發酵過程的代謝調控

微生物在長期的進化過程中形成了一整套可塑性極強和極精確的代謝調節系統，可以通過自我調節使機體內的代謝途徑與代謝類型互相協調與平衡，經濟合理地利用和合成所需的各種物質和能量，使細胞處於平衡生長狀態。因此，在正常生長狀態下，微生物通常不會過量積累初級代謝產物，過量積累的中間代謝產物也能夠被誘導酶轉化為次級代謝產物。

微生物的自我調節部位受到三種方式的控制：調節營養物質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底物接近；調節代謝流。其中以調節代謝流的方式最為重要，它又包括兩個方面：一是調節酶的合成量，常稱為「粗調」；二是調節現有酶分子的催化活力，又稱作「細調」。兩者往往密切配合和協調，以達到最佳調節效果。實際上，上述三種控制方式都涉及酶促反應調節。酶促調節方式包括酶活性調節和酶合成調節兩大類。酶活性調節通過酶的激活作用或酶的抑制作用進行，目前研究得最為清楚的調節機制是酶的變構理論和酶分子的化學修飾調節理論，前者是通過酶分子空間構型上的變化來引起酶活性的改變，後者則是通過酶分子本身化學組成上的改變來引起酶活性的變化。酶合成調節方式主要通過影響酶合成或酶合成速率來控制酶量變化，最終達到控制代謝過程的目的。在某種化合物作用下，如導致某種酶合成或酶合成速率提高，屬於誘導作用；相反，如是導致某種酶合成停止或酶合成速率降低，則屬於酶的阻遏作用。酶活性調節和酶合成調節往往同時存在於同一個代謝途徑中，使有機體能夠迅速、準確和有效地控制代謝過程。

在微生物發酵工業中，往往需要超量積累某一種代謝產物，以獲得人們所期望的目標產物，提高生產效率。為達到這一目的，必須打破微生物原有的代謝調控系統，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物。常採用的方式有兩種：一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；另一種是發酵過程的代謝調控，即根據代謝調節的理論，通過改變發酵工藝條件（如ph、溫度、通氣量、培養基組成等）改變菌體內的代謝平衡，最大限度積累對人類有用的代謝產物。下面討論的主要是后一種調控方式。

①控制不同的發酵條件，從而改變其代謝方向，進而達到獲得高濃度積累所需產物的目標。同一種微生物在同樣的培養基中進行培養時，只要控制不同的發酵條件，就有可能獲得不同的代謝產物。如啤酒酵母在中性和酸性條件下培養，可將葡萄糖氧化生成乙醇和二氧化碳；當在培養基中加入亞硫酸氫鈉或在鹼性條件下培養時，則主要生成甘油。又如谷氨酸發酵，通氣較好時生成谷氨酸，通氣不足時則生成乳酸；只有當Nh+4過量時才積累谷氨酸，當Nh+4不足時則主要生成α酮戊二酸。

②使用誘導物或添加前體物也是發酵工業中常用於提高目標產量的方法。許多與蛋白質、糖類或其他物質降解有關的酶類都是誘導酶，在發酵過程中加入相應的底物或底物類似物作為誘導物，可以有效地增加這些酶的產量。例如，青霉素醯化酶發酵時，可用苯乙酸為誘導物；在木霉發酵生產纖維素酶中，加入槐糖可以誘導纖維素酶的合成，而加入木糖可以誘導半纖維素酶的生成。有些氨基酸、核苷酸和抗生素髮酵必須添加前體物質才能獲得較高的產率。例如，鄰氨基苯甲酸是色氨酸合成的一個前體，在發酵過程中加入鄰氨基苯甲酸可以大幅度提高發酵產量。

③在發酵培養基中通常採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嗜熱脂肪酵母，可以使澱粉酶的產量提高25倍以上；用甘露糖代替乳糖作為培養熒光假單胞菌的碳源，可使纖維素酶產量提高1500倍以上。

④使用影響細胞通透性的物質作為培養基的成分，有利於代謝產物分泌，從而避免末端產物的反饋調節。常用於改變細胞膜通透性的物質有青霉素、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；後者可以將脂類從細胞壁中溶解出來，使細胞壁疏鬆。如在里氏木霉發酵過程中加入吐溫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。

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