生物技术人门 图1.15葡萄糖降解成为丙桐酸的全过程及参与此过程的各种酶美。 燃烧分解成乙醇和二氧化碳。1分子葡萄 糖经无氧发酵只能产生4分子的ATP,而 通过有氧呼吸，一分子葡萄糖可以产生高 达38分子的ATP。虽然无氧发酵的产能效 率低，但不得不承认，这是一项有效的应 ATP 急生存措施。 酒精的产生对酵母来说并不是一件有 (Mg2 益的事，因为一旦酒精含量超过一定水 平，酵母就会死亡。其实，后来的研究发 现，当葡萄糖与营养培养基的比例超过 葡萄糖 1:10,000时，在有氧条件下酵母就有可能 己糖激酶 产生酒精，即葡萄糖效应或克勒勃屈利效 应(Crabtree effect),这得名于l929年克 物勃屈利的发现：在有氧条件下，利用高 ADP 浓度的葡萄糖培养基培养细胞时，细胞生 长受到抑制且生成乙醇。因为高浓度的葡 醛糖) 萄糖抑制了酵母细胞色素a的合成，使积 累的NADH+H+抑制丙酮酸脱氢酶系统， 从而使丙酮酸不能进入三羧酸循环，而是 磷酸己糖异构酶 6-磷酸葡萄糖 最终产生乙醇。 信使RNA(mRNA)是从DNA转录合 成的、带有遗传信息的一类单链核糖核酸， 在核糖体上作为蛋白质合成的模板，决定 肽链的氨基酸排列顺序（第三章）。现代的 Mg2 mRNA芯片（第十章）技术已经证实：当 ATP 酵母生存在缺氧的环境时，自身会产生许 磷酸果糖激酶 6磷酸果糖 多不同于有氧条件时产生的酶类。氧气的 供应情况决定着哪些基因该被阅读，哪些 蛋白质该被表达。 其他的发酵微生物在无氧发酵时，伴随 着ATP的产生会形成不同的发酵副产物， 如乳酸（乳酸杆菌，Lactobacillus)、丁酸（酪 ADP 酸梭状芽胞杆菌，Clostridium butyricum)、 醛缩 1.6二磷酸果糖 丙酸（丙酸杆菌，Propionibacterium）、丙酮 和丁醇（丙酮丁醇梭杆菌，CIos1 ridium 二羟内酮磷酸 3磷酸甘油醛 acetobutylicum)(见第六章)等等。通常，这 (醛) 些副产物的生成量都比较高，因为只有副 产物的产量多，ATP的产量才会相应的多， 从而满足细胞在缺氧条件下对能量的需求。 尽管对微生物来说，无氧发酵对其生 长并无益处，但对于人类来讲，无氧发酵能 够在短时间内产生人类所需的产品，无疑 磷酸丙糖异构酬 是一项十分高效的优势技术。 12
第一章脾酒，面包，奶酪 ■1.6蒸馏：一种有效的酒精提纯 图1.15（续） 法 2 乳酸 如果发酵产生的酒精超过一定浓度， 就会使酵母菌死亡，这就是为什么啤酒和 2乙酰CoA 葡萄酒的酒精浓度都比较低。通常，葡萄酒 的酒精浓度为12%-13%，米酒的酒精浓度 2乙醇+C0 ATF 为16%-18%。直到12世纪，人们开始利用 丙酮酸 蒸馏法将葡萄酒置于密闭的容器中加热， 才有了像威士忌、白兰地这样高酒精浓度 的烈性酒。 利用蒸馏的手段对酒精进行提纯，其 (醇式) 原理非常简单：酒精的沸点(78℃)比水 (100℃)低。加热时，只需将乙醇蒸气收集 水Q2 ●° 到一支浸入冰水中的管子里，管内的蒸气 2ADP g 便会遇冷凝结成小液滴，经管的另一头收 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 集到容器中，就得到了高浓度的酒精。 丙酮酸激酶 酒精度数超过64度（体积32%）的酒 就可称之为烈性酒（知识框13），包括白兰 2 地(brandy)、威士忌(whisky)、琴酒（即 一0H Q●o 荷兰杜松子酒，schnapps)、伏特加(vodka)、 金酒（即杜松子酒，gin)。 