第六章 酿酒原理
微生物糖代谢的主要途径有：EMP途径、HMP途径、ED途径、Pk途径。
一、发酵定义：发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间有机物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
发酵机制研究的内容：
积累的产物：（1）微生物菌体；（2）酶；（3）代谢产物——厌气发酵、好气发酵。
发酵的类型：根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。
（1）好氧性发酵：在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。
（2）厌氧性发酵：在发酵过程中不需要供给无菌空气。
（3）兼性发酵：在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧发酵，大量繁殖菌体细胞。
不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物;不同的微生物对同一种物质进行发酵得到不同的产物;同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物;这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件。
代谢控制发酵：人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的代谢产物过量的积累。 发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的代谢产物的内在规律。 发酵机制研究的内容：
1. 微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及代谢调节机制）；
2. 环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施；
二、糖酵解定义：糖酵解是无氧将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应在细胞质中进行。
酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解；只是二者的最终产物不同。
糖酵解和发酵的区别：
1. 相同点：
(1)都要进行以下三个阶段：
葡萄糖 1,6-二磷酸果糖；
1,6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛；
3-磷酸甘油醛 丙酮酸
(2)都在细胞质中进行
不同点：糖酵解就是葡萄糖生成丙酮酸阶段。
根据氢受体的不同可以把发酵分为两类：(1)丙酮酸直接接受来自3-磷酸甘油醛脱下的一对氢生成乳酸的过程称为乳酸发酵。(2)丙酮酸脱羧后的产物乙醛接受来自3-磷酸甘油醛脱下的一对氢生成乙醇的过程称为酒精发酵。
三、糖酵解过程
第一阶段
第一步：葡萄糖磷酸化。（注：ATP的磷酸基团转移给接受体的反应都由激酶催化，并需Mg2+） 己糖激酶——第一个关键酶。
不可逆反应，第一个关键反应，消耗1分子ATP。
第二步：葡萄糖-6-磷酸生成果糖-6-磷酸。
第三步：果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸。
（1）不可逆反应，第二个关键酶
（2） ∆G0'= -14.2 kJ/mol － ATP
（3）果糖磷酸激酶是EMP 中最关键的限速酶。
第二阶段：磷酸己糖的裂解。
第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成。
第六步：甘油酸-1,3-二磷酸的生成（氧化作用）。
第七步：甘油酸-3-磷酸和第一个ATP生成。
第八步：甘油酸-2-磷酸的生成。
第九步：烯醇式丙酮酸磷酸的生成。
第十步：丙酮酸和第二个ATP的生成。
小结：
1、底物：1分子葡萄糖或葡萄糖单位。产物：2分子丙酮酸。
2、三步不可逆反应（关键酶）：己糖激酶、果糖磷酸激酶、丙酮酸激酶。
3、耗能：2分子ATP。产能：4分子ATP，净生成2分子ATP。
4、细胞定位：细胞液。
5、总反应：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
6、糖酵解中的反应类型：
1）磷酸转移：G + ATP → G-6-P + ADP
2）磷酸移位：3-PG ←→2-PG
3）异构化：DHAP ←→G-3-P
4）脱水：2-PG ←→ PEP
5）醇醛断裂：F-1,6-2P → DHAP + G-3-P
乙醇发酵
（一）酵母乙醇发酵
1）丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶
2）NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢
四、HMP途径
从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， 又为磷酸戊糖支路。
通常是和EMP途径同时存在一种微生物中HMP途径的一个循环的最终结果：一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。HMP途径不是产能途径，为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。氧化脱羧阶段和非氧化分子重排阶段。
五、ED途径
ED途径结果：
