第二章 发酵过程的生物学基础
第1节 发酵过程与微生物（自学）
自然界中存在着各种各样的微生物，它们具有不同的形态结构和生理特征，可以分成不同的类群。其中，细菌、放线菌、酵母和霉菌等已广泛应用于发酵工业，有的直接利用其菌体细胞，有的则利用其代谢产物或转化机能。了解微生物的种类、形态及生理特征的目的在于认识微生物的特性，掌握其生命活动规律，使其在工业生产中充分发挥作用。
微生物具有体积小、种类多、分布广、繁殖快、便于培养和容易发生变异等特点，并且在生产中不易受时间、季节、地区的限制，所以在工业生产上越来越广泛地被重视和应用。如前所述，发酵
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
是以微生物的生命活动为中心的，各种发酵生产都必须有相应的微生物。微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应产物的生成。
工业上用的全部微生物都称为工业微生物。此外还要和杂菌污染打交道，杂菌污染会严重影响甚至完全破坏我们所需的工业发酵过程。此外，有些微生物既是工业生产茵，又可能是杂菌。例如，醋酸菌在生产醋时是生产菌，但会引起酒类的败坏。工业生产上常用的微生物和经常遇到的杂菌主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进入发酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在逐步地变为工业生产菌。本章主要介绍与发酵工程有关的主要微生物类群。
一、细菌
细菌是自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属单细胞原核生物，具有较典型的核分裂或二分分裂繁殖。体形微小，通常在1000倍的光学显微镜成电子显微镜下才能看到。工业生产常用的细菌有以下几种：
1，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)
枯草芽孢杆菌为生孢孢的需氧菌。营养细胞杆状，大小一般为0.7~0.8×2~3μm。菌端半圆形。单个或呈短链。在细胞中央部位形成芽孢，芽孢为椭、圆形，大小约为0．6~0．7×1．0~1．5μm。芽孢萌发，沿赤道分裂，为中腰发芽。细胞侧生鞭毛，能运动。革兰氏染色阳性。生长温度为30~39℃，但在50、56。℃时尚能生长。最适pH为6.7~7.2。属需菌菌。芽孢耐高温，一般在100℃3h才能杀死。有的芽孢抗高温能力更强，在100℃煮沸8h尚能发育生长，故需高温灭菌才行。它能在铵盐液体中发酵各种糖类生成酸。
由于芽孢能耐高温，所以分布较广，常存于枯草和土壤中。一般来说为腐败茵，如在酱油、酱类和白酒制曲时，如果水分含量大，温度较高，就容易造成枯草杆菌迅速繁殖。这不但消耗原料蛋白质和淀粉，而且生成刺眼鼻的氨味，造成曲子发钻和异臭，使制曲失败。经科研获得的枯草杆菌能产生大量的淀粉酶和蛋白曲，这些已分离到的优良菌种在工业生产上得到了广泛应用。例如，ASl．393枯草芽泡杆菌用于生产中性蛋白酶却发酵生产酱油、食醋。及饴糖时就可采用BF7658枯草芽孢杆菌生产的α—淀粉酶。
2，大肠杆菌(Escherihia coli)
细胞杆状，长度为0.5×1.0~3.0μm，有的近似球状，有的则为长杆状。革兰氏染色阴性。能运动或不运动，运动者周生鞭毛。许多小种产生荚膜或微荚膜，无芽抱。
大肠杆菌发酵葡萄糖和乳糖，产酸、产气。大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶在工业上被用来进行谷氨酸定量分析。还可以利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸等。在医药方面和基因工程方面，大肠杆菌是很好的研究材料。
3，乳酸杆菌(Lactobacillus)
细胞杆状到球状。常生长成链，大多不运动，能运动者为周生鞭毛。革兰氏染色阳性。无芽孢。正常菌落粗糙。发酵碳水化合物，产物的85％以上为乳酸。厌氧或兼性厌氧。生长温度为45、50℃。
常用的德氏乳酸杆菌为杆状，大小为0.5~0.8×2、9μ m。在麦芽汁糖化液内，繁殖特别旺盛。菌体肥壮，产酸力特别强。在固体培养基上，菌落微小。在肉汁培养基内略带浑浊。
由于乳酸菌能产生乳酸，所以可用于食品的保存和调整食品的风味。在食品工业上如干酪的成熟、乳脂的酸化和腌莱、泡菜等制作无不与乳酸菌有关。在酱油酿造过程中，它也起到了良好的作用。
4，丙酮丁醇梭菌(Clos. acetobutyleum)
细胞呈杆状，圆端，0.6~0.7×2.6~4.7μm，芽孢囊1.3~1.6×4.7~5.5μm。单生或成对，但不成链。芽孢卵圆，中生或次端生，使芽孢囊膨大成梭状或鼓槌状。无荚膜。以周毛运动。有淀粉粒。革兰氏染色阳性，可能变为阴性。专性厌氧茵。在葡萄糖琼脂上形成圆形紧密隆起的菌落，乳脂色，不透明，液化明胶。能发酵多种糖类，包括淀粉、糊精等。
生产上多用来生产丙酮丁醇。发酵适温30~32℃，生长适温37℃，最适pH6.0~7.0。
5，肠膜状串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)
细胞呈球状或双凸镜状，大小0.5~0.7×0.7~1.2μm，成对或链，常排列成短链。革兰氏染色阳性，菌落小，灰白，隆起，不液化明胶。能同化多种糖产酸、产气。微需氧至兼性厌氧。生长需缬氨酸和谷氨酸。此菌在蔗糖液中形成特征性葡聚糖粘液。促使形成这一特征的温度是20~25℃。在厌氧条件下能分解葡萄糖。
此菌生长温度在10~37℃之间，适温为20~30℃。因其常使糖汁变粘而无法加工，故为糖厂之害菌。但它却是葡聚据的生产茵。
6，醋酸杆菌(Acetobacter)
细胞从椭圆形到杆状，0.6~0.8×1.0~3.0μm。有单个的、成对的；也有成链的。在老培养物中易呈多种畸形菌体，如丝状、梯状、弯曲等。鞭毛有两种类型，一种是周生鞭毛，另一种是端生鞭毛。不形成芽抱。
醋酸菌是化能异养菌，革兰氏染色阴性。因为没有芽孢，故对热抵抗力较弱。根据醋酸菌发育时对温度的要求和特性。可将醋酸菌分为两类：一般发育适温在30℃以上，以氧化酒精成醋酸为主的称为醋酸杆菌；另一类发育适温在30℃以下，氧化葡萄糖为葡萄糖酸的称为葡萄糖氧化杆菌（Gluconobacter）。在醋酸杆菌中常用的有AS l.41，外形为短杆状，两端钝圆，革兰氏染色阴性。对培养基要求粗放，在米曲汁培养基中生长良好。好气性。氧化酒酒精为醋酸，于空气中使酒精变浑浊。表面有薄膜，有醋酸味。也能氧化醋酸为CO2和H2O。繁殖适宜温度为3l℃，发酵温度一般为36~37℃。
7，棒状杆菌(Corynebacterium)
细胞呈杆状，直形或微弯。常呈一端膨大的棒状，折断分裂，。成“八”字形排列或栅状排列。不运动，仅少数致病菌能运动。无芽孢。革兰氏染色阳性，也有些阴性反应者。菌体内着色不均匀，好氧或厌氧。
调味品生产中，如谷氨酸生产常用的菌种有北京棒状杆菌(Corynebacterium pekinense)。其细胞通常为短杆状至小棒状，有时微呈弯曲，两端钝圆，不分枝。呈多形态，即培养6h后细胞有延长现象。细胞排列为单个、成对或“八“个字形。细胞大小为0.7~0.9×1.0、2．5μm。在26、37℃培养时生长良好，41℃时生长较弱。pH5~10均能生长，最适pH为6~7.5。生物素是必需的生长因素，硫胺素或某些氨基酸有促进生长的作用。能利用葡萄糖、果糖、甘露糖、麦芽糖等产酸，但均不产气。通气培养在含葡萄糖和尿素或铵盐的适宜培养基中，能大量积累L-谷氨酸。
8，短杆菌(Brivibacterium)
细胞为短而不分枝的直杆状，一般在0.5~1.0×1.0、5 μm左右；，大多数不具鞭毛。在肉汁蛋白胨培养基上生长良好。有时产生非水溶性色素，呈红、橙红、黄、褐色。革兰氏染色阳性。不形成芽孢。为好氧微生物。多数从葡萄糖发酵产酸，不发酵乳糖。大多数液化明胶，还原石蕊。
此属菌有谷氨酸发酵能力，在利用糖质原料的谷氨酸发酵中，需要生物素作为生长因子，才能满足谷氨酸发酵。短杆菌属中的黄色短杆菌(Brivibacterium flavum)和硫殖短秆菌(Brivibacterium thiogenitalis)能用于谷氨酸发酵生产。
9，黄单胞菌(Xanthomonas)
细胞直杆状；两端钝圆稍尖；大小为0.4~0.7×1.2~1.5μm。革兰氏染色阴性，无芽孢，极生鞭毛。在含蔗糖的琼脂平板上可形成圆形、边缘整齐、粘稠光滑的黄色菌落，液体培养形成黄色粘稠的胶状物一荚膜多糖，其黄色为一种非水溶性色素。
野油菜黄单胞菌在通气条件下，于pH6.8~7.0、28~30℃时，能以淀粉作碳源发酵生产黄原胶。
二、放线菌
放线菌因其菌落呈放射状而得名。它是一个原核生物类群，在自然界中分布很广，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中较多。大多腐生，少数寄生。它的最大经济价值在于能产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素，有60％以上是放线菌产生的，因此人们在抗生素发酵土业中，非常重视对放线茵的研究与运用。常用的放线茵有以下见种：
1，链霉菌属(Streptomyces)
锭霉菌的基内和气生菌丝多分枝，无分隔，直径0.5~2μm。气生菌丝产生许多孢子串生的孢子链，孢子链长短不等。此属中不少菌种产生抗生素，这些抗生素约占各种微生物(包括放线菌)所产抗生素的50％以上。
(1)灰色链霉菌(Streptomyces griseus) 在葡萄糖—硝酸盐培养基上生长时，菌落平而薄，初为白色，逐渐变为橄榄色。气生菌丝浓密，粉状，呈水绿色。发育适温37℃生产链霉素温度为26．5~27．5℃。
(2)龟裂链霉菌（Streptomyces rimosus） 于1950年就发现此茵能产生氧四环素(也称土霉索)。菌丝白色，呈树枝状；孢子为灰白色，呈拄形；菌落为灰白色，其表面后期有皱褶，呈龟裂状。
(3)金霉素链霉菌(Streptomyces aureofaciens) 在PDA培养基上生长时，其基内菌丝能产生金黄色色素，但其气生菌丝无色，孢子初为白色，经5~7天培养后，则由棕灰色转变为灰黑色。因该菌所产生的抗生素为金霉素(氯四环素)，故称金霉素链霉菌。如其培养基中的NaCl以NaBr代替时，则此链霉菌又可产生四环素。
