第三节　食品发酵过程的生化机理

一、微生物的生长繁殖及食物大分子的降解

微生物在生长繁殖过程中与周围进行着物质交换和能量交换，微生物吸收外界的能量完成自身的生长与繁殖，同时完成代谢产物的转化，包括合成代谢和分解代谢。

（一）微生物的生长繁殖

微生物在适宜的环境条件下，不断地吸收营养物质，进行自身的代谢活动。当同化作用大于异化作用，细胞数目不断增加，体积得以增大，表现为生长；微生物的生长往往伴随着细胞数目的增加，进而引起个体数目增加，称为繁殖。生长和繁殖始终是交替进行的，当环境条件适宜，微生物正常生长，繁殖速率高；如果某些环境条件发生改变，并超出微生物可以适应的范围，就会对机体产生抑制作用。

1．微生物的生长规律

在一定的培养条件下，微生物的生长遵循一定的规律，通常把微生物的生长分为适应期、对数期、稳定期和衰亡期4个时期。

（1）适应期　通常又称为迟缓期，适应期指微生物接种到新的培养基开始到正常繁殖之前。在这段时间内，微生物细胞基本不增长，但为细胞分裂做准备（细胞体积增大、DNA含量增多）。微生物细胞在适应期内完成对新环境的适应，合成相关的酶类、辅酶或中间代谢产物。如巨大芽孢杆菌接种在新的培养基后，细胞长度明显增大、代谢机能非常活跃。微生物细胞的适应期因菌种不同而异，这主要受菌种本身（遗传性、菌种的代数）和外界环境因素（培养基）的影响。在发酵工业生产中，通常采用缩短适应期的方式来提高生产效率，主要措施有：①采用对数期的菌种，同时适当增大接种量；②微生物的原培养基和接种后培养基的营养成分尽量保持一致。

（2）对数期　微生物经过适应期后适应了新的培养环境，同时也完成了进行细胞分裂的准备工作。在适应期之后的一个时期细胞以最快的速度进行生长，此时细胞内各种酶系活跃、代谢旺盛，细胞数目以几何级数增加，即细胞数目遵循以下的公式2⁰→2¹→2²→2³→2⁴→……→2ⁿ，其中n 为细胞分裂的代数。

若细胞每分裂一次所需的时间为G，单位时间内繁殖的代数为R，设在t₀时刻细胞数目为x，经过n次分裂后，t₁时刻细胞数目为y，则有：

y＝2ⁿx；lgy＝lgx＋nlg2

即　　　　　　　　　　　　　n＝（lgy－lgx）/lg2

则 　　　　　　　　　G＝（t₁－t₀）/n；R＝n/（t₁－t₀）

从以上可以看出，一定时间内细胞分裂的次数越多，细胞每分裂一次所需的时间G 越短，细胞繁殖的代数R就越多。

细胞在对数期分裂一次所需时间与菌种本身和培养条件等因素有关，不同菌种的代时G不同，培养基成分和外界环境也会影响菌种的代时。

（3）稳定期　微生物细胞经过一段时期的对数生长后，细胞数目开始趋于稳定，此时繁殖的新细胞数与死亡的细胞数趋于动态平衡。稳定期细胞的活力逐渐减弱，代谢产物开始大量积累，其中有部分代谢产物会对微生物活动产生消极作用，从而逐渐形成了不利于微生物生长的因素。稳定期是获得代谢产物的最佳时期，同时稳定期的细胞数目达到最大值，因此也是收获菌体的最佳时期。在实际发酵生产中通常采用延长稳定期的方法来获得更多的发酵产物，延长稳定期的措施主要有添加培养基、调节温度和pH等。

（4）衰亡期　微生物细胞经过稳定期后，死亡细胞数大于增殖的新细胞数，净活细胞数出现减少，此阶段的细胞多表现为膨胀、不规则的退化和多液泡等特征，有的还出现细胞自溶现象。出现衰亡期的主要原因是培养基的营养成分已消耗殆尽，代谢产物大量积累，微生物生长环境中pH及氧化还原电位的改变已不再适宜微生物的生长，从而引起微生物细胞内分解代谢大于合成代谢，导致菌体死亡。

