氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程課件

25氨基酸發(fā)酵工藝25.1概述25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介25氨基酸發(fā)酵工藝25.1概述125.1概述近40多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在研究、開發(fā)和應(yīng)用氨基酸方面均取得重大進(jìn)展，新發(fā)現(xiàn)的氨基酸種類和數(shù)量已由20世紀(jì)60年代50種左右，發(fā)展到20世紀(jì)80年代的400種，目前已達(dá)1000多種。其中用于藥物的氨基酸及氨基酸衍生物的品種達(dá)100多種。氨基酸分為兩大類，即蛋白質(zhì)氨基酸和非蛋白質(zhì)氨基酸。氨基酸中有8種氨基酸人體本身不能合成，只能從食物的蛋白質(zhì)中攝取，稱為必需氨基酸，它們是L-賴氨酸、L-色氨酸、L-蘇氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-蛋氨酸。還有兩種半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。25.1概述近40多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在研究、開發(fā)和應(yīng)用氨基酸225.1概述25.1.1氨基酸的應(yīng)用1、食品工業(yè)：營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑；鮮味劑；甜味劑。2、飼料工業(yè)：營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑。3、醫(yī)藥工業(yè)：氨基酸輸液；氨基酸衍生物；氨基酸鹽。4、化學(xué)工業(yè)：洗滌劑；護(hù)膚品；人造革。5、農(nóng)業(yè)：無(wú)公害農(nóng)藥。25.1概述25.1.1氨基酸的應(yīng)用325.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：強(qiáng)化食品：谷物中缺賴氨酸，蘇氨酸，色氨酸、蛋氨酸。增鮮劑：谷氨酸單鈉和天冬氨酸。

甜味劑：苯丙氨酸與天冬氨酸可用于制造低熱量二肽甜味劑(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此產(chǎn)品1981年獲FDA批準(zhǔn),現(xiàn)在每年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)萬(wàn)噸。25.1概述氨基酸的應(yīng)用425.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：

大豆蛋白的氨基酸組成影響其營(yíng)養(yǎng)效價(jià)。

25.1概述氨基酸的應(yīng)用525.1概述氨基酸的應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)：多種復(fù)合氨基酸制劑可通過(guò)輸液治療營(yíng)養(yǎng)或代謝失調(diào)苯丙氨酸與氮芥子氣合成的苯丙氨酸氮芥子氣對(duì)骨髓腫瘤治療有效,且副作用低。25.1概述氨基酸的應(yīng)用625.1概述氨基酸的應(yīng)用飼料工業(yè)：不可缺少的營(yíng)養(yǎng)性添加劑，一般生長(zhǎng)期添加賴氨酸，產(chǎn)蛋期添加蛋氨酸，飼料配制時(shí)必需計(jì)算氨基酸平衡。25.1概述氨基酸的應(yīng)用725.1概述氨基酸的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)十二烷基谷氨酸鈉肥皂-無(wú)皮膚刺激洗滌劑焦谷氨酸鈉-潤(rùn)膚劑聚谷氨酸人造革、人造纖維和涂料25.1概述氨基酸的應(yīng)用825.1概述氨基酸的應(yīng)用農(nóng)業(yè)特殊的氨基酸農(nóng)藥如N-月桂酰-L-異戊氨酸，能防治稻瘟病，又能提高稻米的蛋白質(zhì)含量。氨基酸烷基酯及N-長(zhǎng)鏈?；被崮芴岣咿r(nóng)作物對(duì)病害的抵抗力，具有和一般殺蟲劑一樣的效果。25.1概述氨基酸的應(yīng)用925.1概述25.1.2氨基酸的生產(chǎn)方法

1、發(fā)酵法（1）直接發(fā)酵第一類用野生菌株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸，如谷氨酸、丙氨酸和纈氨酸。第二類用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸，如谷氨酸棒狀桿菌的高絲氨酸缺陷型生產(chǎn)賴氨酸；酪氨酸缺陷型生產(chǎn)苯丙氨酸；苯丙氨酸缺陷型生產(chǎn)亮氨酸；亮氨酸缺陷型生產(chǎn)纈氨酸。25.1概述25.1.2氨基酸的生產(chǎn)方法1025.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法

第三類用抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株，如利用乳糖發(fā)酵短桿菌的S-(2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC,賴氨酸結(jié)構(gòu)類食物）抗性菌株生產(chǎn)賴氨酸。利用黃色短桿菌的5-甲基色氨酸（5-MT，酪氨酸結(jié)構(gòu)類似物）抗性菌株生產(chǎn)酪氨酸。第四類抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，如利用乳糖發(fā)酵短桿菌的抗AEC腺嘌呤、鳥嘌呤缺陷型生產(chǎn)賴氨酸。營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株發(fā)酵。25.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法11（2）添加前體的發(fā)酵：通過(guò)添加氨基酸的前體或中間產(chǎn)物，以避免生物合成途徑中的反饋抑制，如以吲哚為前體，利用麥角菌生產(chǎn)色氨酸。（2）添加前體的發(fā)酵：通過(guò)添加氨基酸的前體或中間產(chǎn)物，以避免1225.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法

2、酶法：利用酶來(lái)制造氨基酸。應(yīng)用完整菌體或從微生物細(xì)胞抽提的酶類合成氨基酸。天冬氨酸已于1973年應(yīng)用完整菌體固定化進(jìn)行生產(chǎn)，這是世界上最早應(yīng)用固定化菌體的例子。賴氨酸、色氨酸、丙氨酸也可以生產(chǎn)。

25.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法1325.1概述

3、提取法：蛋白質(zhì)水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。

4、合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸，蛋氨酸和甘氨酸現(xiàn)在仍大量應(yīng)用合成法。傳統(tǒng)的提取法、酶法和化學(xué)合成法由于前體物的成本高,工藝復(fù)雜,難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。近年來(lái)，由于微生物代謝調(diào)控理論的研究，使得大部分氨基酸得以發(fā)酵生產(chǎn)。25.1概述3、提取法：蛋白質(zhì)水解液中提取。胱氨酸、半1425.1概述25.1.3氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況

日本和德國(guó)為世界主要氨基酸生產(chǎn)國(guó)。日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國(guó)的德固沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基酸，可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。日本在美國(guó)、法國(guó)等建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。25.1概述25.1.3氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況1525.1概述氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)主要氨基酸生產(chǎn)廠：

天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外大廠有較大差距。

在80年代中后期,我國(guó)從日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵以技貿(mào)合作的方式引進(jìn)輸液制劑的制造技術(shù)，1991年銷售量為二千萬(wàn)瓶，1996年達(dá)六千萬(wàn)瓶，主要廠家有無(wú)錫華瑞，北京費(fèi)森尤斯，昆明康普萊特，但生產(chǎn)原料都依賴進(jìn)口。25.1概述氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況16反饋調(diào)節(jié)作用1、終產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒艉头答佉种埔吧途辍癆”氨基酸合成操縱子模型ARPOA結(jié)構(gòu)基因無(wú)活性repressorARNA聚合酶反饋?zhàn)瓒艋钚訟合成酶系（E1,E2…）A反饋抑制超過(guò)生理需要量野生型菌株酶合成水平的反饋?zhàn)瓒?5.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種反饋調(diào)節(jié)作用1、終產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒艉头答佉种艫RPOA結(jié)構(gòu)基因無(wú)17野生型菌株酶活性水平的反饋抑制過(guò)量A作用效應(yīng)物位點(diǎn)，酶構(gòu)型變化，影響酶活性中心而失活Gene編碼酶效應(yīng)物位點(diǎn)過(guò)量A酶活中心過(guò)量A作用效應(yīng)物位點(diǎn)，酶構(gòu)型變化，影響酶活性中心而失活Gen18反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制比較

反饋?zhàn)瓒舴答佉种瓶刂茖?duì)象酶合成酶活性控制量終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度控制水平轉(zhuǎn)錄水平酶構(gòu)象變化控制裝置終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和終產(chǎn)物與控制酶構(gòu)象的部位親和控制裝置的動(dòng)作阻遏蛋白與操縱子基因結(jié)合,不轉(zhuǎn)錄mRNA酶構(gòu)型變化，活性中心失活形成控制開關(guān)控制酶活性大小控制反應(yīng)遲緩，粗控制迅速，精控制細(xì)胞經(jīng)濟(jì)超高效益高效益反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制比較反饋?zhàn)瓒舴答佉种瓶刂茖?duì)象酶合成酶活性192、解除反饋?zhàn)瓒?、反饋抑制突變株的選育野生型菌株誘變解除反饋調(diào)節(jié)突變株AR-或AO-AR-＋AO-酶基因突變

