第十二章氨基酸的生產(chǎn)

第十二章氨基酸的生產(chǎn)

第一節(jié)概述第二節(jié)合成原理第三節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝過程第四節(jié)其他氨基酸生產(chǎn)化學(xué)工業(yè)出版社

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解氨基酸的應(yīng)用及一般的生產(chǎn)方法；了解谷氨酸合成原理及其它氨基酸的生產(chǎn)；掌握谷氨酸生產(chǎn)的工藝過程及工藝控制。第一節(jié)概述

氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)可提高食品的營養(yǎng)價(jià)值；具有鮮味。醫(yī)藥工業(yè)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，參與體內(nèi)代謝和各種生理機(jī)能活動(dòng)。飼料工業(yè)賴氨酸、蛋氨酸，提高飼料的營養(yǎng)價(jià)值?；瘜W(xué)工業(yè)洗滌劑—十二?；劝彼徕c肥皂；潤膚劑；人造纖維；涂料。農(nóng)業(yè)具有特殊作用，日本使用的N-月桂酰-L-異戊氨酸，能防止稻瘟病，提高米的蛋白質(zhì)含量；長鏈?；被崮芴岣咿r(nóng)作物對病害的抵抗力。生產(chǎn)方法提取法將蛋白質(zhì)原料用酸水解，從水解液中提取氨基酸。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸用提取法生產(chǎn)。合成法D、L-蛋氨酸，D、L-丙氨酸，甘氨酸和苯丙氨酸；需進(jìn)行拆分。酶法利用微生物產(chǎn)生的酶制造氨基酸。賴氨酸、色氨酸、天冬氨酸、酪氨酸可用酶法生產(chǎn)。發(fā)酵法以淀粉水解糖，或糖蜜、醋酸為原料，利用氨基酸生產(chǎn)菌進(jìn)行代謝發(fā)酵。發(fā)酵工藝，采用分批流加法，計(jì)算機(jī)控制，生產(chǎn)管理自動(dòng)化，產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率均較高。我國20世紀(jì)60年代發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸，目前發(fā)展相當(dāng)規(guī)模，賴氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等用發(fā)酵法和酶法生產(chǎn)。第二節(jié)合成原理谷氨酸生產(chǎn)機(jī)理分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：①淀粉經(jīng)過水解轉(zhuǎn)化為以葡萄糖為代表的單糖；②葡萄糖經(jīng)過EMP途徑或HMP途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸；③丙酮酸經(jīng)過三羧酸循環(huán)（TCA）轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸；④α-酮戊二酸經(jīng)過氨基化生成谷氨酸。谷氨酸棒狀桿菌的谷氨酸合成途徑見下圖谷氨酸棒狀桿菌的谷氨酸合成途徑示意圖第三節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝過程四部分組成：淀粉水解糖制備，谷氨酸發(fā)酵、提取、精制。淀粉水解糖的制備淀粉水解糖制備方法：酸法、雙酶法、酸酶法等。酸酶法淀粉水解糖制備工藝過程。調(diào)漿將淀粉原料調(diào)成粉漿，保持一定的濃度及pH值，將料液泵入水解鍋，水解糖化。粉漿的濃度、酸度及糖化時(shí)間等對淀粉的水解反應(yīng)有直接的影響。淀粉乳的濃度越低，水解液的葡萄糖值（DE值）越高，色澤越淺。在淀粉水解操作中，淀粉乳濃度一般采用18～19Be。水解蒸汽直接加熱。壓力與淀粉水解反應(yīng)速度成正比，壓力升高，水解反應(yīng)速度加快。為加快水解速度，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，可增大水解反應(yīng)壓力。在相同的條件下，達(dá)到一定的糖化效果，壓力升高時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短；反之，反應(yīng)時(shí)間加長。中和由糖化鍋壓出來的糖化液溫度很高(140～150℃)，冷卻、中和。中和的目的是降低糖化液酸度，使糖液中膠體物質(zhì)凝聚析出，便于過濾除去。中和劑為純堿，也可用燒堿配成NaOH溶液。用純堿中和，反應(yīng)較溫和，糖液質(zhì)量有保證，但是產(chǎn)生泡沫多；用燒堿中和，易局部過堿使葡萄糖發(fā)生焦化變?yōu)榻固牵ń固且种乒劝彼峋纳L，增加糖液色澤及精制困難）。在操作中將堿配成一定的濃度，然后再用于中和。脫色

