乙醇甘油发酵过程

乙醇甘油发酵
发酵作用


概念：发酵是指在没有外源电子受体时，微生物将有机物 氧化放出的电子直接交给底物本身未完全氧化的某一中间 产物，产生各种不同的代谢产物，同时放出能量。在发酵 工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用 代谢产物的一类生产方式。 在发酵条件下有机化合物氧化不彻底，发酵的结果仍积累 某些有机物，因此，发酵过程的氧化是与有机物的还原偶 联在一起的，主要通过底物水平磷酸化作用，其产能水平 低。在发酵过程中，有机物被氧化时生成的NAD(P)H不经 过呼吸链传递直接将电子和氢交给丙酮酸或其衍生物，使 NAD(P)H+H+重新氧化为NAD(P)+，就可以进入新一轮的糖酵 解过程。

CH3CHO
NADH++H+
CH3COOH



CH3CH2OH NAD+ CH3CHO 在此型发酵中，乙醛不能作为正常的氢受体，氢受体也由 磷酸二羟丙酮担任，生成甘油。发酵终产物为甘油、乙醇 和乙酸，总反应式是 2C6H12O6+H2O CH3COOH+CH3CH2OH+2CO2+2CH2OHCHOHCH2OH 这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下进行。 由于此型发酵中有乙酸产生，如果不注意发酵过程中的pH 控制，会因乙酸的积累而导致pH下降，使得甘油发酵重新 回到乙醇发酵。可添加碳酸钠以保持pH值，产生更多的甘 油。
C6H12O6+NaHSO3
CH2OHCHOHCH2OH + CH3CHOH+CO2
SO3Na


由上述反应式可以看出，利用亚硫酸盐发酵生产甘油时， 每分子葡萄糖只产生1分子甘油，不产生ATP，为了提供 维持菌体生长所需的能量，必须控制亚硫酸氢钠的加入量 （亚适量水平），以保证一部分的糖可以进行乙醇发酵， 否则酵母菌将因为得不到能量而停止生长。 （3）酵母菌的第三型发酵（甘油发酵） 在弱碱性条件下（pH7.6），酵母菌的乙醇发酵也会转向 甘油发酵，这就是酵母菌的第三型发酵。此时，乙醛因得 不到足够的氢而积累，2个乙醛分子间会发生歧化反应，1 分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另一个则作为还原剂 被氧化为乙酸，即
种类和配比，金属盐的选择，发酵温度，pH
及通风量的确定等。
两种方法
亚硫酸盐法:
将亚硫酸氢钠(NaHSO3)加入发酵液中，能与乙醛发 生加成反应，生成难溶的结晶状产物，使乙醛不能再 作为受氢体，迫使NADH+H+ 用于磷酸二羟丙酮的还 原，生成甘油 碱法甘油发酵: 酵 母 酒 精 发 酵 的 发 酵 液 pH 值 调 至 碱 性 ， 保 持 在 pH7.6以上，则2分子乙醛之间发生歧化反应，1分 子被还原成乙醇，1分子被氧化成乙酸。乙醛失去 了作为受氢体的作用，NADH+H+ 只好用于还原磷 酸二羟丙酮，并生成甘油
第一节
甘油发酵生产菌种
绝大多数为酵母菌。
1945年Nicherson等筛选出产酸结合酵
母，1958年Peterson发现柳氏结合酵母，
1960年报道木兰球拟酵母I2B2只产甘油而
无其他副产物，1960年Dawson研究了用耐 高渗透压酵母连续生产甘油的新工艺，受 到人们的高度重视。
第二节
甘油发酵工艺
厌氧甘油发酵缺点
菌体死亡率较高，碱性条件；无能量产生；
转化率较低，按照上述能量平衡计算，糖与
甘油的转化率不可能超过50%，加上酵母增殖需 要消耗一部分糖，发酵液中残留一部分糖，实 际转化率远低于50%，导致了厌氧发酵生产甘油 的成本较高。
好氧发酵
适当好氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸可以通过 TCA循环来增加其产能水平，一方面减少3—磷酸甘油 醛向乙醛方向进行，增加底物向产物转化的比例；另
磷酸二羟丙酮
α-磷酸甘油
甘油
二、碱法甘油发酵(酵母菌的Ⅲ型发酵)
三、发酵法甘油生产过程
1、原料
淀粉质、糖质和纤维质 。
2、工艺路线
（1）厌氧亚硫酸盐法
所用原料为淀粉质或糖蜜、亚硫酸钠及其 他营养盐。培养基灭菌后冷却降温接入酿酒酵 母，于30～32℃控温发酵2～3d，发酵液即可 进入提取阶段回收甘油。
一方面，增加了细胞能量水平，减少了细胞的死亡率， 有利于提高发酵的速率，缩短发酵周期。但是，这种 有限的好氧发酵，使得丙酮酸进行TCA循环的同时， 也增加了TCA循环过程中的许多中间性产物的产生， 这对于甘油的提取带来了不利的影响。
（2）耐高渗透压酵母好氧发酵法
（3）影响发酵的因素
随生产菌种和原料的变化，影响甘油产率 和菌种发酵速度的因素可归纳为：C、N源的