2-磷酸甘油酸 烯醇化酶 很久以前，法国的葡萄酒商觉得波尔 多的酒比法国当地的酒好喝，所以他们决 定采用蒸馏的手段来提高当地葡萄酒的浓 度，便得到了法国上等白兰地—科涅克 白兰地(Cognac),即千邑葡萄酒。之后， ATP 人们甚至连续进行两次蒸馏来提纯这种白 3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶 兰地，现如今，将新制得的科涅克白兰地放 到橡木桶中存放数年，其酒精浓度仍可高 P0 ADP 2 达70%。当葡萄酒酿造成熟，拥有了独特 的酒香和味道时，便可以取出勾兑到40%。 (腺苷) CH,OPO, (Mg2 现在，酿酒厂都利用谷物或土豆中的 2 HNAD 淀粉来酿造纯酒精。淀粉可以被淀粉酶降 解成糖，再经酵母的发酵作用产生酒精。得 1,3二磷酸甘油酸 磷酸甘油酸激酶 到的酒经加热蒸馏，其纯度可高达96%。 众所周知，酒精有消毒的作用，实际 上，浓度仅为70%的酒精就可用于医疗消 2 NAD+ 毒。其实，当浓度只有2%-3%时，酒精就 +无机磷酸 会提高细菌细胞膜的渗透性，阻碍其生 (醛) 长。这样看来，高浓度的酒精可以杀菌就 PDG 不足为奇了。生活中，将水果泡入酒中便 20 H- -0H 可以保存很久，这就很好地证明了酒精的 3磷酸甘油醛脱氢酶 ° CH.OPO 3磷酸甘油醛 13
生物技术人门 知识框1.5 酵成二氧化碳和丙酸，这便造就了奶酪 由酸乳衍生的乳制品 独特的香气与口感，以及奶酪块中的小 孔洞。将这样的奶酪再存放六个月左右 酸乳制品是通过乳酸发酵作用制成 就可以食用了。 的。 地中海科西春岛当地出产的奶酪。 凝乳酶（晓疑乳蛋白酶）分子 谷物具有独特的花材形状，且含有酵母 (可以用来发酵酪蛋白和乳糖)、乳酸杆 林堡(Limburg）千酪在干燥后需要 菌、链球菌、明串珠菌，以及能够产生 和扩展短杆菌(Brevibacterium linens)的 乙酸的细菌。 培养基刷擦数次，使奶酪的表层产生一 酸马奶酒(kumys)是一种用乳酸细 层红色的物质。 菌及酵母菌混合发酵制得的马奶饮品。 酸奶油(sour cream butter)也是通 法国Camembert村制各乳酪 过微生物发酵而得到的一种奶制品。将 酸乳(sour milk)的制作过程很简 奶油从奶中撇离出来、加热，待冷却时 单，通常先将奶加热除菌，冷却后接入 其中的奶油就凝结成固态。这时，加入 乳酸链球菌(Streptococcus cremoris)和 产酸的细菌一乳酸链球菌和乳脂明串 乳脂明串珠菌(Leuconostoc cremoris) 珠菌，乳糖会被发酵成乳酸、联乙醯、丙 (可使酸奶散发出诱人的香气)，在罐中 酮。再通过搅拌，除去剩余液体及黄油 发酵约16个小时制成的。 就得到了酸奶油。 奶酪中常见的孔洞一其实就是丙酸细菌作 用的产物。 软质乳酪(Camembert)则是接入快 速生长的青霉菌(Penicillium caseicolum) 或传统常用的卡地干酪青霉孢子(P camemberti),于干燥的地窖中存放3-4 天。奶酪中霉菌产生的蛋白质分解酶会 使奶酪变得松软，并释放出芳香类物质。 9-11天之后，这些奶酪就可以包装出 法国Camembert村所产的软质乳酪，制作过 洛克福出产的羊乳奶酪，奶酪中有许多孔道， 售，客人拿回家的奶酪就是完全成熟的 程中需委加入奇雾菌。 用来给客菌的生长提供空气。 奶酪了。 