发酵过程的代谢调控-发酵工艺过程控制

微生物在长期的进化过程中形成了整套可塑性强和精确的代谢调节系统，可以通过自我调节使机体内的代谢途径与代谢类型互相协调与平衡，经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量，使细胞处于平衡生长状态。因此，在正常生长状态下，微生物通常不会过量积累初代谢产物，过量积累的中间代谢产物也能够被诱导酶转化为次代谢产物。

微生物的自我调节部位受到三种方式的控制：调节营养物质透过细胞膜进入细胞的能力；通过酶的定位以限制它与相应底物接近；调节代谢流。其中以调节代谢流的方式为重要，它又包括两个方面：是调节酶的合成量，常称为“粗调"；二是调节现有酶分子的催化活力，又称作“细调"。两者往往密切配合和协调，以达到佳调节效果。实际上，上述三种控制方式都涉及酶促反应调节。酶促调节方式包括酶活性调节和酶合成调节两大类。酶活性调节通过酶的激活作用或酶的抑制作用进行，目前研究得为清楚的调节机制是酶的变构理论和酶分子的化学修饰调节理论，前者是通过酶分子空间构型上的变化来引起酶活性的改变，后者则是通过酶分子本身化学组成上的改变来引起酶活性的变化。酶合成调节方式主要通过影响酶合成或酶合成速率来控制酶量变化，终达到控制代谢过程的目的。在某种化合物作用下，如导致某种酶合成或酶合成速率提高，属于诱导作用；相反，如是导致某种酶合成停止或酶合成速率降低，则属于酶的阻遏作用。酶活性调节和酶合成调节往往同时存在于同个代谢途径中，使有机体能够迅速、准确和有效地控制代谢过程。

在微生物发酵工业中，往往需要超量积累某种代谢产物，以获得人们所期望的目标产物，提高生产效率。为达到这目的，必须打破微生物原有的代谢调控系统，让微生物建立新的代谢方式，高浓度地积累人们所期望的代谢产物。常采用的方式有两种：种是通过各种育种方法，改变微生物遗传特性，从根本上改变微生物的代谢；另种是发酵过程的代谢调控，即根据代谢调节的理论，通过改变发酵工艺条件（如ph、温度、通气量、培养基组成等）改变菌体内的代谢平衡，大限度积累对人类有用的代谢产物。

下面讨论的主要是后种调控方式。

①控制不同的发酵条件，从而改变其代谢方向，进而达到获得高浓度积累所需产物的目标。同种微生物在同样的培养基中进行培养时，只要控制不同的发酵条件，就有可能获得不同的代谢产物。如啤酒酵母在中性和酸性条件下培养，可将葡萄糖氧化生成乙醇和二氧化碳；当在培养基中加入亚硫酸氢钠或在碱性条件下培养时，则主要生成甘油。又如发酵，通气较好时生成，通气不足时则生成乳酸；只有当Nh+4过量时才积累，当Nh+4不足时则主要生成c酮戊二酸。

②使用诱导物或添加前体物也是发酵工业中常用于提高目标产量的方法。许多与蛋白质、糖类或其他物质降解有关的酶类都是诱导酶，在发酵过程中加入相应的底物或底物类似物作为诱导物，可以有效地增加这些酶的产量。例如，酰化酶发酵时，可用为诱导物；在木毒发酵生产纤维素酶中，加入槐糖可以诱导纤维素酶的合成，而加入木糖可以诱导半纤维素酶的生成。有些氨基酸、核苷酸和抗生素发酵必须添加前体物质才能获得较高的产率。例如，是合成的个前体，在发酵过程中加入可以大幅度提高发酵产量。

③在发酵培养基中通常采用适量的速效和迟效碳源、氮源的配比，来满足机体生长的需要和避免速效碳源、氮源可能引起的分解代谢阻遏。例如，用甘油代替果糖作为碳源培养嗜热脂肪酵母，可以使的产量提高25倍以上；用甘露糖代替乳糖作为培养荧光假单胞菌的碳源，可使纤维素酶产量提高1500倍以上。

④使用影响细胞通透性的物质作为培养基的成分，有利于代谢产物分泌，从而避免未端产物的反馈调节。常用于改变细胞膜通透性的物质有、表面活性剂等。前者能抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；后者可以将脂类从细胞壁中溶解出来，使细胞壁疏松。如在里氏木霉发酵过程中加入吐温80，能增加细胞膜通透性，可提高纤维素酶的产量。控制Mn2+、Zn2+的浓度，也可以干扰细胞膜或细胞壁的形成。另外，也可通过诱变育种筛选细胞透性突变株来实现。