第二章发酵原理01pptConvertor.docVIP

1 第二章 发酵原理 请带着以下问题听课： 1.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？ 2. 微生物生命活动的3个假说； 3.发酵原理的研究内容； 4. 发酵学的基本理论框架。 微生物的特点：体积小；种类多；分布广； 繁殖快； 便于培养； 容易发生变异； 人工培养不受季节、地域的限制。 自主生存 独立存在 5 6 工业发酵过程是微生物群体生命活动的动态过程，这个过程是五花八门、千变万化的。具体表现为种种多样性，譬如微生物种群的多样性、微生物营养类型的多样性、微生物培养条件的多样性、目的产物的多样性、微生物生长与目的产物生成的偶联方式的多样性等等。 6 7 细胞 单细胞蛋白（白色食品，蓝色食品） 生物转化 结构复杂的有机产品（譬如甾醇的生物转化) 细胞的产物 酶（如葡萄糖异构酶等） 次级代谢产物（如抗生素） 初级代谢产物（如氨基酸） 能量代谢副产物（如乙醇） 中心代谢产物（如柠檬酸） 直接面向环境 7 8 微生物细胞能自主生活和独立存在，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。 “生物机器”是从机器衍生的新概念，生物机器是指由代谢能驱动的机器。 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，微生物活细胞就是工业发酵生产线上不可缺少的微生物生物机器（或称细胞机器），是发酵工厂里关键的生产机器。 8 9 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： 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；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。 9 10 细胞机器与微生物细胞不同，主要表现在以下方面： 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；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。 10 11 根据工业发酵的现状，把依靠化能异养型微生物合成某种最终被分泌到胞外的初级代谢产物的工业发酵，作为工业发酵的典型过程来研究，并把代谢研究的重点放在碳的代谢上，从而建立了细胞机器（发酵工厂里微生物生物机器）的工作的基本模式。 11 12 12 13 模型各部分的含义： ＊椭圆：细胞机器的界面 ＊带箭头的曲线：载流路径及代谢主流 1.载流路径：由跨膜进入、向心途径、中心途径、离心途径、跨膜逸出五段途径依次首尾衔接而成。 2.物质代谢流：从原料到产品的物质流动轨迹。也可分成跨代谢网络的三大板块的相应的五段代谢流。 13 14 从不同的角度研究微生物的生命活动，把现代生物学关于伴随能量形式的转换而发生的电子流动、物质流动以及信息流动这三种流动的观点引入发酵工程，提出了反映微生物生命运动客观规律的三个基本假说：代谢能支撑假说、代谢网络假说和细胞经济假说。 14 15 微生物生命活动的三个基本假说： ①代谢能支撑假说：微生物细胞生命活动的驱动原理（微生物能学） ②代谢网络假说：代谢网络与代谢物流图（微生物第二解剖学） ③细胞经济假说：细胞经济运行与生存保障原理（细胞经济学）。 15 16 代谢能支撑假设挑明了微生物生命活动的前提，即微生物细胞代谢能的持续供应问题； 代谢网络假设梳理了微生物生命活动的内容，具体了微生物细胞的能量、物质转化的关系； 细胞经济假设揭示微生物生命活动的经济管理原则，这些原则是人和微生物合作成功的基础。 16 17 （一）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。 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