(4)红霉素链霉菌(Streptomyces erythreus) 此菌生长扩展，有不同规则的边缘，菌丝深入培养基内，初为白色，后变为微黄色，菌落周围白色乳状，气生菌丝细，有分技。最适温度25℃，产生红霉素。
2，小单孢菌属（Micromonospora）
小单孢菌与一般放线菌有不同之处。菌丝体纤细，0.3~0.6μm。有分枝和分隔，不断裂。茵丝体长入培养基内，不形成气生茵丝，而在基内菌丝体上长出孢子梗，其顶端生一个球形、椭圆形或长圆形的孢子。大小约为1.0~1.5×0.9~1.2μm。菌落致密，与培养基紧密结合在一起，表面凸起，多皱或光滑、疣状，平坦者较少。菌落常为黄橙色、红色、深褐色、黑色和蓝色。
这是产生抗生素较多的一个属。如绛红小单孢菌(Micromonospora purpurea)和棘孢小单孢菌(Micromonospora echinospora)都能产生庆大霉素。
3，游动放线菌属(Actinoplanes)
一般不形成气生菌丝，基内菌丝分枝，直或卷曲，多数不分隔，直径0.2~2.0μm，孢囊在基内菌丝体上形成，大小为5~22μ m，着生在孢囊梗上或菌丝上，孢囊梗直或有分技，在每技顶上有一至数十个孢囊。孢囊孢子在孢囊内盘卷或呈直行排列，成熟后分散为不规则排列。孢子呈球形(1~1.5μm)，有时端生1~40根鞭毛，能运动。孢囊成熟后，孢囊孢子释放出来。有的菌种能形成分生抱子。
4，诺卡氏菌属(Norcardia)
基丝较链霉菌纤细，0.2~0.6μm，有横隔，一般无气丝。基丝培养十几个小时形成横隔，并断裂成杆状或球状抱子。菌落较小，其边缘多呈树根毛状。主要分布于土壤中。有些种能产生抗生素(如利福霉素、蚁霉素等)，也可用于石油脱蜡及污水净化中脱氰等。
5，孢囊链霉菌属(Streptosporangium)
抱囊孢子无鞭毛，气丝的孢子丝盘卷成球形孢囊。其孢囊有两层壁，外壁较厚，内壁系薄膜，孢囊内形成孢囊孢子。这类菌亦可产生不少抗生素，如可抑制细菌、病毒和肿瘤的多霉素等。
我国生产的创新霉素由济南游动放线菌新菌(Actinoplanes tsinanensi sn. sp)产生。米苏里游动放线菌(Actinoplanes missouriensis)能以木糖为诱导物，大量生产葡萄糖异构酶。
近年来不仅从放线菌中发现一些医药上使用的抗生素新品种，而且还进一步将放线菌所产生的抗生素开发应用到农牧业和食品工业上。如灰色链霉菌所产生的杀稻菌素S，用于稻瘟病的防治；可可链霉菌所产生的多辣霉素，对水稻纹枯病、稻瘟病、小皮白粉病以及果木真菌均有良效．
三、酵母菌
酵母菌是单细胞真核微生物，在自然界中普遍存在，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境中，如水果、蔬菜、花蜜和植物叶子上，以及果园土壤中。石油酵母较多地分布在油田周图的土壤中。酵母菌大多为腐生。生长最适温度为25~30℃。工业上常用的酵母菌有以下几种：
1，啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)
啤酒酵母是酵母属中应用较广泛的一个种。
在麦芽汁培养基上生长的啤酒酵母，其细胞为圆形、卵圆形或椭圆形。细胞单生、双生或成短串或成团。酵母细胞大型的约5~10×6~12μm，小型的约3~9×4.5~10μm。
细胞的长宽比例为1~2左右。
根据啤酒酵母细胞长与宽的比例，可把它们分为三组：第一组酵母的细胞多为圆形、卵圆形，长宽比例为1~2。这个组的酵母主要供生产啤酒、白酒和酒精以及面包用。第二组酵母的细胞大多是卵形或长卵形，长宽比例为2。包括啤酒酵母的一些变种，如葡萄酒酵母等菌种，一般多为供生产葡萄酒、果酒用。第三组酵母的细胞为长圆形，长宽比例大于2。这组的酵母耐高渗透压，供发酵甘蔗糖蜜生产酒精用。
在麦芽汁琼脂培养基上，菌落为白色，有光泽、乎坦、边缘整齐。在液体培养基中的生长行为有两类，工业上把发酵度较高，不易凝集沉淀，浮于上面的酵母称为上面酵母；把易于凝集沉淀，发酵度较低的酵母称为下面酵母。
啤酒酵母的无性繁殖为芽殖，有性繁殖能形成子囊孢子。一般每个子囊内含有1、4个圆形、卵圆形的表面光滑的子囊孢子。
啤酒酵母能发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖及半乳糖，不能发酵乳糖及蜜二糖。对棉子糖只能发酵1／3左右。在氮源中能利用硫酸铵，不能利用硝酸钾。
啤酒酵母的应用范围十分广泛，常用于传统的发酵行业，如啤酒、白酒、果酒、酒精、药用酵母片以及制造面包等，所以又称为酿酒酵母。近几年来，还利用啤酒酵母提取核酸、麦角固醇、细胞色素C、凝血质和辅酶A等。由于酵母菌体内的维生素、蛋白质含量较高，食用安全，所以啤酒酵母作为一种单细胞蛋白(SCP)可作食用、药用和饲料用酵母。它的转化酶可用于转化蔗糖，制造酒心巧克力。在维生素的微生物法测定中，啤酒酵母常被用于测定生物素、泛酸、硫胺素、肌醇等的含量。
2，葡萄汁酵母（Saccharomyces uvarum）
在麦芽汁中25℃培养3天，细胞图形、卵形、椭圆形或腊肠形。在麦芽汁琼脂培养基上菌落为乳白色，平滑、有光泽、边缘整齐。
能产生子囊抱子，每个子囊内有孢子1、4个。孢子呈圆形或椭圆形，表面光滑。此菌发酵能力甚强，在液体培养中常出现混浊现象。
葡萄汁酵母与酿酒酵母相似。主要的区别在于它能发酵棉子糖和蜜二糖。葡萄汁酵母也能发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖和半乳糖。不能发酵乳糖。能利用硫酸铵，不能利用硝酸钾。葡萄汁酵母常用于啤酒酿造的底层发酵，也可食用、药用或作饲料。
3，汉逊酵母(Hansenula)
此属酵母营养细胞的形态多样，为圆形、椭圆形、卵圆形、腊肠形不等。多边芽殖。有的种类能形成假菌丝。
子囊形状与营养细胞相同。子囊孢子1、4个，形状为帽形、土星形、圆形、半圆形，表面光滑。
异常汉逊酵母异常变种是汉逊酵母属中一个常见的种。细胞圆形，直径4~7μm。也有腊肠形的，为2.5~6×4.5~20μm。腊肠形中也有长达30μm者。多边芽殖，能由细胞直接形成子囊，每个子囊内有1、4个子囊抱子，但大多数为2个。子囊孢子礼帽形，由子囊内放出后常不散开。该变种生长在麦芽汁琼脂斜面上的菌落平坦，呈乳白色、无光泽，边缘丝状。在麦芽汁中培养后，波面有白色菌璞，培养液变成混浊，底部有菌体沉淀。不能发酵乳糖及蜜二糖。对麦芽糖及半乳糖或弱发酵或不发酸。能同化硝酸盐，氧化烃类能力亦强，能利用煤油作碳源。
此属酵母多能产生乙酸乙酯，从而增加产品香味，可用于酿酒和食品工业。但由于它们能利用酒精作碳源，又能在饮料表面产生干皱的菌璞，所以又是酒精生产的有害菌。
4，球拟酵母(Toruiopsis)
球拟酵母的细胞为球形、卵形成略长。多边出芽繁殖。
在麦芽汁斜面上菌落为乳白色，表面皱褶，无光泽，边缘整齐或不整齐。在液体培养基中有沉渣及酵母环出现，有时亦能产生菌璞。
此属酵母有一定的经济意义，有些种能产生不同比例的甘油、赤鲜醇、D—阿拉伯糖醇，有时还有甘露醇。在适宜条件下，能将40％葡萄糖转化成多元醇。还有的能产生有机酸、油脂等。有的能利用烃类生产蛋白质。 ，
此属菌酒精发酵能力较弱，能产生乙酸乙酯(因菌种而异)，增加白酒和酱油的风味。
5，假丝酵母(Candida)
细胞圆形、卵形或长形。多边出芽繁殖。能形成假菌丝。在麦芽汁琼脂培养基上菌落为乳白色，平滑，有光泽，边缘整齐或菌丝状。液体培养的能形成浮膜。
能发酵葡萄糖、蔗糖、棉子糖。不能发酵麦芽糖、半乳糖、乳糖、蜜二糖。不分解脂肪。能同化硝酸盐。
假丝酵母的蛋白质和维生素B含量都比啤酒酵母高。它能以尿素和硝酸盐作氮源，在培养基中不加其它因子即可生长。它能利用造纸工业中的亚硫酸废液，也能利用糖蜜、马铃薯淀粉和木材水解液等。因此能利用假丝酵母来处理工业和农副产品加工业的废弃物，生产可食用的蛋白质，在综合利用中很有价值。此属中有的菌能转化50％的糖成为甘油。
假丝酵母也是脂肪酶的生产菌种，在工业上可用于绢纺原料的脱脂。
6，毕赤氏酵母(Pichia)
细胞为椭圆形、长椭圆形或腊肠形，单个或成短链。异形接合形成子囊孢子。予囊孢子椭圆形。在麦芽汁琼脂上菌落为乳白色，无光泽，边缘有细缺口。在麦芽汁中培养，培养液表面有白而皱的粗糙的菌璞，底内有菌体沉淀。
此菌分解糖的能力弱，不产生酒精。能氧化酒精，能耐高或较高浓度酒精。常使酒类和酱油产生白花，形成浮膜，为酿造工业中的有害菌，如粉状毕赤氏酵母。
7，红酵母(Rhodotorula)
细胞圆形、卵形或长形。多边芽殖，有明显的红色或黄色色素。很多种因由荚膜而形成粘质状菌落。本属中有较好产脂肪的菌种，可由菌体提取大量脂肪。有的种对烃类有弱氧化作用，并能合成β—胡萝卜索。如粘红酵母粘红变种能氧化烷烃生产脂肪，含量可达干生物量的50~60％。在一定条件下还能产生α—丙氨酸和谷氨酸，产蛋氨酸的能力也狠强，可达干生物量的1％。
8，棉病针孢酵母（Nematspora gossypii）
又名棉病囊霉。在麦芽汁和马铃留培养基上26℃培养良好。开始时湿润的匍匐菌丝蔓延生长；菌落无色或灰白色，2—3天后渐趋淡黄色，5天后呈柠橙黄色，7~10天后菌落周围的培养基因核黄素的扩散而呈黄绿色。生物素是促进该菌生长的重要因素，甘氨酸对核黄素的产生有促进作用。曾有人报道，用猪油或玉米油可以代替所有碳源培养该菌。且生长良好；
棉病囊霉能危害许多重要的经济作物，如棉花、柑桔、蕃茄等。最早是从染病的棉桃上分离而来。该菌具有大量合成核黄素的能力，产量可达4187μg／m1，因此它是核黄素生产的重要菌种。
9，白地霉(Geotrichum candidum)
白地霉是地霉属中常见的一个种。裂殖。节孢子单个或连接成链，长筒形、方形，也有椭圆形，末端钝圆。节孢子绝大多数为4.9~9.6×5.4~16.6μm。
在麦芽汁中，28~30℃培养一天，生白色璞。毛绒状或粉状，韧或易碎，为真菌丝。生长温度33~37℃。对葡萄糖、甘露糖、果糖等发酵较弱。能同化甘油、乙醇；山梨醇、甘露醇。能分解果胶、油脂等。不同化硝酸盐。菌体细胞含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素和大量的核酸。它具有适应性强、生长快、产量大、培养方法简单等特点。
白地霉菌体的蛋白质营养价值很高，可供食用和饲料用，也可用来提取核酸，在废料废水的综合利用上很有价值。在制曲中，白地霉的污染会降低糠化力，直接影响出酒率，所以它是白酒生产中的有害菌。