解除反饋調(diào)節(jié)突變株可以大量積累末端產(chǎn)物篩選方法：解除Lys反饋調(diào)節(jié)突變株篩選野生型菌株誘變菌細(xì)胞正常反饋調(diào)節(jié)型解除反饋調(diào)節(jié)突變型2、解除反饋?zhàn)瓒簟⒎答佉种仆蛔冎甑倪x育野生型菌株誘變解除反饋2025.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制25.2.1.1反饋抑制與優(yōu)先合成ABCDE反饋抑制反饋?zhàn)瓒舭被嵘锖铣烧{(diào)節(jié)機(jī)制的基本模式25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制25.2.1.1反2125.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制氨基酸生物合成的基本調(diào)節(jié)機(jī)制有反饋控制和在合成途徑分支點(diǎn)處的優(yōu)先合成。反饋控制機(jī)制如上圖，催化合成途徑最初反應(yīng)A→B的初始酶受終產(chǎn)物E的反饋抑制，同時(shí)，合成途徑上各種酶的合成受終產(chǎn)物E的阻遏。25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制氨基酸生物合成的基2225.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制在途徑分支點(diǎn)處優(yōu)先合成的調(diào)節(jié)機(jī)制如下圖，在分支點(diǎn)后，其中的一個(gè)終產(chǎn)物E優(yōu)先合成，優(yōu)先合成的關(guān)鍵酶，即催化C→D反應(yīng)的酶受E的反饋控制，催化A→B共用酶受第二個(gè)終產(chǎn)物G的反饋控制。首先，E比G優(yōu)先合成，E過(guò)剩時(shí)，反饋抑制C→D反應(yīng)的酶，轉(zhuǎn)換為合成G。G過(guò)剩時(shí)，催化A→B反應(yīng)的酶，就會(huì)為G所控制。假如人為讓特定氨基酸如G過(guò)剩，就會(huì)因E的合成不足而影響細(xì)菌生長(zhǎng)。25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制在途徑分支點(diǎn)處優(yōu)先23ABCDEFG優(yōu)先合成反饋抑制在合成途徑分枝點(diǎn)處的優(yōu)先合成ABCDEFG優(yōu)先合成反饋抑制在合成途徑分枝點(diǎn)處的優(yōu)先合成2425.2.1.1其他特殊的控制機(jī)制1.多終產(chǎn)物控制催化分支合成途徑共同部分的初始酶，在僅一種氨基酸終產(chǎn)物過(guò)剩時(shí)，完全不受或微弱或部分地反饋抑制（或阻遏），只是在多數(shù)終產(chǎn)物共存下才強(qiáng)烈地控制。有以下幾種情況：25.2.1.1其他特殊的控制機(jī)制25①協(xié)同（或多價(jià)）反饋抑制：協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式①協(xié)同（或多價(jià)）反饋抑制：協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中26②合作（或增效）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。②合作（或增效）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以27③同功酶控制：同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個(gè)個(gè)體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶所催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用而不致過(guò)剩③同功酶控制：同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子28氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程29④積累反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。

④積累反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制302、順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制C→D，這時(shí)由于C的濃度過(guò)大而促使反應(yīng)向F、G方向進(jìn)行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過(guò)多就抑制了C→F，結(jié)果造成C的濃度進(jìn)一步增高。C過(guò)多又對(duì)A→B間的酶發(fā)生抑制，從而達(dá)到了反饋抑制的效果。這種通過(guò)逐步有順序的方式達(dá)到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制2、順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制C→D，這時(shí)由于C的濃度31順序控制：ABCDEFGABCD順序控制：ABCDEFGABCD323.平衡合成：經(jīng)分支合成途徑生產(chǎn)兩種終產(chǎn)物E和G，E和G取平行合成。E優(yōu)先合成，E過(guò)剩時(shí)，反饋控制與優(yōu)先合成有關(guān)的催化C→D的酶，轉(zhuǎn)而合成G。G過(guò)剩時(shí)，可逆轉(zhuǎn)E的反饋控制，即E的反饋控制為G所抑制，又轉(zhuǎn)為優(yōu)先合成E。BCDEFG×3.平衡合成：經(jīng)分支合成途徑生產(chǎn)兩種終產(chǎn)物E和G，E和G取平334.代謝互鎖：從生物合成途徑看，是受一種完全無(wú)關(guān)的氨基酸的控制。它只是在很高濃度下（與生理學(xué)濃度相比）才能體現(xiàn)抑制作用，而且是部分性的抑制（阻遏）作用。4.代謝互鎖：從生物合成途徑看，是受一種完全無(wú)關(guān)的氨基酸的控3425.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種1、控制發(fā)酵的環(huán)境條件

氨基酸發(fā)酵受菌種的生理特性和環(huán)境條件的影響，對(duì)專性需氧菌來(lái)說(shuō)環(huán)境條件的影響更大。谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件的影響會(huì)引起發(fā)酵的轉(zhuǎn)換，生成各種不同的產(chǎn)物。25.2.2生產(chǎn)中代謝控制的措施25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種1、控制發(fā)酵的環(huán)境條件3525.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制溶解氧：乳酸或琥珀酸←→谷氨酸←→α－酮戊二酸

（通氣不足）（適中）（通氣過(guò)量、轉(zhuǎn)速過(guò)快）NH4+：

α－酮戊二酸←→谷氨酸←→谷酰胺

（缺乏）（適量）（過(guò)量）pH：谷酰胺，N－乙酰谷酰胺←→谷氨酸（pH5－8，NH4+過(guò)多）

（中性或微堿性）磷酸：纈氨酸←→谷氨酸（高濃度磷酸鹽）生物素：乳酸或琥珀酸←→谷氨酸（過(guò)量）（限量）25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制溶解氧：乳酸或琥珀酸←→谷氨3625.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制2、控制細(xì)胞滲透性

代謝產(chǎn)物的細(xì)胞透性是氨基酸發(fā)酵的重要因素，只有使細(xì)胞內(nèi)的氨基酸滲透到細(xì)胞外，才能大量積累氨基酸。（1）生物素、油酸和表面活性劑，引起細(xì)胞膜的脂肪酸成分的改變。（2）青霉素：抑制細(xì)胞壁的合成，由于細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓的差異使谷氨酸泄漏出來(lái)。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制2、控制細(xì)胞滲透性3725.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制3825.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制3、控制旁路代謝

例如：L－異亮氨酸的生物合成可由L－蘇氨酸改為D－蘇氨酸途徑，即采用旁路代謝。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制3、控制旁路代謝3925.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4025.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4、降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛?/p>

控制反饋?zhàn)饔梦餄舛?，克服反饋抑制和阻遏，使氨基酸的生物合成反?yīng)能夠順利進(jìn)行。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4、降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛?125.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4225.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制5、消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用

消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用，是通過(guò)使用抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的方法來(lái)進(jìn)行。例：利用抗性突變株消除S－（β－氨基乙酸）－L－半胱氨酸（即AEC）（賴氨酸的結(jié)構(gòu)類似物）與L－蘇氨酸的協(xié)同抑制。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制5、消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻4325.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4425.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制6、促進(jìn)ATP的積累，增加氨基酸的生物合成

氨基酸的生物合成需要能量，ATP的積累可促進(jìn)氨基酸的生物合成。

25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制6、促進(jìn)ATP的積累，增加氨4525.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4625.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.3氨基酸產(chǎn)生菌的定向育種代謝控制發(fā)酵：根據(jù)菌種的代謝特性，人為改變菌種的代謝調(diào)控機(jī)制，使微生物體內(nèi)的的代謝流按照人們所要求的方向進(jìn)行，過(guò)量積累氨基酸。代謝控制發(fā)酵的前提是選育出特定的菌種。氨基酸菌種選育的成果是代謝調(diào)控理論應(yīng)用于育種實(shí)踐的成功典范。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.3氨基酸產(chǎn)生47選擇出發(fā)菌株：前人經(jīng)驗(yàn)；代謝途徑簡(jiǎn)單、清楚；易于解除代謝控制機(jī)制。育種原理：部分或全部解除微生物對(duì)氨基酸合成代謝的自我調(diào)節(jié)機(jī)制育種方法：傳統(tǒng)方法現(xiàn)代方法

定向育種選擇出發(fā)菌株：前人經(jīng)驗(yàn)；代謝途徑簡(jiǎn)單、清楚；易于解除代謝控制4825.2.3.1解除反饋調(diào)節(jié)-結(jié)構(gòu)類似物抗性株選育

