食品微生物8的學習教案

食品微生物8的學習教案第1頁/共66頁本次課程內容1.微生物的能量代謝2.微生物的分解代謝3.微生物發(fā)酵的代謝途徑4.微生物獨特的合成代謝第2頁/共66頁代謝的概念代謝是細胞內發(fā)生的各種化學反應的總稱。分解代謝指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。合成代謝指細胞利用小分子物質合成復雜大分子的過程，并在這個過程中消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質來源于分解代謝過程中產生的中間產物或環(huán)境中的小分子營養(yǎng)物質。第3頁/共66頁代謝的概念新陳代謝（Metabolism）

一般泛指生物與周圍環(huán)境進行物質交換和能量交換的過程。

生物小分子合成生物大分子合成代謝（同化）耗能新陳代謝能量代謝物質代謝產能分解代謝（異化）生物大分子分解為生物小分子復雜分子(有機物)分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]第4頁/共66頁代謝的概念初級代謝是指能使營養(yǎng)物質轉換成細胞結構物質、維持微生物正常生命活動的生理活性物質或能量的代謝。次級代謝是指某些微生物進行的非細胞結構物質和維持其正常生命活動的非必須物質的代謝。第5頁/共66頁第一節(jié)微生物的能量代謝生物氧化是指細胞內一切代謝物所進行的氧化作用。它們在氧化過程中能產生大量的能量，分段釋放，并以高能磷酸鍵形式儲藏在ATP分子內，供需要時用。第6頁/共66頁

一切生命活動都是耗能反應,因此,能量代謝是一切生物代謝的核心問題。

能量代謝的中心任務,是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP.這就是產能代謝。最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）第7頁/共66頁生物氧化與燃燒的比較第8頁/共66頁一、微生物的呼吸（生物氧化）類型微生物氧化有機物脫下的電子經呼吸鏈中一系列電子載體的傳遞交給最終電子受體的過程有氧呼吸：分子氧為最終電子受體丙酮酸脫羧并形成乙酰CoA后進入TCA循環(huán)，脫下的電子進入呼吸鏈，最終被徹底氧化無氧呼吸：氧以外的其他物質作為最終電子受體第9頁/共66頁微生物的能量代謝第10頁/共66頁（一）好氧呼吸以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為好氧呼吸。許多異養(yǎng)微生物在有氧條件下，以有機物作為呼吸底物，通過呼吸而獲得能量。以葡萄糖為例，通過EMP途徑和TCA循環(huán)被徹底氧化成二氧化碳和水，生成38個ATP，化學反應式為：C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6CO2+6H2O+38ATP第11頁/共66頁（二）厭氧呼吸(anaerobicspiration)

以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為厭氧呼吸。能起這種作用的化合物有硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽。這是少數微生物的呼吸過程。例如脫氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸鹽還原成亞硝酸鹽（故稱反硝化作用），反應式如下：C6H12O6+12NO3–→6CO2+6H2O+12NO2–+1.8×103KJ第12頁/共66頁(三)發(fā)酵作用如果電子供體是有機化合物，而最終電子受體也是有機化合物的生物氧化過程稱為發(fā)酵作用。在發(fā)酵過程中，有機物既是被氧化了基質，又是最終的電子受體，但是由于氧化不徹底，所以產能比較少。酵母菌利用葡萄糖進行酒精發(fā)酵，只釋放2.26×105J熱量，其中只有9.6×104J貯存于ATP中，其余又以熱的形式喪失，反應式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP第13頁/共66頁

發(fā)酵是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產物，同時釋放能量并產生各種不同的代謝產物。發(fā)酵（fermentation）第14頁/共66頁二、生物氧化鏈

微生物從呼吸底物脫下的氫和電子向最終電子受體的傳遞過程中，要經過一系列的中間傳遞體，并有順序地進行，它們相互“連控”如同鏈條一樣，故稱為呼吸鏈（生物氧化鏈）。它主要由脫氫酶、輔酶Q和細胞色素等組分組成。它主要存在于真核生物的線粒體中；在原核生物中，則和細胞膜、中間體結合在一起。它的功能是傳遞氫和電子，同時將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP。第15頁/共66頁三、ATP的產生ATP的產生就是電子從起始的電子供體經過呼吸鏈至最終電子受體的結果。