四、霉菌
凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌统称为霉菌。霉菌在自然界分布很广，大量存在于土壤、空气、水和生物体内外等处。霉菌喜偏酸性环境。大多数为好氧性微生物。多腐生，少数寄生。工业上常用的霉菌有藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉；子囊菌纲的红曲霉；半知茵类的曲霉、青霉等。
1，根霉(Rhizopus)
根霉在自然界分布很广，是一种常见的霉菌。它对环境的适应性很强，生长极迅速。幼龄菌落为白色，棉絮状。中期为灰黑色。老熟后菌丝丛中密布黑色小点，即孢子囊。菌丝无
横隔，为单细胞真菌。
在培养基上生长时，由营养菌丝体产生弧形生长的匍匐菌丝，向四周蔓延。匍匐菌丝接触培养基处，分化成一丛假根。从假根着生处向上生出直立的孢子囊柄，其顶端膨大形成圆形的囊，称为孢子襄。裹内生有许多孢子。成熟后的孢子囊壁破裂，释放出孢子。
根霉在生命活动中分泌的淀粉酶，能将淀粉转化为糖。因此，根霉可作为常用的糖化菌种。我国民间酿制甜酒用的小曲主要含有根霉。由于根霉能分泌丰富的淀粉酶，而且又含有酒化酶，所以在生产中可边糖化边发酵。又因为根酶生长要求的温度较高，因而适于在高温季节使用。
根霉的应用十分广泛。目前常用的菌种有米根霉、华根霉、河内根霉和甘薯根霉。
(1)米根霉(Rhizopus oryzae) 米根霉的最适温度37℃，41℃时还能生长。米根霉的淀粉酶活力极强，多作糖化菌使用。也具有酒精发酵能力及蛋白质分解能力。大量存在于酒药与酒曲中。此菌由于耐高温，特别为在夏季生产豆腐乳提供了方便条件，解决了豆腐乳旧法生产只能在冬季进行的困难。
(2)华根霉(Rhizopus chinentis) 华根霉的最适温度为30℃。当发酵温度达45℃时，一般还能生长。此种菌淀粉液化力强，有溶胶性。能产生酒精、芳香脂类等物质。在酒药与酒曲中大量存在。它是酿酒所必需的主要霉菌，也是酸性蛋白酶和豆腐乳生产中的主要菌种。
2，毛霉(Mucor)
毛霉分布亦较广，在基质表面生成灰色、白色或黄褐色的棉絮状菌落。菌丝不分枝，不具横隔膜，为多核单细胞真菌。菌丝发育成熟时，顶端产生圆形、柱形或犁头形囊轴，围绕囊轴形成圆形孢子囊。孢子囊梗有不分枝、总状分枝和假轴状分枝三种类型。
毛霉多见于阴湿低温处，是制曲时常见的杂菌和可利用的菌，其中常见的有鲁氏毛霉(Mucor rouxianus)，它最初是在我国小曲中分离出来的。此菌能产生蛋白酶和淀粉酶，有分解大豆蛋白的能力，可用来制作豆腐乳，也用于酒精的生产；总状毛霉(Mucor racemosus)，我国著名的四川豆鼓即用此菌制成；高大毛霉(Mucor mucedo)，此菌分布较广，在牲畜粪便上或白酒厂阴湿的堆积发酵物上常可见到。它能产生脂肪酸、琥珀酸，对甾族化合物也有转化作用。
3，犁头霉(Absidia)
犁头霉的菌丝和根霉很相似，但犁头霉产生弓形的匍匐菌丝，并在弓形的匍匐菌丝上长出孢子梗，不与假根对生。孢子梗往往2~5支，成簇，很少单生，而且常呈轮状或不规则的分枝。孢子囊顶生，多呈梨形。囊轴呈锥形、近球形等。孢子小而呈单孢。大多无色，无线状条纹。接合—孢子生于匍匐菌丝上。
犁头霉分布在土壤、粪便和酒曲中，空气中也有它们的存在。常为生产的污染菌，其中有的是人畜的病原菌。
犁头霉对甾族化合物有较强的转化能力，如蓝色犁头霉(Absidia coerulea)能转化多种甾体。
4，曲霉(Aspergillus)
曲霉菌丝有横隔，菌丝体由多细胞菌丝所组成。营养菌丝匍匐生长于培养基表层。匍匐菌丝可以分化出厚壁的足细胞。在足细胞上生出直立的分生孢子梗，顶端膨大成顶囊，顶囊一般呈梯形、椭圆形、半球形或球形。在顶囊表面，以辐射状生出一层或两层小梗，称为初生小梗和次生小梗。在小梗上着生有一串串分生袍子。分生袍子具有各种形状、颜色和纹饰。
曲霉在发酵工业、医药工业、食品工业和粮食贮存等方面有着极重要的作用。几千年来我国民间就用曲霉酿酒、制酱、制醋等，应用十分广泛。
（1）米曲霉(Aspergillus oryzae) 米曲霉有较强的蛋白质分解能力；同时又具有糖化能力，所以很早就利用米曲霉来生产酱油和酱类。米曲霉在酿酒生产中被作为糖化菌。此外，它还是重要的蛋白酶和淀粉酶的生产菌。
（2）黄曲霉(Aspergillus flavus) 培养温度37℃。黄曲霉产生液化型淀粉酶，并较黑曲霉强。蛋白质分解能力次于米曲霉。黄曲霉能分解DNA，产生5’-脱氧胞苷酸、5’-脱氧腺苷酸、5’—脱氧鸟苷酸和5’—脱氧胸腺嘧啶核苷酸。
黄曲霉中有些菌能产生黄曲霉毒素，引起家畜家禽中毒，以至死亡。这种黄曲霉毒素也是致癌物质。我国有关部门对使用过的黄曲霉进行过产毒试验。为了防止污染食品，保障人民身体健康，现已停止使用会产生黄曲霉毒素的菌种，改用不产毒素的菌种。
黄曲霉与米曲霉极为相似，容易混淆。因而除了观察菌落个体特征外，还要结合生理特性加以区别。米曲霉在含0.05％茴香醛的察氏培养基上，分生孢子呈现红色，而黄曲霉则无此反应。
(3)黑曲霉（Aspergillus niger） 黑曲霉具有多种活性强大的酶系，如淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶和葡萄糖氧化酶等。还能产生多种有机酸，如抗坏血酸、柠檬酸、葡萄糖酸和没食子酸等，所以在工业上被广泛应用，是生产柠檬酸和葡萄糖酸的重要菌种。黑曲霉群中还包括有乌沙米曲霉(又名字佐美曲霉)、邬氏曲霉、适于甘薯原料的甘薯曲霉，以及由乌沙米曲霉变异而来的白曲霉。一些白曲霉中较优良的菌种不仅能分泌较丰富的淀粉酶、果胶酶和纤维素酶，而且酶系较纯，酶活力较强，同时又较耐粗放培养。因此，为目前北方酒精厂及白酒厂所广泛采用。
(4)栖土曲霉(Aspergillus terricola) 培养温度为32~34℃，含有较丰富的蛋白酶，为蛋白酶生产菌种。AS3．942为中性蛋白酶生产菌。
5，青霉(Penicillium)
青霉的菌丝与曲霉相似，有分隔，但无足细胞。其分生孢子梗的顶端不膨大，无顶囊。分生孢子梗经过多次分枝，产生几轮对称或不对称的小梗，形如扫帚。小梗顶端产生成串的分生孢子。分生孢子一般为蓝绿色或灰绿色。
青霉的孢子耐热性较强，菌体繁殖温度较低，是制曲时常见的杂菌，对制曲危害较大。它使酒味发苦，同时对曲房等建筑物也有腐蚀作用，是酿酒上的有害菌。但有些青霉菌，不仅是生产青霉素的重要菌种，还被用来生产有机酸、维生素和酶制剂等。
(1)产黄青霉(Penicillium chrysogenum) 产黄青霉能产生多种酶类及有机酸。在工业生产上主要用其变种来生产青霉素，也能用来生产葡萄糖氧化酶、葡萄糖酸、柠檬酸和抗坏血酸等。
(2)桔青霉(Penicillium citrinum) 桔青霉可产脂肪酶、葡萄糖氧化酶和凝乳酶，有的菌系能产生5’—磷酸二酯酶，可用来分解核酸，生产5’—核苷酸。此菌分布普遍，在霉腐材料和贮存粮食上常发现生长。会引起病变，并具有毒性。
此外还有娄地青霉，具有分解油脂和蛋白质的能力，可用于制造干酪。其菌丝含有多种氨基酸。其孢子能将甘油三酸氧化为甲基酮。展开青霉主要用于生产灰黄霉素。
6，木霉(Trichoderma)
木霉的菌丝生长初期为白色。菌丝在培养基上生长成平坦菌落。菌落生长迅速，棉絮状或致密层束状，表面有不同程度的绿色。菌丝透明，有隔，分枝繁杂。分生孢子梗为菌丝的短侧枝，上有对生或互生分枝。在分枝上又可连续分技。分枝末端为小梗，小梗上可生出瓶状、束状、对生、互生或单生等不同的分生孢子。依靠粘液，分生孢子在小梗上聚成球形或近球形的孢子头。分生孢子有球形、椭圆形、倒卵形等。壁光滑或粗糙，透明或亮绿色。
木霉在土壤中分布很广，在木材及其它物品上亦常能找到。有些菌株能分解纤维素和木质素等复杂的有机物。若能利用这一特性，以纤维素来代替淀粉原料进行发酵生产，这对国民经济将有十分重要的意义。但木霉也常造成蔬菜、谷物和大型真菌等的霉变，使木材、皮革及其它纤维性材料霉烂，给生产和生活造成一定危害。
7，紫红曲霉(Monascus purpureus)
紫红曲霉是红曲霉属的一种。个体形态为菌丝具有不规则的分枝。细胞内多核，含有橙红色的颗粒。直径3~7μm。菌丝和分枝顶端产生分生孢子，单生或成短链。分生孢子子呈球形或犁形。有性生殖时，在长短不一的梗上产生单一的原闭囊壳(子囊果)。渐渐成熟后，成为橙红色的闭囊壳，直径约为25~75μm，闭囊壳内含有十多个球形子囊。每个子囊内。又有8个光滑的卵圆形、无色或淡红色的子囊孢子，大小一般是5~6.5×3.5~5μm。紫红曲霉在麦芽汁琼脂培养基上生长良好。菌丝体最初为白色，逐渐蔓延成膜状。老熟后菌落表面有皱拆和气生菌丝，呈紫红色。茵落背面也有同样的颜色。
紫红曲霉喜酸性环境，生长最适pH3.5~5，但即使在pH 2.5时也能生存。生长最适温度为32~35℃，有时达40℃也能生长。对于酒精有极强的抵抗力。
紫红曲霉在我国民间早有利用，主要用作食品及饮料的着色剂，用红曲配制红酒、玫瑰醋、红腐乳，以及其它食品。此外用它制成的红曲又可以作中药，有消食活血、健脾胃的功、能。近年来，紫红曲霉还被用来生产糖化酶等酶制剂。
8，产黄头孢霉(Cephalosporium chrysogen)
菌丝分枝，有隔，纤细，宽l~1.2μm，浅黄色；分生抱子梗短，不分枝，无隔，微黄色；很少产生孢子。在籼米饭培养基上培养半月，可产生大量的不正常的孢子，形态多样，单细胞或有一隔，直或弯曲，5~12×2~4.2μm。孢子梗常丛集成类菌核状成类分生抱梗座结构。这种孢子壁较厚，可达0.5μm，可像分生孢子一样萌发繁殖。本种产头孢菌素N及头孢菌素C，与青霉素一样同属β-内酰胺抗生素，毒性极低，其衍生物称为先锋霉素。
第2节 微生物的营养与培养基的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
（自学）
第3节 微生物的生长模式及其动力学（自学）
一、微生物的生长模式
生长和紧殖的含义是什么？概括地说：生长是细胞体积，内含物和细胞数目的增加，而繁殖则是产生新一代的过程。可见生长和繁殖是两个不同的概念。当然二者又是不可分割的，生长是繁殖的前提，而繁殖是生长的结果。对于单细胞微生物来说，生长和繁殖往往是难以区分的。在单细胞微生物中，细胞内的原生质和各种细胞结构协调增加，这便是生长过程。当增长到一定程度时，母细胞开始分裂，形成两个基本相同的子细胞，由于细胞分裂导致菌体数目的增加，这就是繁殖。因此，细菌的生长过程也可以说是它的繁殖过程。然而在多细胞微生物中(如菌丝体)，如果细胞数目增加的同时并不伴有个体数目的增加，那么此过程只能称为生长。只有形成有性或无性抱子的过程才能称为繁殖。