酸奶(yoghurt)常以山羊奶、绵羊 制作奶酪(cheese),首先要将奶加 真正的洛克福乳酪(Roquefort)是 奶或牛奶为原材料，其中共生有嗜热 热杀菌，接入乳酸菌及霉菌的起始培养 用新鲜的、未经加热杀菌处理的绵羊奶 乳酸菌：嗜热链球菌(Streptococcus 物。之后再加入凝乳酵素，使奶凝固。将 制成的。往切开的凝乳中加入娄地青霉 thermophilus)和保加利亚乳酸杆菌 这样得到的浓稠奶冻小心地切成半英尺 (Penicillium roqueforti),将凝乳块压入 (Lactobacillus bulgaricus)。乳酸杆菌可 的小块，除去乳清，将凝住的固体装人 模具中，另外，还需要用签子扎出许多 以裂解酪蛋白，促进链球菌的生长，同 模具中即可。 小孔道以便于霉菌的生长。这些奶酪可 时链球菌产生的蚁酸还具有防腐的功效。 制作埃曼塔奶酪(emmental)时，需 以贮藏在地窖或洛克福当地的山洞中， 克菲尔奶啤(kefir)是一种黏稠的酸 要在两星期的时间内将酪块翻转几次， 使其彻底成熟。经过20天的需氧成熟期 乳酒，含0.8%-1.0%的乳酸.0.3%-0.8% 之后再浸入盐水，将其晾干后放入地窖 和3个月的无氧成熟期后，就可以将奶 的乙醇和二氧化碳。其中的联乙醯、乙 中贮藏6-8个月。在这段贮藏时间内，丙 酪卷裹存入金属小罐中了，但其中的蛋 醛和丙酮都令克菲尔口感舒爽。克非尔 酸杆菌(Propionibacteria)会把乳酸发 白分解酶以及脂肪分解酶仍然是有活性 的。 14
第一章啤酒，面包，奶酪 知识框1.6清酒、酱油及其 豆（黄豆）制成的糊状调味料，以营养丰 res)发酵制成，作为一种调料和天然着 他产自亚洲的发酵食品 富，味道独特而风靡日本。同样，味赠也 色剂，广泛用于中国、印度尼西亚、菲 需要日本酒曲参与制作。腐乳(tofu)则 律宾。 比起葡萄酒，日本清酒(sake)的 是由酸凝的大豆蛋白经腐乳毛霉(Mucor 印尼豆豉(tempeh)是用煮熟的大 做法更类似于啤酒的制作，因为制作清 s4)发酵制成的。 豆接种根霉菌(Rhi2opus)后，裹在香蕉 酒的原材料是稻米，其中丰富的淀粉会 叶中制成的。 被淀粉酶分解成糖类，供发酵使用。把 霉菌加人熟米中，温度维持在35℃，培 育35天就产生了日本酒曲(koji).日本 酒曲中富含由霉菌产生的淀粉酶，将其 与酵母菌的起始培养物如酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)t加入大米团 中，发酵三个月后，清酒就制成了。其 酒精含量可达20%。 酱油(soy sauce)的制法与之相类 大豆与雾菌共同发酵作用的产物—一纳豆 似。先用大豆、小麦、酒曲及大量的盐制 成糖化醒(moom),接人酱油曲霉(As pergillus soyae）和米曲霉(Aspergillus 金 oryzae)发酵8-12个月。酱油片球菌 KIKKOMAN (Pedicoccus soyae)、鲁氏酵母(Sacca- 堆积在日本寺庙前的清酒桶 Soy Sauee omyces rouxii)、汉逊酵母(Hansenula) 和球拟酵母属(Torulopsis)的混合培养 纳立(nato)有一种刺鼻的氨气味， 物作为引子加入发酵物后，会产生乳酸 它是用蒸熟的大豆在加入日本酒曲的松 和乙醇。发酵结束后，将产物酱油过滤出 木罐子中发酵数月之后，再由链球菌 来，剩余的残渣可以用作牛饲料。