ATP是生物體內能量的主要傳遞者。當微生物獲得能量后，都是先將它們轉換成ATP。當需要能量時，ATP分子上的高能鍵水解，重新釋放出能量。第16頁/共66頁利用光能合成ATP的反應，稱為光合磷酸化。利用生物氧化過程中釋放的能量，合成ATP的反應，稱為氧化磷酸化。第17頁/共66頁（一）底物水平磷酸化在底物水平磷酸化中，異化作用的中間產物的高能磷酸轉移給ADP，形成ATP，如下述反應：磷酸烯醇丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP第18頁/共66頁（二）電子傳遞磷酸化

在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子,將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯起來，形成ATP。

第19頁/共66頁（三）光合磷酸化的能量轉換光合色素是光合生物所特有的物質，它在光能轉換過程中起著重要作用，光合色素由主要色素和輔助色素構成，主要色素是葉綠素或細菌葉綠素；輔助色素是類胡蘿卜素和藻膽素。光反應中心的葉綠素通過吸收光能逐出電子而使自己處于氧化態(tài)，逐出的電子通過鐵氧還蛋白、泛醌、細胞色素b與細胞色素c組成的電子傳遞鏈再返回葉綠素本身，使葉綠素分子回復到原來的狀態(tài)，在電子傳遞過程中產生能量轉化（光能─→化學能）。第20頁/共66頁第二節(jié)微生物的分解代謝

地球上最豐富的有機物是纖維素，半纖維素，淀粉等糖類物質，自然界中微生物賴以生存的主要也是糖類物質，人們培養(yǎng)微生物，進行食品加工和工業(yè)發(fā)酵等也是以糖類物質為主要的碳源和能源物質。因此，微生物的糖代謝是微生物代謝的一個重要方面，掌握這方面的知識，對于認識自然界不同的微生物類群，以及搞好微生物的培養(yǎng)利用都是重要的基礎知識。第21頁/共66頁一、微生物糖代謝途徑

1、EMP途徑又稱糖酵解途徑單糖的激化階段降解的起始點氧化與產能階段第22頁/共66頁總反應式為：C6H12O6+2NAD+2(ADP+Pi)→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2總計起來，每分子葡萄糖通過EMP途徑凈合成2分子ATP，產能水平較低。EMP途徑意義：為細胞生命活動提供ATP和NADH第23頁/共66頁三羧酸循環(huán)，簡稱TCA環(huán)

它除了產生大量能量，作為微生物生命活動的主要能量來源以外，還有許多生理功能。特別是循環(huán)中的某些中間代謝產物是一些重要的細胞物質，如各種氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂類等生物合成前體物。

TCA環(huán)實際上是微生物細胞內各類物質的合成和分解代謝的中心樞紐。第24頁/共66頁由于EMP途徑和TCA環(huán)研究得比較清楚，在發(fā)酵工業(yè)中得到了廣泛地應用。用一種方法來阻止某一階段的進行，就必然積累某些中間產物。根據這一原理，工業(yè)上已篩選出一些優(yōu)良菌株，進行工業(yè)發(fā)酵，生產檸檬酸，異檸檬酸，α-酮戊二酸，蘋果酸等。例如利用黑曲霉生產檸檬酸時，由于菌體內順烏頭酸水解酶的活力特別低，使檸檬酸大量積累。第25頁/共66頁（二）HMP途徑HMP是一條葡萄糖不經EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產物的代謝途徑1.葡萄糖經過幾步氧化反應產生核酮糖-5-磷酸和CO22.核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構化或表異構化而分別產生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產生己糖磷酸和丙糖磷酸第26頁/共66頁單糖的激化階段

降解的起始點氧化與產能階段第27頁/共66頁HMP途徑的生理意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸產生大量的NADPH2，一方面參與脂肪酸、固醇等細胞物質的合成，另一方面可通過呼吸鏈產生大量的能量四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成在反應中存在3-7碳糖，使具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛通過該途徑可產生許多發(fā)酵產物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等第28頁/共66頁（三）ED途徑ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現的。ED途徑結果：一分子葡萄糖經ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在ED途徑不如EMP途徑經濟。ED途徑過程：葡萄糖→

→

→KDPG甘油醛-3-磷酸丙酮酸→丙酮酸EMPKDPG醛縮酶第29頁/共66頁（四）PK途徑

也稱磷酸解酮酶途徑。這個途徑的特點是降解1分子葡萄糖只產生1分子ATP，相當于EMP途徑的一半，另一特點是幾乎產生等量的乳酸，乙醇和CO2。第30頁/共66頁葡萄糖6-磷酸葡萄糖ATP6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖葡萄糖3-磷酸甘油醛乙酰磷酸(EMP途徑)