生长又有个体生长和群体生长之分。一般认为，微生物通过新陈代谢将外界营养物质转化为自身细胞物质，个体长大，质量增加，并进行必需的细胞结构的复制和细胞分裂，这个过程称为个体生长。单细胞微生物通过细胞分裂使群体数目或质量增加的过程称为群体生长(也是繁殖)。对于多细胞微生物来说，菌丝体的延长、分裂产生同类细胞的过程称为个体生长。无性或有性孢子萌发并通过菌丝断裂而使群体数目和质量的增加过程称为群体生长。
1，单细胞微生物的生长
原核微生物的个体，就是一个细胞，因此它们的生长应该是指个体细胞的生长但由于原核微生物生长繁殖速度很快，生长和繁殖又不易分开，因此实际上常以群体的生长作为单细胞微生物生长的指标。
（1）细菌个体的生长
细胞生长的外观标志是细胞由小长大，内部标志是细胞物质的增加和细胞结构及细胞器的组建。关于细胞大小的变化容易理解，因为它是细胞物质增加的必然结果，因此细胞生长的中心问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
，是组成细胞的各种大分子化合物是如何合成的?又是如何组建成多种细胞结构和细胞器的？近年来关于大分子化合物的生物合成已有了比较深入的了解。
（2）细菌的生长曲线
研究细菌群体生长的传统方法是分批培养法。这种方法是将少量微生物接种到一定体积的液体培养基中，让其自然生长直到养分耗尽并随时测定细菌数目。以细菌数目的对数对培养时间作图，可绘制出细菌数目与培养时间之间的关系曲线。这曲线称之为细菌的生长曲线(图9—13)。它代表细菌从开始生长到死亡的整个动态过程。
每种细菌都有各自的典型生长曲线．但它们的生长过程却有着共同的规律性。一般可以将细菌的生长曲线划分为以下几个时期。
延滞期：细菌数目保持不变或略有下降，倍增速率为零（0-a）。
加速生长期：细菌开始增殖，倍增速率(世代时间的倒数即单位时间内的分裂次数)随时间不断增大(a—b)。
对数生长期：倍增速率达到最大值且保持恒定，它说明平均世代时间不变，细菌数目以几何级数增长(b—c)。
减速生长期：倍增速率随时间而减小，平均世代时间延长(c-d)。
稳定期：生长速率与死亡速率相等，倍增速率为零，活菌数目保持恒定(d-e)。
加速死亡期：死亡速率超过生长速率，并越来越大，活菌数目迅速减少(e-f)。
对数死亡期：死亡速率达到最大值并保持恒定(f-g)。
残留期：死亡速率降低，从理论上讲，只要培养基不干涸，少数细菌仍可存活极长时间(g以后)。
单细胞微生物的一般生长曲线
A：以算数级数表示，B：以对数表示，C：表示活细胞增殖比速率对时间变化的曲线
2，丝状真菌和放线菌的生长
这里以丝状真菌为代表，讨论多细胞微生物生长的规律。丝状真菌的生长，首先是孢子萌发，产生一个短的芽管。然后以此为中心，向各个方向均等的长出菌丝。菌丝体的生长是以顶端生长方式进行的。在菌丝体的生长过程中产生繁茂的分枝，而构成真菌的菌蒋。所以分枝现象也是真菌生长过程中不可缺少的环节。
液体培养中的菌丝生长曲线
在液体振荡培养(或深层通气培养)中，以菌丝干重作为衡量生长的指标，可获得如下图所示的生长曲线。在静止培养中也可获得类似的生长曲线。
在通气培养条件下，茄病镰刀菌（Fusarium solani）生长
圆圈表示干重；圆点表示光密度
丝状真菌的生长过程大致可分为；（1）生长延滞期；（2）迅速生长期；（3）衰退期。
（1）生长延滞期 造成生长延滞的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的延滞期，另一种是生长已开始但却无法测量。对真菌的生长延滞期尚未作过仔细研究。
（2）迅速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直线关系。因为真菌不是单细胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而没有对救生长期。真菌的生长常表现为菌丝尖端的生长和菌丝的分枝，因此受到邻近细胞竞争营养物质的影响。尤其在静止培养时，许多菌丝在空气中生长，必须从邻近的细胞吸收营养物质供生长需要，在迅速生长期种，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物如酸类可出现或不出现。静止培养时，在迅速生长期的后期的菌膜上格出现孢子。
（3）衰退期 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。一般是在一短期内失重很快，以后不再变化。但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生的酶类催化几丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合物等。处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的空泡。
生长的停止由以下两种因素之一所决定。在高浓度培养基中，可能是因为有毒代谢产物的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。多数次生物质，如抗生素等，也是在此时合成的。在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性和培养条件而导。
二、微生物的生长动力学
1，对数生长期的生长动力学
微生物细胞经过延滞期进入对救生长期。对救生长期的最显著特点是细胞数量或干重以指数(或对数)速度增长。对于细菌这类单细胞生物而言，生长包括细胞分裂所引起的细胞数量的增多和因细胞质量增大而带来的生物量增长。由于对数生长期间的细胞正处于快速分裂状态，细胞质量相近，因此细胞数量变化规律基本上符合细胞浓度或干重变化规律。
在对数生长期，细菌进行二分裂，由时间t。至t经过n次分裂之后，细胞数目Nt。
因此，只要测定对数生长期中一定间隔时间内细胞数目的变化(Nt-N。)，就可求出细胞分裂的平均代期g。
在对数生长期中，细胞以恒定的速度增长，或者说某瞬间细胞的增加速率与该瞬间的细胞数之比为一常数，由此细胞数目的变化为：
N表示细胞数目； x表示细胞浓度(或质量)：μ为比例常数，称为比生长速率常数(1／h)。它表示单位菌体在单位时间产生询菌体量(个数或质量)。
式（3）表示单位时间里细胞数目的变化(增量)等于比生长速率常数与细胞数N之乘积。
由于对数生长期中比生长速率μ是个常数，故上式解方程式可得：
比生长速率常数μ是微生物生长研究中的—个极为重要的参数用它可以判断微生物的生长情况和估算生长过程某一时刻的细胞数目或浓度。
2，微生物生长与基质浓度的关系
微生物的生长需要多种营养成分，为了了解各种成分对生长的影响，研究工作中往往采取除一种成分(如碳源)限量外其余营养成分均过量供成的办法，这种限量的成分便成为生长限制因子，人们称这一成分为生长限制性基质，或简称限制性基质。
Monod在以葡萄糖为生长限制性基质的合成培养基上研究了大肠杆菌(E．co1i)的比生长速率与基质浓度之间的关系后，认为当限制性基质浓度较低时，比生长速率常数μ随基质浓度增高而增大。但是当基质达到一定浓度后μ与基质浓度无关。这种生长情况与基质浓度关系的曲线类似于底物浓度对酶反应速度的影响，可以概括为如下经验式：
μm值的意义在于表示在相同条件下，主要营养成分的各种物质对微生物生长的效率
Ks的意义表示微生物对各种基质的亲和力。Ks愈小表示亲和力愈大。一般来讲，微生物对它们所能利用的基质的Ks值是很低的，如大肠杆菌对葡萄糖的Ks值为6．8x10-2mg／L，啤酒酵母对葡萄糖的Ks值为25mg/L，说明在一般培养基浓度下，从分批发酵培养基的开始至生长对数期末的时间内微生物都能够以最高比生长速率生长。
第4节 环境对微生物的影响（自学）
任何微生物生长发育都离不开环境因素的作用，同时微生物的生命活动也在不同程度上要使环境发生变化。环境对微生物的主要作用表现为：适宜的环境，将促进微生物的生长发育；不适宜的环境因素，将会使微生物生长受到抑制或者改变微生物的特性；恶劣的环境可使微生物发生死亡。因此，人类在认识和分析环境于微生物种种关系的基础上，根据不同微生物的特性，提供各种适宜的环境条件使之旺盛地生长发育，发挥其对人类有益的作用；在农业、医疗卫生等方面，则利用不同的环境因素去改造、限制甚至消灭有害微生物，使人体免受其害。这样就能使不同类型的微生物更好地服务于人类。
影响微生物生长发育的环境因素，除前面所讲的营养物质外，主要有温度、湿度、渗透压、pH值，光和射线以及各类化学药物等。
一、温度
微生物在生长发育过程中，细胞内所进行的一系列物理和化学变化，都需要一定的温度条件。因此，温度对微生物生长具有及其重要的作用。一般情况下，温度超出其最低或最高限度，就有可能使微生物生长停止或菌体死亡，在其温度需求范围中也有一个最适的温度能使微生物生长最为旺盛。根据在不同温度条件下微生物的生长发育情况，通常把微生物分成高温性、中温性和低温性三类。
各类不同的微生物在其生长温度范围内，从最低温度逐渐升温时，代谢活动加强，生长速度加快，当其超过最适生长温度之后，其代谢活动和生长速率逐步减弱。
在生长温度范围之外，高温和低温条件对微生物生长影响是不相同的。高温可引起微生物细胞原生质变性，酶结构破坏和酶活性丧失，而造成菌体的死亡。温度越高，死亡率越大。微生物对高温也有一定的抵抗能力。依其种类和生长时间以及有或无芽孢、孢子等有所不同。无芽孢或孢子的菌体在溶液中，于55~60℃条件下经30分钟就可死亡，70℃时仅需10~15分钟就可死亡；酵母和霉菌的菌丝体在50~60℃条件下，10分钟就死亡；细菌的芽孢和霉菌的孢子对热具有很强的抵抗力，在沸水中煮一小时也不易死亡。在科研和生产中所采用的高温灭菌就是为了彻底杀死包括芽孢在内的一切微生物。
低温条件可使微生物的代谢活动降低而处于休眠状态，其细胞同原生质等不受破坏，故生命依然存在。一旦环境中温度适合又可继续生长发育。因此可利用低温条件保藏菌种，以及用冷藏法保藏食物。
此外，有的微生物在不同的生长发育阶段对温度的要求也往往有所区别：例如双孢蘑菇在其菌丝生长阶段要求的适温为20—23℃，而在于实体发育阶段则要求16—18℃。
二、湿度
