华京理工式辱·物工程院 发酵工程精品课程 ② http://biotech.ecust.educn/ipkc/figc
发酵工程精品课程 http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 华东理工大学·生物工程学院
发除二程常 令温度变化及其控制 第五节温度变化及其控制 、温度对生长的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同,根据它们对 温度的要求大致可分为四类:嗜冷菌适应于0 260C生长,嗜温菌适应于15~43生长,嗜热菌适 应于37~650C生长,嗜高温菌适应于650c以上生长 嗜冷菌嗜温菌 嗜热菌 嗜高温菌 102030405060 110 温度/℃ http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 第五节 温度变化及其控制 一、温度对生长的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对 温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～ 260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长，嗜热菌适 应于37～650C生长，嗜高温菌适应于650C以上生长 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下,微生物生 长迅速;超过最高温度微生物即受到抑制或死亡; 在最低温度范围内微生物尚能生长,但生长速度 非常缓慢,世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间,微生物的生长速率随温度升高而增加, 超过最适温度后,随温度升高,生长速率下降, 最后停止生长,引起死亡 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 微生物受高温的伤害比低温的伤害大,即超 过最高温度,微生物很快死亡;低于最低温 度,微生物代谢受到很大抑制,并不马上死 。这就是菌种保藏的原理。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超 过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温 度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 二、微生物与温度相关性的原理 1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物 理化学性质有密切关系 根据细胞膜的液体镶嵌模型,细胞在正常生理条 件下,膜中的脂质成分应保持液晶状态,只有当 细胞膜处于液晶状态,才能维持细胞的正常生理 功能,使细胞处于最佳生长状态 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相 致 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物 理化学性质有密切关系 根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条 件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只有当 细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理 功能，使细胞处于最佳生长状态 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一 致。 二、微生物与温度相关性的原理 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 什么是液晶状态? 液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。 由固态转变为液晶态的温度称为熔点,以T1表示; 由液晶态转变为液态的温度称为清亮点,以T2表示。 T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。 那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢?根据细 胞膜脂质成分分析表明,不同最适温度生长的微生物, 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸, 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 什么是液晶状态？ 液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。 由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示； 由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。 T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。 那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 2、蛋白质结构 人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能:(1)通过自然或诱导突变 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比;(2对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构 通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍射分析表 明,嗜冷酶分子间的作用力减弱,与溶剂的作用加 强,酶结构的柔韧性增加,使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 2、蛋白质结构 人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构 通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 3、蛋白质合成 嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这是由于 其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对 低温的适应,蛋白质翻译的错误率最低。许多 中温菌不能在0C合成蛋白质,一方面是由于其 核糖体对低温的不适应,翻译过程中不能形成 有效的起始复合物,另一方面是由于低温下细 胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这是由于 其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对 低温的适应，蛋白质翻译的错误率最低。许多 中温菌不能在O 0C合成蛋白质，一方面是由于其 核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成 有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细 胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。 3、蛋白质合成 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 4、合成冷休克蛋白 低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白 将大肠杆菌从37突然转移到10条件时细胞中会 诱导合成一组冷休克蛋白,它们对低温的生理适应 过程中发挥着重要作用,检测嗜冷酵母的冷休克反 应,发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产 生 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中,它们必须忍 受温度的快速降低,这与它们产生的冷休克蛋白是 密切相关的。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 4、合成冷休克蛋白 低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白 将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会 诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应 过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷休克反 应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产 生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍 受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是 密切相关的。 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制
发除二程常 令温度变化及其控制 二、温度的影响与控制 (一)温度对发酵的影响 1、温度影响反应速率 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率,酶反应有 个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dInK /dt=E/RT2 积分得E=46l0gK2/Kn 1/71-1/7 E活化能 K速率常数 http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/figc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 二、温度的影响与控制 （一）温度对发酵的影响 1、温度影响反应速率 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr /dt=E/RT2 积分得 E= 1 2 2 1 1/ 1/ 4.6 log / T T Kr Kr − E——活化能 Kr——速率常数 发酵工程控制 ❖温度变化及其控制