2．连续培养

微生物的生长规律是描述微生物在一定容积容器中进行生长、繁殖和死亡的规律。这种采用固定容积培养基培养微生物的方式称为分批培养。分批培养的特点是根据生产的需要采用一定体积的培养基培养微生物，定时收获发酵产物。在分批培养中随着发酵的进行，培养基中营养物质不断被消耗，代谢产物的积累使得微生物很快进入衰亡期。在发酵生产中为了持续不断地获得发酵产物，必须使微生物细胞处于一种稳定的培养环境。连续培养是指微生物在以分批培养方式培养到对数期后期时，以一定的速度向发酵罐中加入新鲜的培养基，同时以相同的速度不断地排出发酵物，使培养物达到动态平衡，其中的微生物可以长时间保持在对数期，从而不断地产生代谢产物。连续培养可以提高发酵产物的生产效率，同时促进了发酵自动化的发展。连续培养主要有恒浊连续培养和恒化连续培养2种。

（1）恒浊连续培养　该方法是利用光电控制系统通过培养液的浊度来分析微生物细胞浓度，进而通过控制培养液的流速获得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞培养液。在实际生产中为了获得大量菌体或与菌体数量一致的代谢产物可以采用恒浊连续培养法。

（2）恒化连续培养　该方法是使培养液保持恒定的流速，使微生物处于一定生长速率（低于最高生长速率）的培养方式。在恒化培养过程中将某种营养物质限定在低浓度（限制因子），其他营养物质充足，微生物的生长速率决定于限制因子的量，限制因子随着微生物细胞的生长含量逐渐降低，而恒定流速培养液的加入又补充了限制因子的量，因此使微生物保持一个恒定的生长速率。

3．同步培养

在微生物发酵中，细胞以一定的速率生长，但这些细胞并非处在同一阶段，对每个细胞的变化情况进行研究时应使每个细胞处于同一生长阶段。获得同步细胞的方法有2种：一是利用离心法或过滤法分离体积较小的细胞，这部分细胞一般是刚刚完成分裂的细胞；二是通过控制外界环境如温度、光线和添加培养基来诱导细胞处于同步。由于细胞之间的个体差异性，随着培养的进行，同步细胞经过几代分裂便会失去同步性。

4．影响微生物生长的因素

影响微生物生长的因素除了培养基营养成分外，还包括许多外界环境因素。了解影响微生物生长的各种外界环境因素可以指导食品发酵。

（1）温度　温度是影响微生物生长的重要因素，任何一种微生物都有其最适生长范围，这个范围包括最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度。酵母菌和霉菌的最适生长温度一般为25～28℃，腐生性细菌最适生长温度一般在30～35℃，寄生于人体和动物体内的微生物最适生长温度为37℃。在低温条件下，微生物的生长繁殖速度较缓慢，在最低温度时大多数微生物的活动呈极低的状态，且能较长时间保持活力。因此，低温也是保存微生物菌种的一种有效方法，一般的菌种在5～10 ℃能保存较长的时间。然而，低温会导致某些微生物死亡，当环境温度在0℃以下时，细胞内的水分会形成冰晶，造成细胞脱水或者细胞膜的物理损伤，从而死亡。最适生长温度是微生物生长速率最高时的温度，不同的微生物有不同的最适生长温度，同一微生物在不同生长时期的最适生长温度也不同。最高生长温度是微生物所能承受的最高温度，当环境温度高于最高温度时，微生物不能生长，甚至可能死亡，主要原因是高温使微生物细胞内的蛋白质和酶变性、失活，这也是高温灭菌的原理。

温度是控制微生物生长繁殖的重要因素，在发酵生产中可以利用微生物对温度的适应性，通过调控发酵温度保证产品的质量。腐乳发酵利用的毛霉的最适生长温度是16～22℃，腐乳前期发酵是使毛霉生长旺盛，而毛霉在生长过程中会散发热量，一段时间后温高可达30℃，这一温度不再适应毛霉的生长，必须降低发酵温度，从而保证腐乳的质量。另外，还可以通过调控发酵温度来控制代谢产物的产生。在浓香型白酒发酵中，发酵前期控制窖池内温度上升速度，酵母菌成为优势菌，好氧菌和兼性厌氧菌得到抑制，促进了酒精发酵，减少了乳酸的生成；在发酵后期使窑池内温度高于正常发酵，促进兼性厌氧菌的生长繁殖，有利于窑池内生酸产酯。