由于微生物细胞含水量为70—85％，因此在其生长发育过程中，必须保证充足的水供给和环境中较高的空气湿度(相对湿度80—90％)。干燥的生长环境将会使菌体大量失水而引起菌体内代谢活动停止甚至死亡。
细菌的芽孢和霉菌的孢子，对干燥的环境具有很强的抗性。在此干燥环境中可保存数年至数十年而不死亡。当其在适宜的湿度环境中就可继续生长繁殖。因此在发酵生产中常以孢子或芽孢制备成砂土管菌种得以长期保藏。
三、渗透压
微生物正常的生命活动就要求环境具有适当的渗透压。骤然升高或降低生长环境的渗透压，都将引起微生物细胞的不同反应：在等渗透压的溶液中，细胞维持原有状态进行正常的代谢活动，微生物生长发育良好。因此，在培养微生物过程中应注意生长环境中的无机盐类以及溶液的浓度，使之具有一定的渗透压——等渗透压环境。常用的生理盐水(0．9％NaCl溶液)即为等渗液的一种。在高渗溶液的环境中，菌体细胞易于失水，发生质壁分离现象，而影响微生物正常生长发育，甚至使微生物死亡。当微生物生长在低渗透压的环境中时，则菌体细胞易于吸水膨涨使细胞发生破裂。因此，在进行微生物样品稀释时，常以生理盐水代替蒸馏水，以防菌体吸水膨胀而破裂。
四、pH值
环境中酸碱度即pH值对微生物生长发育影响很大。这是因为每种微生物都要求在一定pH值范围内，才能维持其正常的生理代谢活动。
如果环境中pH值超过了微生物所要求的范围，就会由于氢离子浓度的变化而影响细胞膜电荷，使对营养物质的吸收和酶的活性发生变化，表现为降低或者抑制微生物生长发育。引起pH值的变化除外界因素外，还可因微生物自身对营养物质的分解而产生酸性或碱性物质，从而造成生长环境中pH值的改变。因此，在培养基中加入适量的缓冲物质，如磷酸盐、硝酸盐类，自行调节环境中的酸碱度，以免因培养基中pH值发生过份的变化而影响微生物的正常生长发育。
五、氧化还原电位
环境中的氧化还原电位(En)同微生物的生长的关系极为密切，并同氧的分压(通气情况)也有联系。微生物在其生长活动过程中，由于某些代谢产物的产生(如H2S)和另一些有机质的消耗(如半胱氨酸等)，都会引起环境中氧化还原电位的变化。
各种不同类型的微生物生长发育所要求的氧化还原电位也不一样：好气性微生物需要在有氧条件下进行呼吸作用，因此所处的生长环境氧化还原电位也较高。一般为十0．1伏以上，最适的氧化还原电位值为十0．3~0．4伏。厌气性微生物必须在无氧的条件下进行无氧呼吸作用，其生长环境的氧化还原电位值一般在十0.1伏以下。兼性厌气微生物对氧化还原电位适应范围很广泛，无论在氧化还原电位值高或低的情况下都能正常生长。当其氧化还原电位值在十0.1伏以上时，由于环境中氧分压高，氧气供应充足，兼性厌气微生物就进行有氧呼吸；如氧化还原电位值在十0．1伏以下，则生长环境中氧分压必然很低，逐步成为厌气环境，而使兼性菌进行无氧呼吸。这主要是进行有氧呼吸活动中需氧化酶系参予，而这类酶活性的发挥就需要较高的氧化还原电位；而进行厌气呼吸活动的主要酶类为脱氢酶系，它们只需要较低的氧化还原电位。
六、光和射线
光有长波的红外光，短波的紫外光和可见光三个组成部份。红外光以其热效应提高环境的温度和引起水份的散失而影响微生物的生长发育。短波的紫外光则具有杀菌作用。这是因为紫外光被细胞内核酸吸收力特别强，尤其是250—280毫微米波长的紫外光，能引起细胞内核酸中的胸腺嘧啶二聚体的形成，从而阻止DNA的复制。轻者发生突变，重者造成菌体大量的死亡。因此，紫外光常用于微生物诱变育种与表面杀菌。
经紫外线照射后的微生物，如暴露在可见光下，其中有部份微生物可恢复正常的生长发育，这就是光复活现象。因为巳为紫外线损伤了的DNA，在适宜的可见光下得以修复从而部份地削弱了紫外线的作用。
X-射线以及由放射性物质所产生的γ-射线，具有更短的波长。X-射线为0.06~13.6毫微米，γ-射线为0.01~0.14毫微米，都是高能电磁波，都有显著的杀菌力。
第5节 代谢产物的代谢调控
在生物进化过程中，微生物细胞形成了愈来愈完善的代谢调节机制，使细胞内复杂的生化反应能高度有序地进行，并对外界环境的改变迅速作出反应，因而在代谢繁殖过程中，能量的利用以及对细胞生长繁殖过程中所需的各种物质的形成是非常合理和经济的，需要多少合成多少，不需要的不合成或合成量很少，细胞经常处于平衡生长状态，不会有代谢产物的积累。从进化角度看，代谢产物的过量产生，对细胞能量的利用和细胞组成物质的合成都是一种浪费。在自然环境中，只有当条件改变时才会造成微生物积累某些代谢产物，如在厌氧条件下酒精、乳酸和醋酸的大量形成。通过改变培养条件和遗传特性，使微生物的代谢途径；改变或代谢调节失控而获得某一发酵产物的过量产生，正是现代发酵工业要研究的主要内容。其方法大体可分为两类，一是改变产生菌的基因型而改变代谢途径；二是改变控制代谢速率，即影响基因型的表达。
代谢调节是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。包括酶量的调节和酶活性的调节。
微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。
一、代谢调节方式
1，细胞透性的调节
细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，由它控制着营养物质的吸收。
例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌吸收乳糖是由渗透酶和环状AMP(cAMP)协同控制来完成的。cAMP的浓度是由腺苷酸环化酶(AC)的活性控制的，也就是说，乳糖的吸收受渗透酶和AMP环化酶的控制，调节蛋白通过磷酸化的形式和腺苷酸环化酶（AC）或渗透酶结合，分别使腺苷酸环化酶活化或使渗透酶失活。当有葡萄糖时，乳糖的渗透酶以无活性状态存在，而腺苷酸环化酶也以非活性状态存在。
2，代谢途径区域化
原核微生物细胞结构虽然简单，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系则集中某一区域，以保证这一代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了其他途径的干扰。例如呼吸的酶系集中在细胞质膜上；而与蛋白质合成有关的酶系则位于核蛋白体上；分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性菌里是位于壁膜间隙中，而革兰氏阳性菌则将这些水解酶类，分泌于胞外。
在真核微生物细胞里，各种酶系被细胞器隔离分布。如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上；蛋白质的合成酶系位于核蛋白体上；DNA合成的某些酶位于细胞核里。
细胞具有复杂的膜结构使其代谢活动只能在特定的部位上进行，即代谢活动是区域化的，其实质是控制酶与底物接触，使各个反应有序地进行。
3，代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。它包括两种形式：由一个关键酶控制的可逆反应和由两种酶控制的逆单向反应。
（1）由一个关键酶控制的可逆反应
同一个酶可以通过不同辅基(或辅酶)控制代谢物的流向。例如，谷氨酸脱氢酶以NADP+为辅酶时，主要是催化谷氨酸的合成，当以NAD+为辅酶时，则催化谷氨酸的分解。因此微生物可以通过不同的辅基来控制代谢物的流向。
（2）由两种酶控制的逆单向反应
逆单向反应是在生物体代谢的关键部位的某些反应，它是由两种各自不同的酶来催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。例如，葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖是由己糖激酶催化的，而其逆反应则是由6-磷酸葡萄糖酯酶催化的。6-磷酸果糖转化为1，6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶催化的，逆反应则由1，6-二磷酸果糖酯酶催化。
4，代谢速度的调控
在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。微生物在不同条件下能按照需要，通过酶活或抑制原有酶的活性或通过诱导或阻遏酶的合成来自我调节其代谢速度，使之高度经济有效地利用能量和原科进行生长繁殖。
二、酶合成的调节
1，酶合成的诱导
许多编码酶合成的结构基因在酶的基质不存在时—般是无活性的。就是说，酶的合成正常地被阻遏。但是，当加入基质时，结构基因被“开放”，产生了酶。这样的一种过程就叫做“诱导作用”或“脱阻遏作用”
酶合成的诱导作用可表现出以下两种情况：
（1）协同诱导（coordinated induction）：一种诱导剂可以同时诱导产生若干种酶的现象叫做协同诱导。例如，半乳糖可同时诱导产生半乳糖激酶、转移酶和表异构酶；乳糖可同时诱导产生渗透酶，β-半乳糖苷酶和转乙酰基酶。
（2）顺序诱导(sequential induction) 一种诱导剂可以连续诱导产生一系列酶的现象叫做顺序诱导。例如，荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)降解芳香族化合物的酶系，就是顺序诱导出来的
2，酶合成的诱导的机制
3，酶合成的阻遏
某些酶在微生物生长时可正常地产生，但当生化途径的终产物浓度增加时或向生长培养基加入这种终产物时，酶的合成就被阻遏。这种低分子量的终产物(辅阻遏物)被认为是同胞内由调节基因编码的蛋白质(阻遏蛋白)结合，产生一种阻遏物，该阻遏物“关闭”对酶编码的结构基因。这样的酶称为可受阻遏的酶。阻遏酶合成的物质称为阻遏物。
根据阻遏物的不同，可将阻遏分成两类：
（1）终点产物反馈阻遏(feed-back repression) ：阻遏物是被阻遏生成的酶(或酶系)所催化生成的终点产物。
（2）分解代谢物阻遏(catabolic repression)：阻遏物是被阻遏生成的酶(或酶系)分解代谢的产物。
4，酶合成的阻遏的机制
三、酶活性的调节
1，概念
酶活性调节：是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。
2，影响因素
影响酶活性的因素有：
（1）底物和产物的性质和浓度
（2）环境因子(如压力、pH、离子强度和辅助因子等)
（3）其他的酶的存在
3，调节方式
