谷氨酸的發(fā)酵工藝

谷氨酸的發(fā)酵工藝第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日

味精的產(chǎn)品特性商品味精味精的安全性正確食用味精的方法第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日中國(guó)味精業(yè)空間巨大2001年東南亞地區(qū)味精人均消費(fèi)量：臺(tái)灣：2000克韓國(guó)：1200克日本：1020克香港：1000克中國(guó)大陸：500克中國(guó)味精消費(fèi)每年至少有160萬噸的空間第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制取谷氨酸生產(chǎn)菌種子的擴(kuò)大培養(yǎng)谷氨酸發(fā)酵谷氨酸的提取與分離由谷氨酸制成味精及味精成品加工

味精生產(chǎn)工藝流程第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日味精的發(fā)酵工藝主要內(nèi)容：第一節(jié)：谷氨酸生產(chǎn)第二節(jié)：谷氨酸的提取第三節(jié)：谷氨酸制味精第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)谷氨酸生產(chǎn)概述：氨基酸發(fā)酵一.谷氨酸生產(chǎn)原料及其處理二.谷氨酸產(chǎn)生菌三.谷氨酸的合成途徑四、谷氨酸代謝的調(diào)控五.谷氨酸的發(fā)酵工藝第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日概述氨基酸發(fā)酵1.氨基酸的作用：組成蛋白質(zhì)的基本成分；可作為調(diào)味料；提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。生產(chǎn)氨基酸的大國(guó)為日本和德國(guó)。第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.氨基酸生產(chǎn)方法發(fā)酵法化學(xué)合成法酶法抽提法第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.氨基酸發(fā)酵概念：利用微生物生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)生產(chǎn)各種氨基酸作用的過程。原料氨基酸其他代謝產(chǎn)物氨基酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵，它的積累是建立在對(duì)微生物正常代謝的抑制上。關(guān)鍵：能否打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)，人為的控制發(fā)酵。

微生物微生物（中間代謝產(chǎn)物）第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、谷氨酸生產(chǎn)原料及其處理

谷氨酸的作用：（1）合成人體代謝所需的其他氨基酸。（2）降低血液中氨中毒作用。（3）參與腦蛋白代謝和糖代謝。

腦組織只能氧化谷氨酸，而不能氧化其他氨基酸。（4）對(duì)于防治腦震蕩或腦神經(jīng)損傷有一定的療效。

長(zhǎng)期適當(dāng)?shù)姆霉劝彼幔商岣呱窠?jīng)有缺陷兒童的智力。（5）生產(chǎn)味精，作重要的調(diào)味品。第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸發(fā)酵的主要原料

淀粉：玉米、小麥、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最為常用。糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜醋酸乙醇正烷烴（液體石蠟）氮源料：尿素或氨水。第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日

國(guó)內(nèi)：淀粉（多數(shù)廠家）

糖蜜（少數(shù)廠家）

淀粉

水解葡萄糖谷氨酸生產(chǎn)菌谷氨酸糖蜜

預(yù)處理去除生物素的糖蜜

谷氨酸生產(chǎn)菌谷氨酸第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日（一）糖蜜的預(yù)處理原因：糖蜜（特別是甘蔗糖蜜）中含有過量的生物素，會(huì)導(dǎo)致光長(zhǎng)菌體，不產(chǎn)谷氨酸的后果，影響谷氨酸的積累。目的：降低生物素的含量方法：1.活性炭處理法：吸附2.水解活性炭處理法：用鹽酸水解糖蜜后再吸附3.樹脂處理法：通過脫色樹脂交換柱第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日（二）淀粉的糖化淀粉水解葡萄糖酸解法酶解法酸酶（或酶酸）結(jié)合法酸酶法酶酸法第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日淀粉糖化的方法1.酸解法淀粉酸高溫高壓葡萄糖2.酶解法（雙酶法）淀粉a-淀粉酶糊精和低聚糖糖化酶葡萄糖(液化)（糖化）3.酸酶法淀粉酸解法糊精和低聚糖糖化酶葡萄糖4.酶酸法淀粉a-淀粉酶糊精和低聚糖酸解法葡萄糖第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、谷氨酸產(chǎn)生菌

