初级代谢产物：乙醇的发酵机制与转化率分析

一、初级代谢产物

1.糖嫌氧性发酵产品

（1）乙醇发酵机制

在酵母菌体内，葡萄糖经酵解生成丙酮酸，在无氧条件下，由丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，而乙醛被还原成乙醇，其反应如下：

由葡萄糖生成乙醇的总反应式：

C₆H₁₂O₆＋2ADP＋2Pi→2CH₃CH₂OH＋2CO₂＋2ATP＋104600J

则1mol葡萄糖生成2mol乙醇，重量理论转化率为：

式中：46.05为乙醇相对分子量，180.1为葡萄糖相对分子量，但在生产中约有5％葡萄糖用于合成酵母细胞和副产品，所以，实际上乙醇对糖转化率为48.5％。

酒精发酵生产以山芋粉或玉米粉为原料，加压蒸成糊化醪，冷却60⁰C，如酒曲进行糖化成糖化醪，再接种酵母菌进行酒精发酵。糖化酶是种复合酶，在一定体积的反应器中进行，从淀粉到葡萄糖，而后转入酒精发酵罐中进行。

（2）乳酸发酵机制

乳酸发酵有同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种。前者在发酵产物中只有乳酸，后者的产物除乳酸外还有乙醇和CO₂，两者发酵菌种不同，发酵机制也不同。

同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸，由于乳酸菌不具脱羧酶，因此，丙酮酸不能生成乙醛，而在乳酸脱氢酶和辅酶（NADH）作用下还原成乳酸。理论转化率为100％。

异型乳酸发酵反应过程较为复杂，先经HMP途径生成5-磷酸核酮糖，后分解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，再合成丙酮酸而还原成乳酸。这是一条磷酸酮解途径，1mol葡萄糖生成1mol乳酸和1mol乙醇。所以，乳酸对糖的转化率为50％。

2.柠檬酸发酵机制(www.xing528.com)

（1）糖酵解的代谢调节

许多资料证明黑曲霉（Aspergillnus niger）能够利用糖类、乙醇和醋酸等发酵生成柠檬酸。黑曲霉的磷酸果糖激酶（PFK）是个调节酶，它受到柠檬酸和ATP的抑制而被AMP、Pi和活化。所以浓度与柠檬酸生产速度有关，正是细胞内浓度升高，使PFK对细胞内积累大量柠檬酸的不敏感。

此外，当缺Mn^2＋时HMP和TCAC酶系活力降低而生长期菌丝体的蛋白质、核酸和脂含量明显减少，导致细胞内氨基酸和水平升高，丙酮酸和草酰乙酸也升高。由此可见，由于发酵缺Mn^2＋抑制了蛋白质合成，解除对PFK的代谢调节，促进EMP途径的畅通，但柠檬酸合成酶不被调节，增强了合成柠檬酸的能力。由于顺乌头酸水合酶在催化时建立以下平衡：

柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬＝90：3：7

同时在控制Fe^2＋含量时，顺乌头酸水合酶活力低，使柠檬酸积累，而柠檬酸浓度升高到某一水平就抑制异柠檬酸脱氢酶活力，从而更有利于柠檬酸的积累并排出体外。

（2）乙醛酸循环与醋酸发酵柠檬酸

乙醛酸循环是TCA循环密切相关的一个分支循环，用来收集脂肪酸分解产物乙酰CoA转变成碳水化合物。乙醛酸循环有两个关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶，不断地提供草酰乙酸和乙酰CoA。在理论上，3mol醋酸可合成1mol柠檬酸，而合成柠檬酸的C₄二羧酸（草酰乙酸）只能由乙醛酸循环来提供，因此，柠檬酸向异柠檬酸的转化和后者的裂解是必不可少的。已知酵母烷烃发酵，柠檬酸的积累是在培养基中氮源耗尽以后开始的。这时细胞内AMP浓度陡然下降，抑制了NAD^＋异柠檬酸脱氢酶活性，柠檬酸的合成大于分解，从而积累起来。

3.谷氨酸产生菌发酵机制

（1）谷氨酸产生菌的特性

谷氨酸生物合成途径是呼吸代谢的一种初级产物，为了获得产品积累，就要选育菌种，了解菌种的代谢特性和调节因子。在黄色短杆菌（Brev.f larum）中，柠檬酸合成酶是谷氨酸生物合成途中的最初酶，但不受谷氨酸和α酮戊二酸抑制，这有利于谷氨酸积累而不反馈。可是，顺乌头酸对它有特异的抑制作用，但草酰乙酸对顺乌头酸的抑制有拮抗作用。异柠檬酸脱氢酶不仅催化α酮戊二酸的合成并提供它还原氨基化生成谷氨酸所必需的NADH。

当然，α酮戊二酸脱氢酶在谷氨酸生物合成中是关键性的，这种酶的活力不高，但在NH₄^＋存在时，很快催化生成谷氨酸。在谷氨酸发酵培养基中供给NaH¹⁴CO₃，可发现标记14 CO₂掺入到谷氨酸的α羧基，说明草酰乙酸的补充是通过CO₂固定反应来完成的。在谷氨酸生产菌中已检出两种CO₂固定反应酶，即PEP羧化酶和苹果酸酶。这些菌种的特性都具备发酵产生谷氨酸的可调节必要条件。

（2）氨的导入

谷氨酸发酵是氮素同化发酵。氨的导入是氨基酸发酵最基本的过程。根据新近的生产研究，为了解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈控制，构建出谷氨酸工程菌株。该工程菌株在最佳条件下进行500 L罐发酵，谷氨酸产量可达54.9 g/L。在生产工艺上，除流加尿素氨水外，正采用流加碳源的发酵方法而降低初糖浓度，更有利产酸从而提高产酸率。