酶活性的调节方式有两种：激活已有酶的活性和抑制已有酶的活性
（1）激活
激活：在激活剂的作用下，使原来无活性的酶变成有活性，或使原来活性低的酶提高了活性的现象。
代谢调节的激活作用：主要是指代谢物对酶的激活。
前体激活，指代谢途径中后面的酶促反应，可被该途径中较前面的一个中间产物所促进。
代谢中间产物的反馈激活，指代谢中间产物对该代谢途径的前面的酶起激活作用
（2）抑制
抑制
和激活相反。由于某些物质的存在，降低酶活性，称为抑制。抑制可以是不可逆的，这将造成代谢作用的停止；抑制也有可逆的，当抑制剂除去后，酶活性又恢复。在代谢调节过程中所发生的抑制现象主要是可逆的，而且大多属于反馈抑制。
反遗抑制：反馈抑制是指代谢的末端产物对酶(往往是代谢途径中的第一个酶)活性的抑 制。反馈抑制作用在生物体内普通存在，它在维持细胞正常代谢、经济有效地利用代谢原料、以及适应环境的变化，都具有重要作用。包括无分支代谢途径的调节和有分支代谢途径的调节。
无分支代谢途径的调节
通常是在线形的代谢途径中末端产物对催化第一步反应的酶活性有抑制作用。
例如，在大肠杆菌中，由苏氨酸(Thr)合成异亮氨酸(IIeu)时，异亮氨酸对催化反应途径中的第一步反应的苏氨酸脱氨酶(TD)有抑制作用。
苏氨酸 α-酮丁酸 异亮氨酸
TD
有分支代谢途径的调节
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中，调节方式较复杂，其共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种:
酶的顺序反馈抑制
分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制途径中的第一个酶，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶有抑制作用。
例如，枯草杆菌在芳香族氨基酸合成中，色氨酸(Try)抑制邻氨基苯甲酸合成酶(AS)，苯丙氨酸(Phe)抑制预苯酸脱水酶(PT)，酪氨酸(Tyr)抑制预苯酸脱氢酶(PD)，预苯酸和分支酸又部分地抑制7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸合成酶(DS)。
EP：磷酸烯醇丙酮酸；E4P：4-磷酸赤藓糖；DAHP：7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸；CA：分支酸；Per：预苯酸；AA：邻氨基苯甲酸；HPPA：对羟基苯丙酮酸；PPA：苯丙酮酸；Tyr：酪氨酸；Try：色氨酸；Phe：苯丙氨酸；I：7-磷酸-2-酮-3-脱氧庚糖酸合成酶；II：邻氨基苯甲酸合成酶；III：分支酸变位酶；IV：预苯酸脱氢酶；V：预苯酸脱水酶
同工酶的反馈抑制
同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类酶。其特点是：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被Y抑制，另一个酶被Z抑制。只有当Y和Z同时过量才能完全阻止A转变为B。
例如，大肠杆菌以天门冬氨酸为前体合成苏氨酸(Thr)、异亮氨酸(Ileu)、甲硫氨酸(Met)和赖氨酸(Lys)的代谢途径中有三种天门冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和AKIII)和两种高丝氨酸脱氢酶的同功酶(HSDHI和HSDHII)。其中AKI和HSDHI受到苏氨酸、异亮氨酸的反馈抑制和阻遏，AKII和HSDHII受甲硫氨酸的反馈抑制和阻遏；AKIII受赖氨酸的反馈抑制和阻遏。
Asp：天门冬氨酸；Asp-Pi：天门冬酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛；Hse：高丝氨酸；Thr：苏氨酸；Ileu：异亮氨酸；KB：-酮丁酸；Met：甲硫氨酸；Lys：赖氨酸；R：阻遏作用；I：反馈抑制；AK：天门冬氨酸激酶；HSDH：高丝氨酸脱氢酶
协同反馈抑制
在分支代谢系统中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用，如果末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。
例如，荚膜红假单胞菌中天门冬氨酸族氨基酸生物合成途径中，天门冬氨酸激酶(AK)是受末端产物赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
Asp：天门冬氨酸；Asp-Pi：天门冬酰磷酸；Asa：天门冬氨酸半醛Thr：苏氨酸；Lys：赖氨酸； AK：天门冬氨酸激酶
累积反馈抑制
在分支代谢途径中各种末端产物单独过量时，它们各自能对途径中的第一个反应的酶仅产生较小的抑制作用。一种末端产物单独过量并不影响其它末端产物的形成，只有当几种末端产物同时过量时，才对途径中的第一个酶产生较大的抑制。
例如，大肠杆菌谷氨酰胺合成酶(GS)活性的调节是一个典型的累积反馈调节的例子。谷氨酰胺由谷氨酸、铵和ATP合成。谷氨酰胺中的酰胺基是色氨酸、组氨酸、氨基甲酰磷酸、6—磷酸葡萄糖胺、CTP、AMP、GMP等化合物生物合成过程中的氮源。谷氨酰胺合成酶被谷氨酰胺代谢的每种末端产物以及丙氨酸和甘氨酸所累积抑制。谷氨酰胺合成酶对这些抑制物中的每一种末端产物均有特异的结合部位。当上述8种末端产物同时过量都与酶结合时，谷氨酰胺合成酶的活性将受到最大的抑制。
超相加反馈抑制
超相加反馈抑制是一种既不同于协同反馈抑制又不同于累积反馈抑制。对一个分支代谢途径中，几种末端产物单独过量时，仅产生对共同途径的第一个酶部分的抑制。如果每种末端产物都过量时，其抑制作用则超过各种末端产物单独过量时抑制的总和。
例如，在嘌呤核苷酸的生物合成途径中，催化第一步反应的酶，5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的酰胺基转移酶，可被各种嘌呤核苷酸产物(如AMP、GMP)所抑制。例如，一定量的GMP或AMP仅能抑制5-磷酸核糖-1-焦磷酸酰胺基转移酶活力的10％，而当二者混合时，则可抑制其酶活力的50％。因为这些嘌呤核苷酸与5-磷酸核糖-1-焦磷酸并无结构相似性，又因该酶是一种调节酶，GMP和AMP可能分别结合在该酶的不同部位上。
4，酶活性调节的分子机制
解释酶活性调节机制的理论：
（1）别构调节理论(其核心是酶分子构象的改变)
（2）酶分子的化学修饰理论(其核心是酶分子结构的改变)。
四、初级代谢的调节
初级代谢的调节方式有：
1，产能代谢的调节：能荷调节
2，核蛋白体合成的调节
3，氨基酸、核苷酸合成代谢的调节
五、次级代谢的调节
次级代谢的调节方式有：
1，初级代谢对次级代谢的调节
2，碳代谢物的调节作用
3，氮代谢物的调节作用
4，磷酸盐的调节作用
5，次级代谢中的诱导作用及产物的反馈作用
6，次级代谢中细胞膜透性调节
第六节 微生物代谢产物的过量产生
一，提高初级代谢产物产量的方法
我们知道，初级和次级代谢产物在遗传控制、合成时期、合成途径等方面是存在差异的，因而获得发酵产物过量生产的方法也不同。由于次级代谢产物的合成远离初级代谢的主要途径，微生物细胞对其合成控制较弱，因此，改变环境条件易于影响其表达，基因型改变后的产量变异幅度也较大，而初级代用产物则与此相反。这在选择提高代谢产物方法时应予考虑。提高初级代谢产物产量的方法主要有以下几种：
1，使用诱导物
与糖类和蛋白质降解有关的水解酶类大都属诱导酶类，因此向培养基中加入诱导物就会增加胞外酶的产量。如加入槐糖(1，2—β—D—葡二糖)诱导木霉菌的纤维素酶的生成，木糖诱导半纤维素酶和葡萄糖异构酶的生成等。但诱导物的价格往往比较贵，经济上未必合算。加入廉价的含有诱导物的原料，如槐豆英等某些种籽皮中含有槐糖，玉米芯富含木聚糖，培养过程中可陆续被水解产生槐糖、木糖，这都是经常采用的方法。但是，玉米芯等这类不溶性聚合物的分解过程缓慢，以其为唯一碳源时，培养周期比较长，产品的体积生产率仍难大幅度提高。可考虑先使微生物在廉价的可溶性碳源中迅速生长，形成大量菌体后，再加入诱导物诱导水解酶类生成的方法。
诱导物的浓度过高及能被迅速利用时，也会发生酶合成的阻遏，这在纤维二糖对纤维素酶的产生，木二糖对半纤维素酶产生中都己观察到，这也是使用诱导物时应予注意的。
2，除去诱导物——选育组成型产生菌
在发酵工业中，要选择到一种廉价、高效的诱导物是不容易的，分批限量加入诱导物在工艺上也多不便，更为有效的方法是改变菌株的遗传特性，除去对诱导物的需要，即选育组成型突变株。通过诱变处理，使调节基因发生突变，不产生有活性的阻遏蛋白，或者操纵基因发生突变不再能与阻遏物相结合，都可达到此目的。迄今尚未见由于结构基因发生改变而得到组成型的报道。
已设计出多种选育组成型突变株的方法，其主要原则是创造一种利于组成型菌株生长而不利于诱导型菌株生长的培养条件，造成对组成型的选择优势以及适当的识别两类菌落的方法，从而把产生的组成型突变株选择出来。例如把大肠杆菌半乳糖苷酶的诱导型菌株经诱变处理后，先在含乳糖的培养基中培养，由于组成型突变株半乳糖苷酶的合成不需诱导即能产生，因此可较诱导型的出发菌株较早开始生长，在一定时期内菌数的增加便较快，如持续进行培养时，由于诱导酶形成后，原菌株生长速率亦逐渐增加，这种选择性造成的差别就会减少，可用交替在乳糖、葡萄糖培养基中进行培养的方法。两者利用葡萄糖时的生长速率是相同的，乳糖为碳源造成的组成型菌株的优势生长会持续下去，最后由平板分离就易于得到组成型突变株。以乳糖为限制性生长因子进行连续培养时，生长速率较低的诱导型菌株就会被冲洗掉，也是利用了上述原理。诱导型菌株不经诱变处理，利用其自发突变，用连续培养方法，也能得到组成型突变株。
在平板上识别组成型突变株的方法，主要是利用在无诱导物存在时进行培养，它能产生酶，加入适当的底物进行反应显示酶活加以识别。经常使用酶解后可以有颜色变化的底物，便于迅速捡出组成型菌落。如甘油培养基平板中培养大肠杆菌时，诱导型菌株不产酶，组成型菌株可产生半乳糖苷酶。菌落长出后喷布邻硝基苯半乳糖苷，组成型菌株的菌落由于能水解它而呈现硝基苯的黄色，诱导型则无颜色变化。另如羧甲基纤维素被内切纤维素酶水解后，由于暴露出更多的还原性末端而能被刚果红所染色。可由此方便地检出纤维素酶产生菌。
3，降低分解代谢产物浓度，减少阻遏的发生
