发酵工艺:发酵工业常用碳、氮源代谢路线图

深刻了解发酵过程主原料C源及N源的代谢，其意义在于对培养基进行合理配置、并从能量、营养的角度对发酵过程进行精确调控。

碳源代谢包括：糖代谢/甘油代谢/甲醇代谢/油脂代谢

氮源代谢包括：脱氨基/转氨基

一、C源代谢

发酵工业上，碳源主要用来供给菌种生命活动所需的能量，构成菌体细胞及代谢产物。常用的碳源主要有糖类、油脂及有机酸。

有关发酵常用碳源参见《发酵工程》已发布：

发酵原料：常用20种发酵碳源之比较分析

（点击可查阅）

1、糖代谢途径

（1）EMP 途径

EMP途径及糖酵解途径。葡萄糖分子经转化成1，6—二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛； 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸。

1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP；2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH₂和4分子ATP。糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径，通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，为微生物活动提供部分能量，尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式；同时，糖酵解途径为其他代谢途径提供中间产物（提供碳骨架），如6-磷酸葡萄糖是磷酸戊糖途径的底物。

（2）HMP途径

HMP途径即磷酸戊糖途径。葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。

磷酸戊糖进一步通过不完全HMP途径和完全HMP途径进一步代谢。

不完全HMP途径：磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。

完全HMP途径：由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水）。

HMP途径意义：

A、为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸（与核苷酸类发酵密切相关）；

B、产生大量NADPH₂，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量；

C、与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系

D、途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成（芳香族氨基酸发酵代谢相关）；

E、途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用的碳源谱更为广泛；

F、通过该途径可产生许多种重要的发酵产物，如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等

G、HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。

（3）ED途径

ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径， ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。

ED途径在假单胞菌及其它革兰氏阴性菌发酵代谢中常见。

ED途径首先是葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。

此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。

（4）其它糖代谢途径

糖酵解也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途径。果糖及甘露糖通过己糖激酶的催化作用可转变成果糖-6-磷酸，果糖还可以通过一系列酶的作用转变成3-磷酸甘油醛。半乳糖可以在一些酶催化下转变成1-磷酸葡萄糖。

2、甘油代谢途径

甘油到磷酸二羟丙酮的分解代谢包括两步酶促反应。 在甘油激酶（GK）的催化下，甘油被磷酸化形成3-磷酸甘油，3-磷酸甘油在3-磷酸甘油脱氢酶的催化下氧化成磷酸二羟丙酮， 进一步返回至糖酵解途径。此外，甘油还可以在甘油氢化酶的作用下生成D-甘油醛，后进一步生成D-甘油酸和3-磷酸甘油醛；也可以在甘油脱水酶的作用下，单向地生成2-羟基丙醛。

3、甲醇代谢图

甲醇首先被醇氧化酶氧化成甲醛和过氧化氢。甲醛随后进入两条代谢途径，小部分进入分解代谢，大部分进入合成代谢。在分解代谢中，甲醛首先被甲醛脱氢酶（FLD1p）氧化为甲酸盐，并进一步被甲酸盐脱氢酶（FDH）氧化为二氧化碳，同时以电子 NADH 的形式释放能量，同时也避免了细胞内部甲醇积累过多而产生毒害作用。在合成代谢中，甲醛在二羟基丙酮合成酶的作用下与 5-磷酸木棉糖结合生成三磷酸甘油醛（GAP），GAP 随后进入糖酵解和 TCA 循环。

甲醇代谢路径对毕赤酵母甲醇诱导型工艺优化至关重要。

4、油脂代谢

发酵工业中使用油脂已有较长的历史，在发酵工业中油脂具有多种用途，可以作为碳源、消沫剂、氧载体等, 能够有效提高相应代谢物产量。油脂通常以酯形式存在，首先需要在脂肪酶的催化下形成甘油和脂肪酸，甘油经甘油途径进入糖酵解途径被利用，脂肪酸先被乙酰辅酶 A 硫酯活化，进入β-氧化途径，每循环一次脂肪酸链掉下两个碳碎片为乙酰辅酶A，剩余的脂酰辅酶A化合物重新进入降解循环，降解产物乙酰辅酶A可以作为产物合成的前体。

二、氮源代谢

氮源主要用来构成菌体细胞物质和含氮代谢物。常用的氮源可分为有机氮源和无机氮源。

无机氮源包括：氨水、硫酸铵、尿素、硝酸钠、硝酸铵和磷酸二氢铵等。铵盐中的铵氮可以直接被菌体利用来合成细胞中的含氮物质，硝基氮必须先还原成氨后，才能被进一步利用。

有机氮源通常含有丰富的蛋白质、多肽和游离的氨基酸。

常见的有机氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、鱼粉、蚕蛹粉等。蛋白质首先需要在蛋白酶的作用下分解成多肽片段，多肽通过多肽水解酶进一步分解成氨基酸，氨基酸通过脱氨基或转氨基等作用被利用。

有关常用氮源参见《发酵工程》已发布：

发酵原料：不同类型的N源深刻影响发酵工艺的优化进程

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三、三羧酸循环

    三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。

1、三羧酸循环说明

丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO₂和H₂O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。

2、三羧酸循环与糖、油脂、蛋白分解代谢联系图

【三羧酸循环特点】

（1）循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO₂，并重新生成1分子草酰乙酸；

（2）整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD⁺还原为NADH+H⁺，另一步为FAD还原

【三羧酸与发酵代谢的关系】

（1）三羧酸循环与氨基酸类发酵代谢密切相关；

（2）三羧酸循环协调C源（糖、脂）和N源（蛋白）互通有无，是及其重要的转化中心枢纽；

（4）循环中的某些中间产物是一些重要发酵制品的合成的前体；

（5）是为微生物细胞繁殖及工作提供能量的主要形式。

文/风卷残云 整理 

本作者主要出没于《发酵工程》代谢机理研究群

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