（2）氧气　根据微生物和氧的关系，微生物可分为专性好氧菌、兼性厌氧菌、微好氧菌、耐氧菌和厌氧菌5大类，微生物对氧的需求主要取决于自身的生理代谢特征。

① 专性好氧菌　这类微生物在有高浓度分子氧的条件下才能正常生长，细胞内有超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶，大部分真菌、细菌和放线菌都属于此类微生物。

② 兼性厌氧菌　这类微生物细胞内含SOD和过氧化氢酶，在有氧和无氧条件下都能正常生长。有氧时通过呼吸产能，无氧时通过发酵和无氧呼吸产能。兼性厌氧菌包括部分酵母菌和细菌，如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）等。

③ 微好氧菌　这类微生物只有在较低氧分压（1～3kPa）条件下才能正常生长，这类微生物也是通过呼吸链产能。微好氧菌包括霍乱弧菌（Vibrio cholerae）、氢单胞菌属（Hydrogenomonas）等。

④ 耐氧菌　这类微生物在分子氧存在下可进行厌氧发酵，分子氧对它未表现出毒性，不具有呼吸链，依靠专性发酵获得能量，细胞内存在SOD和过氧化物酶，但没有过氧化氢酶。耐氧菌包括乳酸乳杆菌（Lactobacillus lactis）、乳链球菌（Streptococcus lactis）等。

⑤ 厌氧菌　这类微生物细胞内缺乏SOD和细胞色素氧化酶，另外一部分菌还缺乏过氧化氢酶。SOD是决定微生物对氧气耐受性的重要原因，在有氧气条件下细胞产生的O^2－·（超氧阴离子自由基）能破坏各种高分子化合物和膜结构，从而对细胞造成损伤。SOD的存在可催化O^2－·转化为H₂O₂，过氧化氢酶可进一步催化H₂O₂转化为H₂O，因此解除了O^2－·对细胞的损伤。厌氧菌细胞内不存在SOD，因此分子氧对它们有毒。这类微生物通过发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵获得能量。常见的厌氧菌有梭菌属（Clostridium）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）等。

在实际生产过程中，可以根据发酵特点控制不同发酵阶段的供氧量来调控发酵进程。例如啤酒生产过程中，发酵早期向发酵液中提供大量氧气以促进酵母的繁殖，此后发酵的各个阶段应严格控制氧气量，因为氧气会促进酵母进行有氧呼吸，降低了乙醇发酵。氨基酸发酵工业中，氧气量也会影响氨基酸的种类，供氧充足情况下，谷氨酸产生菌能顺利生产谷氨酸，从而获得较高的产率；若氧气不足，谷氨酸的代谢途径就偏向生产琥珀酸和乳酸方向，产率降低。

（3）pH 值　每种微生物有各自适应的pH范围，其中包括最低、最适和最高pH，一般霉菌的pH范围最大，酵母菌次之，细菌最小。pH主要是通过影响膜结构的稳定性、通透性和物质的溶解度来影响营养物质的吸收；另外，pH还会影响酶的活性。微生物在生长过程中伴随着营养物质的消耗和代谢产物的积累，发酵体系的pH会随着发酵的进行而发生改变，在发酵过程中一般采用添加缓冲液的方式维持体系恒定的pH。在发酵生产过程中，还应根据微生物在不同生长阶段和不同生理生化过程的实际情况适当调整pH。柠檬酸发酵生产中，一般采用黑曲霉作为柠檬酸生产菌，黑曲霉可以在pH3～7范围内进行发育，当菌体进入产酸期后合成积累柠檬酸的最适pH是小于3.0，而pH在3.0以上时容易产生草酸，pH5.6时容易生成葡萄糖酸。

（4）水分　水是微生物生命活动的重要物质，微生物生命活动过程中对营养物质的吸收和代谢产物的排放都要以水作为溶剂或传递介质，水还具有调节微生物温度的作用。任何一种微生物都有其适宜生长的水分活度范围，水分活度是溶液中水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比。对于某种微生物，当周围环境中的水分活度低于最低值时，该微生物就不能正常生长，甚至死亡。在食品贮藏过程中通常采用降低水分活度的方法抑制微生物的增长，延长食品的贮藏期。一般细菌在水分活度降至0.91以下时停止生长，霉菌在水分活度降至0.8以下时停止生长，酵母菌在水分活度降至0.6以下时停止生长。当水分活度低于0.60时，绝大多数微生物无法生长。

