【正文】 的能量。 發(fā)酵 根據(jù)遞氫特點(diǎn)尤其是氫受體性質(zhì)的不同，可把生物氧化區(qū)分成 3種類型 。 呼吸 無(wú)氧呼吸 生物氧化 有氧呼吸 1. 呼吸作用 （ respiration） 微生物在降解底物的過(guò)程中，將釋放出的電子交給NAD（ P） +、 FAD或 FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給 外源電子受體 ，從而生成水或其它還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過(guò)程，稱為呼吸作用。 （ 1）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD） 和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP） （ 2）黃素腺嘌呤二核苷酸（ FAD） 和黃素單核苷酸（ FMN） （ 3）鐵硫蛋白（ FeS） （ 4）泛醌（輔酶 Q） （ 5）細(xì)胞色素系統(tǒng) 遞氫體或遞電子體 以 氧化型化合物 作為最終電子受體 有氧呼吸（ aerobic respiration）： 無(wú)氧呼吸（ anaerobic respiration）： 以 分子氧 作為最終電子受體 是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力 [H]形式存在）經(jīng)完整的 呼吸鏈 傳遞，最終被 外源分子氧 接受，產(chǎn)生了水并釋放出 ATP形式的能量。 這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產(chǎn)能方式。 （ 1） 好氧呼吸 （ aerobic respiration） （ 2） 無(wú)氧呼吸 （ anaerobic respiration） 又稱 厭氧呼吸 ，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物 （少數(shù)為有機(jī)氧化物）的生物氧化。特點(diǎn) 是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。 這是一類在無(wú)氧條件下進(jìn)行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。 ① 硝酸鹽呼吸 （ nitrate respiration）又稱反硝化作用（ denitrification） ② 硫酸鹽呼吸 （ sulfate respiration） ③ 硫呼吸 （ sulphur respiration） ④ 鐵呼吸 （ iron respiration） ⑤ 碳酸鹽呼吸 （ carbonate respiration） ⑥ 延胡索酸呼吸 （ fumarate respiration） link2 2. 發(fā)酵 （ fermentation） （ 1）定義 泛指任何利用好氧或厭氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料的一類生產(chǎn)方式。 廣義的發(fā)酵 指在無(wú)氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力 [H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一 內(nèi)源性中間代謝物 接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)，即： 狹義的發(fā)酵 不同的微生物通過(guò)發(fā)酵作用，積累的代謝產(chǎn)物是不一樣的。根據(jù)主要代謝產(chǎn)物將微生物發(fā)酵分為以下幾個(gè)類型。 （ 2）微生物的發(fā)酵類型 ① 乙醇發(fā)酵 ② 乳酸發(fā)酵 ③ 丙酸發(fā)酵 ④ 混合酸發(fā)酵 ⑤ 丁二醇發(fā)酵 ⑥ 丁酸型發(fā)酵 ① 乙醇發(fā)酵 酒精發(fā)酵是最古老的一種發(fā)酵，它在化工、醫(yī)藥及食品行業(yè)的用途廣泛。 酵母菌的第一型發(fā)酵 酵母菌只有在 ～ （ 弱酸性 ） 和厭氧條件下才能進(jìn)行正常的酒精發(fā)酵，稱之為 酵母菌的第一型發(fā)酵 。 葡萄糖 2 丙酮酸 EMP途徑 丙酮酸脫羧酶 2 乙醛 2 CO2 乙醇脫氫酶 2 乙醇 NAD+ NADH2 NADH2 NAD+ 關(guān)鍵酶 1分子 2分子 乙醇發(fā)酵對(duì)環(huán)境條件的變化十分敏感 乙醇發(fā)酵需在厭氧條件下進(jìn)行。如果變成好氧條件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度減慢 —— 巴斯德效應(yīng) 。 巴斯德效應(yīng)產(chǎn)生的原因 在好氧條件下 : (1)丙酮酸脫羧酶失活，丙酮酸脫氫酶系作用，進(jìn)入 TCA循環(huán)。 (2)高含量的 ATP及檸檬酸別構(gòu)抑制磷酸果糖激酶活性，減慢葡萄糖酵解速度 。 如果將發(fā)酵過(guò)程的 pH值控制在 微堿性 （ ）和厭氧條件下，酵母的乙醇發(fā)酵 － → 甘油發(fā)酵，得到的產(chǎn)物主要是 甘油、少量的乙醇、乙酸和 CO2 —— 酵母菌的第三型發(fā)酵。 乙醇發(fā)酵所需的 pH是 弱酸性 的， ～ 。 葡萄糖 丙酮酸 EMP 途徑 丙酮酸脫羧酶 乙醛 CO2 磷酸甘油脫氫酶 乙醇 NAD+ NADH2 NADH2 NAD+ 磷酸二羥丙酮 乙酸 3－ P－甘油 甘油 EMP途徑 NAD+ NADH2 在 酵母菌的第三型發(fā)酵 中沒(méi)有 ATP產(chǎn)生，所以這種發(fā)酵是在靜息細(xì)胞中進(jìn)行的。 