一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途径不如EMP途径经济。ED途径多数情况下是与HMP途径同时存在于一种微生物中，但也可以独立存在于某些细菌中。
六、乙醇发酵
（一）酵母乙醇发酵
1 丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶；2 NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢；以丙酮酸脱羧产生的
乙醛作为H受体产生乙醇。
（酵母菌酒精发酵Ⅰ型）
3、酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件：
1）厌氧；2）在好气条件：磷酸果糖激酶活性降低、丙酮酸激酶活性降低；3）不含NaHSO3。
pH小于7.6，由于乙醛生成等量的乙酸和乙醇，因此乙醛为氢受体的作用也被抑制；这时
磷酸二羟丙酮成为氢受体。这样，发酵产生的总的产物为甘油、乙醇、乙酸。
4、乙醇发酵特点：发酵氧化不彻底，仍有机物。
酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。 丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H使之还原成乙醇。
5、酒精发酵中的副产物
酵母菌酒精发酵：（1）主产物：乙醇、CO2。（2）副产物40多种：醇（杂醇油）、醛（糠醛）、酸（琥珀酸）、酯、甲醇。
A、酒精发酵中高级醇形成
（1）氨基酸氧化脱氨作用
脱氨基方式
（1）转氨基作用定义：在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸的α-氨基转移到另一种α-酮酸的酮基上，生成相应的α-氨基酸，原来的氨基酸则转变成α-酮酸的过程。
（2）氧化脱氨基作用定义：氨基酸在L-α-氨基酸脱氢酶的催化下，脱去氨基生成α-酮酸称为氧化脱氨基作用。最重要的酶是L-谷氨酸脱氢酶，它可以NAD+或NADP+为氢的接受体，使谷氨酸氧化成α-酮戊二酸。
（3）联合脱氨基
A 概念：转氨基作用和氧化脱氨基作用联合进行的脱氨基作用方式。
（2）由葡萄糖直接生成——杂醇油组分包括有：正丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇等5种成分。
（3）影响杂醇油形成的条件
a）菌种：在同样的条件下，不同菌种的杂醇油生成量相差很大。酵母的杂醇油生成量与醇脱氢酶活性关系密切，该酶活力高，杂醇油生成量大。
b）培养基组成：培养基中支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）的存在，可增加相应的高级醇（异戊醇、活性戊醇和异丁醇）的生成量。培养基中氮水平高，形成杂醇油量少，杂醇油总形成量因氮水平高而降低。
c）发酵条件：一般发酵温度高，高级醇生成量高，通风有利于高级醇生成。高级醇的生成与乙醇的生成是平行的，随乙醇的生成而生成。
B琥珀酸的生成
C酯类的生成
D糠醛、甲醇等的生成
（二）细菌的酒精发酵：菌种为运动发酵单孢菌，少数假单胞杆菌如林氏假单胞菌能利用G经
ED途径进行酒精发酵。
总反应式为：C6H12O6 + ADP + H3PO4 → 2C2H5OH + 2CO2 + ATP
产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。
细菌酒精发酵的特点——
优点：代谢速度快；发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；
缺点：厌氧且耐高温；能利用多种糖类；发酵工艺技术要求高。
七、乳酸发酵
1）乳酸脱氢酶
2）辅酶NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢
同型乳酸发酵：在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，
→2C3H6O3+2ATP 反应式：C6H12O6+2ADP+Pi−−
关键酶：乳酸脱氢酶
乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式
异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳
酸发酵。
八、(有氧条件下)醋酸发酵机制：参与醋酸发酵的微生物主要是细菌，统称为醋酸细菌。有氧条件下，能将乙醇直接氧化为醋酸，其氧化过程是一个脱氢加水的过程.转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。脱下的氢最后经呼吸链和氧结合形成水，并放出能量。
厌氧性的醋酸：有的细菌进行的是厌氧性的醋酸发酵，其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖，产生醋酸。研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和乙酸激酶 ，能利用CO2作为受氢体生成乙酸，发酵结果如下：
→3CH3COOH+4ATP (有氧条件下)醋酸发酵机制：C6H12O6 + 4(ADP+Pi) −−
九、有氧条件下，氧化成CO2和H2
O
丙酮酸——线粒体丙酮酸——乙酰CoASH——三羧酸循环——CO2＋H2O
以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程,称为好氧呼吸。
有氧呼吸特点：