（二）食物大分子的降解

食品发酵原料包含的大分子物质主要是淀粉、蛋白质和脂肪，食品发酵的过程实质就是通过微生物代谢将这些大分子物质转化为小分子的醇类、有机酸、氨基酸等物质的过程。

1．淀粉的降解

淀粉可分为直链淀粉和支链淀粉，自然状态中的淀粉，直链淀粉约占20%，支链淀粉占80%。直链淀粉是由α-1，4-糖苷键将葡萄糖连接而成，含有250～300个葡萄糖单位；支链淀粉的葡萄糖单位除了以α-1，4-糖苷键连接外，在分支的支点处由α-1，6-糖苷键连接。

淀粉酶是一类能催化淀粉糖苷键水解的酶类，常见的淀粉酶主要有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖苷酶、普鲁兰酶和异淀粉酶。

（1）α-淀粉酶　它能在淀粉分子内部任意切开α-1, 4-糖苷键，但不能切α-1, 6-糖苷键。淀粉经α-淀粉酶作用后，淀粉溶液的黏度会下降，得到的产物为糊精、麦芽糖和少量的葡萄糖。常用的α-淀粉酶多来自微生物，主要有芽孢杆菌、米曲霉等。耐高温α-淀粉酶是一种新型的液化酶制剂，它的热稳定性在90℃以上，该酶具有良好的热稳定性，便于储存和运输，现广泛应用于啤酒酿造和酒精生产。在酒精生产中，应用耐高温α-淀粉酶可以进行“中温蒸煮”，从而可以节能降耗，降低发酵液的黏度，便于管道输送。

（2）β-淀粉酶　这种酶是从非还原性末端以麦芽糖为单位顺次水解淀粉分子的α-1，4-糖苷键，生成麦芽糖及大分子的β-极限糊精，它不能作用于α-1, 6-糖苷键，也不能越过α-1，6-糖苷键。假单胞菌、多黏芽孢杆菌和部分的放线菌能产生β-淀粉酶，工业上所用的β-淀粉酶大部分从植物（麦芽）中提取。β-淀粉酶在食品工业用于制造麦芽糖浆、啤酒、面包和酱油，在啤酒生产中，β-淀粉酶可以适当选用大米取代部分大麦芽，节省麦芽用量，降低生产成本。

（3）葡萄糖淀粉酶　葡萄糖淀粉酶能从非还原末端顺次水解α-1, 4-糖苷键，也可慢速水解α-1，6-糖苷键和α-1，3-糖苷键，该酶主要来自于根霉和黑曲霉。

（4）葡萄糖苷酶　这种酶也能从淀粉分子的非还原性末端依次切断α-1，4-糖苷键，逐个生成葡萄糖，能水解支链淀粉分支点的α-1，6-糖苷键。霉菌是该酶的主要来源。

（5）普鲁兰酶　又称支链淀粉酶，这种酶可水解普鲁兰糖（由麦芽三糖通过α-1，6-糖苷键连接成的线状结构的多糖）的α-1，6-糖苷键，同时可水解α-极限糊精和β-极限糊精中由2～3个葡萄糖残基所构成的侧链分支点的α-1，6-键。

（6）异淀粉酶　能水解支链淀粉、糖原等高分子多糖的α-1，6-键，使侧链切下来生产较短的直链淀粉。异淀粉酶用来水解由α-淀粉酶和β-淀粉酶产生的极限糊精。

2．蛋白质的降解

微生物对蛋白质的降解、利用过程分2步：首先微生物分泌蛋白酶至体外，将蛋白质降解为小分子的多肽或氨基酸；然后微生物吸收这些小分子物质，在胞内进一步降解或直接吸收、利用。能产生蛋白酶的菌种包括细菌、放线菌和霉菌。在微生物降解蛋白质过程中，胞外酶一般是内肽酶，胞内酶一般是端肽酶。

微生物对氨基酸的分解作用包括脱氨和脱羧。脱氨作用主要包括氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨、减饱和脱氨和脱水脱氨。脱羧作用由专一性脱羧酶执行，生成胺和二氧化碳。