1.種類：谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、嗜氨小桿菌、硫殖短桿菌。我國(guó)使用的生產(chǎn)菌株是北京棒桿菌AS1.299、北京棒桿菌D110、鈍齒棒桿菌AS1.542、棒桿菌S-914和黃色短桿菌T6~13等。谷氨酸棒桿菌呈一端膨大的棒狀，折斷分裂形成“八”字狀排列第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.形態(tài)上共同特點(diǎn)（芽孢桿菌除外）:（1）革蘭氏陽性（2）菌體為球形、短桿至棒狀（3）不形成芽孢（4）沒有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)（5）都是生物素缺陷型（6）都是需氧型微生物第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、谷氨酸合成途徑1.谷氨酸合成的方式（1）氨基轉(zhuǎn)移作用-酮戊二酸+氨基酸谷氨酸+-酮酸（2）還原氨基化作用-酮戊二酸+NH4++NADPH2

谷氨酸+NADPH+H2O第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2、谷氨酸合成途徑

谷氨酸的生物合成過程中的幾個(gè)途徑主要有：（1）糖酵解途徑（EMP途徑）（2）磷酸己糖途徑（HMP途徑）（3）三羧酸循環(huán)途徑（TCA循環(huán)）（4）乙醛酸循環(huán)途徑（DCA循環(huán)）（5）伍德-沃克反應(yīng)（CO2固定反應(yīng)）（6）α-酮戊二酸的還原氨基化反應(yīng)這6條途徑之間是相互聯(lián)系和相互制約的，如圖所示：第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日葡萄糖

②HMP3-磷酸甘油醛丙酮酸乙酰輔酶ACO2草酰乙酸檸檬酸蘋果酸異檸檬酸延胡索酸琥珀酸NADPHα-酮戊二酸NADPHNH4+谷氨酸乳酸乙酰輔酶A④乙醛酸循環(huán)乙醛酸①EMP③TCA谷氨酸⑤CO2固定透過細(xì)胞膜⑥α-酮戊二酸的還原氨基化3.谷氨酸的生物合成過程中的幾個(gè)途徑第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日三羧酸循環(huán)（TCA）第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.谷氨酸產(chǎn)生菌的生化特征（1）CO2固定能力強(qiáng)。（2）-酮戊二酸氧化能力微弱:-酮戊二酸脫氫酶喪失或活性低。（3）異檸檬酸裂解酶活力微弱。（4）谷氨酸脫氫酶活性強(qiáng)。（5）還原性輔酶Ⅱ(NADPH+H+)進(jìn)入呼吸鏈能力缺陷或微弱。（6）不利用谷氨酸。（7）耐高糖耐高谷氨酸。（8）解除谷氨酸反饋抑制。（9）具有向胞外分泌谷氨酸的能力。第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸理論轉(zhuǎn)化率如果草酰乙酸全部由CO2固定獲得，則1摩爾葡萄糖生成1摩爾的谷氨酸。C6H12O6+NH3+1.5O2→C5H9O4+CO2+3H2O理論轉(zhuǎn)化率=147/180=81.7%第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸的大量積累不是由于生物合成途徑的特異，而是：（一）菌體代謝調(diào)節(jié)控制（二）細(xì)胞膜通透性的特異調(diào)節(jié)（三）發(fā)酵條件的適合四、谷氨酸代謝的調(diào)控第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日（一）菌體代謝調(diào)節(jié)控制

