发酵工艺学概论复习1.发酵技术的概念和特点概念：发酵技术是利用微生物的生长和代谢生产各种有用生物、化学产品的技术现代发酵技术的特点：产品类型多、技术要求高、规模巨大、技术发展速度快2. 相对于化学反应过程，微生物反应具有以下的优点：1）反应在常温、常压下进行，对设备的要求较低。
2）原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，价格相对低廉。
3）反应以生命体的自动调节方式进行，能在单一反应器（发酵罐）内很容易地进行。
4）生产过程相对安全，对人体危害小。
5）通过对微生物的菌种改良，能够利用原有设备使生产飞跃。
3. 发酵工业存在的问题（发酵过程存在的问题和缺陷）1）底物不可能完全转化为目标产物，副产物的产生不可避免，造成产物提取和精致的困难。
2）微生物反应是活细胞的反应，菌体易发生变异和退化，微生物反应过程复杂，对发酵过程的控制相当困难。
3）原料是农副产品，虽然价廉，但质量和价格波动较大。
4）与化工过程相比，反应器的效率低。
5）发酵废水量大，并含较高的COD和BOD，需要进行处理。
6）生产过程易受杂菌污染7）发酵过程的控制相当困难4. 发酵工业(技术)发展简史现代发酵工业以青霉素(penicillin)的大规模液体深层培养为标志。
1928年Fleming发现了青霉素，1940年Florey和Chain成功制备青霉素并进行临床实验。
5. 发酵技术的应用1）在医药行业的应用ａ能生产四种类型的产品：各种抗生素，各种氨基酸、维生素、基因工程药物ｂ希望能写出几种常用抗生素的名称：抗细菌的抗生素：青霉素、头孢菌素、红霉素、链霉素、螺旋霉素、四环素、万古霉素、链阳性菌素等抗真菌的抗生素：两性霉素、灰黄霉素、制霉菌素、杀假丝菌素、多效霉素抗肿瘤抗生素：放线菌素，博来霉素，阿德里亚霉素，阿霉素，丝裂霉素各种氨基酸：几乎所有的氨基酸都可以由微生物发酵制备或由微生物产生的酶合成维生素：维生素B2、维生素C、维生素B12，麦角固醇（维生素D2的前体）基因工程药物:干扰素(interferon)、生长激素、白细胞介素（interleukin)、表皮生长因子、促红细胞生长素(erythopoietin, EPO)、集落刺激因子(colony stimulating factor, CSF)、单克隆抗体(monoclonal antibodies, MAbs)2) 在化学工业中的应用由发酵法生产的有机溶剂: 乙醇(ethanol)、丙酮(acetone)、丁醇(butanol)、二羟基丙酮(dihydroxyacetone)等由发酵法生产的有机酸 : 乙酸(acetic acid)、丙酸(propionic acid)、乳酸(lactic acid)、丁酸(butyric acid)等3）在酶制剂行业的应用写出几种工业酶制剂的名称 :淀粉酶、糖化酶、半乳糖苷酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶等蛋白酶：包括碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶脂肪酶果胶酶青霉素酰化酶、青霉素扩环酶等医药工业、轻工业用酶2 微生物的代谢调节微生物代谢调节的生化基础1）酶活性调节的生化基础：别构效应（反馈抑制）2）酶合成调节的生化基础：酶的诱导和阻遏微生物代谢调节的方式酶的诱导：酶诱导(enzyme induction)的定义生物与一种化学物质—诱导物(inducer)相接触的结果大大增加了酶的合成速率。
或者说是在化学物质诱导物的作用下，微生物在转录的水平上提高酶的合成速率。