3．脂类的降解

脂类是生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的一大类物质的总称，脂类包括油脂和类脂，油脂由1分子甘油和3分子脂肪酸组成三酰甘油酯；类脂是由脂肪与磷酸、糖类、蛋白质等成分组合而成，主要包括磷脂、糖脂等。在脂肪酶的作用下脂肪水解为甘油和脂肪酸，微生物可以通过β-氧化的方式降解脂肪酸。β-氧化时脂肪酸碳链从羧基端开始每次氧化裂解失去两个碳原子，裂解产物通过TCA彻底氧化。

β-氧化发生在原核细胞的细胞膜或真核细胞的线粒体内，具体过程为：脂肪酸在脂肪酸激酶的作用下生成脂酰CoA；脂酰CoA通过酶催化脱氢生成烯脂酰CoA；烯脂酰CoA在酶的催化下加水生成β-羟脂酰CoA；β-羟脂酰CoA在脱氢酶作用下脱氢生成β-酮脂酰CoA；在β-酮硫解酶催化下，β-酮脂酰CoA与CoA结合裂解产生乙酰CoA和比原来少2个碳原子的脂酰CoA，裂解的脂酰CoA再次重复上述裂解过程。

4．纤维素的降解

纤维素广泛存在于自然界中，是植物细胞壁的主要成分，是葡萄糖通过β-1, 4-糖苷键连接而成的大分子化合物。纤维素比较稳定，不易被降解，只有在纤维素酶的作用下，才能被降解。纤维素酶包括C1酶、Cx 酶和β-葡萄糖苷酶。

C1酶是糖蛋白，主要由甘露糖、半乳糖、葡萄糖及氨基葡萄糖组成，C1酶具有较强的热稳定性。Cx 酶可分为Cx1酶和Cx2酶，分别属于内切纤维素酶和外切纤维素酶，Cx1酶从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-1，4-糖苷键，Cx2酶则从水合非结晶纤维素的非还原末端作用于β-1, 4-糖苷键。β-葡萄糖苷酶是一类能催化纤维素和纤维低聚糖等糖链末端非还原性β-D-葡萄糖苷键水解的酶类。β-葡萄糖苷酶广泛存在于自然界中的植物、动物、丝状真菌、酵母菌和细菌中。在食品工业中β-葡萄糖苷酶除了能降解纤维素外，还能用于提升葡萄酒等果酒的风味。能产生纤维素酶的菌种有绿色木霉、康氏木霉以及部分的放线菌和细菌。

5．果胶质的降解

果胶是由半乳糖醛酸以α-1，6-糖苷键连接而成的直链大分子化合物，是植物细胞的间隙物质，对细胞组织起着软化和黏合作用，同时还是抵御病原微生物入侵的天然屏障。

果胶酶主要有果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶两种，广泛分布在植物、霉菌、细菌和酵母中。果胶酯酶是一种能水解果胶生成果胶酸和甲醇的酶，在食品工业中果胶酯酶常用于制备低甲氧基果胶以及用于澄清果汁等。根据多聚半乳糖醛酸酶消除半乳糖醛酸的方式不同，它可分为内切多聚半乳糖醛酸酶和外切多聚半乳糖醛酸酶两种。

二、微生物的中间代谢及小分子有机物的形成

（一）分解代谢和合成代谢

分解代谢和合成代谢组成了微生物的物质代谢。分解代谢是指微生物利用大分子物质，并将其降解为小分子物质，同时释放能量的过程。在分解代谢过程中，蛋白质、糖类和脂类物质首先被降解为氨基酸、单糖和脂肪酸，然后这些降解生成的小分子物质进一步降解为乙酰辅酶A、丙酮酸和其他的中间代谢产物，最后这些中间代谢产物进入三羧酸循环被完全降解为CO₂，同时产生大量的ATP。

分解代谢能为微生物的生长提供必需的ATP、还原力[H]和小分子的中间代谢产物。合成代谢是微生物利用能量、中间代谢产物和吸收的小分子物质合成复杂的物质的过程。分解代谢和合成代谢具有密切的关系，分解代谢为合成代谢提供能量及原料，合成代谢为分解代谢提供物质基础。

糖酵解途径（EMP）、磷酸戊糖途径（HMP）、2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径（ED）和三羧酸循环（TCA）是微生物重要的代谢途径，许多营养成分通过初步降解后最后进入这些途径作进一步的降解。