活性炭吸附法常用粉末狀活性炭?；钚蕴亢牧恳曁且荷珴汕闆r與活性炭質(zhì)量而定。粉末炭用量相當(dāng)于投淀粉量0.6%～0.8%。脫色效果與投炭量、質(zhì)量、溫度、pH值、時(shí)間有關(guān)脫色溫度低些，對脫色效果較為有利，但溫度過低，將使糖液粘牲加強(qiáng)，難以過濾；在70℃左右?；钚蕴吭谒嵝詶l件下脫色能力較強(qiáng)。脫色需一定的攪拌時(shí)間(≥0.5h)，使活性炭充分起作用。離子交換樹脂脫色選擇性強(qiáng)，脫色效果較好，便于管道化、連續(xù)化及自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。過濾

常用板框壓濾；用于脫色的活性碳起過濾介質(zhì)和助濾劑的作用。菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)斜面培養(yǎng)產(chǎn)生菌是棒桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬及節(jié)桿菌屬的細(xì)菌；都是好氧微生物，都需要以生物素為生長因子。我國用北京棒桿菌AS1.229、鈍齒棒桿菌AS1542等。斜面培養(yǎng)用蛋白胨、牛肉膏、氯化鈉組成pH7.0～7.2的瓊脂培養(yǎng)基，在32℃培養(yǎng)18～24h，合格后，放冰箱保存?zhèn)溆?。一?jí)種子培養(yǎng)采用由葡萄糖、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸鐵及硫酸錳組成，pH6.5～6.8的液體培養(yǎng)基；以1L三角瓶裝液體培養(yǎng)基200～250mL振蕩培養(yǎng)，在32℃培養(yǎng)12h，如無污染，質(zhì)量達(dá)到要求，貯于4℃冰箱備用。二級(jí)種子培養(yǎng)用種子罐培養(yǎng)，接種量1%，培養(yǎng)基組成和一級(jí)種子相仿，主要區(qū)別是用水解糖代替葡萄糖，于32℃下通氣培養(yǎng)7～10h，經(jīng)質(zhì)檢合格可移種至發(fā)酵罐（或冷卻至10℃?zhèn)溆茫?。種子質(zhì)量要求：無雜菌及噬菌體感染，菌體大小均勻，呈單個(gè)或八字排列。二級(jí)種子培養(yǎng)結(jié)束時(shí)要求活菌數(shù)為108～109個(gè)細(xì)胞/mL，攝氧率>1000μL氧/mL種子液·h。氨基酸發(fā)酵的工藝控制(1)菌體生長期，幾乎不產(chǎn)酸，大約12h，此期泡沫較多并放出大量發(fā)酵熱，必須進(jìn)行冷卻。(2)菌體生長停止轉(zhuǎn)入產(chǎn)物合成期，菌體濃度基本不變，糖與尿素分解后產(chǎn)生α-酮戊二酸和氨，用來合成谷氨酸。(3)發(fā)酵后期，菌體衰老，糖耗緩慢，當(dāng)酸濃度不再增加時(shí)，需及時(shí)放罐，發(fā)酵周期一般為30h。（1）培養(yǎng)基成分及其控制（培養(yǎng)基各成分的作用）①菌體生長、氨基酸合成均需要氮；氮源還用來調(diào)節(jié)pH值，因此氮源的需要量比一般發(fā)酵要多。②谷氨酸發(fā)酵的碳/氮=100/(15～21)，碳/氮=100/11時(shí)才開始積累谷氨酸。③在消耗氮源中，合成菌體用氮源僅占氮3％～6％，合成谷氨酸氮源占30％～80％。④在實(shí)際生產(chǎn)中，采用尿素或氨水為氮源時(shí)，還有一部分氮用來調(diào)節(jié)pH值，另一部分氮源被分解隨空氣逸出，因此用量更大。在谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)中當(dāng)糖濃度為12.5％、總尿素量為3％，碳：氮=100：28。

說明：不同的碳氮比對氨基酸生物合成產(chǎn)生顯著影響，如谷氨酸發(fā)酵中，適量的NH4+可減少α-酮戊二酸的積累，促進(jìn)谷氨酸的合成；過量NH4+會(huì)使生成的谷氨酸受谷酰胺合成酶的作用轉(zhuǎn)化為谷酰胺。⑤氨基酸發(fā)酵還需要無機(jī)鹽、生長因子等。（2）種齡和種量的控制一級(jí)種子種齡控制在11～12h；二級(jí)種子種齡控制在7～8h。一次初糖谷氨酸發(fā)酵接種量1％。種量過多，使菌體生長速度過快，菌體嬌嫩，不強(qiáng)壯，提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸不高；如果種量過少，則菌體增長緩慢，發(fā)酵時(shí)間延長，容易染菌。