高分子的多糖类、蛋白质等的分解代谢产物(如能被迅速利用的单糖、氨基酸以及脂肪酸、磷酸盐等)都会阻遏分解其聚合物的水解酶类的生成。因此用限量流加这类物质或改用难以被水解的底物的方法，都可减少阻遏作用的发生，而获得较高的酶产量。但是由于它并未改变产生菌的遗传特性，只是暂时地改变了酶的合成速率，因此结果往往不稳定。更有效的方法是筛选抗降解物阻遏的突变栋。
4，解除分解代谢阻遏——筛选抗分解代谢阻退突变株
从遗传学角度来考虑，如调节基因发生突变，使产生的阻遏蛋白失活；不能与末端分解代谢产物结合，或操纵基因发生突变使阻遏蛋白不能与其结合，都能获得抗分解代谢阻遏的突变株。前者为隐性突变，后者为显性突变，都能由此导致酶的过量产生。
可以直接以末端代谢产物为底物来筛选抗阻遏突变株，如以葡萄糖、甘油为碳源筛选纤维系酶抗阻遏突变株。但更多地是利用选育结构类似物抗性菌株的方法。
它所依据的机制是，结构类似物由于在分子结构上与分解代谢的未端产物相类似，因此、它也能与阻遏蛋白相结合，如调节基因发生突变而使阻遏蛋白不能与结构类似物结合，即出现抗性菌株。由于分子结构上的类似，这种抗性菌株产生的阻遏蛋白也不能与正常的分解代谢产物相结合，即同时也具有对相应的分解代谢产物阻遏作用的抗性，而能导致相应酶类的过量生产。
由于结构类似物与正常代谢产物结构上的差异，它与阻遏蛋白的结合往往是不可逆的。氨基酸类的结构类似物也不能用以合成具有正常功能的蛋白质，因此它在细胞中会达到较高的浓度。这都是用结构类似物为底物筛选抗阻遏菌株，较之用正常的分解代谢末端产物更为有效的原因。
如果结构类似物与调节酶相结合，所获得的便是抗反馈抑制的抗性菌株。筛选抗阻遏和抗反馈的双重突变则更易于获得高产菌株。对一末端产物的生成途径了解的愈加清楚，就能定向选育多重突变株，而得到过量生产。
菌种选育中常用的结构类似物列于表4—1。表中的类似物未区分其在作用机制上是抗阻遏或抗反馈，这是由于有的作用机制尚未完全弄清楚，有的则因菌种而异。
有些酶的合成可为铵盐、磷酸盐类所阻遏，用筛选对这类化合物的结构类似物有抗性的突变株的方法，也可达到脱阻遏的效果。如构巢曲霉的蛋白酶的合成可为铵盐所阻遏，筛选抗甲基铵盐的抗性突变株，其蛋白酶合成即不为铵盐所阻遏。
表4-1 结构类似物及代谢末端产物
5，解除反馈抑制——筛选抗反馈抑制突变株
如上所述，在生物合成途径中广泛存在着反馈抑制调节——末端产物抑制合成途径(包括分枝途径)中第一个酶的活力，因此，降低末端产物的浓度就能积累代谢途径中间体，如同由培养物中去除阻遏物一样，这种方法的实施比较困难，比较有效的方法是选育对末端产物有抗性的突变株。如天冬氨酸激酶是赖氨酸生物合成途径中的调节酶，由黄色短杆菌分离到对赖氨酸的类似物(2—氨基半胱氨酸)有抗性的突变株，它对天冬氨酸激酶的反馈抑制不敏感，赖氨酸的产量可达57mg/m1。
解除反馈抑制的另一种方法是选育营养缺陷型。即筛选丧失了合成途径中某种酶，而必需供给某一中间代谢产物才能生长的突变株。限量供给此中间代谢产物就能降低或解除末端产物的反馈抑制，而获得另—中间产物的过量产生。这在较简单的直线式合成途径中已获得不少成功的实例。
谷氨酸经过乙酰谷氨酸、乌氨酸、瓜氮酸而合成精氨酸(图4—7)。经诱变处理后得到的瓜氨酸营养缺陷型失去了合成催化鸟氨酸合成瓜氨酸的鸟氨酸转氨甲酰酶的能力，必需供给瓜氨酸或精氨酸时，此菌株才能生长。控制供给亚适量的精氨酸或瓜氨酸使菌体生长，但又不致引起反馈抑制时(精氨酸抑制N一乙酰谷氨酸激酶活力)，就能使鸟氨酸大量产生。如选育丧失精氨酸琥珀酸合成酶的精氨酸缺陷型，就能得到瓜氨酸的过量生产。
上述的直线式合成途径中，用营养缺陷型方法只能使中间代谢产物积累而不能使末端产物积累。在分枝途径中则能得到使末端产物过量产生的营养缺陷型突变。谷氨酸棒状杆菌的苏氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的合成是与分枝途径相联系的(图4-8)，筛选高丝氨酸营养缺陷型后，限量供给苏氨酸时，就能解除由苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制作用，而获得赖氨酸的过量生产。这是因为仅有赖氨酸或苏氨酸存在时，天冬氨酸激酶不被抑制，只有两者的协同效应才能造成抑制。在限量供给苏氨酸的情况下，即使赖氨酸过剩，抑制作用也很难发生。
6，防止回复突变的产生和筛选负变菌株的回复突变株
经诱变产生的高产菌株。在生产过程中易于发生回复突变，使生产不稳定。双重营养缺陷型发生回复突变的机率较小，易于获得遗传性较稳定的菌株；如筛选得到的是抗结构类似物的高产菌株，可在培养液中加入适量结构类似物，以防止回复突变株的增殖。利用高产株和回复突变株对抗生素敏感性的不同，加适量抗生素防止回复株增殖，也是一类方法。
负变菌株的回复突变株亦可用来提高代谢产物的过量产生。
在无阻遏物或末端代谢产物存在条件下选育不产酶的负变株，继续进行诱变后转接在阻遏物或末端产物存在的条件下筛选产酶突变株，有可能获得高产菌株。对其机制尚缺少深入研究。有的研究结果表明，抗阻遏突变株是启动基因突变的结果，抗反馈突变株是调节酶的变构中心发生了改变而催化中心未改变。
7，改变细胞膜的通透性
微生物细胞吸收作为代谢所需要的底物和离子是依靠定位在细胞膜上的主动物送系统来进行，与产能代谢过程相偶联。输送系统有高度的专一性，这主要取决于其蛋白质的组成，即透性酶。透性酶的合成与由其输送的酶类一样，也受着调节控制。细胞内形成的代谢产物排出细胞时，也与细胞膜的结构有关，有各种类型的排出方式。细胞质膜和细胞壁的结构也影响物质的进出。当控制物理、化学条件或者筛选细胞膜、细胞壁结构组成的突变株以改进物质的进出速率。影响代谢过程时，都有可能造成代谢产物的过量生产。
微生物细胞分泌到细胞外的蛋白质特别是水解酶类，大多数是糖蛋白。酶分子中结合糖类与酶的催化活力无关，估计主要是利于分泌至胞外。同一类酶系中的不合糖类的酶组分，往往是结合在细胞膜上而很少分泌至胞外。加入表面活性剂，则有可能因改变细胞膜的通透性而获得水解酶类的高产。由于表面活性剂种类繁多，性质各异，尚未有规律可循。如加入吐温80可增加里氏木霉纤维素酶产量，但对其它菌株就末得到同样效果。
8，筛选抗生素抗性突变株
抗生素种类繁多，其抑制微生物代谢的机制各不相同，一些主要抗生素的作用机制已比较清楚。筛选抗生素抗性突变体，也能取得由此而改变代谢调节，获得过量生产的结果。
衣霉素可抑制细胞膜糖蛋白的生成。枯草杆菌的衣霉素抗性突变株的α—淀粉酶的产量较亲株提高了5倍，研究结果表明，是由于分泌机制改变的结果。抗利福平的蜡状芽抱杆菌的无芽孢突变株的β—淀粉酶产量提高了7倍，这是由于芽孢形成的延迟利于β—淀粉酶的形成，而抗利福平的突变株往往失去了形成芽抱的能力。谷氨酸捧杆菌的抗青霉素突变株的谷氨酸产量亦会增加。
对金属离子的抗性和对有丝分裂的抑制剂抗性的突变株，也被用于改变细胞代谢调节以
得到代谢产物的高产。
9，选育条件抗性突变株
因环境不同，能表现为“野生型”菌株的特性和突变型菌株特性的突变被称为条件抗性突变或称为条件致死突变。其中温度敏感型突变常被用于提高代谢产物的产量。
适于在中温条件下(如37。C左右)生长的细菌，经诱变后可得到在较低温度下生长而在较高温度(如37。C以上)不能生长的突变株，即温度敏感型突变株。这是由于某一酶蛋白结构改变后，在高温条件下活力丧失的缘故。如此酶为蛋白质、核苷合成途径上的酶，则此突变株在高温条件下的表型就是营养缺陷型。诱变处理乳糖发酵短杆菌，得到的温度敏感突变株，在30。C生长良好，在32‘C生长微弱，但能在富含生物素的培养基中积累谷氨酸，而野生型菌株却受生物素的反馈抑制。在富含生物素的天然培养基中进行发酵时，可先在正常温度下进行培养以得到大量菌体，适当时间后提高温度，就能获得谷氨酸的过量生产。经多次诱变后得到的高产菌株，往往是孢子形成能力减弱或丧失，这给保种传代都带来困难。筛选在低温下能形成芽孢的温度敏感突变株，就能解决此困难。
10，调节生长速率
在酶的诱导合成研究中发现，一些物质具有诱导效应及难被利用；与其只能维持较低的生长速率有关。而起阻遏作用的物质则部是易被迅速利用和能维持高的生长速率。估计这是因为诱导、阻遏的发生都与产能代谢有关而造成的。因此，改变培养条件如温度、供氧量等以控制生长速率，也能获得一定效果。
里氏木霉纤维素酶的大量合成是在菌体大量形成时，如控制它的比生长速率近于零，则能在一较长时间内持续合成纤维素酶并获得高产。
11， 加入酶的竞争性抑制剂
生物化学上把底物和抑制剂与酶相结合时呈现的互相排斥现象称为竞争性抑制，即酶与抑制剂结合后就不能与底物相结合，反之亦然。
葡萄糖经不完全氧化(酵解)生成丙酮酸，脱羧生成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环。乙酰辅酶A与草酰乙酸经柠檬酸合成酶催化，把乙酰基由乙酰辅酶A转移至草酰乙酸而成为柠檬酸。柠檬酸又因乌头酸酶的存在而和它的异构体顺乌头酸、异柠檬酸呈平衡。单氟乙酸在微生物细胞内可转变为单氟柠檬酸，此酸与乌头酸酶有竞争性抑制，因此，向培养基中加入单氟乙酸可导致柠檬酸的积累，减少异柠檬酸的生成。由此，筛选不能利用柠檬酸或对单氟
乙酸敏感的突变袜，都达到了提高柠檬酸产量和减少异柠檬酸生成的结果。这些突变株的乌头酸酶的活力都比较低。
二、提高次级代谢产物产量的方法
次级代谢产物是指细胞生长不必需的、无明显生理功能的微生物代谢产物。其结构往往比较复杂，虽对产生菌的生长不是必需的，但在自然环境中对产生菌的存活还是有益的。从分子结构上看，次级代谢产物可分为糖苷类、多肽类、酰基类、核苷类及混杂类。它们均来自初级代谢产物，为其直接衍生物，或者经分子结构上的修饰，或进一步装配、聚合而成。其合成过程远较初级代谢产物复杂。
初级代谢产物的形成一般只需简单的营养条件，在化学成分确定的培养基中即可生成。而次级代谢产物则需要复杂的营养条件，往往需要供给营养成分复杂的天然物质时才能形成。在各种条件下，初级代谢产物都能形成，而次级产物则往往仅在一特定培养条件下才能形成，尤其过量生产。在分批培养条件下，次级代谢产物一般都是在菌体生长的峰值出现后才大量合成。在发酵过程中如何使次级代谢产物进入分化期，即次级代谢产物形成的诱导或引发，是发酵工艺研究中的热门之一。生理学上的研究表明，在菌体生长峰值过后，培养基中可利用的C、N、P、S等主要元素已基本耗完，与这些原料的利用有关的酶活力趋于下降，与次级代谢产物形成有关的酶类逐渐出现。但是，菌体生长与产物合成两个时期的划分及相应的这些生理特性的变化还取决于培养条件。’
