学习情境有机酸柠檬酸.ppt
《学习情境有机酸柠檬酸.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学习情境有机酸柠檬酸.ppt(107页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、学习情境有机酸柠檬酸现在学习的是第1页,共107页柠檬酸柠檬酸n柠檬酸(Citricacid)分子式为C6H8O7。外观为白色颗粒状或白色结晶粉末,无臭,具有令人愉快的强烈的酸味,相对密度为1.6550。n柠檬酸易溶于水、酒精、不溶于醚、酯、氯仿等有机溶剂。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸和一水柠檬酸,前者在高于36.6的水溶液中结晶析出,后者在低于36.6水溶液中结晶析出。它天然存在于果实中,其中以柑桔、菠萝、柠檬、无花果等含量较高。n柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。现在学习的是第2页,共107页n柠檬酸柠檬酸17841784年由年由ScheelsScheels氏发现氏发现n18931893年前,
2、主要用柑橘、菠萝、柠檬等果实提取柠檬酸年前,主要用柑橘、菠萝、柠檬等果实提取柠檬酸n18931893年德国微生物学家年德国微生物学家WehmerWehmer发现二种青霉菌可以生成柠檬酸发现二种青霉菌可以生成柠檬酸n19171917年年CurrieCurrie使用黑曲霉浅盘发酵生产柠檬酸使用黑曲霉浅盘发酵生产柠檬酸n19231923年年美美国国科科学学家家研研究究成成功功了了以以废废糖糖蜜蜜为为原原料料的的浅浅盘盘法法柠柠檬檬酸酸发发酵酵,并在比利时设厂生产。并在比利时设厂生产。n19381938年年PerquinPerquin和和19421942年年KarrowKarrow进行了柠檬酸的深层发
3、酵研究进行了柠檬酸的深层发酵研究 n19511951年年美美国国MilesMiles公公司司首首先先以以淀淀粉粉质质为为原原料料,经经水水解解后后深深层层发发酵酵大大规规模模生产柠檬酸。生产柠檬酸。柠檬酸柠檬酸现在学习的是第3页,共107页柠檬酸柠檬酸n我国1953年刚开始也是采用浅盘法发酵生产柠檬酸,n1968年用薯干为原料采用深层发酵法生产柠檬酸成功,由于工艺简单、原料丰富、发酵水平高,各地陆续办厂投产,至20世纪70年代中期,柠檬酸工业已初步形成了生产体系。现在学习的是第4页,共107页n我国柠檬酸行业从产量上位居世界第一,从技术上,在国际上也是处于世界领先水平,并远远领先于其他国家,其
4、优势优势在于:n1.我国的柠檬酸发酵采用的菌种(黑曲霉)具有双重功能,当淀粉原料被液化后,即可进行发酵,不需要将淀粉水解成葡萄糖,简化了生产工艺,降低了生产成本。n2.尽管采用边糖化边发酵的工艺,但发酵周期只有64小时,生产周期比国外要短。n3.柠檬酸的产酸速度大大地高于国外水平。平均产酸速率是国外的2倍。现在学习的是第5页,共107页n柠檬酸是目前世界上以生物化学方法生产,产量最大的有机酸。n我国是一个柠檬酸的生产大国,1995年的产量为16万吨,1999年底达到20万吨,其中80以上都出口国外,在国际市场上占有重要地位。现在学习的是第6页,共107页n2000年的产量达到36.9万吨,柠檬
5、酸及柠檬酸盐出口量为25.8万吨,分别比1999年增长了36.4%和23.3%,为历史最高水平。n2001年世界柠檬酸消费量(不含中国)已经升至近200万吨,年递增率约5%,我国柠檬酸产量约为35万吨,柠檬酸及柠檬酸盐出口量为27.8万吨。n2002年我国柠檬酸产量突破了40万吨,达到了40.2万吨,而柠檬酸及柠檬酸盐出口基本与2001年持平,为28.3万吨。现在学习的是第7页,共107页柠檬酸的消费领域:n 饮料行业占4045n 食品添加剂等占1520n 洗涤剂占2030n 医药占5n 其它占10 2004年全球柠檬酸产量约120万吨,欧盟和美国为最大消费市场。现在学习的是第8页,共107页