（3）溫度的影響及其控制菌體生長最適溫度和氨基酸合成最適溫度不同。菌體生長最適溫度30～32℃；溫度過高，則菌體易衰老，pH值高，糖耗慢，周期長，酸產(chǎn)量低，如遇這種情況，除維持最適生長溫度外還需適當(dāng)減少風(fēng)量，并采取少量多次流加尿素等措施，以促進(jìn)菌體生長。發(fā)酵中、后期，維持最適宜產(chǎn)酸溫度34～37℃，以利谷氨酸合成。

（4）pH值的影響及其控制

影響酶的活性和菌的代謝。谷氨酸發(fā)酵，pH=7.0～8.0積累谷氨酸，pH=5.0～5.8，則易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。發(fā)酵前期pH值偏高對生長不利，糖耗慢，發(fā)酵周期延長；pH值偏低，菌體生長旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。前期pH值偏高(pH=7.5～8.0)對抑制雜菌有利，故控制發(fā)酵前期的pH值以7.5左右。中后期的pH值為7.2左右。生產(chǎn)上控制pH值的方法流加尿素（常用）；流加氨水①流加尿素的數(shù)量和時(shí)間根據(jù)pH值變化、菌體生長、糖耗情況和發(fā)酵階段等決定。當(dāng)菌體生長和糖耗均緩慢時(shí)，要少量多次地流加尿素，避免pH值過高而影響菌體生長；菌體生長和糖耗均快時(shí)，流加尿素可多些，使pH值適當(dāng)高些，以抑制生長；發(fā)酵后期，殘?zhí)呛苌?，接近放罐時(shí)，盡量少加或不加尿素，以免造成浪費(fèi)和增加氨基酸提取困難。②流加氨水，因氨水作用快，對pH的影響大，故應(yīng)采用連續(xù)流加。（5）氧的影響及其控制

不同的種齡、種量，培養(yǎng)基成分，發(fā)酵階段及發(fā)酵罐大小要求通風(fēng)量不同。長菌階段，通風(fēng)量過大，生物素缺乏，會(huì)抑制菌體生長，表現(xiàn)出耗糖慢、pH高、菌體生長緩慢；產(chǎn)酸階段，需要大量供氧，如通氣量不足，pH低，耗糖快，長菌不產(chǎn)酸，積累乳酸和琥珀酸。通氣量過大，不利于α-酮戊二酸進(jìn)一步還原氨基化，而大量積累α-酮戊二酸。在適量通氣條件下，才能大量積累谷氨酸。從空氣過濾、培養(yǎng)基、設(shè)備、環(huán)境等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。谷氨酸生產(chǎn)菌對噬菌體和雜菌的抵抗能力較弱。發(fā)酵過程中污染雜菌或噬菌體，輕則出現(xiàn)谷氨酸收率低、難提取；重則倒罐，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。

（6）防止噬菌體和雜菌的污染

谷氨酸的提取和精制工藝

常用方法：等電點(diǎn)法、離子交換法、鋅鹽法。

1．提?。?）等電點(diǎn)法谷氨酸分子中有2個(gè)羧基、1個(gè)氨基，pK1=2.91(α-COOH)、pK2=4.25(γ-COOH)、pK3=9.67(α-NH3+)，其等電點(diǎn)為pH=3.22

將發(fā)酵液調(diào)節(jié)到pH=3.22，谷氨酸沉淀析出。此法操作方便，設(shè)備簡單，一次收率達(dá)60％左右；缺點(diǎn)是周期長，占地面積大。

（2）離子交換法

發(fā)酵液的pH<3.22時(shí)，谷氨酸以陽離子狀態(tài)存在，用陽離子交換樹脂提取，吸附在樹脂上的谷氨酸陽離子再用堿洗脫下來，收集谷氨酸洗脫液，經(jīng)冷卻，加鹽酸調(diào)pH=3.0～3.2進(jìn)行結(jié)晶，再用離心分離機(jī)即可得谷氨酸結(jié)晶。此法過程簡單，周期短，設(shè)備省，占地少，提取總收率可達(dá)80％～90％缺點(diǎn)是酸堿用量大，廢液污染環(huán)境。理論上講，上柱發(fā)酵液的pH值應(yīng)低于3.22，但實(shí)際生產(chǎn)上發(fā)酵液的pH值并不低于3.22，而是在5.0～5.5就可上柱。原因：發(fā)酵液中含有一定數(shù)量的NH4+、Na+陽離子，優(yōu)先與樹脂進(jìn)行交換反應(yīng)，放出H+離子，使溶液的pH值降低，谷氨酸帶正電荷成為陽離子而被吸附，上柱時(shí)應(yīng)控制溶液的pH值不高于6.0。