酱油中 (Streptococeus)和小球菌(Pediococcus) 含有18%的盐，1%的提味氨基酸盐（谷 二次发酵制成。 氨酸一钠，见第四章)，以及2%的乙醇。 红曲米色素(Angkak)是以蒸熟的米 茶末与普油（居碎的棘根中含有过氧化物酶， 见第二章)。 味曾(miso)是一种由发酵过的大 为原材料，用红曲霉菌(Monascu心pup- 杀菌作用。大多数微生物都对酒精敏感， 菌都是以二分裂的方式进行繁殖的。分裂 因此，酒精可以杀灭那些致使食物生毒、 形成的子细胞可以彼此分开也可以连在一 腐败的微生物，从而使食品能够保存得更 起，聚成链状的称为链球菌(streptococci), 久。在早期人类历史中，酒精对保存食物 聚成葡萄团状的称为葡萄球菌(s1 aphylo- 和保障人类自身的健康起到了重要的作 cocci)。 用。 和酵母一样，细菌中也有许多成员与 ■1.7细菌与食品贮藏 食品生产息息相关，其中有一些就可以用 图1.16 Robert Koch.教校认为 作乙醇发酵。运动发酵单胞菌(Zymomonas 菌奏是可以“培养的”（英文 “cultured”一有“人工培养的" 细菌是原核生物，其大小约为酵母的 mobilis)就被墨西哥人用来发酵龙舌兰汁 和“有找养的”两种含义)。 十分之一。可以试着想象一下，一个1立方 和棕榈酒，制成普尔克酒(Pulque),一种 毫米的小立方体中就能装下十亿多个细菌。 与特奎拉酒(Tequila)同样出名的龙舌兰 细菌（见图1.8）多为杆状，如杆菌 酒。直到近几年人们才发现，原来细菌非常 (bacilli),有些呈球形，如球菌(cocci),有 适合于在高糖浓度的溶液中生长，其生长 些弯曲形如逗号“，”，如弧菌(vibriones), 速度甚至比某些优等品系的酵母还要快 有些甚至呈螺旋形，如螺旋菌(piii),有 5-6倍。 些细菌体表有鞭毛，这样一条长尾巴具有 众所周知，面包制作技术比酿酒技术 图1.17面包一其发酵需要乳 运动功能，起到推进器的作用。大多数细 出现的年代要晚。早先的面包又瘪又硬，直 酸杆菌和酵琴菌的共同作用 15
生物技术人门 到六千年前，埃及的面包师才用发酵的生 面团(sourdough)作出了松软可口的面包。 外，当奶变酸时，其中的酪蛋白(casein) 例如享誉全球的“旧金山酸酵头”(San 逐渐变成小小的薄片状，这样就更易于消 Francisco Sourdough),是一种含各种乳酸 化吸收。在胃里，奶酪中的乳酸与钙发生 杆菌(Lactobacillus)和耐酸酵母的生面团。 反应形成乳酸钙，更有利于肠壁对钙的吸 耐酸酵母是一类既可生活在中性环境，又可 收，使身体中的钙质不易流失，促进骨骼 生活在酸性环境中的酵母，如酿酒酵母(S。 更好地发育成长。所以，酸乳制品不仅美 cerevisiae)、假丝酵母(Candida humilis)和 味、耐贮藏，还营养丰富。由于地区气候 毕赤酵母(Pichia saitoi)。 及奶质的不同，世界各地的奶制品在做法 上也有不同。在欧洲，有凝乳和厚奶，在 面包那独特的香味和口感，实际上都 巴尔干半岛和中东地区，有酸乳酪和清爽 图1.18中世纪的面也培背 是发酵过程中各种副产物所造成的，如乙 干酪，在高加索山脉，有酸乳酒，在中亚 醇、醋酸、乳酸、2-乙酰毗咯啉、二氧化 有酸马奶酒，在印度有达希酸奶：在埃及 碳及一些杂醇（知识框17）。因为二氧化碳 则有laben酸奶。 所产生的气泡可以降低面包的硬度，使其 变得松软可口，所以面包发酵所需的决定 将纯奶加热消毒，加入混有乳酸菌的 性产物并不是酒精，而是二氧化碳(carbon 奶油(buer)使其发酵。