乙醛乳酸

乙醇2H2H2H2HPiATP戊糖磷酸解酮途徑的關鍵酶系是磷酸木酮糖解酮酶，它催化5-磷酸木酮糖裂解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸的反應。第31頁/共66頁二、多糖的分解（一）淀粉的水解淀粉

由各種胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麥芽糖）后被吸收利用淀粉是多種微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。第32頁/共66頁1）液化型淀粉酶（又稱α-淀粉酶）這種酶可以任意分解淀粉的α-1,4糖苷鍵，而不能分解α-1,6糖苷鍵。淀粉經該酶作用以后，粘度很快下降，液化后變?yōu)楹罱K產物為糊精、麥芽糖和少量葡萄糖。由于這種酶能使淀粉表現為液化，淀粉粘度急速下降，故稱液化酶，又由于生成的麥芽糖在光學上是α型，所以又稱為α-淀粉酶。產生α-淀粉酶的微生物很多，細菌、霉菌、放線菌中的許多種都能產生。第33頁/共66頁2）糖化型淀粉酶這類酶又可細分為好幾種，其共同特點將淀粉水解為麥芽糖或葡萄糖，故稱為糖化型淀粉酶。第34頁/共66頁（二）纖維素的分解

纖維素的葡萄糖由β-1,4糖苷鍵組成的大分子化合物。它廣泛存在于自然界，是植物細胞壁的主要組成成分。人和動物均不能消化纖維素。但是很多微生物，例如木霉、青霉、某些放線菌和細菌均能分解利用纖維素，原因是它們能產生纖維素酶。第35頁/共66頁纖維素酶是一類纖維素水解酶的總稱。它由c1酶、cx酶和解成纖維二糖，再經過β-葡萄糖苷酶作用，最終變?yōu)槠咸烟?，其水解過程如下：

C1酶Cx1Cx2酶纖維二糖酶天然纖維素水合纖維素分子纖維二糖葡萄糖生產纖維素酶的菌種常有綠色木霉、康氏木霉、某些放線菌和細菌。我國采用綠色木霉、木素木霉為菌種，進行了研究、試制。纖維素酶在為開辟食品及發(fā)酵工業(yè)原料新來源，提高飼料的營養(yǎng)價值，綜合利用農村的農付產品方面將會起著積極的作用，具有重要的經濟意義。第36頁/共66頁（三）果膠質的分解果膠是植物細胞的間隙物質，使鄰近的細胞壁相連，是半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵結合成直鏈狀分子化合物。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的稱為果膠酸。果膠在漿果中最豐富。它的一個重要特點是在酸和糖存在下，可以形成果凍。食品廠利用這一性質來制造果漿、果凍等食品；但對果汁加工、葡萄酒生產引起榨汁困難。第37頁/共66頁果膠酶含有不同的酶系，在果膠分解中起著不同的作用。主要有果膠酯酶和半乳糖醛酸酶兩種，引起的反應式如下：果膠酯酶聚半乳糖醛酸酶果膠甲醇+果膠酸半乳糖醛酸果膠酶廣泛存在于植物、霉菌、細菌和酵母中。其中以霉菌產的果膠酶產量高，澄清果汁力強，因此工業(yè)上常用的菌種幾乎都是霉菌，例如文氏曲霉、黑曲霉等。果膠酶大多屬于誘導酶，故生產時必須添加含果膠的物質，才會提高產量。

第38頁/共66頁三、蛋白質的分解（一）蛋白質的分解蛋白質是由氨基酸組成的分子巨大、結構復雜的化合物。它們不能直接進入細胞。微生物利用蛋白質，首先分泌蛋白酶至體外，將其分解為大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再進入細胞。通式如下：蛋白酶蛋白質多肽、氨基酸

第39頁/共66頁產生蛋白酶的菌種很多，細菌、放線菌、霉菌等中均有。不同的菌種可以產生不同的蛋白酶，例如黑曲霉主要生產酸性蛋白酶。短小芽孢桿菌用于生產堿性蛋白酶。不同的菌種也可生產功能相同的蛋白酶，同一個菌種也可產生多種性質不同的蛋白酶。第40頁/共66頁（二）氨基酸的分解