2．中和、精制中和谷氨酸的飽和溶液加堿進(jìn)行中和，谷氨酸中和反應(yīng)pH應(yīng)控制在谷氨酸第二等電點(diǎn)pH=6.96。當(dāng)pH值太高時(shí)，生成谷氨酸二鈉。除鐵、除鋅有硫化鈉和樹脂法兩種。硫化鈉可與Fe2+、Zn2+反應(yīng)生成硫化鋅沉淀而除去。樹脂除鐵是利用弱酸性陽離子交換樹脂，吸附鐵或鋅得以除去。樹脂法除鐵或鋅，解決了硫化除鐵引起的環(huán)境污染問題，改善了操作條件，提高味精質(zhì)量，是一種較為理想的除鐵方法。脫色

活性炭脫色法和離子交換樹脂法活性炭脫色主要是粉末狀的藥用炭和GH-15顆?；钚蕴績煞N。粉末活性炭脫色，一種方法是在中和過程中加炭脫色后除去鐵，另一種方法是中和液洗滌除鐵，用谷氨酸回調(diào)pH=6.2～6.4，蒸汽加熱60℃，使谷氨酸全部溶解，再加入適量的活性炭脫色。經(jīng)粉末活性炭脫色后，往往透光率達(dá)不到要求，需進(jìn)入GH-15活性炭柱進(jìn)行最后一步脫色工序。

離子交換樹脂脫色主要靠樹脂的多孔隙表面對色素進(jìn)行吸附，樹脂的基團(tuán)與色素的某些基團(tuán)形成共價(jià)鍵，對雜質(zhì)起到吸附與交換作用，一般選用弱堿性陰離子交換樹脂。濃縮和結(jié)晶

a.谷氨酸鈉在水中的溶解度很大，必須除去大量的水分，使溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)。

b.為了避免因溫度太高，谷氨酸鈉脫水變成焦谷氨酸鈉，采用減壓蒸餾法進(jìn)行中和液的濃縮和結(jié)晶，真空度一般在80kPa以上，溫度為65～70℃。

c.為了使味精的結(jié)晶顆粒整齊，采用投晶種結(jié)晶法，完成結(jié)晶后，經(jīng)離心機(jī)分離，振動(dòng)床干燥、篩分，再經(jīng)過包裝，即成成品味精。

一、

L-天（門）冬氨酸的生產(chǎn)L-天（門）冬氨酸(簡寫L-ASP)是天然存在的重要氨基酸，工業(yè)上主要采用L-天門冬氨酸酶轉(zhuǎn)化富馬酸的方法得到。L-ASP為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，略帶酸味，微溶于水，不溶于乙醇和乙醚；是一種酸性氨基酸，可作為合成其它們氨基酸如丙氨酸、苯丙氨酸的主要原料，也可用作合成其它精細(xì)化學(xué)品，如天苯、天丙二肽等，是重要的化工原料。第四節(jié)

其他氨基酸生產(chǎn)L-ASP可以作為藥品和食品營養(yǎng)增補(bǔ)劑使用。醫(yī)藥上主要作為治療心臟病、肝功能促進(jìn)劑、氨解毒劑、疲勞消除劑和氨基酸輸液成分；食品上主要用于鮮味劑和高甜味劑，其中天冬甜精的甜度大于蔗糖200倍，且熱量低，不蝕牙齒，加入橘子汁等夏季飲料中，具有獨(dú)特的爽口香味，天門冬氨酸鈉鹽可以抑制食品中色、香、味之變化，增加飲料中CO2的保持率；天門冬氨酸具有消除疲勞之功效，日本味之素公司用天門冬氨酸為主要成分配成營養(yǎng)飲料，具有顯著的消除疲勞的效果。L-ASP生產(chǎn)工藝流程如下：生產(chǎn)賴氨酸的方法有四種：血蛋白質(zhì)為原料的蛋白質(zhì)水解法；己內(nèi)酰胺、丙烯腈等為原料的化學(xué)合成法；以淀粉糖及糖蜜為原料的直接發(fā)酵法及二氨基庚二酸前體添加發(fā)酵法；DL-己內(nèi)酰