1. EMP

EMP是一个将葡萄糖分解转化为丙酮酸的过程，同时伴随着ATP的产生，该过程分为2个阶段。在第一阶段是耗能阶段，1分子葡萄糖经过一系列酶促反应转化为2分子3-磷酸甘油醛，同时消耗2分子ATP。第二阶段为产能阶段，1分子3-磷酸甘油醛经过5步反应转化为1分子丙酮酸，同时生成2分子ATP。因此，在总反应中1分子葡萄糖经过EMP，生成2分子的丙酮酸，同时产生2分子的ATP。葡萄糖经EMP发酵得到的丙酮酸主要有以下几个去向：①丙酮酸在丙酮酸脱氢酶作用下通过脱氢作用转化成乙酰辅酶 A进入TCA ；②丙酮酸脱羧酶使丙酮酸脱羧形成乙醛，然后生成乙醇或乙酸；③通过丙酮酸旁路路径，丙酮酸形成乙酰辅酶 A。

2. HMP

HMP大致可分为3个阶段，经过HMP后1分子的6-磷酸葡萄糖可转变成1分子的3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛可进入EMP，生成丙酮酸，最后通过TCA循环氧化。HMP能为核苷酸、核酸和多糖等成分的合成提供原料。乳酸菌能以葡萄糖为原料，通过HMP产生乳酸、乙醇和乙酸等多种发酵产物。

3. ED

ED在革兰氏阴性菌中分布较广，在ED中葡萄糖消耗ATP生成6-磷酸葡萄糖，之后6-磷酸葡萄糖先脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸，然后进一步生成3-磷酸甘油醛和丙酮酸，3-磷酸甘油醛进入EMP最终转化为丙酮酸。1mol葡萄糖经过ED后可产生2mol丙酮酸和1mol ATP。虽然ED中的产物3-磷酸甘油醛可进入EMP转化为丙酮酸，但ED可独立于EMP和HMP而存在。ED在嗜糖假单胞菌、铜绿假单细胞、荧光假单胞菌、林氏假单胞菌及部分固氮菌中存在。

4. TCA

TCA在微生物的呼吸代谢中起着重要的作用，是糖类、脂肪和蛋白质代谢的中心枢纽。TCA的具体过程为，丙酮酸经氧化脱羧作用形成乙酰辅酶A，然后乙酰辅酶A经过一系列反应最终被彻底氧化为二氧化碳和水，并产生能量。TCA还能为多种物质的合成代谢提供前体物，如柠檬酸、草酰乙酸、琥珀酸和苹果酸等。TCA的这些产物也是发酵工业中的重要产品。发酵工业中通常以葡萄糖为原料，利用黑曲霉发酵生产柠檬酸，葡萄糖首先经EMP生成丙酮酸，然后丙酮酸经过一系列反应转化为乙酰辅酶A，之后乙酰辅酶A和草酰乙酸在柠檬酸合成酶的催化下合成柠檬酸。发酵工业中利用葡萄糖发酵生产L-谷氨酸也利用了TCA，葡萄糖首先经EMP生成丙酮酸，之后反应生成乙酰辅酶A，进入TCA生成α-酮戊二酸，之后生成谷氨酸。TCA速度受细胞对能量的需求及细胞对中间代谢产物需求两方面的影响。有3个酶可以调控TCA的速度，分别为柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶。

（二）小分子有机物的形成

1．氨基酸的生物合成

氨基酸是重要的生物分子，如激素、嘌呤、嘧啶、卟啉和某些维生素的前体。蛋白质是生命体重要的物质基础，氨基酸是蛋白质的组成单位。随着工业的发展，氨基酸的需求量呈逐年上升的趋势。大肠杆菌、细菌、真菌和固氮菌都可以用来生产氨基酸。氨基酸的生物合成与机体中的EMP、HMP和TCA密切相关，这些代谢途径的中间代谢产物可以合成各种氨基酸。如EMP中的3-磷酸甘油酸可以进一步反应生成丝氨酸、半胱氨酸，丙酮酸可以合成丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸；HMP中的磷酸核糖可以合成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸；TCA中的草酰乙酸可以合成天冬氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸，α-酮戊二酸可以合成谷氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸等。氨基酸的生物合成是一个极其复杂的过程，需要许多酶的参与，其中NADPH参与氨基酸代谢反应，赖氨酸、L-异亮氨酸、谷氨酸、鸟氨酸、脯氨酸和精氨酸的合成都需要NADPH。L-苯丙氨酸（L-Phe）是重要的氨基酸，谷氨酸棒杆菌合成L-苯丙氨酸大致可分为3步：①通过中心碳源代谢途径生成两种前体物质，EMP生成磷酸烯醇式丙酮酸，糖酵解途径生成4-磷酸-赤藓糖；②磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸-赤藓糖结合进入莽草酸途径，并经过一系列酶促反应生成分支酸；③通过分支酸路径生成L-苯丙氨酸、L-色氨酸和L-酪氨酸。