1.谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制琥珀酸-酮戊二酸脫氫酶（弱）

-酮戊二酸

谷氨酸脫氫酶（強(qiáng)）谷氨酸透過細(xì)胞膜谷氨酸第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制1.優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)2.糖代謝的調(diào)節(jié)（1）能荷控制（2）能荷控制生物素對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)3.氮代謝的調(diào)節(jié)4.其他調(diào)節(jié)（如Cu2+的調(diào)節(jié)）第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日（二）細(xì)胞膜通透性的特異調(diào)節(jié)用能積累谷氨酸菌株做如下實(shí)驗(yàn):生物素充足時(shí),細(xì)胞內(nèi)含大量谷氨酸,但培養(yǎng)液里幾乎不含谷氨酸用溶菌酶消化細(xì)胞壁得到的原生質(zhì)體仍不分泌谷氨酸當(dāng)把原生質(zhì)體放入低滲溶液里,將其漲破,谷氨酸才排出生物素亞適量時(shí),培養(yǎng)液里含大量谷氨酸,細(xì)胞里含量少結(jié)論:谷氨酸的分泌是由細(xì)胞膜控制第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日控制細(xì)胞膜通透性的方法：控制磷脂的合成；控制細(xì)胞壁的合成：選育溫敏突變株

第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日1.控制磷脂的合成

①生物素營(yíng)養(yǎng)缺陷型作用機(jī)制:生物素是脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA羧化酶的輔酶,參與了脂肪酸的合成,進(jìn)而影響脂肪酸的合成。當(dāng)磷脂合成量少到正常的1/2左右時(shí),細(xì)胞變形,Glu向膜外漏出，積累于發(fā)酵液中?？刂脐P(guān)鍵:使用該類突變株必須限制發(fā)酵培養(yǎng)基中生物素亞適量(5-10g/L).在發(fā)酵初期(0-8小時(shí)),細(xì)胞正常生長(zhǎng),當(dāng)生物素耗盡后,在菌的再次倍增時(shí),開始出現(xiàn)異常形態(tài)細(xì)胞,即完成了細(xì)胞從生長(zhǎng)型到積累型轉(zhuǎn)換.突變株第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日

②油酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型作用機(jī)制:油酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型喪失了合成油酸的能力,通過控制油酸使磷脂合成量減少到正常量的1/2左右.控制關(guān)鍵:保證在培養(yǎng)基中油酸亞適量,完成細(xì)胞從生長(zhǎng)型到生產(chǎn)型的轉(zhuǎn)換.突變株第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日③甘油缺陷型作用機(jī)理：?jiǎn)适-甘油-3-磷酸(NADP氧化還原酶)，不能合成a-磷酸甘油和磷脂，只有添加甘油才能生長(zhǎng)。在甘油限量供應(yīng)下，由于控制了細(xì)胞膜中與滲透性有直接關(guān)系的磷脂的含量，使谷氨酸得以積累。控制的關(guān)鍵：添加亞適量的甘油或甘油衍生物。甘油過少，菌株生長(zhǎng)不夠好;甘油過量，磷脂合成正常，產(chǎn)谷氨酸低。突變株第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日添加表面活性劑(如吐溫60)或不飽和脂肪酸(C16-18),也能造成細(xì)胞滲漏,積累谷氨酸。機(jī)理:兩者在脂肪酸合成時(shí)對(duì)生物素有拮抗作用,導(dǎo)致磷脂合成不足,形成不完整的細(xì)胞膜。關(guān)鍵:控制好脂肪酸或表面活性劑的時(shí)間和濃度,必須在藥劑加入后,在這些藥劑存在下進(jìn)行分裂,形成產(chǎn)酸型細(xì)胞。其他④添加表面活性劑第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日⑤添加青霉素機(jī)理:青霉素抑制谷氨酸生產(chǎn)菌細(xì)胞壁后期的合成,細(xì)胞膜在失去保護(hù),在滲透壓的作用下受損,向外泄露谷氨酸.控制關(guān)鍵:一般在進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的早期(3-6小時(shí))添加.添加青霉素后倍增的菌體不能合成完整的細(xì)胞壁,完成細(xì)胞功能的轉(zhuǎn)換.