1）脫氨作用①氧化脫氨。在酶催化下，氨基酸在氧化脫氫的同時釋放游離氨，這一過程即氧化脫氨。一類是氨基氧化酶，以FAD或FMN為輔基；另一類是氨基酸脫氫酶，以NAD或NADP作為氫的載體，交給分子態(tài)氧。第41頁/共66頁

②還原脫氨。還原脫氨在無氧條件下進行，生成飽和脂肪酸。能進行還原脫氨的微生物是專性厭氧菌和兼性厭氧菌。腐敗的蛋白質中常分離到飽和脂肪酸便是由相應的氨基酸生成。第42頁/共66頁③水解脫氨。不同氨基酸經水解脫氨生成不同的產物。同種氨基酸水解之后也可形成不同的產物。④減飽和脫氨（直接脫氨）。氨基酸在脫氨的同時，其α.β鍵減飽和，結果生成不飽和酸。例如天門冬氨酸減飽和脫氨生成延胡索酸。⑤氧化—還原偶聯脫氨（Stickland反應）。Stickland發(fā)現在某些梭菌中存在由兩種氨基酸參與的脫氨基反應，一種氨基酸被氧化，在脫氨的同時脫下氫和電子，同時另一種氨基酸被還原，得到氫和電子的同時脫下氨基。第43頁/共66頁

2）脫羧作用

氨基酸脫羧作用常見于許多腐敗細菌和真菌中。不同的氨基酸由相應的氨基酸脫羧酶催化脫羧，生成減少一個碳原子的胺和二氧化碳。脫羧酶具有高度專一性，需要磷酸吡哆醛為輔酶，大多數是誘導酶。一元氨基酸脫羧后變成一元胺；二元氨基酸脫羧后變成二元胺。這類物質統稱為尸堿，有毒性。肉類蛋白質腐敗后常生成二元胺，故不能食用。第44頁/共66頁四、脂肪和脂肪酸的分解（一）脂肪的分解脂肪是脂肪酸的甘油三酯。在脂肪酶作用下，可水解生成甘油和脂肪酸。脂肪酶成分較為復雜，作用對象也不完全一樣。不同的微生物產生的脂肪酶作用也不一樣。能產生脂肪酶的微生物很多，有根霉、圓柱形假絲酵母、小放線菌、白地霉等。脂肪酶目前主要用于油脂工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)上。常用作消化劑、乳品增香、制造脂肪酸、絹絲的脫脂等。第45頁/共66頁（三）脂肪酸的分解

微生物分解脂肪酸主要是通過β-氧化途徑。β-氧化是由于脂肪酸氧化斷裂發(fā)生在β-碳原子上而得名。在氧化過程中，能產生大量的能量，最終產物是乙酰輔酶Ａ。而乙酰輔酶A是進入三羧酸循環(huán)的基本分子單元。第46頁/共66頁第三節(jié)微生物發(fā)酵的代謝途徑由于微生物種類繁多，能在不同條件下對不同物質或對基本相同的物質進行不同的發(fā)酵。而不同微生物對不同物質發(fā)酵時可以得到不同的產物，不同的微生物對同一種物質進行發(fā)酵，或同一種微生物在不同條件下進行發(fā)酵都可得到不同的產物，這些都取決于微生物本身的代謝特點和發(fā)酵條件，現將食品工業(yè)中常見的微生物及其發(fā)酵途徑介紹如下：第47頁/共66頁一、醋酸發(fā)酵

參與醋酸發(fā)酵的微生物主要是細菌，統稱為醋酸細菌。它們之中既有好氧性的醋酸細菌，例如紋膜醋酸桿菌（Acetobacteraceti），氧化醋酸桿菌（Acetobacteroxydans），巴氏醋酸桿菌（Acetobacerpasteurianus），氧化醋酸單胞菌（Acetomonasoxydans）等；也有厭氧性的醋酸細菌，例如熱醋酸梭菌（Clostrioliumthemoacidophilus），膠醋酸桿菌（Acetobacterxylinum）等。第48頁/共66頁好氧性的醋酸細菌進行的是好氧性的醋酸發(fā)酵，在有氧條件下，能將乙醇直接氧化為醋酸，是醋酸細菌的好氧性呼吸，其氧化過程是一個脫氫加水的過程。好氧性的醋酸發(fā)酵是制醋工業(yè)的基礎。制醋原料或酒精接種醋酸細菌后，即可發(fā)酵生成醋酸發(fā)酵液供食用，醋酸發(fā)酵液還可以經提純制成一種重要的化工原料——冰醋酸。厭氧性的醋酸發(fā)酵是我國用于釀造糖醋的主要途徑。第49頁/共66頁厭氧性的醋酸細菌進行的是厭氧性的醋酸發(fā)酵，其中熱醋酸梭菌能通過EMP途徑發(fā)酵葡萄糖，產生3Ｍ醋酸。研究證明該菌只有丙酮酸脫羧酶和COM，能利用CO2作為受氫體生成乙酸。