所謂結(jié)構(gòu)類似物（又稱代謝拮抗物）是指那些在結(jié)構(gòu)上和代謝終產(chǎn)物（氨基酸、嘌呤、維生素等）相似的物質(zhì)。如：異煙肼（“雷米封”）是吡哆醇的結(jié)構(gòu)類似物，利用含異煙肼梯度平板篩選異煙肼抗性突變株，可達(dá)到定向培育吡哆醇高產(chǎn)突變株的目的。為什么在篩選突變株時(shí),不能直接用代謝產(chǎn)物,而必須用其結(jié)構(gòu)類似物?25.2.3.1解除反饋調(diào)節(jié)-結(jié)構(gòu)類似物抗性株選育4925.2.3.2切斷支路代謝—營(yíng)養(yǎng)缺陷型的選育野生型菌株經(jīng)誘變劑處理后，由于發(fā)生了喪失某種酶合成能力的突變，因而只能在加有該酶合成產(chǎn)物的培養(yǎng)基中才能生長(zhǎng)的突變菌株（主要指合成維生素、氨基酸及嘌呤、嘧啶的能力）。營(yíng)養(yǎng)缺陷型切斷一些相關(guān)的代謝流，消除了協(xié)同控制機(jī)制，可以過(guò)量積累特定氨基酸。利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株生產(chǎn)時(shí)，營(yíng)養(yǎng)缺陷物質(zhì)的添加量一般在亞適量水平，否則引起反饋抑制。目前，營(yíng)養(yǎng)缺陷型和抗結(jié)構(gòu)類似物育種常聯(lián)合25.2.3.2切斷支路代謝—營(yíng)養(yǎng)缺陷型的選育5025.2.3.3優(yōu)先合成的轉(zhuǎn)換—滲漏缺陷型的選育通過(guò)誘變，使分支代謝途徑中優(yōu)先合成途徑中高活性的酶活性降低，代謝流轉(zhuǎn)換進(jìn)入非優(yōu)先合成的途徑，使其終產(chǎn)物氨基酸過(guò)量積累。如下圖，賴氨酸合成中，如果降低高絲氨酸脫氫酶活性，則優(yōu)先合成賴氨酸。25.2.3.3優(yōu)先合成的轉(zhuǎn)換—滲漏缺陷型的選育51O-琥珀酸高絲氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸-β-半醛高絲氨酸二氫吡啶-2，6-二羧酸賴氨酸高絲氨酸磷酸蘇氨酸蛋氨酸異亮氨酸優(yōu)先合成反饋抑制阻遏①②③④⑤O-琥珀酸高絲氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸-β-半醛高絲5225.2.3.4選育溫度敏感突變株通過(guò)誘變，選育出在低溫條件下能正常生長(zhǎng)，而在高溫條件下不能生長(zhǎng)的菌株，稱為溫度敏感突變株。這是因?yàn)橥蛔冎昊虬l(fā)生轉(zhuǎn)換或顛轉(zhuǎn)，編譯的酶對(duì)溫度敏感，在高溫時(shí)成為營(yíng)養(yǎng)缺陷型。25.2.3.4選育溫度敏感突變株5325.2.3.5改變細(xì)胞膜的通透性把合成的氨基酸盡快排出細(xì)胞外，預(yù)防反饋抑制，大量合成氨基酸。如、生物素缺陷型、油酸缺陷型和甘油缺陷型。25.2.3.5改變細(xì)胞膜的通透性5425.3氨基酸生產(chǎn)工藝

氨基酸本身的合成在不同生物體中，有較大的差異，然而許多氨基酸的合成途徑在不同生物體中也有共同之處。按照起始物可將氨基酸的合成分成幾個(gè)家族：㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、賴氨酸和脯氨酸；㈡丙酮酸族包括：丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸；㈢天冬氨酸族（草酰乙酸族）包括：天冬氨酸、天冬酰胺、蛋氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸；㈣磷酸甘油酸族包括：甘氨酸、絲氨酸和半胱氨酸；㈤芳香族包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；另外，組氨酸的合成為單獨(dú)的一條途徑。25.3.1氨基酸的生物合成25.3氨基酸生產(chǎn)工藝氨基酸本身的合成在不同生物體中55氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成5625.3.1.1谷氨酸的生物合成途徑與代謝調(diào)節(jié)生產(chǎn)谷氨酸的主要菌株生成谷氨酸的主要酶反應(yīng)谷氨酸生物合成的理想途徑谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑25.3.1.1谷氨酸的生物合成途徑與代謝調(diào)節(jié)生產(chǎn)谷氨酸57

Glu發(fā)酵常用菌種谷氨酸棒桿菌(C.glutamicum)

北京棒桿菌(C.peikingAS.1229)

黃色短桿菌(Brevibacteriumflavum)

乳糖發(fā)酵短桿菌(B.lactofermentum)

581、谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脫氫酶系的作用下氧化脫羧生成乙酰CoA，另一部分經(jīng)CO2固定反應(yīng)生成草酰乙酸或蘋果酸，催化CO2固定反應(yīng)的酶有丙酮酸羧化酶、蘋果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。草酰乙酸與乙酰CoA在檸檬酸合成酶催化作用下，縮合成檸檬酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，檸檬酸在順烏頭酸酶的作用下生成異檸檬酸，異檸檬酸再在異檸檬酸脫氫酶的作用下生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前體。α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶作用下經(jīng)還原氨基化反應(yīng)生成谷氨酸1、谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脫氫酶系59CO2固定酶系活力強(qiáng)Citratesynthase,Aconitase,ICDH,GDH酶活力強(qiáng)乙醛酸循環(huán)弱異檸檬酸裂解酶活力欠缺或微弱α-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱谷氨酸脫氫酶能力強(qiáng)控制谷氨酸合成的重要措施CO2固定酶系活力強(qiáng)Citratesynthase,Ac60乙醛酸循環(huán)的作用谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑乙醛酸循環(huán)途徑可看作三羧酸循環(huán)的支路和中間產(chǎn)物的補(bǔ)給途徑在菌體生長(zhǎng)期之后，進(jìn)入谷氨酸生成期，為了大量生成、積累谷氨酸，最好沒(méi)有異檸檬酸裂解酶催化反應(yīng)，封閉乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)的作用谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑乙醛酸循環(huán)途徑可看作三羧612谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)生物素的調(diào)節(jié)作用2谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)62優(yōu)先合成

谷氨酸比天冬氨酸優(yōu)先合成，谷氨酸合成過(guò)量后，就會(huì)抑制和阻遏自身的合成途徑，使代謝轉(zhuǎn)向合成天冬氨酸檸檬酸合成酶的調(diào)節(jié)

檸檬酸合成酶是三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，除受能荷調(diào)節(jié)外，還受谷氨酸的反饋?zhàn)瓒艉晚槥躅^酸的反饋抑制（1）優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)優(yōu)先合成（1）優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)63α-酮戊二酸脫氫酶的調(diào)節(jié)在谷氨酸產(chǎn)生菌中，α-酮戊二酸脫氫酶活性微弱谷氨酸脫氫酶的調(diào)節(jié)

谷氨酸對(duì)谷氨酸脫氫酶存在著反饋抑制和反饋?zhàn)瓒籀?酮戊二酸合成后由于α-酮戊二酸脫氫酶活性微弱，谷氨酸脫氫酶的活力很強(qiáng)，故優(yōu)先合成谷氨酸α-酮戊二酸脫氫酶的調(diào)節(jié)64Glc丙酮酸草酰乙酸CO2天門冬氨酸（Asp）AC-coACO2羧化酶檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸α-酮戊二酸Glu反饋抑制谷氨酸脫氫酶α-酮戊二酸脫氫酶合成酶反饋?zhàn)瓒鬐lc丙酮酸草酰乙酸CO2天門冬氨酸（Asp）AC-coAC65Glu產(chǎn)生菌主要生理生化特性需氧，生物素缺陷型bio-,有乙醛酸循環(huán)，羧化酶活性強(qiáng)（bio作為輔酶）檸檬酸、異檸檬酸、谷氨酸脫氫酶活性高，Glu合成中存在正常反饋?zhàn)瓒艉头答佉种?。菌體細(xì)胞膜通透性差，不利于Glu胞外分泌。（2）生物素對(duì)代謝的調(diào)控作用Glu產(chǎn)生菌主要生理生化特性（2）生物素對(duì)代謝的調(diào)控作用66生物素對(duì)CO2固定反應(yīng)的影響生物素是丙酮酸羧化酶的輔酶，參與CO2固定反應(yīng)，據(jù)報(bào)道，生物素大過(guò)量時(shí)（100g/L以上），CO2固定反應(yīng)可提高30%。生物素對(duì)CO2固定反應(yīng)的影響67

生物素對(duì)糖代謝速率的影響生物素充足條件下，丙酮酸以后的氧化活性雖然也有提高，但由于糖降解速率顯著提高，打破了糖降解速率與丙酮酸氧化速率之間的平衡，丙酮酸趨于生成乳酸的反應(yīng)，因而會(huì)引起乳酸的溢出