基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。 E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。
产能量多，一分子G净产38个ATP。
第六章 酿酒原理
微生物糖代谢的主要途径有：EMP途径、HMP途径、ED途径、Pk途径。
一、发酵定义：发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间有机物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。
发酵机制研究的内容：
积累的产物：（1）微生物菌体；（2）酶；（3）代谢产物——厌气发酵、好气发酵。
发酵的类型：根据微生物的种类不同，可分为好氧性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。
（1）好氧性发酵：在发酵过程中需要通入一定量的无菌空气，满足微生物呼吸需要。
（2）厌氧性发酵：在发酵过程中不需要供给无菌空气。
（3）兼性发酵：在有氧、无氧条件下均能生活。如酒精酵母，在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧发酵，大量繁殖菌体细胞。
不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物;不同的微生物对同一种物质进行发酵得到不同的产物;同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物;这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件。
代谢控制发酵：人为的改变微生物的代谢调控机制，使有用的代谢产物过量的积累。 发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的代谢产物的内在规律。 发酵机制研究的内容：
1. 微生物的生理代谢规律（就是各种代谢产物合成途径及代谢调节机制）；
2. 环境因素（营养条件、培养条件等）对代谢的影响及改变代谢的措施；
二、糖酵解定义：糖酵解是无氧将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应在细胞质中进行。
酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解；只是二者的最终产物不同。
糖酵解和发酵的区别：
1. 相同点：
(1)都要进行以下三个阶段：
葡萄糖 1,6-二磷酸果糖；
1,6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛；
3-磷酸甘油醛 丙酮酸
(2)都在细胞质中进行
不同点：糖酵解就是葡萄糖生成丙酮酸阶段。
根据氢受体的不同可以把发酵分为两类：(1)丙酮酸直接接受来自3-磷酸甘油醛脱下的一对氢生成乳酸的过程称为乳酸发酵。(2)丙酮酸脱羧后的产物乙醛接受来自3-磷酸甘油醛脱下的一对氢生成乙醇的过程称为酒精发酵。
三、糖酵解过程
第一阶段
第一步：葡萄糖磷酸化。（注：ATP的磷酸基团转移给接受体的反应都由激酶催化，并需Mg2+） 己糖激酶——第一个关键酶。
不可逆反应，第一个关键反应，消耗1分子ATP。
第二步：葡萄糖-6-磷酸生成果糖-6-磷酸。
第三步：果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸。
（1）不可逆反应，第二个关键酶
（2） ∆G0'= -14.2 kJ/mol － ATP
（3）果糖磷酸激酶是EMP 中最关键的限速酶。
第二阶段：磷酸己糖的裂解。
第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成。
第六步：甘油酸-1,3-二磷酸的生成（氧化作用）。
第七步：甘油酸-3-磷酸和第一个ATP生成。
第八步：甘油酸-2-磷酸的生成。
第九步：烯醇式丙酮酸磷酸的生成。
第十步：丙酮酸和第二个ATP的生成。
小结：
1、底物：1分子葡萄糖或葡萄糖单位。产物：2分子丙酮酸。
2、三步不可逆反应（关键酶）：己糖激酶、果糖磷酸激酶、丙酮酸激酶。
3、耗能：2分子ATP。产能：4分子ATP，净生成2分子ATP。
4、细胞定位：细胞液。
5、总反应：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
6、糖酵解中的反应类型：
1）磷酸转移：G + ATP → G-6-P + ADP
2）磷酸移位：3-PG ←→2-PG
3）异构化：DHAP ←→G-3-P
4）脱水：2-PG ←→ PEP
5）醇醛断裂：F-1,6-2P → DHAP + G-3-P
乙醇发酵
（一）酵母乙醇发酵
1）丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶
2）NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢
四、HMP途径
从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， 又为磷酸戊糖支路。
通常是和EMP途径同时存在一种微生物中HMP途径的一个循环的最终结果：一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。HMP途径不是产能途径，为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。氧化脱羧阶段和非氧化分子重排阶段。
