备利用率高。
缺点： 设备投资大
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（二）固体发酵
固体发酵方式：浅盘培养、转鼓培养、厚层通风培养 优点：
设备简单，环境污染少；产酶率高；适合霉菌的培养。 缺点：
酶工程
第二章 酶的发酵工程
第一节 酶生物合成的调节机制 第二节 酶的发酵技术 第三节 酶发酵动力学
酶工程
第二章 酶的发酵工程
第一节 酶生物合成的调节机制
一、原核生物中酶生物合成的调节
原核生物酶的合成主要是在转录水平上进行调节，调 节方式主要有酶合成的诱导和酶合成的阻遏两种方式。
原核生物中酶合成的诱导和阻遏作用机制都可以用 Jacob和Monod提出的操纵子理论来解释。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（三）菌种筛选
1. 含菌样品的采集 根据不同微生物的生态分布特点，从自然界中采样。
产酶微生物的分布基本规律：
（1）相近菌种产生的酶性质一般相近或相似。 （2）胞外酶的稳定性和最适条件通常和菌的最适生 长条件接近。 （3）为获得能降解某种物质的产酶菌株，一般可从 该物质分布比较丰富的地方寻找。
培养基 营养成分丰富，尽可能满足细胞生长繁殖； 营养成分尽可能与发酵培养基接近；pH值稳定
培养条件 必须是菌种细胞生长繁殖的最适条件；包括 温度、pH值、通气搅拌、通风、翻曲、湿度
种龄 生命力最为旺盛的对数生长期。细菌：7~24h; 霉菌：16 ~ 50h; 放线菌：21~64h;
酶工程
第二章 酶的发酵工程
优点：可有效实现自动化，降低劳动强度，设备利 用率高，可消除反馈阻遏作用，酶产率高。适合于与生 长相偶联的发酵产物的生产。
缺点：菌种易变异退化，易染杂菌。原料利用率低， 生产成本增加。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（五）补料分批发酵
优点：可解除营养基质的抑制和分解代谢物阻遏作 用；可改善好氧发酵的溶氧状况；减少菌体生成量，提高
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（一）乳糖操纵子学说 1. 基本概念
操纵子：由调节基因（R）、启动子（P）、操纵基因 （O）和结构基因（S）所构成的一个完整的基因表达单位。
诱导物：诱导酶起始合成的物质。
辅阻遏物：阻遏酶产生的物质。 调节蛋白：调节基因产生的一种变构蛋白。两个结合 位点：操纵基因结合位点、效应物结合位点。两种类型： 阻遏蛋白、阻遏蛋白原。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
第二章 酶的发酵工程
所有的生物为了维持其正常的生命活动，在一定 的条件下都能够合成其自身生长所需要的各种酶，酶 的种类和数量是受到细胞自身的严格调控的。
通过人为的操作控制，利用生物细胞的生命活动 来大规模发酵生产人们所需要的酶的技术过程，称为 酶的发酵生产。
酶的制备方法：提取法、发酵法、合成法。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（三）增强子促进酶的生物合成
增强子：是一段能够提高转录效率的特定DNA序列，长 约100~200bp，核心组件8~12bp，单拷贝或多拷贝串联存在。
增强子的作用特点：
（1）提高同一条DNA链上基因的转录效率，可远距离 发挥作用，在基因的上游或下游均可起作用。
（2）与其序列的正反方向无关。 （3）要有启动子才能发挥作用，但对启动子没有严格的 专一性。 （4）必须与特定的蛋白质因子结合才能发挥作用，具有 组织和细胞特异性。
接种量 与菌种特性、种子质量和发酵条件有关。 0.1 ~ 10%
种子质量的判断 细菌、酵母菌—— 菌体健壮，菌形 一致，均匀整齐，一定的排列和形态； 霉菌、放线菌——菌丝粗壮，染色力强，生长旺 盛，菌丝分枝和内含物情况良好。
种子的异常情况 菌种生长缓慢或过快，菌丝结团