生物素對(duì)乙醛酸循環(huán)的影響乙醛酸循環(huán)的關(guān)鍵酶異檸檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸阻遏，為醋酸所誘導(dǎo)。在低濃度生物素條件下，因琥珀酸氧化能力降低而積累的琥珀酸就會(huì)反饋抑制該酶的活性，并阻遏該酶的合成，乙醛酸循環(huán)基本上是封閉的，代謝流向異檸檬酸→α-酮戊二酸→谷氨酸的方向高效率地移動(dòng)。生物素對(duì)糖代謝速率的影響68生物素控制磷脂的合成使用生物素缺陷型菌株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵，通過(guò)限制發(fā)酵培養(yǎng)基中生物素的濃度控制脂肪酸生物合成，從而控制磷脂的合成作用機(jī)制：生物素作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA羧化酶的輔酶，參與了脂肪酸的合成，進(jìn)而影響磷脂的合成。當(dāng)磷脂合成減少到正常量的一半左右時(shí)，細(xì)胞變形，谷氨酸向膜外漏出，積累于發(fā)酵液中生物素控制磷脂的合成69控制生物素添加量使菌種生產(chǎn)Glu

高濃度bio增強(qiáng)羧化酶活性，促進(jìn)羧化反應(yīng)利于Glu合成。低濃度bio降低裂解酶活性，使菌體生長(zhǎng)后關(guān)閉乙醛酸循環(huán)，使底物流向Glu合成，低濃度bio使膜磷脂合成缺陷，增加膜通透性，利于Glu胞外分泌，解除反饋調(diào)節(jié)，利于Glu合成并大量積累。

添加亞適量，5-10μg/L培養(yǎng)基，生產(chǎn)Glu控制生物素添加量使菌種生產(chǎn)Glu70培養(yǎng)前期，bio充足，存在乙醛酸循環(huán)，中間物質(zhì)和能量充足，長(zhǎng)細(xì)胞，膜磷脂合成正常，正常反饋調(diào)節(jié)，不積累Glu，細(xì)胞形態(tài)正常。8hrGlu非積累型細(xì)胞Glu積累型細(xì)胞培養(yǎng)中后期，bio濃度漸低，乙醛酸途徑減弱直至關(guān)閉，膜磷脂合成缺陷，膜透性增強(qiáng)，分泌Glu，解除反饋調(diào)節(jié)，大量積累Glu，細(xì)胞形態(tài)異常，未溶解。培養(yǎng)前期，bio充足，存在乙醛酸循環(huán)，中間物質(zhì)和能量71

25.3.1.2Lys代謝控制發(fā)酵生產(chǎn)菌種谷氨酸棒桿菌（C.glutamicum）黃色短桿菌(B.flavum)

乳糖發(fā)酵短桿菌(B.lactofermentum)2、谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌Lys合成途徑及正常調(diào)控機(jī)制25.3.1.2Lys代謝控制發(fā)酵生產(chǎn)菌種72氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成73Asp天冬氨酸Asp激酶天冬氨酸-P天冬氨酸-β–半醛高絲氨酸二氫吡啶-2,6-二羧酸O-琥珀酰-高絲氨酸蛋氨酸(Met)高絲氨酸-P蘇氨酸（Thr）異亮氨酸（Ile）Thr脫氫酶賴氨酸(Lys)Hse脫氫酶DDP合成酶合成酶Asp天冬氨酸Asp激酶天冬氨酸-P天冬氨酸-β–半醛74Asp三分支途徑優(yōu)先合成Met，后合成Thr、Ile，最后合成LysThr和Lys對(duì)Asp激酶有協(xié)同反饋抑制Thr對(duì)Hse脫氫酶有反饋抑制Ile對(duì)Thr脫氫酶有反饋抑制Met對(duì)O-琥珀酰高絲氨酸合成酶有反饋?zhàn)瓒鬉sp三分支途徑優(yōu)先合成Met，后合成Thr、Ile，最后合753.Lys代謝控制發(fā)酵

菌種的遺傳改造(1)切斷支路代謝——Hse營(yíng)養(yǎng)缺陷型(Hse-)菌株篩選選育Hse脫氫酶缺失的Hse-菌株，使代謝流向Lys合成，控制Hse添加量，既滿足菌體對(duì)Met、Thr和Ile生長(zhǎng)需要又不形Thr和Lys對(duì)Asp激酶的協(xié)同反饋抑制，積累Lys(2)用Hse-菌株選育解除Lys反饋抑制突變株Hse-誘變Hse-Lys反饋抑制Hse-抗Lys反饋抑制長(zhǎng)出菌落

(Hse-,AECr)基本培養(yǎng)基＋Hse(高濃度)＋AEC(Lys結(jié)構(gòu)類似物，S-（2-氨基乙基）L-半胱氨酸)Hse-,AECr：解除Lys對(duì)Asp激酶反饋抑制的Hse營(yíng)養(yǎng)缺陷型雙突變株，不論添加Hse濃度高低，皆不會(huì)出現(xiàn)Thr+Lys協(xié)同反饋抑制，大量積累Lys3.Lys代謝控制發(fā)酵Hse-誘變Hse-Lys反饋抑制76(3)Hse脫氫酶滲漏缺陷型突變株日本椎尾等人黃色短桿菌突變株亞硝基胍Hse脫氫酶活性僅為野生型菌株的1/30Met，Thr合成量很少，僅滿足菌體生長(zhǎng)代謝流轉(zhuǎn)向Lys大量合成Thr合成量少，和Lys形不成協(xié)同反饋抑制，大量積累Lys，產(chǎn)量達(dá)25g/L亞硝基胍Hse脫氫酶活性僅為野生型菌株的1/3077(4)Lys生產(chǎn)菌種遺傳標(biāo)記及Lys產(chǎn)量谷氨酸棒桿菌

Hse－K.Nakyama13g/LHse－AECR中山清（日本）42g/L黃色短桿菌Hse－AECRCSIFpsI.shiio51g/L(CSI:檸檬酸合成酶抑制；Fps：氟代丙酮酸敏感)黃色短桿菌AIIIHse-AECr

徐所維50-55g/L鈍齒棒桿菌pI-3-2Hse-AECr陳琦50g/L(4)Lys生產(chǎn)菌種遺傳標(biāo)記及Lys產(chǎn)量78

(5)乳糖發(fā)酵短桿菌Lys代謝控制發(fā)酵Lys合成與調(diào)控機(jī)制基本同于谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌。特殊調(diào)控：代謝互鎖調(diào)控機(jī)制

互鎖調(diào)節(jié)：Lys合成受其它氨基酸合成途徑產(chǎn)物反饋調(diào)節(jié)Lys生產(chǎn)菌種遺傳標(biāo)記和產(chǎn)量：Hse－AECRLeu－110g/L（加Hse，限量加Leu，免除Leu對(duì)DDP合成酶反饋?zhàn)瓒艋ユi調(diào)節(jié)）Hse－AECRLeu－α-TARAla－110g/L（加Hse、Leu，限量加Ala，α-TA是Leu結(jié)構(gòu)類似物噻唑丙氨酸）氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程79AspAsp激酶Asp-PAsp-β–半醛HseMetThrLysIleDDP協(xié)同反饋抑制DDP還原酶DDP合成酶反饋抑制AlaLeu反饋?zhàn)瓒鬉spAsp激酶Asp-PAsp-β–半醛HseMetTh80賴氨酸生物合成途徑大腸桿菌的賴氨酸生物合成途徑：圖23-2賴氨酸生物合成途徑大腸桿菌的賴氨酸生物合成途徑：圖23-281三、異亮氨酸、亮氨酸生產(chǎn)工藝1、異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸的生物合成途徑：圖23-4

三、異亮氨酸、亮氨酸生產(chǎn)工藝1、異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸的生822、異亮氨酸發(fā)酵兩種方法：添加前體發(fā)酵法和直接發(fā)酵法添加前體發(fā)酵法：

蘇氨酸脫水酶受異亮氨酸的反饋抑制；添加前體物質(zhì)D-蘇氨酸、α-酮基異戊酸；繞過(guò)異亮氨酸對(duì)蘇氨酸脫水酶的反饋抑制。直接發(fā)酵法：

抗反饋調(diào)節(jié)突變株，解除對(duì)蘇氨酸脫水酶的反饋抑制。2、異亮氨酸發(fā)酵兩種方法：添加前體發(fā)酵法和直接發(fā)酵法833、亮氨酸發(fā)酵亮氨酸高產(chǎn)菌株的選育：1）選育α-酮基異丁酸抗性突變株，解除對(duì)異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸生物合成酶系的阻遏作用；2）選育異亮氨酸缺陷型回復(fù)突變株，其α-異丙基蘋果酸合成酶不再受亮氨酸的反饋抑制；3）α-噻唑抗性兼蛋氨酸、異亮氨酸雙重缺陷型突變株，用于亮氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)。3、亮氨酸發(fā)酵亮氨酸高產(chǎn)菌株的選育：8425.3.2氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基pH溫度氧25.3.2氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8525.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基