6、n 欧洲是柠檬酸的第二大生产地,产量约30万吨n 美国柠檬酸年产量约25万吨n 我国是柠檬酸的第一大生产国,估计年产约50万吨 但在1970年时,我国的柠檬酸年产仅有130吨现在学习的是第9页,共107页我国柠檬酸发酵生产的回顾和展望 n我国于五十年代初期开始柠檬酸浅盘发酵研究,n1968年轻工业部发酵研究所与黑龙江和平糖厂合作,首先完成了甜菜糖蜜浅盘表面发酵并投入工业化生产。n1965年,上海市工业微生物研究所筛选出N558菌种,并与天津工业微生物研究所,南通发酵厂等合作,使之用于工业化生产,并在全国推广,形成我国独特的薯干直接深层发酵法生产柠檬酸。现在学习的是第10页,共107页我国柠檬酸
7、发酵生产的回顾和展望我国柠檬酸发酵生产的回顾和展望 n从七十年代到九十年代,我国一直致力于柠檬酸生产菌种的改进,n1990年,上海市工业微生物研究所完成国家七五攻关项目筛选出860菌种,发酵产酸达20,n上海市工业微生物研究所开始以薯渣为主原料,以黑曲霉为菌种,固体发酵法生产柠檬酸钙的研究。并于1977年中试成功并投入生产,现在全国已有四十余个工厂,采用固体发酵法由薯渣生产柠檬酸及柠檬酸钙产品。现在学习的是第11页,共107页n我国以石油原料发酵柠檬酸开始于1970年,先后在天津、上海、沈阳等地进行研究,并一度投入小规模试验生产,是用正烷烃为原料,以解脂假丝酵母为菌种,发酵产酸达13以上,转化
8、率140以上,但因柠檬酸只占总酸的50%(另一半为异柠檬酸)而且由于成本较高及石油原料紧缺和食用安全性等原因,未能坚持研究和生产。现在学习的是第12页,共107页n我国的发酵技木及生产水平,特别是菌种及发酵工艺均为世界领先水平。n薯干粉、淀粉、木薯粉、葡萄糖母液等直接深层发酵技术为我国所独有。n国外发酵罐容积通常在200m3,并较早实现自动控制;我国的最大柠檬酸发酵罐为150m3现在学习的是第13页,共107页一、柠檬酸在食品中的应用 1)饮料与冰淇淋n柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软饮料n柠檬酸本身是果汁的天然成分之一,不仅赋于饮料水果风味,而且具有增溶、缓冲、抗氧化等作用,能使饮料
9、中的糖、香精、色素等成分交融协调,形成适宜的口味和风味;添加柠檬酸可以改善冰淇淋的口味,增加乳化稳定性,防止氧化作用。现在学习的是第14页,共107页2)果酱与酿造酒n柠檬酸在果酱与果冻中同样可以增进风味,并使产品抗氧化作用。由于果酱、果冻的凝胶性质需要一定范围的pH值,添加一定量的柠檬酸可以满足这一要求。n当葡萄或其它酿酒原料成熟过度而酸度不足时,可以用柠檬酸调节,以防止所酿造的酒口味单薄。柠檬酸加到这些果汁中还有抗氧化和保护色素的作用,以保护果汁的新鲜感和防止变色。现在学习的是第15页,共107页n3)腌制品 各种肉类和蔬菜在腌制加工时,加入或涂上柠檬酸可以改善风味,除腥去臭,抗氧化。n4
10、)罐头食品 加入柠檬酸除了调酸作用之外,还有螯合金属离子的作用,保护其中的抗坏血酸,使之不被金属离子破坏。柠檬酸添加到植物油中也有类似的作用。现在学习的是第16页,共107页n5)豆制品及调味品 用含有柠檬酸的水浸渍大豆,可以脱腥并便于后续加工。柠檬酸可以用于大豆等豆类蛋白、葵花子蛋白的水解,生产出风味别致的调味品。它也可以用于成熟调味品(酱油等)的调味。n6)其它 柠檬酸在医药、化学等其它工业中也有一定的作用。柠檬酸铁胺可以用作补血剂;柠檬酸钠可用作输血剂;柠檬酸可制造食品包装用薄膜及无公害洗涤剂。现在学习的是第17页,共107页二、柠檬酸发酵微生物n1)黑曲霉(Aspergillusnig
11、er)的形态特征 目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌。n在固体培养基上,菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色,菌落呈绒毛状,边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝,是多细胞的菌丝体,无色或有色,有足细胞,顶囊生成一层或两层小梗,小梗顶端产生一串串分生孢子。现在学习的是第18页,共107页二、柠檬酸发酵微生物n2)黑曲霉(Aspergillusniger)的生理特征n黑曲霉生产菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麦芽糖、糊精、乳糖等培养基上生长、产酸。n黑曲霉生长最适pH值因菌种而异,一般为pH37;产酸最适pH为1.82.5。生长最适温度为3337,产酸最适温度在2837,温度过高易形