安慰诱导物分解代谢物阻遏：微生物与容易同化的碳源相接触，使有些酶合成速率相对降低的作用反馈调节：微生物细胞内分解代谢的酶通常由诱导作用和分解代谢物的阻遏作用进行调节，而合成代谢的酶则通常由反馈调节作用进行调节反馈调节的类型反馈抑制(fedback inhibition)：生物合成途径的最终代谢产物抑制该途径的前面第一或第二个酶的催化活性反馈阻遏(fedback repression)：生物合成途径的最终代谢产物极其衍生物在转录的水平上抑制该途径的几乎所有酶的生物合成反馈抑制和反馈阻遏的区别与联系区别：反馈抑制是从酶水平上进行调节；反馈阻遏从转录水平上调节反馈阻遏作用的响应比较慢；反馈抑制的调节速率比较快反馈抑制的调节对象一般为别构酶，而反馈阻遏的调节对象则不一定反馈抑制一般调节某一代谢途径前面第一或第二个酶的活性或某一分枝代谢途径的第一个酶；而反馈阻遏调节的为代谢途径几乎所有的酶联系：两者的作用相辅相成，联合作用可以对微生物的代谢途径进行效的调节二者所起的作用都是防止代谢产物的过度合成能荷的调节：能荷(energy charge, EG)反映细胞内的能量状态，可用上式表示，显然当细胞内的腺苷磷酸全为ATP时，细胞的能荷为1，当全为AMP时，细胞的能荷为0。
在对数生长期大肠杆菌的能荷为0.8，在稳定期逐渐降至0.5，当能荷低于0.5时细胞开始死亡分枝代谢途径中的反馈抑制作用（了解其在发酵中的应用，及其简图）同工酶反馈调节同工酶(isoenzymes)的特异性调节催化同一反应但结构不同的几种酶的总称大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸合成途径中的三种天冬氨酸激酶分别受赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸的反馈调节协同反馈调节协同(synergitic)反馈调节单个代谢终点产物对代谢途径第一个酶的反馈抑制作用很小，多个终点产物协同作用则可以有效地反馈抑制酶的活性累积反馈调节累积(additive)反馈调节在分枝代谢产物合成途径中，每一终点代谢产物能够部分地抑制合成途径的第一个酶，多种代谢产物多酶活性的反馈抑制具有累加的效果顺序反馈调节顺序反馈抑制在分枝合成代谢途径中，代谢的终点产物不能直接反馈抑制第一个合成酶的活性，而是首先抑制分枝步骤的酶活性，使分枝点上中间代谢产物积累，然后分枝点上的代谢产物在抑制整个途径第一个酶的活性联合激活或抑制联合激活或抑制两个合成代谢途径的共同中间体的合成酶同时受到这两个代谢途径的中间产物或终点产物的激活或抑制分枝代谢途径中的反馈阻遏作用终点代谢产物的反馈阻遏在微生物的合成代谢途径中代谢的终点产物对该途径多种合成酶均有反馈阻遏作用以天冬氨酸族氨基酸合成途径的反馈调节为例不同微生物中调节机制的多样性：同一种酶在不同的微生物中受不同的反馈抑制调节同一种酶的合成在不同的微生物中受不同诱导物的调节根据微生物代谢调节的基本原理提高初级代谢产物产量的方法――初级代谢产物的概念初级代谢产物是微生物在生长过程中产生的为菌体生长所必须的小分子化合物，包括单糖氨基酸、核苷酸维生素以及用来合成这些物质的小分子物质与微生物的生长过程耦联一般为微生物的生长过程必须小分子物质初级代谢产物有：氨基酸、有机酸、单糖、糖酵解途径(EM)的中间产物、三羧酸循环(Crebs