2细菌的乙醇发酵
不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。如 运动发酵单细胞和厌氧发酵单胞菌是利用ED途径分解葡 萄糖为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛又被还原生成 乙醇。由于发酵是经ED途径，所以每分子葡萄糖只能产 生1分子ATP，产能是酵母乙醇发酵的一半，产生的乙醇 仍是2分子。对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧 菌，如胃八叠球菌和兼性厌氧的肠杆菌则是利用EMP途径 进行乙醇发酵。
+
-磷酸甘油脱氢酶
磷酯酶
-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮+NADH+H+
-磷酸甘油+NAD+
-磷酸甘油+H2O
甘油+Pi
当有了乙醛作为受氢体，代谢途径的流向就不再朝甘油方向了。 将受氢体乙醛除去，则势必造成发酵液中甘油的积累。
一、亚硫酸盐法甘油发酵(酵母菌的Ⅱ型发酵)
2ATP 2CO2 NaHSO3 2ATP 3-磷酸甘油醛 丙酮酸乙醛 乙醛加 成物 Pi G 1，6-二磷酸果糖 2H EMP途径
甘油合成机制 酵母在一定条件下培养，可以利用糖分生成甘油 酵母的第二型发酵 加入亚硫酸氢钠，与乙醛 起加成作用 生成难溶的乙 醛亚硫酸氢钠加成物
发酵平衡

发酵时，发酵底物（如葡萄糖）能产生许多不同的末端产 物，这些末端产物有些是具有更高氧化态的，而有些是具 有更高还原态的，末端产物的平均氧化水平与底物的氧化 水平相平衡，这表明发酵过程是能够保持氧化-还原平衡 的。如从葡萄糖的乙醇发酵就可看出底物与产物的氧化还原平衡。对发酵过程的氧化-还原平衡要求限制了发酵 降解的有机化合物种类，即底物既不能有太高的氧化水平， 也不能有太高的还原水平，碳水化合物是主要的发酵底物。
发酵类型
发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体—— NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不 及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生 物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子） 受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是 产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇 发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁 二醇发酵及乙酸发酵等。


（2）酵母菌的第二型发酵（甘油发酵） 在进行乙醇发酵的酵母代谢时，若在培养基中加入亚硫酸 氢钠，则发酵就会从乙醇发酵转向甘油发酵。这是因为亚 硫酸氢钠可与乙醛发生加成反应生成难溶的磺化羟基乙醛， 即 CH3CHO+NaHSO3 CH3CHOH
SO3Na

致使乙醛不能作为NADH2的受氢体，所以不能形成乙醇， 而迫使用磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成α-磷酸 甘油。α-磷酸甘油进一步在α-磷酸甘油酯酶作用下水解脱 磷酸而生成甘油，这称为酵母的第二型发酵。总反应式为
甘油发酵
甘油发酵生产现状
应用领域：广泛用于化工、医药、化妆品、 食品加工和日常生活等诸多方面，约在2000多
种产品中含有甘油成分。
生产方法：天然油脂皂化和水解；丙烯氯 化法和丙烯氧化法 ；微生物发酵法
我国与国外差距
（1）残糖高，……
（2）规模化较少，…… 市场构成与西方发达国家差异 中国：涂料，49%；医药食品，10% 美国：涂料，10%；医药食品，＞ 54%
厌氧条件下，酵母大量的将葡萄糖转 变成乙醇，而产物中只有很少的甘油，在 酵母菌的其他厌氧发酵产品中（白酒、葡 萄酒、黄酒等），甘油的含量也很少。
酒精发酵（酵母的第Ⅰ型发酵） alcoholic fermation
甘油发酵（酵母的第Ⅱ型发酵）
利用糖酵解途径进行甘油发酵
酒精发酵之初：
即：
CNADH +H
乙醇发酵和甘油发酵
来自1酵母菌发酵 （1）酵母菌的第一型发酵（乙醇发酵） 酵母菌的乙醇发酵是一种研究最早、发酵机制最清楚的发 酵类型。在厌氧条件下，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降 解为2个丙酮酸，然后在乙醇发酵的关键酶-丙酮酸脱羧酶 的催化下，丙酮酸脱羧生成乙醛，接着在醇脱氢酶的作用 下，EMP途径中生成的NADH将乙醛还原为乙醇。每分子 葡萄糖发酵生成2个乙醇和2个CO2，并净得2个ATP，即 C6H12O6+2ADP+2Pi 2C2H5OH+2CO2+2ATP 这是酵母菌的正常乙醇发酵，又称酵母的第一型发酵。当 发酵条件改变时，酵母菌进行第二型和第三型发酵，产生 甘油。