12、成杂酸,斜面培养要求在麦芽汁4Be左右的培养基上。现在学习的是第19页,共107页二、柠檬酸发酵微生物n黑曲霉以无性生殖的形式繁殖,具有多种活力较强的酶系,能利用淀粉类物质,并且对蛋白质、单宁、纤维素、果胶等具有一定的分解能力。现在学习的是第20页,共107页二、柠檬酸发酵微生物n黑曲霉可以边长菌、边糖化、边发酵产酸的方式生产柠檬酸。现在学习的是第21页,共107页三、柠檬酸发酵机理n关于柠檬酸发酵的机制有多种理论,目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。n糖经糖酵解途径(EMP途径),形成丙酮酸,丙酮酸羧化形成C4化合物,丙酮酸脱羧形成C2化合物,两者缩合形成柠檬酸。现在学习的是第22
13、页,共107页柠檬酸的溢出代谢柠檬酸的溢出代谢:多种微生物均能因受刺激而过量合成柠檬酸。研究柠檬酸溢出代谢的最好的例子无疑是黑曲霉。黑曲霉之所以能在特定环境条件下累积柠檬酸,是因为在这种环境条件下代谢途径前段的运转速率大于后段的运转速率。柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉特有的遗传和生化机制与培养条件共同起作用的结果。引起溢出代谢的原因原因包括以下三个方面三个方面:现在学习的是第23页,共107页高水平的柠檬酸合成能力。这个能力由3个因素构成。第一:是在有高浓度草酰乙酸(OAA)的情况下对 AcCoA 具有高度亲和力的组成型的柠檬酸合成酶(CS)的存在;第二:是催化丙酮酸(PYR)固定CO2生成草酰乙酸
14、反应的高水平的组成型的丙酮酸羧化酶(PC)的存在;现在学习的是第24页,共107页第三:是在缺少锰的条件下,蛋白质分解或蛋白质合成受阻造成的铵的高浓度能解除柠檬酸(CTA)对磷酸果糖激酶(PFK)的抑制。此外,柠檬酸的分泌,降低其胞内浓度。现在学习的是第25页,共107页较低的降解柠檬酸的能力。这能力由两个因素构成。第一是低水平的-酮戊二酸脱氢酶(KD)影响TCA环运行的畅通程度,使TCA环前半部的中间产物积压;第二,在锰缺乏的条件下,顺乌头酸酶(AE)和 异柠檬酸脱氢酶(ID)的活性降低,从而使柠檬酸的累积比其它几种酸(顺乌头酸、异柠檬酸和-酮戊二酸)更明显。现在学习的是第26页,共107页
15、 在柠檬酸过量合成阶段,培养基的 pH 值显然会影响细胞膜对目的产物柠檬酸的跨膜输送;柠檬酸的分泌也会影响培养基的 pH值。锰与铁的缺乏有利于柠檬酸的排出。现在学习的是第27页,共107页黑黑曲曲霉霉中中柠柠檬檬酸酸的的代代谢谢溢溢出出GG-6-P(磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶)柠檬酸柠檬酸,NH4I+A1.6二磷酸果糖丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰CoA柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸(丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶)(柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶)-酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶现在学习的是第28页,共107页T
16、CA循环在柠檬酸积累中的调节n1)大量生成草酰乙酸是积累柠檬酸的关键;n2)丙酮酸羧化酶和柠檬酸合成酶基本上不受代谢调节的控制或极微弱;n3)TCA循环的阻断或微弱(即顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶活力降低),导致柠檬酸积累。而且,当柠檬酸浓度超过一定水平,就抑制异柠檬酸脱氢酶活力来提高自身的积累。现在学习的是第29页,共107页回补途径回补途径TCA循环重要功能除产能外,为一些氨基酸和其循环重要功能除产能外,为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物;它化合物的合成提供了中间产物;生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充,循生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充,循环就会中断;环