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（2） 种子质量的控制措施 菌种稳定性检查：保藏菌种 无（杂）菌检查：显微镜观察，肉汤或琼脂斜面培养 生化分析：养分消耗速度，pH变化，溶解氧利用， 色泽，气味等
酶工程
第二章 酶的发酵工程
4. 泡沫对产酶的影响与控制 泡沫的不利影响：
① 阻碍CO2的排除，影响O2的溶解； ② 发酵液溢出，造成原料浪费，引起杂菌污染； ③ 发酵罐装料量受限，降低发酵罐的利用率；
控制泡沫的方法：
① 选育不易产生泡沫的菌种； ② 调节培养基中营养成分，减少或缓加易起泡的原料； ③ 机械消泡或化学消泡；化学消泡剂：天然油类，甘油聚
劳动强度大；原料利用率低；产酶纯度差，提取精制
困难；传质传热效率 低，发酵条件不易控 制，产酶不稳定；不 能进行胞内酶的生产。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（三）分批发酵
特点：操作简单；发酵初期营养物过多可能抑制微 生物的生长，中后期可能因为营养物的减少及有害代谢 产物的积累而降低培养效率
（四）连续发酵
有用产物的转化率；菌丝 减少可降低发酵液的粘度， 便于发酵培养物的输送及 后处理；不易产生菌种退 化和变异，杂菌污染易控 制；使用范围广。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
四、提高产酶的措施
（一）添加诱导物
诱导物类型：作用底物、反应产物、底物类似物
（二）降低阻遏物浓度
分解代谢物阻遏、末端产物（反馈）阻遏
（三）添加表面活性剂
酶工程
第二章 酶的发酵工程
2. 乳糖操纵子的诱导机制
（1）乳糖（操2）纵阻子遏的蛋结白构的（负3性）调CA节P；的正性调节
cAMP-CAP β-半乳糖苷酶 透过酶 乙酰基转移酶
DNA
I
P
Байду номын сангаас
OZ Y A
RNA聚合酶
mRNA
诱导物
阻遏蛋白
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（二）色氨酸操纵子学说
分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖邻氨基苯甲酸 羧苯氨基脱氧核糖磷酸 吲哚甘油磷酸
酶工程
第二章 酶的发酵工程
（四）菌种活化与扩大培养
1. 菌种扩大培养
保藏菌种 试管斜面活化
三角瓶培养
种子罐培养
2. 种子制备的过程 防止杂菌污染，减少转接次数，避免种子培养基的长
时高温灭菌；培养基及培养条件是细胞生长繁殖的最适条 件；培养时间以对数生长期为宜。
酶工程
第二章 酶的发酵工程
3. 种子质量的控制 （1） 影响种子质量的因素及其控制
酶工程
第二章 酶的发酵工程
二、培养基和培养条件对产酶的影响与调节
（一）培养基成分对产酶的影响
1. 碳源 淀粉及其水解物 2. 氮源 无机氮和有机氮 3. 无机盐类 大量元素和微量元素 4. 生长因子 氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素、激素 5. 产酶促进剂 表面活性剂、植酸钙镁、LS、聚乙烯
醇、EDTA等
2. 温度对产酶的影响与调节控制 不同的微生物生长与产酶的最适温度各不不同；
很多微生物发酵产酶的最适温度与生长繁殖的最适温 度不同，且往往低于生长最适温度。
在酶发酵生产的不同阶段控制不同的温度条件， 进行变温发酵。
调节控制
液态发酵可利用发酵罐的夹套、盘管或蛇管等通过 温（冷）水进行调节控制，固态发酵可通过通风量或风 温来进行调节。
葡萄糖效应：葡萄糖抑制微生物利用其他碳源（底 物）的现象 。
cAMP-CAP
I
P
OZ Y A
酶工程
第二章 酶的发酵工程
二、真核生物中酶生物合成的调节
（一）细胞分化改变酶的生物合成
如：端粒酶的生物合成
（二）基因扩增加速酶的生物合成
如：爪蟾卵细胞形成时，rRNA的基因数增加4000倍； 中国田鼠细胞培养在含有氨甲基蝶呤的培养基中生长时， 细胞中编码二氢叶酸还原酶的基因大量扩增，以合成大量 的二氢叶酸还原酶。