第50頁/共66頁二、檸檬酸發(fā)酵關于檸檬酸發(fā)酵途徑曾有多種論點，但目前大多數學者認為檸檬酸并非單純由TCA循環(huán)所積累，而是由葡萄糖經EMP途徑形成丙酮酸，再由兩分子丙酮酸之間發(fā)生羧基轉移，形成草酰乙酸和乙酰CoA,草酰乙酸和乙酰CoA再縮和成檸檬酸。第51頁/共66頁能夠累積檸檬酸的霉菌以曲霉屬(Aspergillus)，青霉屬(Penicillium)和桔霉屬(Citromyces)為主。其中以黑曲霉(Asp.niger)、米曲霉(Asp.oryzae)，灰綠青霉(Pen.glaucum)，淡黃青霉(Pen.luteum)，光桔霉(Citromycesglaber)等產酸量最高。檸檬酸發(fā)酵廣泛被用于制造檸檬酸鹽、香精、飲料、糖果、發(fā)泡緩沖劑等，在食品工業(yè)中起重要的作用。第52頁/共66頁三、酒精發(fā)酵酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵

~脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇細菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產生乙醇，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP同型酒精發(fā)酵：產物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：除主產物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵第53頁/共66頁

酒精發(fā)酵是釀酒工業(yè)的基礎，它與釀造白酒，果酒，啤酒以及酒精的生產等有密切關系。進行酒精發(fā)酵的微生物主要是酵母菌，如啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等，此外還有少數細菌如發(fā)酵單胞菌(Zymononasmobilis)，嗜糖假單胞菌(PseudomonasSaccharophila)，解淀粉歐文氏菌(Eruiniaamylovora)等也能進行酒精發(fā)酵。酵母菌在無氧條件下，將葡萄糖經EMP途徑分解為2分子丙酮酸，然后在酒精發(fā)酵的關鍵酶——丙酮酸脫羧酶的作用下脫羧生成乙醛和CO2，最后乙醛被還原為乙醇。第54頁/共66頁酒精發(fā)酵是酵母菌正常的發(fā)酵形式，又稱第一型發(fā)酵，如果改變正常的發(fā)酵條件，可使酵母進行第二型和第三型發(fā)酵而產生甘油。第二型發(fā)酵是在有亞硫酸氫鈉的存在的情況下發(fā)生的。亞硫酸氫鈉和乙醛起加成作用，生成難溶的結晶狀亞硫酸氫鈉加成物－－磺化羥乙醛。第55頁/共66頁第三型發(fā)酵是在堿性條件下進行的，堿性條件可促使乙醛不能作為正常的受氫體，而是兩分子乙醛之間發(fā)生歧化反應，即相互進行氧化還原反應，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙醛被還原為乙醇。第56頁/共66頁四、乳酸發(fā)酵

乳酸是細菌發(fā)酵最常見的最終產物，一些能夠產生大量乳酸的細菌稱為乳酸細菌。同型乳酸發(fā)酵：通過EMP途徑僅產生乳酸的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵：通過HMP(PK)途徑產生乳酸、乙醇、乙酸等有機化合物的發(fā)酵第57頁/共66頁同型乳酸發(fā)酵途徑2×葡萄糖

2ATP2ADP果糖-6-磷酸果糖-6-磷酸

轉醛酶磷酸解酮酶轉酮酶赤蘚糖-4-磷酸乙酰磷酸

ADP

木酮糖-5-磷酸ATP

乙酸

第58頁/共66頁異型乳酸(乙醇)發(fā)酵途徑5-磷酸-木酮糖

磷酸(戊糖)解酮酶

乙酰磷酸3-磷酸甘油醛

ADP