1、碳源：

淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烴碳源濃度要適當(dāng)，避免碳源濃度過(guò)高，否則對(duì)菌體生長(zhǎng)不利，氨基酸的轉(zhuǎn)化率降低。菌種性質(zhì)、生產(chǎn)氨基酸種類和所采用的發(fā)酵操作決定碳源種類25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8625.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基

2、氮源：

銨鹽、尿素、氨水；同時(shí)調(diào)整pH值。營(yíng)養(yǎng)缺陷型添加適量氨基酸主要添加有機(jī)氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米漿作氮源。尿素滅菌時(shí)分解或形成磷酸銨鎂鹽，須單獨(dú)滅菌，40％的尿素可在108℃40min，高溫會(huì)生產(chǎn)縮脲。氨水用pH自動(dòng)控制連續(xù)流加25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8725.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基

3、碳氮比

氮源除用于菌體生長(zhǎng)外，還用于氨基酸合成，在氨基酸發(fā)酵中常常是用氨水、尿素來(lái)調(diào)節(jié)pH，所以氨基酸發(fā)酵所用的C/N比一般微生物發(fā)酵的低，或者說(shuō)氮源用量更高。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8825.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基

3、碳氮比

谷氨酸發(fā)酵在C/N小于100:11才開始積累谷氨酸，所以發(fā)酵的C/N為100:(15～30)。合成菌體使用3～6％的氮源；合成谷氨酸用去30～80％氮源。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8925.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基4、NH4+濃度：過(guò)低增加α-酮戊二酸積累，過(guò)高使谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷酰胺。5、磷酸鹽：對(duì)發(fā)酵有顯著影響。不足時(shí)糖代謝受抑制。6、鎂：是已糖磷酸化酶、檸檬酸脫氫酶和羧化酶的激活劑，并促進(jìn)葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活力。7、鉀：促進(jìn)糖代謝。谷氨酸產(chǎn)酸期鉀多利于產(chǎn)酸，鉀少利于菌體生長(zhǎng)。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基9025.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基8、鈉：調(diào)節(jié)滲透壓作用，一般在調(diào)節(jié)pH值時(shí)加入。9、錳：是許多酶的激活劑。10、鐵：是細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性基的組成分，可促進(jìn)谷氨酸產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)。11、銅離子：對(duì)氨基酸發(fā)酵有明顯毒害作用。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基9125.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基生長(zhǎng)因子：生物素

作用：影響細(xì)胞膜透性和代謝途徑。濃度：過(guò)多促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，氨基酸產(chǎn)量低。過(guò)少菌體生長(zhǎng)緩慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)。與其它培養(yǎng)條件的關(guān)系：氧供給不足，生物素過(guò)量時(shí)，發(fā)酵向其它途徑轉(zhuǎn)化。種類：玉米漿、麩皮水解液、甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜為來(lái)源。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制培養(yǎng)基9225.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制pH對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制

作用機(jī)理：主要影響酶的活性和菌的代謝。

控制pH方法：流加尿素和氨水

流加方式：根據(jù)菌體生長(zhǎng)、pH變化、糖耗情況和發(fā)酵階段等因素決定。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制pH對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其9325.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制pH對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制主要是影響酶的活性和菌的代謝，主要采用流加尿素的方法控制?？刂疲海?）菌體生長(zhǎng)或耗糖慢時(shí)，少量多次流加尿素，避免pH過(guò)高（2）菌體生長(zhǎng)或耗糖過(guò)快時(shí)，流加尿素可多些，以抑制菌體生長(zhǎng)。（3）發(fā)酵后期，殘?zhí)巧?，接近放罐時(shí)，少加或不加尿素，以免造成氨基酸提取困難。（4）氨水對(duì)pH影響大，應(yīng)采取連續(xù)流加。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制pH對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其9425.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制溫度對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制菌體生長(zhǎng)達(dá)一定程度后再開始產(chǎn)生氨基酸，因此菌體生長(zhǎng)最適溫度和氨基酸合成的最適溫度是不同的。谷氨酸前者30～32?C，后者34～37?C。菌體生長(zhǎng)階段溫度不宜過(guò)高，否則菌體易衰老，pH增高，糖耗減慢，酸產(chǎn)量低。當(dāng)菌體生長(zhǎng)溫度過(guò)高時(shí)：要減少通風(fēng)量，少量多次流加尿素，來(lái)促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。發(fā)酵中后期：維持合成溫度，以利氨基酸合成。25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制溫度對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其9525.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸發(fā)酵：生物合成與TCA循環(huán)有關(guān)。適宜在缺氧條件下進(jìn)行的亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸發(fā)酵：菌體呼吸受阻時(shí)產(chǎn)量最大。供氧不足時(shí)產(chǎn)酸受輕微影響的天冬氨酸族氨基酸發(fā)酵25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控96氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程97氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程9825.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸生產(chǎn)概述起初工業(yè)化生產(chǎn)采取小麥或大豆蛋白質(zhì)水解制取。1957年，日本率先采用微生物發(fā)酵生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，被譽(yù)為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的重大創(chuàng)舉，使發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入調(diào)節(jié)調(diào)控水平。目前世界產(chǎn)谷氨酸鈉30萬(wàn)噸/年，占氨基酸總量的2/3。我國(guó)現(xiàn)有200余家生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)15萬(wàn)噸，居世界首位。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸生產(chǎn)概述9925.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸產(chǎn)生菌株特點(diǎn)革蘭氏陽(yáng)性不形成芽胞沒(méi)有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)需要生物素作為生長(zhǎng)因子在通氣條件下才能產(chǎn)生谷氨酸25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸產(chǎn)生菌株特點(diǎn)10025.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸生物合成機(jī)理由三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脫氫酶和氫供體存在下進(jìn)行還原性氨化作用而得到。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸生物合成機(jī)理10125.4谷氨酸生產(chǎn)工藝淀粉的酸水解工藝1、調(diào)漿：干淀粉用水調(diào)成10-11?Bx（波美）的淀粉乳，加鹽酸0.5-0.8％至pH1.5。2、糖化：蒸汽加熱、加壓293.4-344.3KPa，糖化25min。3、中和：冷卻至80℃，燒堿中和至pH4.0-5.0（避免產(chǎn)生焦糖又保證過(guò)濾，中和為沉淀膠體）。4、脫色：活性炭脫色和脫色樹脂。活性炭用量為0.6-0.8％，在70℃及酸性條件下攪拌后過(guò)濾。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝淀粉的酸水解工藝10225.4谷氨酸生產(chǎn)工藝淀粉的酶法糖化工藝以大米或碎米為原料時(shí)采用大米浸泡磨漿，再調(diào)成15?Bx，pH6.0，加細(xì)菌α-淀粉酶在85℃下液化30min，加糖化酶60℃糖化24h，過(guò)濾后可供配制培養(yǎng)基。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝淀粉的酶法糖化工藝10325.4谷氨酸生產(chǎn)工藝糖蜜原料不宜直接用來(lái)作為谷氨酸發(fā)酵的碳源，因含豐富的生物素。預(yù)處理方法：活性炭或樹脂吸附和亞硝酸法破壞以減少糖蜜中的生物素。也可以在發(fā)酵液中加入表面活性劑吐溫60或添加青霉素。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝糖蜜原料10425.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)

1、斜面培養(yǎng)：主要產(chǎn)生菌是棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬、節(jié)桿菌屬。我國(guó)各工廠目前使用的菌株主要是鈍齒棒桿菌和北京棒桿菌及各種誘變株。生長(zhǎng)特點(diǎn)：適用于糖質(zhì)原料，需氧，以生物素為生長(zhǎng)因子。斜面培養(yǎng)基：蛋白胨、牛肉膏、氯化鈉組成的pH7.0-7.2瓊脂培養(yǎng)基，32℃培養(yǎng)18-24h。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)10525.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)

2、一級(jí)種子培養(yǎng)：由葡萄糖、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸鐵及硫酸錳組成。pH6.5－6.8。1000ml裝200-250ml振蕩，32℃培養(yǎng)12h。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)10625.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)

3、二級(jí)種子培養(yǎng)：用種子罐培養(yǎng)，料液量為發(fā)酵罐投料體積的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃進(jìn)行通氣攪拌7-10h。種子質(zhì)量要求：二級(jí)種子培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，無(wú)雜菌或噬菌體污染，菌體大小均一，呈單個(gè)或八字排列?；罹鷶?shù)為108-109/ml。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝菌種擴(kuò)大培養(yǎng)10725.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵

1、適應(yīng)期：尿素分解出氨使pH上升。糖不利用。2-4h。措施：接種量和發(fā)酵條件控制使該期縮短。

2、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速下降；溶氧急劇下降后維持在一定水平；菌體濃度迅速增大，菌體形態(tài)為排列整齊的八字形；不產(chǎn)酸；12h。措施：采取流加尿素辦法及時(shí)供給菌體生長(zhǎng)必須的氮源及調(diào)節(jié)pH在7.5-8.0；維持溫度30-32℃25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵10825.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵

3、菌體生長(zhǎng)停止期：谷氨酸合成，糖和尿素分解產(chǎn)生α-酮戊二酸和氨用于合成谷氨酸。措施：及時(shí)流加尿素以提供足夠的氨并使pH維持在7.2-7.4。大量通氣，控制溫度34-37℃。

4、發(fā)酵后期：菌體衰老，糖耗慢，殘?zhí)堑?。措施：營(yíng)養(yǎng)物耗盡酸濃度不增加時(shí)，及時(shí)放罐。發(fā)酵周期一般為30h。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵10925.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制

（1）生物素：作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進(jìn)而影響磷酯的合成。當(dāng)磷酯含量減少到正常時(shí)的一半左右時(shí)，細(xì)胞發(fā)生變形，谷氨酸能夠從胞內(nèi)滲出，積累于發(fā)酵液中。生物素過(guò)量，則發(fā)酵過(guò)程菌體大量繁殖，不產(chǎn)或少產(chǎn)谷氨酸，代謝產(chǎn)物中乳酸和琥珀酸明顯增多25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制11025.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制

（2）種齡和種量的控制一級(jí)種子控制在11-12h，二級(jí)控制在7-8h。接種量為1％。過(guò)多，菌體嬌嫩，不強(qiáng)壯，提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸量不高。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制11125.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制

（3）pH發(fā)酵前期，幼齡細(xì)胞對(duì)pH較敏感，pH過(guò)低，菌體生長(zhǎng)旺盛，營(yíng)養(yǎng)成分消耗大，轉(zhuǎn)入正常發(fā)酵慢，長(zhǎng)菌不長(zhǎng)酸。谷氨酸脫氫酶最適pH為7.0-7.2，轉(zhuǎn)氨酶最適pH7.2-7.4。在發(fā)酵中后期，保持pH不變。過(guò)高轉(zhuǎn)為谷氨酰胺，過(guò)低氨離子不足25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制11225.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制

（4）通風(fēng)：不同種齡、種量，培養(yǎng)基成分，發(fā)酵階段及發(fā)酵罐大小要求通風(fēng)量不同。在長(zhǎng)菌體階段，通風(fēng)量過(guò)大，生物素缺乏，抑制菌體生長(zhǎng)。在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，需要大量通風(fēng)供氧，以防過(guò)量生成乳酸和琥珀酸，但過(guò)大通風(fēng)，則大量積累a-酮戊二酸。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵控制11325.4谷氨酸生產(chǎn)工藝25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝11425.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸的提取

1、等電點(diǎn)法：操作簡(jiǎn)單，收率60％。周期長(zhǎng)，占地面積大。

2、離子交換法：用陽(yáng)離子交換樹脂提取吸附谷氨酸形成的陽(yáng)離子，再用熱堿洗脫，收集相應(yīng)流分，再加鹽酸結(jié)晶。收率可達(dá)80～90％。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸的提取115氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程116氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程11725.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸制造味精的工藝流程

味精——谷氨酸單鈉，具有強(qiáng)鮮味，由谷氨酸用適量的堿中和得到，目前已經(jīng)是人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ门胝{(diào)用品，國(guó)內(nèi)消耗量很大。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸制造味精的工藝流程118氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程119谷氨酸發(fā)酵研究新進(jìn)展繼續(xù)選育突變菌株：轉(zhuǎn)化率高、高生物素含量下保持高產(chǎn)酸、提高原料利用率、拓寬原料來(lái)源、簡(jiǎn)化操作。生物工程新技術(shù)應(yīng)用：DNA重組技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)、固定化細(xì)胞技術(shù)，產(chǎn)量提高了1倍。改進(jìn)發(fā)酵工藝：開拓原料、改進(jìn)流加工藝、計(jì)算機(jī)控制。25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵研究新進(jìn)展25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝120概述賴氨酸：L-2,6-二氨基己酸，為人體必需的八種氨基酸之一。菌種：谷氨酸棒桿菌的高絲氨酸缺陷型變異株，抗賴氨酸結(jié)構(gòu)類似物、抗蘇氨酸結(jié)構(gòu)類似物。生產(chǎn)方法：原用提取法、化學(xué)合成法、酶法，自1960年日本直接發(fā)酵成功后現(xiàn)在已經(jīng)是主要方法。25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介概述25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介121賴氨酸的發(fā)酵控制氨基酸控制：蘇氨酸和蛋氨酸是賴氨酸產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)因子。該菌缺乏蛋白質(zhì)分解酶，有機(jī)氮源需經(jīng)水解后才能使用。生物素：賴氨酸生產(chǎn)菌大多是生物素缺陷型，限量的生物素有利于谷氨酸積累，大量的生物素抑制谷氨酸生成，增加天冬氨酸，提高賴氨酸產(chǎn)量。25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介賴氨酸的發(fā)酵控制25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介122演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！12325氨基酸發(fā)酵工藝25.1概述25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制25.4谷氨酸生產(chǎn)工藝25.5賴氨酸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介25氨基酸發(fā)酵工藝25.1概述12425.1概述近40多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在研究、開發(fā)和應(yīng)用氨基酸方面均取得重大進(jìn)展，新發(fā)現(xiàn)的氨基酸種類和數(shù)量已由20世紀(jì)60年代50種左右，發(fā)展到20世紀(jì)80年代的400種，目前已達(dá)1000多種。其中用于藥物的氨基酸及氨基酸衍生物的品種達(dá)100多種。氨基酸分為兩大類，即蛋白質(zhì)氨基酸和非蛋白質(zhì)氨基酸。氨基酸中有8種氨基酸人體本身不能合成，只能從食物的蛋白質(zhì)中攝取，稱為必需氨基酸，它們是L-賴氨酸、L-色氨酸、L-蘇氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-蛋氨酸。還有兩種半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。25.1概述近40多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在研究、開發(fā)和應(yīng)用氨基酸12525.1概述25.1.1氨基酸的應(yīng)用1、食品工業(yè)：營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑；鮮味劑；甜味劑。2、飼料工業(yè)：營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑。3、醫(yī)藥工業(yè)：氨基酸輸液；氨基酸衍生物；氨基酸鹽。4、化學(xué)工業(yè)：洗滌劑；護(hù)膚品；人造革。5、農(nóng)業(yè)：無(wú)公害農(nóng)藥。25.1概述25.1.1氨基酸的應(yīng)用12625.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：強(qiáng)化食品：谷物中缺賴氨酸，蘇氨酸，色氨酸、蛋氨酸。增鮮劑：谷氨酸單鈉和天冬氨酸。

甜味劑：苯丙氨酸與天冬氨酸可用于制造低熱量二肽甜味劑(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此產(chǎn)品1981年獲FDA批準(zhǔn),現(xiàn)在每年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)萬(wàn)噸。25.1概述氨基酸的應(yīng)用12725.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：

大豆蛋白的氨基酸組成影響其營(yíng)養(yǎng)效價(jià)。

25.1概述氨基酸的應(yīng)用12825.1概述氨基酸的應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)：多種復(fù)合氨基酸制劑可通過(guò)輸液治療營(yíng)養(yǎng)或代謝失調(diào)苯丙氨酸與氮芥子氣合成的苯丙氨酸氮芥子氣對(duì)骨髓腫瘤治療有效,且副作用低。25.1概述氨基酸的應(yīng)用12925.1概述氨基酸的應(yīng)用飼料工業(yè)：不可缺少的營(yíng)養(yǎng)性添加劑，一般生長(zhǎng)期添加賴氨酸，產(chǎn)蛋期添加蛋氨酸，飼料配制時(shí)必需計(jì)算氨基酸平衡。25.1概述氨基酸的應(yīng)用13025.1概述氨基酸的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)十二烷基谷氨酸鈉肥皂-無(wú)皮膚刺激洗滌劑焦谷氨酸鈉-潤(rùn)膚劑聚谷氨酸人造革、人造纖維和涂料25.1概述氨基酸的應(yīng)用13125.1概述氨基酸的應(yīng)用農(nóng)業(yè)特殊的氨基酸農(nóng)藥如N-月桂酰-L-異戊氨酸，能防治稻瘟病，又能提高稻米的蛋白質(zhì)含量。氨基酸烷基酯及N-長(zhǎng)鏈?；被崮芴岣咿r(nóng)作物對(duì)病害的抵抗力，具有和一般殺蟲劑一樣的效果。25.1概述氨基酸的應(yīng)用13225.1概述25.1.2氨基酸的生產(chǎn)方法