2．脂肪酸的生物合成

脂肪酸是脂类物质的组成单位，脂肪酸既是重要的储能物质，同时也是细胞膜脂的重要成分。脂肪酸对保护细胞组织、防止热量散失、细胞识别及组织免疫具有重要的作用。脂肪酸的生物合成主要以从头合成方式进行，以乙酰CoA为原料，在乙酰CoA羧化酶的作用下合成丙二酰CoA，然后在脂肪酸合成酶的催化下经缩合、还原、脱水合成脂肪酸。从头合成路径只能完成C₁₆以下的脂肪酸的合成，对于更长碳链的脂肪酸通常是通过延长系统催化形成的。

糖类、脂肪和蛋白质3大营养物质的分解代谢、合成代谢及一些主要产物的生成过程大致如图1-3。

（三）微生物的代谢调控与有机物的形成

1．初级代谢与次级代谢

初级代谢和次级代谢是微生物细胞内的两种代谢类型。初级代谢是微生物利用外界吸收的营养物质，通过分解代谢和合成代谢过程，生成自身生命活动所需要的各种物质和能量的过程。些物质包括糖类、蛋白质和脂类。初级代谢是各种生物具有的一种基本代谢类型。 次级代谢是指微生物以初级代谢产物为前体，通过次级代谢途径合成自身机体非必需的化合物的过程。次级代谢只存在于部分生物中。次级代谢产物有很多是重要的发酵产品，如抗生素、色素、维生素、生长激素和生物碱等。

2．微生物的代谢调节

微生物是在一系列酶的催化下发生各种代谢反应，因此微生物通过调节酶的合成和活性来调节代谢。

（1）酶合成的调节　酶合成的调节分为诱导和阻遏，诱导酶是细胞为了适应外界底物或类似物而合成的一种酶，诱导酶合成的这种现象称为诱导，大多数分解代谢的酶是诱导合成的。酶诱导合成的分子机制可以由操纵子学说来解释。操纵子由启动基因、操纵基因和结构基因构成，启动基因是RNA聚合酶的结合位点，又是转录的起始点；操纵基因位于启动基因和结构基因之间，它能与调节蛋白结合，调节蛋白的另一端可与效应物结合，调节蛋白与效应物结合后发生变构作用，失去与操纵基因的结合能力，结构基因的转录得以进行，从而合成出相关的酶类。

微生物代谢过程中，当某代谢途径中的产物过量时，微生物可以采用反馈抑制的方式抑制关键酶的活性，同时还可以通过反馈阻遏作用抑制相关酶的生物合成，减少产物的生物合成，阻碍酶生物合成的现象称为阻遏。反馈阻遏分为末端产物阻遏和分解代谢物阻遏2种，末端产物阻遏是指代谢终产物过量时引起的关键酶合成的抑制；分解代谢物阻遏是指当有2种可供微生物利用的底物存在时，微生物会优先利用使其生长快的一种底物，这种底物的中间代谢产物会阻遏降解另一种底物相关酶的合成。

（2）酶活性的调节　酶活性的调节是指通过调控代谢反应中各种酶的活性来控制代谢进程，可从激活和抑制两个方面调节酶活性。酶活性的激活常出现在分解代谢中，前一个反应的产物可以激活后一个反应的酶；酶活性的抑制主要是因为代谢产物的过量积累会抑制该反应的酶的活性，从而调节整个反应进程。

（3）次级代谢调控　次级代谢也受到酶活性和酶合成的调控，初级代谢产物作为次级代谢反应的前体，会调控次级代谢过程。分解代谢物也会对次级代谢产生一定的影响，微生物生长阶段需要消耗大量的碳源，而碳源的分解物会抑制次级代谢酶的合成，因此次级代谢产物的合成只有在碳源消耗尽的稳定期才能合成。另外在次级代谢中也存在着反馈抑制机制，代谢产物的大量积累会影响相关酶的活性，从而降低产物的生成量。