其他第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸發(fā)酵強(qiáng)制控制工藝如:“高生物素高吐溫”或“高生物素高青霉素”控制方法:在發(fā)酵培養(yǎng)基中預(yù)先配加一定量(過量)的純生物素,大大地削弱每批原料中生物素含量變化的影響,高生物素大接種量能促進(jìn)菌體迅速增殖.再在菌體倍增的早期加入相對(duì)高的吐溫或青霉素,形成產(chǎn)酸型細(xì)胞.固定其它條件,確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn).其他第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日（三）發(fā)酵條件的控制

（1）發(fā)酵溫度谷氨酸發(fā)酵前期(0~12h):30-32℃。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期:菌體濃度迅速增大（12h），糖耗快，維持溫度30-32℃在發(fā)酵中、后期:是谷氨酸大量積累的階段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脫氫酶的最適溫度在32-36℃。

第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）

pH值1）pH值對(duì)谷氨酸產(chǎn)生菌生長(zhǎng)的影響2）pH值對(duì)谷氨酸積累的影響發(fā)酵液的pH影響微生物的生長(zhǎng)和代謝途徑。發(fā)酵前期如果pH偏低，則菌體生長(zhǎng)旺盛，長(zhǎng)菌而不產(chǎn)酸；如果pH偏高，則菌體生長(zhǎng)緩慢，發(fā)酵時(shí)間拉長(zhǎng)。在發(fā)酵前期將pH值控制在7.5~8.0左右較為合適。而在發(fā)酵中、后期將pH值控制在7.0~7.6左右對(duì)提高谷氨酸產(chǎn)量有利。第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3）通風(fēng)在谷氨酸發(fā)酵過程中，發(fā)酵前期以低通風(fēng)量為宜；發(fā)酵中、后期以高通風(fēng)量為宜。實(shí)際生產(chǎn)上，以氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)來檢查通氣量，即以每分鐘單位體積的通氣量表示通風(fēng)強(qiáng)度。另外發(fā)酵罐大小不同，所需攪拌轉(zhuǎn)速與通風(fēng)量也不同。

第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日（4）

泡沫的控制在發(fā)酵過程中由于強(qiáng)烈的通風(fēng)和菌體代謝產(chǎn)生的CO2，使培養(yǎng)液產(chǎn)生大量的泡沫，不僅使氧在發(fā)酵液中的擴(kuò)散受阻，影響菌體的呼吸和代謝。給發(fā)酵帶來危害，必須加以消泡。消泡方法：機(jī)械消泡(耙式、離心式、刮板式、蝶式消泡器)化學(xué)消泡(天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等)第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日（5）

發(fā)酵時(shí)間不同的谷氨酸產(chǎn)生菌對(duì)糖的濃度要求也不一樣，其發(fā)酵時(shí)間也有所差異。低糖(10%~12%)發(fā)酵，其發(fā)酵時(shí)間為36~38h，中糖(14%)發(fā)酵，其發(fā)酵時(shí)間為45h。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日五、谷氨酸發(fā)酵工藝整個(gè)過程可簡(jiǎn)單的分為2個(gè)階段:1.菌體生長(zhǎng)階段;2.產(chǎn)酸階段,谷氨酸得以大量積累。

第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日發(fā)酵過程參數(shù)測(cè)定還原糖的測(cè)定谷氨酸的測(cè)定菌體形態(tài)觀察菌體濃度測(cè)定發(fā)酵過程參數(shù)的控制OD值pH溫度攪拌速度發(fā)酵發(fā)酵液冷卻接種三角瓶培養(yǎng)固體斜面培養(yǎng)上罐實(shí)消培養(yǎng)基的配制谷氨酸發(fā)酵的工藝流程簡(jiǎn)圖第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日1.發(fā)酵培養(yǎng)基主要成分（1）碳源（2）氮源（3）無機(jī)鹽（4）生長(zhǎng)因子第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.培養(yǎng)基滅菌（1）滅菌條件實(shí)罐培養(yǎng)基滅菌條件：105~110℃，滅菌5min連續(xù)滅菌條件：連消塔滅菌溫度為110~115℃,維持罐溫度在105~110℃約6min。（2）冷卻：至30℃左右。第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.種子的擴(kuò)大培養(yǎng)接種量：1%兩級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的方法，其工藝流程為：保藏菌種斜面活化