乙酸的產(chǎn)生會(huì)降低培養(yǎng)基的 pH值，使 酵母菌的第三型發(fā)酵 重新回到正常的乙醇發(fā)酵，所以，如果產(chǎn)品需要的是甘油，一定要 控制好 pH。 酵母菌在 亞適量的 NaHSO3（ 3％） 作用下可進(jìn)行 酵母菌的第二型發(fā)酵 生成 甘油和少量乙醇 。 葡萄糖 丙酮酸 EMP 途徑 丙酮酸脫羧酶 乙醛 CO2 磷酸甘油脫氫酶 NAD+ NADH2 NADH2 NAD+ 磷酸二羥丙酮 3－ P－甘油 甘油 EMP途徑 NAD+ NADH2 復(fù)合物 NaHSO3 這里有少量的乙醇產(chǎn)生是為了維持菌體正常生長(zhǎng)提供能量。 如果要利用 酵母菌的第二型發(fā)酵 來(lái)生產(chǎn)甘油，則培養(yǎng)基中的一定要 亞適量 NaHSO3（ 3％） ，大量的 NaHSO3對(duì)酵母有毒害作用。 酵母菌的酒精發(fā)酵 （ 均在厭氧條件下 ） 第三型發(fā)酵 —— （微堿性） 第一型發(fā)酵 —— ～ （弱酸性） 第二型發(fā)酵 —— 亞適量 NaHSO3（ 3％） 甘油、少量的乙醇、乙酸和 CO2 甘油和少量乙醇 乙醇 通過(guò)酵母菌的三個(gè)類型發(fā)酵的分析， 可以看出工藝條件對(duì)發(fā)酵工業(yè)的重要性。 工藝條件不同， 發(fā)酵的產(chǎn)品性質(zhì)和數(shù)量不同， 其他類型的發(fā)酵也是如此。 例如，味精的生產(chǎn)，即是谷氨酸發(fā)酵， 在生產(chǎn)中， NH4+的濃度直接影響谷氨酸的產(chǎn)量。 NH4+濃度過(guò)高，產(chǎn)生的谷氨酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺； NH4+濃度過(guò)低，發(fā)酵產(chǎn)物不是谷氨酸而是它的前體 α－ 酮戊二酸。 工藝條件一定要控制在最佳狀態(tài)才能獲得高產(chǎn)量 ！ ② 乳酸發(fā)酵 乳酸發(fā)酵在工業(yè)上用于生產(chǎn)乳酸，在農(nóng)業(yè)上用于青貯飼料的發(fā)酵，在食品加工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用。因此，乳酸是一種需求量很大的發(fā)酵產(chǎn)品。全世界每年乳酸的消費(fèi)量為 13～ 15萬(wàn)噸，我國(guó)的乳酸生產(chǎn)量 11000噸。 乳酸生產(chǎn)現(xiàn)在主要是化學(xué)合成，但化學(xué)合成法生產(chǎn)的乳酸是 DL－乳酸 ，發(fā)酵法生產(chǎn)的是 L乳酸 。 目前發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的產(chǎn)酸水平普遍在 9～ 10％，中試報(bào)道也達(dá)到 12～ 14％，國(guó)外的產(chǎn)酸水平是 18％。 乳酸發(fā)酵是由 乳酸菌 在 嚴(yán)格厭氧 的條件下進(jìn)行的。乳酸菌是耐氧型的厭氧菌， G+，無(wú)芽孢，有桿菌、球菌等。乳酸菌生長(zhǎng)過(guò)程中需要多種生長(zhǎng)因子，可分解葡萄糖產(chǎn)生大量的乳酸。 葡萄糖 2 丙酮酸 EMP途徑 乳酸脫氫酶 2 乳酸 NAD+ NADH2 NAD+ 凡葡萄糖發(fā)酵后只產(chǎn)生 2分子乳酸的發(fā)酵，稱 同型乳酸發(fā)酵 葡萄糖 乙酰磷酸 PK途徑 乙醛 乳酸脫氫酶 乳酸 NADH2 NAD+ 3－ P－甘油醛 NAD+ 丙酮酸 乙醇 乙酸 ＋ CO2 凡葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和 CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵稱異型乳酸發(fā)酵 這是一條在 1960年代中后期才發(fā)現(xiàn)的 雙歧桿菌 （Bifidobacteria） 通過(guò) HMP發(fā)酵葡萄糖的新途徑。 特點(diǎn)： 2分子葡萄糖 → 3分子乙酸＋ 2分子乳酸＋ 5分子 ATP 乳酸發(fā)酵對(duì)我們食品工業(yè)和釀酒工業(yè)來(lái)說(shuō)十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生產(chǎn)均通過(guò)乳酸發(fā)酵。甚至在香腸的制作中也需乳酸菌的參與。但在釀酒工業(yè)中乳酸菌是一重大污染菌。 以 大腸桿菌 為代表的一類腸道菌，例如， 埃希氏菌、志賀氏菌、沙門氏菌 等，發(fā)酵產(chǎn)物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有機(jī)酸和 CO H2，所以稱為 混合酸發(fā)酵 。 產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌 等發(fā)酵產(chǎn)物主要是丁二醇，所以稱之為 丁二醇發(fā)酵 。 ④ 混合酸發(fā)酵與丁二醇發(fā)酵 進(jìn)行這類發(fā)酵的是腸道菌，不同的腸道菌具有不同的酶系來(lái)作用于丙酮酸，所以終產(chǎn)物是不同的。 ⑤ 丁酸發(fā)酵與丙酮、丁醇發(fā)酵 這類發(fā)酵是由專性厭氧菌 梭狀芽孢桿菌 分解葡萄糖進(jìn)行的。這類型發(fā)酵的終產(chǎn)物主要是丁酸、丙酮和丁醇。 葡萄糖 2 丙酮酸 EMP途徑 丙酮酸鐵氧還蛋白氧化酶 2 乙酰 CoA 丁醛脫氫酶 NAD+ NADH2 NADH2 NAD+ 丁酰 CoA 丙酮 丁醛 丁醇 CO2 NADH2 NAD+ 丁醇脫氫酶 丁酸 CoA轉(zhuǎn)移酶 乙酸 乙酰 CoA