三、食品产物成分的再平衡及发酵食品风味的形成

（一）食品产物成分的再平衡

产物再平衡阶段是酿造食品特有的进一步形成食品风味的一个漫长而复杂的过程，直至酿造食品到餐桌上为止。大分子降解代谢给予食品丰富的组分，合成代谢产物是食品风味及其食品功能的基础，通过产物的再平衡，发生一系列的生物、物理、化学反应，增加了酿造食品的色泽、透明度、香味、绵软等。产物的再平衡就是产物的横向作用，从表面上理解主要是指发酵食品的陈酿阶段或称为后发酵阶段。其实不然，从原料的粉碎、浸泡等预处理直至产品到餐桌这一漫长的过程中，产物的再平衡就一直没有停止过。在整个工艺过程中除一部分被彻底氧化为CO₂、H₂O和矿物质外，还有其他大部分物质彼此之间有着错综复杂的、往复交替的一系列物理化学变化。

（二）发酵食品风味的形成

1．食品风味的定义

微生物发酵法已经成为生产食品风味物质的一种重要手段。食品风味的定义是食品成分作用于人的多种感觉器官所产生的各种感官反应。如图1-4所示。

食品风味物质是能够引起人多种感觉器官产生感觉反应的食品中所含的刺激物。如醋的酸味、蔗糖的甜味、食盐的咸味、茉莉的香气等。

2．食品中风味物质的特点及分类

（1）食品中风味物质的特点

① 种类繁多、相互影响。食品的风味是大量的风味物质相互协调或拮抗而形成的，如2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮单独存在时不产生嗅感，但当以一定比例混合时，就会产生明显的嗅感。

② 含量极微，效果显著。食品中风味物质的含量一般在10^－12～10^－6mg/kg。马钱子碱在食品中含量为7×10^－5mg/kg时，就有明显的苦味；水中乙酸异戊酯含量为5×10^－6mg/kg时，就有明显的水果香气。

③ 稳定性差，易被破坏。

④ 风味类型与风味物质种类和结构缺乏普遍的规律性。

（2）食品风味分类　水果风味、蔬菜风味、调味品风味、饮料风味、肉类风味、脂肪风味、烹调风味、烘烤风味、恶臭风味 （为1972年Ohloff提出的分类法）。

3．发酵食品风味的形成途径

食品原料经微生物作用后，其中的大分子物质被降解、营养成分被转化，同时还会形成特征的香气成分。发酵过程对食品原料的转化能改善食品的感官、营养成分及风味成分，因此提高了食品的营养价值。在实际生产过程中，为了获得更加浓郁的香气成分，发酵结束后通常会对食品进行一段时间的后发酵处理过程，在这一阶段，食品中的成分会进行一系列复杂的反应，这些反应能促进食品特征香气成分的形成。有时为了获得预期的组成成分和香气成分，也会采用人工勾兑、修饰等方式来调节食品中各成分的组成。

发酵食品中的香气物质及组合是非常复杂的，其主要的香气物质是醇、醛、酮、酸、酯类等化合物。

发酵食品香气物质形成的主要途径有：①生物合成，直接由生物体合成的香气成分，主要是由脂肪酸经脂肪氧合酶酶促生物合成的挥发物。前体物多为亚油酸和亚麻酸，产物为C₆和C₉的醇醛类以及C₆和C₉脂肪酸所生成的酯。②酶直接作用，酶直接作用于香味前体物质形成的香气成分。③酶间接作用，酶促反应的产物再作用于香味前体物质形成香气成分。④加热作用，美德拉反应、焦糖化反应、Strecker降解反应可产生风味物质。油脂、含硫化合物等热分解也能生成各种特有的香气。⑤微生物作用，微生物产生的酶（氧化还原酶、水解酶、异构化酶、裂解酶、转移酶、连接酶等）使原料成分生成小分子，这些分子经过不同时期的化学反应生成许多风味物质。发酵食品的后熟阶段对风味的形成有较大贡献。

思考题

1．简述影响微生物生长繁殖的各种因素。

2．阐述微生物的主要代谢途径及其之间的相互联系。

3．论述微生物的生长和代谢调控及其在食品发酵工程中的应用。