17、就会中断;回补方式:回补方式:通过某些化合物的通过某些化合物的CO2固定作用,固定作用,一些转氨基酶所催化的反应也能合成一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和草酰乙酸和-酮戊二酸,酮戊二酸,通过乙醛酸循环通过乙醛酸循环现在学习的是第30页,共107页通过某些化合物的通过某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循环的中间产固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补:物得到回补:丙酮酸羧化酶:丙酮酸羧化酶:CO2+丙酮酸丙酮酸+ATP+H2O Mg+草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶:CO2+PEP+H2O 草酰乙酸草酰乙酸+H3PO4苹果酸酶苹果酸酶:CO2+丙
18、酮酸丙酮酸+NADPH+H+苹果酸苹果酸+NADP+为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长,为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长,异养微生物异养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。至少要具备上述几种酶之种的一个酶。CO2固定作用补充TCA环的中间产物现在学习的是第31页,共107页现在学习的是第32页,共107页转氨基作用转氨基作用n定义:定义:-氨基酸的氨基通过酶的催化,转移到-酮酸的酮基上,生成相应的氨基酸;原来的-氨基酸则转变成相应的-酮酸。R1CHNH2 +COOHR2 C=O COOHR1 C=O +COOHR2 CHNH2 COOH转氨酶转氨酶现在学习的是第3
19、3页,共107页转氨基作用几点说明:转氨基作用几点说明:(1)可逆反应,)可逆反应,(2)转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺)转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺(3)重要的转氨酶:)重要的转氨酶:丙氨酸转移酶(丙氨酸转移酶(ALT)/谷丙转氨酶(谷丙转氨酶(GPT)天冬氨酸转移酶(天冬氨酸转移酶(AST)/谷草转氨酶谷草转氨酶(GOT)ALT常用于肝疾患(肝炎等)辅助诊断、常用于肝疾患(肝炎等)辅助诊断、AST用于心肌疾患(心肌梗塞等的辅助诊断)用于心肌疾患(心肌梗塞等的辅助诊断)现在学习的是第34页,共107页 CH3 H-C-NH2 +COOH COOH (CH2)2 C=O COOH
20、 丙氨酸丙氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸 谷氨酸谷氨酸ALT:谷丙转氨酶,急性肝炎时血清谷丙转氨酶,急性肝炎时血清ALT 活性显著增高。活性显著增高。ALT CH3 C=O +COOH COOH (CH2)2 H-C-NH2 COOH现在学习的是第35页,共107页 COOH CH2 +H-C-NH2 COOH COOH (CH2)2 C=O COOHAST 天冬氨酸天冬氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸 草酰乙酸草酰乙酸 谷氨酸谷氨酸AST:谷草转氨酶,心肌梗塞时血清含量明显增高谷草转氨酶,心肌梗塞时血清含量明显增高.COOH CH2 +C=O COOH COOH (CH2)2 H-C-NH2