目前，次级代谢产物的生产都还是沿用分批发酵方法，抗生素类的产物在此条件下又多为在菌体生长速率下降后才积累，但又难以长期持续合成。因此，通过控制培养条件以尽量
维持次级代谢产物的合成期，亦是获得过量生产的重要途径。常用的提高次级代谢产物产量的方法有以下几种：
1，补加前体类似物
在合成途径已基本清楚的条件下，向发酵培养基中补加前体是增加次级产物的有效方法。如青霉素G的生产中，苯乙酰—CoA是限速性因子，补加苯乙酸或其衍生物都能增加青霉素G的产量。青霉素分子是6-APA环形成后，再形成不同侧链。加入不同的前体就可以得到不同种类的青霉索，补加苯氧乙酸即得到青霉素V。多肽类和放线菌素类抗生索的合成中，也都能通过加入不同前体而得到不同种类的抗生素。这也可以称之为定向合成 。
加入硝酸盐可提高利福霉索的产量，其原因在于它抑制了脂肪酸的合成，使合成脂肪的前体丙二酰-CoA转为利福霉素分子的脂肪环提供前体。
次级代谢产物形成中并不是所有前体类似物都是限制性因子。加入前体提高产量的效果更取决于总体代谢的调节水平。前体物质本身是否易于得到等。这部是在生产应用中需综合考虑的。
2，加入诱导物
把一些对次级代谢产物产生有诱导作用的物质加入发酵培养基中会增加产量，如加蛋氨酸或硫脲可使顶头孢霉增产头孢霉素C，加入巴比妥可提高利福霉素产量等。但在工业生产中还未普遍应用此技术，而只是在选择培养基组成时给以考虑。
3，防止碳分解代谢阻退或抑制的发生
青霉索发酵中限量流加葡萄糖(或糖蜜)以减少碳分解阻遏的发生，早已是一项很有效的提高产量的方法。
使用寡糖、多糖等缓慢利用的碳源，葡萄糖与麦芽糖、葡萄糖与蔗糖、葡萄糖与淀粉混合碳源的利用，也都能减少碳分解阻遏的发生。
加入影响糖代谢的硫氰酸苄酯可使金霉菌对葡萄糖的利用速度减缓，可增加金霉素的产量。
4，防止氮代谢阻遏的发生
避免使用高浓度的铵盐做氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生索发酵工业生产中比较成熟的经验。在抗生素产生期如补加氮源则会造成发酵逆转，返回生长期，抗生素的产量会大为减少。
使用亚适量(对菌体生长)的磷酸盐，亦是抗生素发酵工业中遵循的原则之一。
为防止碳、氮、磷分解阻遏的发生，应选用黄豆饼粉、蛋白胨类、淀粉类物质为主要原料，而尽量少用易被迅速利用的葡萄糖等。
5，筛选耐前体或前体类似物的突变抹
加入前体有提高次级产物产量的效果；但过量对菌体又会有毒。筛选对前体育抗性的突变株以减少或消除前体的反馈阻遏，从而可获得高产；如抗苯乙酸的青霉突变株，其青霉素的产量会增加。
半胱氨酸、缬氨酸是 内酰胺类抗生素的前体，筛选上述氨基酸的类似物，三氟亮氨酸、DL-缬氨酸的抗性菌株，其β-内酰胺类抗生索产量会提高。
6，选育抗抗生素突变株
链霉素、氯霉素、金霉素筹多种抗生素都具有抑制产生自身菌体蛋白质的能力。一株高产抗生索产生菌，必然应具备对自身所分泌的抗生索的抗性。筛选抗抗生素产生菌也就成了菌种选育中的常用方法。金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株产量有数倍增加的实验室结果已有不少报道。
7，筛选营养缺陷型的回复突变株
次级代谢产物都来自初级代谢产物，因此其营养缺陷型的产量一般都很低，但其回复突变型中却有不少获得高产的例子，其机制尚不清楚，估计是次生产物或其前体合成的反馈抑制被解除。在金霉素产生菌选育中，运用此方法曾获得高产菌株。
8，抗毒性突变株的选育
重金属离子、羟胺类物质对 -内酰胺类抗生素产生菌有毒，但与抗生素相结合可解毒。选择适当浓度的此类毒性物质使其恰好抑制产生菌生长，在此条件下能生长的菌株，应为抗生素类物质过量产生的突变株。曾由头孢霉素C对重金属离子的抗性突变株中选育到高产菌株。
以上主要是从微生物的代谢调节机制出发探讨获得代谢产物过量生产的方法。但是，微生物代谢产物特别是次级产物形成的途径和调节控制机制是相当复杂的，研究得比较清楚的只是少数。因此，上述方法的应用往往也是经验性的。
在生产实践中为提高微生物产品产量和品质经常使用的方法是诱变后随机筛选和发酵条件的优化。近年来运用遗传工程的方法以获得代谢产物的过量生产是很活跃的研究领域。
三、高浓度微生物的培养
1，为什么要采用高浓度微生物的培养？
微生物液体发酵大都采用分批培养，这种培养方式的缺点是：发酵液中最终细胞浓度不高。如果通过改进工艺技术，使发酵液中微生物细胞增殖很高的浓度，那么，高浓度的细胞将会产生高浓度的发酵产物，这样就可以大大提高发酵设备的利用率，降低生产成本。基于这种目的，人们开始研究微生物高细胞浓度的培养技术。采用高细胞浓度培养技术，发酵液中菌体浓度比分批式培养可高10倍以上。例如用高细胞浓度连续培养技术，培养大肠杆菌HBl01(pPAKS2)，可得到95g／L的菌体。用同样的方法培养酒精酵母可得到219g／L的菌体。而一般用分批法培养酵母和细菌，得到的菌体浓度仅为10g／L左右。
2，高细胞浓度培养技术的原理：
采用一定的工艺技术，保证微生物生长的适宜条件，延长微生物的指数增殖过程，从而得到高浓度的细胞。
3，高细胞浓度培养技术的优点
（1）可大大提高发酵设备的利用率
（2）节省能源
4，高浓度细胞培养的方法
（1）流加培养
要保持微生物生长的适宜环境条件以达到高菌体浓度，就必须采用恰当的流加补料方式，补充生长所需的所有营养物。
因渗透压的影响，在分批式培养中，不能靠过高地提高培养基浓度来获取高浓度的细胞采用流加技术，可不断地满足菌体生长繁殖的需要，最终可以获得高浓度的细胞。采用流加培养技术，还可以实现对发酵过程的控制，如控制代谢途径、菌体比生长速率等。这类技术还有一大优点是，无需增添设备，只需改进工艺就可以在生产上广泛应用。流加培养技术还可解决以下问题：
底物抑制：在许多发酵过程中，某些底物如乙醇和苯环类化合物，只有在低浓度情况下，才不抑制菌体的生长。在分批培养中，若提高这些底物的浓度，就会出现底物对生长的抑制。而在发酵过程中流加这类底物，控制它们在发酵液中的浓度，使之一方面能不断满足菌体生长的需要，另一方面又不会抑制菌体的生长，这样，底物抑制就能被消除。
分解代谢阻遏：如果微生物利用葡萄糖等易于代谢的碳源，代谢产生的物质会使细胞内的环腺苷酸浓度降低，造成某些酶终止合成，这种现象称分解代谢阻遏。在流加培养过程中，缓慢流加这种碳源，可消除分解代谢阻遏作用。
葡萄糖效应：培养面包酵母时，存在一临界葡萄糖浓度，培养基中葡萄糖高于此浓度时，会部分代谢成乙醇，甚至在有充足溶解氧的条件下也会产生乙酵，此现象称葡萄糖效应。采用流加技术，可以控制葡萄糖浓度在此临界浓度以下，这样就可以防止乙醇产生，得到高浓度的面包酵母。
为了实现需氧微生物的高浓度培养，需要一个能供给大量氧气的高性能发酵罐。溶解氧浓度[DO]需要保持在每升几个微克以上，但也不能过高。大体上应该保持在10-9g／L以下。不过，需氧微生物培养中，最容易缺乏的营养物仍然是[DO]。完全可以说[DO]是高菌体浓度培养生长速率的控制因素。
碳源是最重要的营养物，要用恰当的方式自动流加。氮源可结合pH控制与碳源一起流加，并利用氨气传感器或铵离子选择电极等实行自动流加控制。微生物生长至少需要十几种无机离子，很难对这么多离子的浓度进行连续检测，因而无法对其浓度进行反馈控制，可以与碳源或氮源同时自动流加。加料流量根据物料衡算确定，所有营养物都可通过计算机控制自动流加。
流加培养的控制方式
无反馈控制
· 恒速流加
· 变速流加
· 指数流加
反馈控制
· DO-恒定控制
· pH-恒定控制
· CO2生成速率控制
· 细胞浓度控制
· 底物浓度控制
（2）高细胞浓度连续培养
原理：无菌培养基以一定速度连续补入发酵液，同时采用离心。膜过滤等方法，回收排出液中的细胞，使之重新进入发酵液中，这样微生物就可以在发酵液中高浓度地积累。高浓度的细胞产生大量的发酵产物，这些产物随排出液排出进入提取过程，同时对细胞生长起抑制作用的代谢产物也被排出。
除去抑制物质的方法：
透析培养：通过半透膜使培养液与培养基接触，培养液中的细胞不能透过半透膜，只有反应产物透过膜进入培养基溶液。在透析培养中，透析装置有两个作用。一是将生长抑制性物质透过膜排出培养罐，从而减少或排除抑制作用。二是使培养基贮罐中的营养物透过膜进入微生物培养罐，以补充其消耗。
萃取发酵：就是向发酵罐内加入难溶于水的有机溶剂，选择性地萃取抑制生长的物质，从而减轻有毒产物对发酵速率的抑制作用。这种操作方式的主要目的是获得尽量多的代谢产物，同时可减轻有毒产物对微生物生长的抑制作用，从而提高菌体浓度。这时需要选择分配系数大、对微生物毒性小的廉价溶剂。有人用这种方法对丙酮及丁醇发酵进行了研究。
过滤培养：是利用一种只能使培养液通过而不能使微生物通过的微滤膜边过滤边培养的方法。过滤的同时还必须同时流加物料。作为微滤膜可采用能够灭菌的精密陶瓷或合成高分子材料。培养液高速流过膜表面，滤液沿着与过滤膜垂直的方向通过膜流出，因此称为错流过滤。有人将这种培养方式用于乳酸菌和二裂殖茵培养的研究中。
菌体循环利用
这种方法大致过程是：待分批发酵终了将菌体与发酵液分离，收集的菌体经去杂菌等处理后返回发酵罐，再加入无菌培养基进行第二批发酵，因发酵液中菌体浓度很高，故发酵时间可大大缩短。第二批发酵终了，进行同样处理，然后再开始第三批发酵；这种技术与前面所述两种技术原理不同，但也能起到缩短发酵时间、提高设备利用率的作用。
（3）高细胞浓度培养中的问题
A，培养基流加控制与其他条件控制
培养基的流加控制分反馈控制与无反馈控制两类。反馈控制依据反馈控制参数如溶解氧、pH、呼吸商等数据变化，通过改变流加速度从外部控制。无反馈控制是根据微生物的代谢特征及生产要求制定流加曲线，井按曲线进行流加。由于高浓度细胞的积累，pH、溶解氧等都需要进行调节以满足菌体生长与产物合成的最优条件。
B，菌体分离装置的效能
在高细胞浓度连续培养中，采用的各种细胞分离设备存在一些问题。例如，用膜分离菌体时，菌体在膜表面沉积会造成膜过滤效率降低；用离心机分离菌体容易造成污染；这些问题都需要新工艺新材料来解决。
C，菌种退化
对基因工程菌来说，这一问题尤为重要。因为工程菌中的重组质粒往往不稳定，容易在传代中丢失，丢失掉重组质粒的工程菌不产生目的产物。因此，用高细胞浓度培养法培养工程菌时，还要考虑能保持质粒稳定的工艺条件。
�
浙公网安备 33021202002483