cycle)的中间产物、磷酸戊糖旁路途径(PP)的中间产物等提高初级代谢产物合成的主要方法：减少抑制性和阻遏性的终点产物合成降低微生物对反馈作用的敏感程度减少其它分枝代谢途径产物的合成――避开固有的反馈调节ａ、中间代谢产物的积累：简单的代谢途径分枝代谢途径ｂ、终点产物的积累：以谷氨酸棒杆菌发酵生产赖氨酸为例，与前面所讲的大肠杆菌内天冬氨酸族氨基酸合成途径的调节不同，在谷棒杆菌内只有一种天冬氨酸激酶，而且这中酶只受苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制调节除了阻断高丝氨酸合成途径外，工业发酵中的赖氨酸产生菌还具有下列特点：解除赖氨酸对合成天冬氨酸激酶和天冬氨酸半醛脱氢酶的阻遏作用赖氨酸分枝的头两个酶不受赖氨酸的抑制和阻遏L-赖氨酸脱羧酶缺失ｃ、耐反馈作用的突变株的筛选1）抗代谢类似物突变株(mutants)的筛选原理：将与目标产物具有相似化学结构的类似物加入到培养基中，类似物可抑制和阻遏合成途径的关键酶但不能被微生物利用，导致绝大多数微生物因缺少目标产物而死亡，只有对反馈抑制和反馈阻遏不敏感的突变株能继续合成目标产物而存活。
步骤：菌种诱变、抗代谢类似物的突变菌株的筛选对代谢类似物的要求：ａ。
与目标产物的化学结构相似，能够选择性地抑制和阻遏目标产物合成途径中的关键酶，不ｂ。
能被微生物利用ｃ。
能够透过细胞膜有些细菌对多种代谢类似物不敏感，可以通过改变培养条件提高其敏感性2）营养缺陷型的筛选和回复突变首先诱变选育目标产物的营养缺陷型菌种然后以营养缺陷型为出发菌株诱变并选育回复突变株有些回复突变子具备抗反馈抑制和反馈阻遏的能力――改变细胞的通透性1）增强细胞的通透性可以使代谢产物分泌到发酵液中，具有如下的作用：有利于代谢产物的后提取避免代谢产物在胞内大量积累而产生的抑制或阻遏作用避免代谢产物在胞内大量积累而产生的细胞毒性ｅｇ。
谷氨酸的发酵生产用青霉素(penicillin)调节细胞的通透性青霉素是一种常用的抗生素，其作用机理是抑制细菌细胞壁的合成在对数生长期内加入青霉素能启动谷氨酸的分泌，使细胞内的谷氨酸的含量迅速下降到5mg/gDCW而不改变细胞的代谢活性控制生物素(biotin)的添加量调节细胞的通透性生物素是细菌脂肪酸合成中的重要辅酶，生物素缺乏可以改变细胞外壳的脂质成分，使细胞的通透性发生变化3 次级代谢产物的生物合成与调节微生物次级代谢产物的概念次级代谢产物(secondary metabolites)又称次生代谢产物或分化代谢物，是由微生物在生长后期产生的，为菌体生长非必须但对产生菌的生存具有一定价值的，分子结构相对复杂的小分子化合物。
小分子化合物在菌体生长后期产生对微生物的生长代谢无贡献常为数种结构极相似的化合物群体其生物合成常与微生物的分化过程同步1）.次级代谢产物合成与初级代谢的关系次级代谢产物合成所需要的前体由初级代谢产物提供次级代谢产物合成所需要的能量由初级代谢过程提供次级代谢产物的合成一般受碳、氮分解代谢物的阻遏由初级代谢产物衍生次级代谢产物的途径主要有以下几种：葡萄糖碳架(carbon skeleton)掺入途径莽草酸(shikimate)途径与核苷(nucleotide)有关的途径聚酮体(polyketide)和聚丙酸途径由氨基酸(amino acid)衍生的途径甲羟戊酸(mevalonate)途径其他复合途径2）.次级代谢产物生物合成的调节方式酶的诱导有些次级代谢产物合成的关键酶(key enzymes)受分解代谢产物的阻遏，同时，有些酶还受一些化合物(前体)的诱导色氨酸对生物碱合成酶的诱导作用蛋氨酸对头孢菌素合成酶的诱导作用甘露聚糖对链霉素合成中a-D-甘露糖酶的诱导反馈调节青霉素的生物合成受赖氨酸的反馈抑制芳香族氨基酸反馈抑制杀假丝菌素的生物合成麦角生物碱的生物合成途径中二甲烯丙基转移酶受麦角碱的反馈抑制芳香族氨基酸为杀假丝菌素生物合成途径的分枝途径的终点产物，对早期共同途径的一个酶具有反馈调节作用分解代谢物的调节能荷调节四环素、金霉素等的生物合成受能荷的调节――胞内ATP含量高时抑制四环素和金霉素的生物合成能荷受培养基中的磷酸盐含量、底物浓度等因素的影响4 酶生产的调节调节酶合成效率的主要因素诱导作用（酶的诱导）微生物细胞内酶的合成通常要受到阻遏作用，需要加入诱导剂才能使酶能够过量积累。