21、 COOH现在学习的是第36页,共107页乙醛酸循环乙醛酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸琥珀酸琥珀酸异柠檬酸异柠檬酸苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸乙醛酸乙醛酸乙酰乙酰CoA乙酰乙酰CoA乙酸乙酸乙酸乙酸现在学习的是第37页,共107页乙醛酸循环乙醛酸循环能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶,它使乙酸转变为乙酰CoA;然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应乙醛酸循环的主要反应:异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸 乙醛酸乙醛酸+乙酸乙酸 苹果酸苹果酸 琥珀酸琥珀酸+乙酸乙酸 异柠檬酸异柠檬酸 净反应:净反应:2乙酸乙酸 苹果酸苹果酸现在学习的是
22、第38页,共107页柠檬酸发酵机理n柠檬酸的发酵机理可概括为:大量的胞内NH4+和呼吸活性提高,使通过糖酵解途径的代谢得到加强葡萄糖经EMP通路分解成为丙酮酸,进入三羧酸循环,在丙酮酸脱氢酶复合物作用下氧化成为乙酰CoA及CO2,然后在柠檬酸合成酶作用下与草酰乙酸缩合而形成柠檬酸,而异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶因受到抑制,而使柠檬酸得以积累。现在学习的是第39页,共107页葡萄糖葡萄糖 丙丙酮酮酸酸+丙丙酮酮酸酸 乙乙酰辅酰辅酶酶A(CH3CO-CoA)CO2固定反固定反应应+草酰乙酸草酰乙酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸KGA(柠檬酸合成
23、酶)(柠檬酸合成酶)柠檬酸发酵机理柠檬酸发酵机理n按照正常的微生物菌体的代谢规律,上述途径按照正常的微生物菌体的代谢规律,上述途径并不能够积累柠檬酸,而是进入并不能够积累柠檬酸,而是进入TCATCA循环,被循环,被彻底氧化,柠檬酸产生菌之所以能够大量积累彻底氧化,柠檬酸产生菌之所以能够大量积累柠檬酸,其产生菌菌种必须具备一定的内在因柠檬酸,其产生菌菌种必须具备一定的内在因素,也就是:柠檬酸后述的各种酶,主要是,素,也就是:柠檬酸后述的各种酶,主要是,顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶酶顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶酶 的活性丧失的活性丧失或非常微弱,否则,合成的柠檬酸迅速被降解或非常微弱,否则,合成的柠檬
24、酸迅速被降解成其他物质。成其他物质。现在学习的是第40页,共107页柠檬酸生物合成中的代谢调节与控制追求柠檬酸的高产率 n柠檬酸是微生物生长代谢过程中的一个中间性产物,在正常的微生物体内不能够积累的,如果有积累的话,与柠檬酸合成有关的各种酶的活性,则会受到抑制或阻遏,那么,柠檬酸发酵过程中,这种抑制或阻遏是如何被克服的呢?现在学习的是第41页,共107页1.磷酸果糖激酶(PFK)活性的调节n从葡萄糖柠檬酸的合成过程中,PFK 是一种调节酶或者称之为关键酶,其酶活性受到柠檬酸的强烈抑制,这种抑制必须解除,否则,柠檬酸合成的途径就会因为该酶活性的抑制而被阻断,停止柠檬酸的合成,n研究表明,微生物体
25、内的NH4+,可以解除柠檬酸对PFK的这种反馈抑制作用,在较高的NH4+的浓度下,细胞可以大量形成柠檬酸,那么NH4+浓度是如何升高的呢?在正常情况下,柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶有抑制作用,而AMP、无机磷、铵离子对该酶则有激活作用,特别是 还能解除柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶的抑制作用。铵离子浓度与柠檬酸生成速度有密切关系,正是由于细胞内铵离子浓度升高,使磷酸果糖激酶对细胞内积累的大量柠檬酸不敏感。现在学习的是第42页,共107页1.磷酸果糖激酶(PFK)活性的调节n 研究表明,柠檬酸产生菌黑曲霉如果生长在Mn+缺乏的培养基中,NH4+浓度异常的高,可达到25mmol/L,显然,由于Mn+
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 学习 情境 有机酸 柠檬酸
限制150内