五、ED途径
ED途径结果：
一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途径不如EMP途径经济。ED途径多数情况下是与HMP途径同时存在于一种微生物中，但也可以独立存在于某些细菌中。
六、乙醇发酵
（一）酵母乙醇发酵
1 丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶；2 NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢；以丙酮酸脱羧产生的
乙醛作为H受体产生乙醇。
（酵母菌酒精发酵Ⅰ型）
3、酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件：
1）厌氧；2）在好气条件：磷酸果糖激酶活性降低、丙酮酸激酶活性降低；3）不含NaHSO3。
pH小于7.6，由于乙醛生成等量的乙酸和乙醇，因此乙醛为氢受体的作用也被抑制；这时
磷酸二羟丙酮成为氢受体。这样，发酵产生的总的产物为甘油、乙醇、乙酸。
4、乙醇发酵特点：发酵氧化不彻底，仍有机物。
酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。 丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H使之还原成乙醇。
5、酒精发酵中的副产物
酵母菌酒精发酵：（1）主产物：乙醇、CO2。（2）副产物40多种：醇（杂醇油）、醛（糠醛）、酸（琥珀酸）、酯、甲醇。
A、酒精发酵中高级醇形成
（1）氨基酸氧化脱氨作用
脱氨基方式
（1）转氨基作用定义：在转氨酶(transaminase)的作用下，某一氨基酸的α-氨基转移到另一种α-酮酸的酮基上，生成相应的α-氨基酸，原来的氨基酸则转变成α-酮酸的过程。
（2）氧化脱氨基作用定义：氨基酸在L-α-氨基酸脱氢酶的催化下，脱去氨基生成α-酮酸称为氧化脱氨基作用。最重要的酶是L-谷氨酸脱氢酶，它可以NAD+或NADP+为氢的接受体，使谷氨酸氧化成α-酮戊二酸。
（3）联合脱氨基
A 概念：转氨基作用和氧化脱氨基作用联合进行的脱氨基作用方式。
（2）由葡萄糖直接生成——杂醇油组分包括有：正丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇等5种成分。
（3）影响杂醇油形成的条件
a）菌种：在同样的条件下，不同菌种的杂醇油生成量相差很大。酵母的杂醇油生成量与醇脱氢酶活性关系密切，该酶活力高，杂醇油生成量大。
b）培养基组成：培养基中支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）的存在，可增加相应的高级醇（异戊醇、活性戊醇和异丁醇）的生成量。培养基中氮水平高，形成杂醇油量少，杂醇油总形成量因氮水平高而降低。
c）发酵条件：一般发酵温度高，高级醇生成量高，通风有利于高级醇生成。高级醇的生成与乙醇的生成是平行的，随乙醇的生成而生成。
B琥珀酸的生成
C酯类的生成
D糠醛、甲醇等的生成
（二）细菌的酒精发酵：菌种为运动发酵单孢菌，少数假单胞杆菌如林氏假单胞菌能利用G经
ED途径进行酒精发酵。
总反应式为：C6H12O6 + ADP + H3PO4 → 2C2H5OH + 2CO2 + ATP
产物和酵母菌的酒精发酵相同，但产能水平各异。
细菌酒精发酵的特点——
优点：代谢速度快；发酵周期短，比酵母菌的酒精产率高；
缺点：厌氧且耐高温；能利用多种糖类；发酵工艺技术要求高。
七、乳酸发酵
1）乳酸脱氢酶
2）辅酶NADH+H+——来自甘油醛3-磷酸脱氢
同型乳酸发酵：在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，
→2C3H6O3+2ATP 反应式：C6H12O6+2ADP+Pi−−
关键酶：乳酸脱氢酶
乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式
异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳
酸发酵。
八、(有氧条件下)醋酸发酵机制：参与醋酸发酵的微生物主要是细菌，统称为醋酸细菌。有氧条件下，能将乙醇直接氧化为醋酸，其氧化过程是一个脱氢加水的过程.转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。脱下的氢最后经呼吸链和氧结合形成水，并放出能量。
厌氧性的醋酸：有的细菌进行的是厌氧性的醋酸发酵，其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖，产生醋酸。研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和乙酸激酶 ，能利用CO2作为受氢体生成乙酸，发酵结果如下：
→3CH3COOH+4ATP (有氧条件下)醋酸发酵机制：C6H12O6 + 4(ADP+Pi) −−
九、有氧条件下，氧化成CO2和H2
O
丙酮酸——线粒体丙酮酸——乙酰CoASH——三羧酸循环——CO2＋H2O
以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程,称为好氧呼吸。
有氧呼吸特点：
基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。 E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。
产能量多，一分子G净产38个ATP。