1、發(fā)酵法（1）直接發(fā)酵第一類用野生菌株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸，如谷氨酸、丙氨酸和纈氨酸。第二類用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸，如谷氨酸棒狀桿菌的高絲氨酸缺陷型生產(chǎn)賴氨酸；酪氨酸缺陷型生產(chǎn)苯丙氨酸；苯丙氨酸缺陷型生產(chǎn)亮氨酸；亮氨酸缺陷型生產(chǎn)纈氨酸。25.1概述25.1.2氨基酸的生產(chǎn)方法13325.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法

第三類用抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株，如利用乳糖發(fā)酵短桿菌的S-(2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC,賴氨酸結(jié)構(gòu)類食物）抗性菌株生產(chǎn)賴氨酸。利用黃色短桿菌的5-甲基色氨酸（5-MT，酪氨酸結(jié)構(gòu)類似物）抗性菌株生產(chǎn)酪氨酸。第四類抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，如利用乳糖發(fā)酵短桿菌的抗AEC腺嘌呤、鳥嘌呤缺陷型生產(chǎn)賴氨酸。營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株發(fā)酵。25.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法134（2）添加前體的發(fā)酵：通過(guò)添加氨基酸的前體或中間產(chǎn)物，以避免生物合成途徑中的反饋抑制，如以吲哚為前體，利用麥角菌生產(chǎn)色氨酸。（2）添加前體的發(fā)酵：通過(guò)添加氨基酸的前體或中間產(chǎn)物，以避免13525.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法

2、酶法：利用酶來(lái)制造氨基酸。應(yīng)用完整菌體或從微生物細(xì)胞抽提的酶類合成氨基酸。天冬氨酸已于1973年應(yīng)用完整菌體固定化進(jìn)行生產(chǎn)，這是世界上最早應(yīng)用固定化菌體的例子。賴氨酸、色氨酸、丙氨酸也可以生產(chǎn)。

25.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法13625.1概述

3、提取法：蛋白質(zhì)水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。

4、合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸，蛋氨酸和甘氨酸現(xiàn)在仍大量應(yīng)用合成法。傳統(tǒng)的提取法、酶法和化學(xué)合成法由于前體物的成本高,工藝復(fù)雜,難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。近年來(lái)，由于微生物代謝調(diào)控理論的研究，使得大部分氨基酸得以發(fā)酵生產(chǎn)。25.1概述3、提取法：蛋白質(zhì)水解液中提取。胱氨酸、半13725.1概述25.1.3氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況

日本和德國(guó)為世界主要氨基酸生產(chǎn)國(guó)。日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國(guó)的德固沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基酸，可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。日本在美國(guó)、法國(guó)等建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。25.1概述25.1.3氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況13825.1概述氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)主要氨基酸生產(chǎn)廠：

天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外大廠有較大差距。

在80年代中后期,我國(guó)從日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵以技貿(mào)合作的方式引進(jìn)輸液制劑的制造技術(shù)，1991年銷售量為二千萬(wàn)瓶，1996年達(dá)六千萬(wàn)瓶，主要廠家有無(wú)錫華瑞，北京費(fèi)森尤斯，昆明康普萊特，但生產(chǎn)原料都依賴進(jìn)口。25.1概述氨基酸的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)概況139反饋調(diào)節(jié)作用1、終產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒艉头答佉种埔吧途辍癆”氨基酸合成操縱子模型ARPOA結(jié)構(gòu)基因無(wú)活性repressorARNA聚合酶反饋?zhàn)瓒艋钚訟合成酶系（E1,E2…）A反饋抑制超過(guò)生理需要量野生型菌株酶合成水平的反饋?zhàn)瓒?5.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種反饋調(diào)節(jié)作用1、終產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒艉头答佉种艫RPOA結(jié)構(gòu)基因無(wú)140野生型菌株酶活性水平的反饋抑制過(guò)量A作用效應(yīng)物位點(diǎn)，酶構(gòu)型變化，影響酶活性中心而失活Gene編碼酶效應(yīng)物位點(diǎn)過(guò)量A酶活中心過(guò)量A作用效應(yīng)物位點(diǎn)，酶構(gòu)型變化，影響酶活性中心而失活Gen141反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制比較

反饋?zhàn)瓒舴答佉种瓶刂茖?duì)象酶合成酶活性控制量終產(chǎn)物濃度終產(chǎn)物濃度控制水平轉(zhuǎn)錄水平酶構(gòu)象變化控制裝置終產(chǎn)物與阻遏蛋白親和終產(chǎn)物與控制酶構(gòu)象的部位親和控制裝置的動(dòng)作阻遏蛋白與操縱子基因結(jié)合,不轉(zhuǎn)錄mRNA酶構(gòu)型變化，活性中心失活形成控制開關(guān)控制酶活性大小控制反應(yīng)遲緩，粗控制迅速，精控制細(xì)胞經(jīng)濟(jì)超高效益高效益反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制比較反饋?zhàn)瓒舴答佉种瓶刂茖?duì)象酶合成酶活性1422、解除反饋?zhàn)瓒?、反饋抑制突變株的選育野生型菌株誘變解除反饋調(diào)節(jié)突變株AR-或AO-AR-＋AO-酶基因突變

解除反饋調(diào)節(jié)突變株可以大量積累末端產(chǎn)物篩選方法：解除Lys反饋調(diào)節(jié)突變株篩選野生型菌株誘變菌細(xì)胞正常反饋調(diào)節(jié)型解除反饋調(diào)節(jié)突變型2、解除反饋?zhàn)瓒?、反饋抑制突變株的選育野生型菌株誘變解除反饋14325.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制25.2.1.1反饋抑制與優(yōu)先合成ABCDE反饋抑制反饋?zhàn)瓒舭被嵘锖铣烧{(diào)節(jié)機(jī)制的基本模式25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制25.2.1.1反14425.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制氨基酸生物合成的基本調(diào)節(jié)機(jī)制有反饋控制和在合成途徑分支點(diǎn)處的優(yōu)先合成。反饋控制機(jī)制如上圖，催化合成途徑最初反應(yīng)A→B的初始酶受終產(chǎn)物E的反饋抑制，同時(shí)，合成途徑上各種酶的合成受終產(chǎn)物E的阻遏。25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制氨基酸生物合成的基14525.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制在途徑分支點(diǎn)處優(yōu)先合成的調(diào)節(jié)機(jī)制如下圖，在分支點(diǎn)后，其中的一個(gè)終產(chǎn)物E優(yōu)先合成，優(yōu)先合成的關(guān)鍵酶，即催化C→D反應(yīng)的酶受E的反饋控制，催化A→B共用酶受第二個(gè)終產(chǎn)物G的反饋控制。首先，E比G優(yōu)先合成，E過(guò)剩時(shí)，反饋抑制C→D反應(yīng)的酶，轉(zhuǎn)換為合成G。G過(guò)剩時(shí)，催化A→B反應(yīng)的酶，就會(huì)為G所控制。假如人為讓特定氨基酸如G過(guò)剩，就會(huì)因E的合成不足而影響細(xì)菌生長(zhǎng)。25.2.1氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制在途徑分支點(diǎn)處優(yōu)先146ABCDEFG優(yōu)先合成反饋抑制在合成途徑分枝點(diǎn)處的優(yōu)先合成ABCDEFG優(yōu)先合成反饋抑制在合成途徑分枝點(diǎn)處的優(yōu)先合成14725.2.1.1其他特殊的控制機(jī)制1.多終產(chǎn)物控制催化分支合成途徑共同部分的初始酶，在僅一種氨基酸終產(chǎn)物過(guò)剩時(shí)，完全不受或微弱或部分地反饋抑制（或阻遏），只是在多數(shù)終產(chǎn)物共存下才強(qiáng)烈地控制。有以下幾種情況：25.2.1.1其他特殊的控制機(jī)制148①協(xié)同（或多價(jià)）反饋抑制：協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)才能抑制共同途徑中的第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式①協(xié)同（或多價(jià)）反饋抑制：協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中149②合作（或增效）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。②合作（或增效）反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時(shí)存在時(shí)，可以150③同功酶控制：同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個(gè)個(gè)體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個(gè)分支代謝途徑中，如果在分支點(diǎn)以前的一個(gè)較早的反應(yīng)是由幾個(gè)同功酶所催化時(shí)，則分支代謝的幾個(gè)最終產(chǎn)物往往分別對(duì)這幾個(gè)同功酶發(fā)生抑制作用而不致過(guò)剩③同功酶控制：同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子151氨基酸發(fā)酵工藝培訓(xùn)課程152④積累反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。