在特殊容器中培 dioxide)。进行发酵时，不但需要那些由淀 养16~30个小时后，其中的细菌会产生许 粉酶降解面粉而得到的葡萄糖和麦芽糖， 多酸和3羟基-2-丁酮。3羟基-2-丁酮一经 氧化，就会散发出香醇的奶油香。经过不断 图1.19见代工业化生产中的面包 还需要人为地添加一些葡萄糖、果糖和蔗 培博，其基本过程仍与古代相同。 糖。当面包送入烤炉中，随着温度的升高， 翻搅分离出奶油后，剩下的就是脱脂乳 其中的微生物都被杀死了，发酵也就结束 (buttermilk）了。 巴斯德灭菌法(Pasteurizing) 了。发酵产生的酒精则会随着温度的升高 德国人认为，带有酸味的食物可以振 奋精神—的确，酸度适中的食品总会使 巴斯德首次发现，只需短暂 而渐渐蒸发掉，而二氧化碳就形成了面包 的加热就可以基本杀死酒中的细 里那些蜂窝状的小洞。 人精神为之一振。甘蓝、小黄瓜等多种蔬菜 菌，使酒类饮品不国细菌作用而 变坏。这种方法也可以用来防止 工业化大批量生产的面包是用面粉、 都可以通过发酵制成泡菜，这是一种古老 牛奶变酸。这种通过简短加热杀 酵母菌、盐、水和现成的酸酵头混合制成 的保存新鲜蔬菜的方法。腌制的小黄瓜不 仅可以与其他泡菜搭配成可口的美食，还 菌的方法就称为巴新他灭菌法， 的。制法如下：面和好后，放置片刻让其自 是解酒的好料理。制作橄榄泡菜时，可以先 即巴氏灭菌法，即使是高卫生标 行发酵数小时便可以切割成条，再发酵一 将橄榄在稀碱液中泡一下，去除橄榄的苦 准的生鲜奶，每毫升中也含有25 下后，将面包条卷起放人罐中。放人烤箱之 万-50万个量生物。国此，超级 前，还可以让面团发酵一下，经过焙烤，松 涩味。橄榄泡菜发酵所用的菌种一般是胚 市场出售的奶品通常都在71-74 软可口的面包就做好了。白面包和蛋糕的 芽乳酸杆菌(Lactobacillus plantarum)。腌 ℃下经过短暂的加热，即通过巴 制前的橄榄为绿色，腌制后则呈黑色。制作 斯德灭菌法已基本杀灭了 制作不需要乳酸发酵，只需加入酵母发酵 即可。面包酵母(bakers'yeast,.即酿酒酵 椰菜泡菜时，先将菜洗净晾干，切成条（块） 98%-99.5%的最生物。.UHT奶 入坛，再放入大量的盐，最好每层菜撒一层 (超高温醉时灭菌奶)则是通过 母，Saccharomyces cerevisiae)一般都生长 盐，搓揉菜叶，使蔬菜细胞中的水分释放出 120℃的蕉汽灭菌后再装入灭菌 在甜菜或甘蔗压榨出的残汁—糖蜜中， 这种残汁全世界每年可生产150万吨，价值 来。汁液必须将菜完全浸没，使其与空气隔 容器中的，这种奶制品可在常温 下保存4周。 6.3亿美金。 绝，防止不正常的发酵。把封好的坛子置于 阴凉处，让菜自然发酵，过段时间便成了美 当人类开始驯化牛羊，饲养这些牲畜 味可口的泡菜。这样制成的泡菜可以保存 并享用它们产出的奶时，人们慢慢发现， 较长时间，因为其中的乳酸和醋酸会维持 奶存放一定时间后就会变酸（知识框1.5）， 周围的酸性环境，使其他微生物不能生长。 而煮沸过的奶就不会变质得那么快。原来， 泡菜在吃之前，可以用热水简单的氽烫一 直接从动物身上挤下的鲜奶，由于乳酸菌 下，这样不但杀死了泡菜中的细菌，也使泡 的作用使奶中的乳糖变成了乳酸(lactic 菜更为适口。 acid)。乳酸将周围的环境变酸，使得那些 有害的微生物（如葡萄球菌）不能生长。另 不仅是人类，连牛也钟爱带酸味的食 物 青贮饲料(silage)。将新鲜的粮草