搖瓶種子培養(yǎng)（一級(jí)種子）種子罐（二級(jí)種子）發(fā)酵罐第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸發(fā)酵過程中,生產(chǎn)菌種的特性、生物素、發(fā)酵溫度、pH值、通風(fēng)和發(fā)酵產(chǎn)生的泡沫都是影響谷氨酸積累的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中,只有針對(duì)存在的問題,嚴(yán)格控制工藝條件,才能達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日將谷氨酸發(fā)酵菌在發(fā)酵液中積累的L-谷氨酸提取處理，再進(jìn)一步中和、除鐵、脫色加工精制成谷氨酸單鈉鹽（俗稱味精），這個(gè)過程叫提煉。從生產(chǎn)上分為谷氨酸提取與精制兩個(gè)階段。第二節(jié)谷氨酸的提取第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日目前國(guó)內(nèi)各味精廠提取谷氨酸的主要方法：1.等電點(diǎn)法2.離子交換法3.金屬鹽法4.鹽酸水解等電電法5.離子交換膜電滲析法國(guó)外提取谷氨酸方法：日本：協(xié)和發(fā)酵采用濃縮等電點(diǎn)工藝美國(guó)：旋轉(zhuǎn)真空膜過濾第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日谷氨酸發(fā)酵液常溫等電法等電結(jié)晶沉降分離脫色中和結(jié)晶冷凍等電法上清液（母液）離子交換谷氨酸晶體谷氨酸晶體冷凍結(jié)晶濃縮結(jié)晶谷氨酸鈉晶體（味精）谷氨酸的分離與味精的制備

第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、等電點(diǎn)法提取谷氨酸(簡(jiǎn)單、常用)原理：HOOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COOH谷氨酸（GA）HOOC—CH2—CH2—CH(NH3+)—COOHGA+HOOC—CH2—CH2—CH(NH3+)—COO-

GA士HOOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COO-

GA--OOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COO-

GA=

谷氨酸在等電點(diǎn)是它呈電中性時(shí)所處的環(huán)境的PH值，用PI表示。谷氨酸在等電點(diǎn)時(shí),絕大部分以偶極離子(GA±)狀態(tài)存在,其分子內(nèi)部正負(fù)電荷相等,并含有等量的帶不同電荷的陽離子(GA+)和陰離子(GA-),因此溶液中總靜電荷等于零。由于谷氨酸分子之間相互碰撞,再通過靜電引力的作用,結(jié)合成較大的聚合體而被沉淀析出,因而處于等電點(diǎn)時(shí)GA的溶解度最小。又由于溫度對(duì)GA的溶解度影響很大,溫度越低溶解度越小,生產(chǎn)上多采用0～4℃。第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日等電點(diǎn)法提取工藝

操作簡(jiǎn)單，收率60％。周期長(zhǎng)，占地面積大20BeHClpH4.5~4.02h慢加酸發(fā)酵液第一中和點(diǎn)停酸育晶等電點(diǎn)pH5.0時(shí)慢加

pH3.0~3.2低速攪拌結(jié)晶靜止沉降濕谷氨酸離心分離谷氨酸20h母液第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日等電點(diǎn)法提取谷氨酸注意三個(gè)方面：發(fā)酵液純度高：谷氨酸/殘?zhí)潜戎蹈撸z體少，提前除菌體最好；發(fā)酵液處理要及時(shí)；加酸調(diào)pH、溫度、育晶時(shí)間、攪拌服從結(jié)晶規(guī)律。第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日原理：當(dāng)氨基酸pH值大于3.22時(shí)羧基離解而帶負(fù)電,它能被陰離子交換樹脂吸附;當(dāng)pH小于3.22時(shí)氨基離