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發(fā)酵過程的代謝調(diào)控-發(fā)酵工藝過程控制

微生物在長期的進化過程中形成了整套可塑性強和精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以通過自我調(diào)節(jié)使機體內(nèi)的代謝途徑與代謝類型互相協(xié)調(diào)與平衡，經(jīng)濟合理地利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量，使細胞處于平衡生長狀態(tài)。因此，在正常生長狀態(tài)下，微生物通常不會過量積累初代謝產(chǎn)物，過量積累的中間代謝產(chǎn)物也能夠被誘導(dǎo)酶轉(zhuǎn)化為次代謝產(chǎn)物。

微生物的自我調(diào)節(jié)部位受到三種方式的控制：調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜進入細胞的能力；通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物接近；調(diào)節(jié)代謝流。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式為重要，它又包括兩個方面：是調(diào)節(jié)酶的合成量，常稱為“粗調(diào)"；二是調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶分子的催化活力，又稱作“細調(diào)"。兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達到佳調(diào)節(jié)效果。實際上，上述三種控制方式都涉及酶促反應(yīng)調(diào)節(jié)。酶促調(diào)節(jié)方式包括酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩大類。酶活性調(diào)節(jié)通過酶的激活作用或酶的抑制作用進行，目前研究得為清楚的調(diào)節(jié)機制是酶的變構(gòu)理論和酶分子的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)理論，前者是通過酶分子空間構(gòu)型上的變化來引起酶活性的改變，后者則是通過酶分子本身化學(xué)組成上的改變來引起酶活性的變化。酶合成調(diào)節(jié)方式主要通過影響酶合成或酶合成速率來控制酶量變化，終達到控制代謝過程的目的。在某種化合物作用下，如導(dǎo)致某種酶合成或酶合成速率提高，屬于誘導(dǎo)作用；相反，如是導(dǎo)致某種酶合成停止或酶合成速率降低，則屬于酶的阻遏作用。酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)往往同時存在于同個代謝途徑中，使有機體能夠迅速、準(zhǔn)確和有效地控制代謝過程。

在微生物發(fā)酵工業(yè)中，往往需要超量積累某種代謝產(chǎn)物，以獲得人們所期望的目標(biāo)產(chǎn)物，提高生產(chǎn)效率。為達到這目的，必須打破微生物原有的代謝調(diào)控系統(tǒng)，讓微生物建立新的代謝方式，高濃度地積累人們所期望的代謝產(chǎn)物。常采用的方式有兩種：種是通過各種育種方法，改變微生物遺傳特性，從根本上改變微生物的代謝；另種是發(fā)酵過程的代謝調(diào)控，即根據(jù)代謝調(diào)節(jié)的理論，通過改變發(fā)酵工藝條件（如ph、溫度、通氣量、培養(yǎng)基組成等）改變菌體內(nèi)的代謝平衡，大限度積累對人類有用的代謝產(chǎn)物。

下面討論的主要是后種調(diào)控方式。

①控制不同的發(fā)酵條件，從而改變其代謝方向，進而達到獲得高濃度積累所需產(chǎn)物的目標(biāo)。同種微生物在同樣的培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)時，只要控制不同的發(fā)酵條件，就有可能獲得不同的代謝產(chǎn)物。如啤酒酵母在中性和酸性條件下培養(yǎng)，可將葡萄糖氧化生成乙醇和二氧化碳；當(dāng)在培養(yǎng)基中加入亞硫酸氫鈉或在堿性條件下培養(yǎng)時，則主要生成甘油。又如發(fā)酵，通氣較好時生成，通氣不足時則生成乳酸；只有當(dāng)Nh+4過量時才積累，當(dāng)Nh+4不足時則主要生成c酮戊二酸。

②使用誘導(dǎo)物或添加前體物也是發(fā)酵工業(yè)中常用于提高目標(biāo)產(chǎn)量的方法。許多與蛋白質(zhì)、糖類或其他物質(zhì)降解有關(guān)的酶類都是誘導(dǎo)酶，在發(fā)酵過程中加入相應(yīng)的底物或底物類似物作為誘導(dǎo)物，可以有效地增加這些酶的產(chǎn)量。例如，酰化酶發(fā)酵時，可用為誘導(dǎo)物；在木毒發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶中，加入槐糖可以誘導(dǎo)纖維素酶的合成，而加入木糖可以誘導(dǎo)半纖維素酶的生成。有些氨基酸、核苷酸和抗生素發(fā)酵必須添加前體物質(zhì)才能獲得較高的產(chǎn)率。例如，是合成的個前體，在發(fā)酵過程中加入可以大幅度提高發(fā)酵產(chǎn)量。

③在發(fā)酵培養(yǎng)基中通常采用適量的速效和遲效碳源、氮源的配比，來滿足機體生長的需要和避免速效碳源、氮源可能引起的分解代謝阻遏。例如，用甘油代替果糖作為碳源培養(yǎng)嗜熱脂肪酵母，可以使的產(chǎn)量提高25倍以上；用甘露糖代替乳糖作為培養(yǎng)熒光假單胞菌的碳源，可使纖維素酶產(chǎn)量提高1500倍以上。

④使用影響細胞通透性的物質(zhì)作為培養(yǎng)基的成分，有利于代謝產(chǎn)物分泌，從而避免未端產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)。常用于改變細胞膜通透性的物質(zhì)有、表面活性劑等。前者能抑制細胞壁肽聚糖合成中肽鏈的交聯(lián)；后者可以將脂類從細胞壁中溶解出來，使細胞壁疏松。如在里氏木霉發(fā)酵過程中加入吐溫80，能增加細胞膜通透性，可提高纖維素酶的產(chǎn)量。控制Mn2+、Zn2+的濃度，也可以干擾細胞膜或細胞壁的形成。另外，也可通過誘變育種篩選細胞透性突變株來實現(xiàn)。