④積累反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制1532、順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制C→D，這時(shí)由于C的濃度過(guò)大而促使反應(yīng)向F、G方向進(jìn)行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過(guò)多就抑制了C→F，結(jié)果造成C的濃度進(jìn)一步增高。C過(guò)多又對(duì)A→B間的酶發(fā)生抑制，從而達(dá)到了反饋抑制的效果。這種通過(guò)逐步有順序的方式達(dá)到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制2、順序反饋抑制：當(dāng)E過(guò)多時(shí)，可抑制C→D，這時(shí)由于C的濃度154順序控制：ABCDEFGABCD順序控制：ABCDEFGABCD1553.平衡合成：經(jīng)分支合成途徑生產(chǎn)兩種終產(chǎn)物E和G，E和G取平行合成。E優(yōu)先合成，E過(guò)剩時(shí)，反饋控制與優(yōu)先合成有關(guān)的催化C→D的酶，轉(zhuǎn)而合成G。G過(guò)剩時(shí)，可逆轉(zhuǎn)E的反饋控制，即E的反饋控制為G所抑制，又轉(zhuǎn)為優(yōu)先合成E。BCDEFG×3.平衡合成：經(jīng)分支合成途徑生產(chǎn)兩種終產(chǎn)物E和G，E和G取平1564.代謝互鎖：從生物合成途徑看，是受一種完全無(wú)關(guān)的氨基酸的控制。它只是在很高濃度下（與生理學(xué)濃度相比）才能體現(xiàn)抑制作用，而且是部分性的抑制（阻遏）作用。4.代謝互鎖：從生物合成途徑看，是受一種完全無(wú)關(guān)的氨基酸的控15725.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種1、控制發(fā)酵的環(huán)境條件

氨基酸發(fā)酵受菌種的生理特性和環(huán)境條件的影響，對(duì)專性需氧菌來(lái)說(shuō)環(huán)境條件的影響更大。谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件的影響會(huì)引起發(fā)酵的轉(zhuǎn)換，生成各種不同的產(chǎn)物。25.2.2生產(chǎn)中代謝控制的措施25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種1、控制發(fā)酵的環(huán)境條件15825.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制溶解氧：乳酸或琥珀酸←→谷氨酸←→α－酮戊二酸

（通氣不足）（適中）（通氣過(guò)量、轉(zhuǎn)速過(guò)快）NH4+：

α－酮戊二酸←→谷氨酸←→谷酰胺

（缺乏）（適量）（過(guò)量）pH：谷酰胺，N－乙酰谷酰胺←→谷氨酸（pH5－8，NH4+過(guò)多）

（中性或微堿性）磷酸：纈氨酸←→谷氨酸（高濃度磷酸鹽）生物素：乳酸或琥珀酸←→谷氨酸（過(guò)量）（限量）25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制溶解氧：乳酸或琥珀酸←→谷氨15925.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制2、控制細(xì)胞滲透性

代謝產(chǎn)物的細(xì)胞透性是氨基酸發(fā)酵的重要因素，只有使細(xì)胞內(nèi)的氨基酸滲透到細(xì)胞外，才能大量積累氨基酸。（1）生物素、油酸和表面活性劑，引起細(xì)胞膜的脂肪酸成分的改變。（2）青霉素：抑制細(xì)胞壁的合成，由于細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓的差異使谷氨酸泄漏出來(lái)。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制2、控制細(xì)胞滲透性16025.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制16125.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制3、控制旁路代謝

例如：L－異亮氨酸的生物合成可由L－蘇氨酸改為D－蘇氨酸途徑，即采用旁路代謝。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制3、控制旁路代謝16225.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制16325.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4、降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛?/p>

控制反饋?zhàn)饔梦餄舛?，克服反饋抑制和阻遏，使氨基酸的生物合成反?yīng)能夠順利進(jìn)行。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制4、降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛?6425.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制16525.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制5、消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用

消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用，是通過(guò)使用抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的方法來(lái)進(jìn)行。例：利用抗性突變株消除S－（β－氨基乙酸）－L－半胱氨酸（即AEC）（賴氨酸的結(jié)構(gòu)類似物）與L－蘇氨酸的協(xié)同抑制。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制5、消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻16625.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制16725.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制6、促進(jìn)ATP的積累，增加氨基酸的生物合成

氨基酸的生物合成需要能量，ATP的積累可促進(jìn)氨基酸的生物合成。

25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制6、促進(jìn)ATP的積累，增加氨16825.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制16925.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.3氨基酸產(chǎn)生菌的定向育種代謝控制發(fā)酵：根據(jù)菌種的代謝特性，人為改變菌種的代謝調(diào)控機(jī)制，使微生物體內(nèi)的的代謝流按照人們所要求的方向進(jìn)行，過(guò)量積累氨基酸。代謝控制發(fā)酵的前提是選育出特定的菌種。氨基酸菌種選育的成果是代謝調(diào)控理論應(yīng)用于育種實(shí)踐的成功典范。25.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制與育種25.2.3氨基酸產(chǎn)生170選擇出發(fā)菌株：前人經(jīng)驗(yàn)；代謝途徑簡(jiǎn)單、清楚；易于解除代謝控制機(jī)制。育種原理：部分或全部解除微生物對(duì)氨基酸合成代謝的自我調(diào)節(jié)機(jī)制育種方法：傳統(tǒng)方法現(xiàn)代方法

定向育種選擇出發(fā)菌株：前人經(jīng)驗(yàn)；代謝途徑簡(jiǎn)單、清楚；易于解除代謝控制17125.2.3.1解除反饋調(diào)節(jié)-結(jié)構(gòu)類似物抗性株選育

所謂結(jié)構(gòu)類似物（又稱代謝拮抗物）是指那些在結(jié)構(gòu)上和代謝終產(chǎn)物（氨基酸、嘌呤、維生素等）相似的物質(zhì)。如：異煙肼（“雷米封”）是吡哆醇的結(jié)構(gòu)類似物，利用含異煙肼梯度平板篩選異煙肼抗性突變株，可達(dá)到定向培育吡哆醇高產(chǎn)突變株的目的。為什么在篩選突變株時(shí),不能直接用代謝產(chǎn)物,而必須用其結(jié)構(gòu)類似物?25.2.3.1解除反饋調(diào)節(jié)-結(jié)構(gòu)類似物抗性株選育17225.2.3.2切斷支路代謝—營(yíng)養(yǎng)缺陷型的選育野生型菌株經(jīng)誘變劑處理后，由于發(fā)生了喪失某種酶合成能力的突變，因而只能在加有該酶合成產(chǎn)物的培養(yǎng)基中才能生長(zhǎng)的突變菌株（主要指合成維生素、氨基酸及嘌呤、嘧啶的能力）。營(yíng)養(yǎng)缺陷型切斷一些相關(guān)的代謝流，消除了協(xié)同控制機(jī)制，可以過(guò)量積累特定氨基酸。利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株生產(chǎn)時(shí)，營(yíng)養(yǎng)缺陷物質(zhì)的添加量一般在亞適量水平，否則引起反饋抑制。目前，營(yíng)養(yǎng)缺陷型和抗結(jié)構(gòu)類似物育種常聯(lián)合25.2.3.2切斷支路代謝—營(yíng)養(yǎng)缺陷型的選育17325.2.3.3優(yōu)先合成的轉(zhuǎn)換—滲漏缺陷型的選育通過(guò)誘變，使分支代謝途徑中優(yōu)先合成途徑中高活性的酶活性降低，代謝流轉(zhuǎn)換進(jìn)入非優(yōu)先合成的途徑，使其終產(chǎn)物氨基酸過(guò)量積累。如下圖，賴氨酸合成中，如果降低高絲氨酸脫氫酶活性，則優(yōu)先合成賴氨酸。25.2.3.3優(yōu)先合成的轉(zhuǎn)換—滲漏缺陷型的選育174O-琥珀酸高絲氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸-β-半醛高絲氨酸二氫吡啶-2，6-二羧酸賴氨酸高絲氨酸磷酸蘇氨酸蛋氨酸異亮氨酸優(yōu)先合成反饋抑制阻遏①②③④⑤O-琥珀酸高絲氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸-β-半醛高絲17525.2.3.4選育溫度敏感突變株通過(guò)誘變，選育出在低溫條件下能正常生長(zhǎng)，而在高溫條件下不能生長(zhǎng)的菌株，稱為溫度敏感突變株。這是因?yàn)橥蛔冎昊虬l(fā)生轉(zhuǎn)換或顛轉(zhuǎn)，編譯的酶對(duì)溫度敏感，在高溫時(shí)成為營(yíng)養(yǎng)缺陷型。25.2.3.4選育溫度敏感突變株17625.2.3.5改變細(xì)胞膜的通透性把合成的氨基酸盡快排出細(xì)胞外，預(yù)防反饋抑制，大量合成氨基酸。如、生物素缺陷型、油酸缺陷型和甘油缺陷型。25.2.3.5改變細(xì)胞膜的通透性17725.3氨基酸生產(chǎn)工藝

氨基酸本身的合成在不同生物體中，有較大的差異，然而許多氨基酸的合成途徑在不同生物體中也有共同之處。按照起始物可將氨基酸的合成分成幾個(gè)家族：㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）