1、第六章 发酵工艺实例介绍第一节 味精 一、概述 早期从天然的食物材料中取得 中期最早商业化制造味精的原料是面筋 近期糖是生产味精的主要原料,Introduction,History of amino acids production:The story of started in 1908 Isolated glutamic acid, delicious tasteScreen for amino-acid-excreting microorganisms: Corynebacterium glutamicum, In 1957.Monosodium glutamate (MSG): A f
2、lavor-enhancing compound,二、谷氨酸的生物合成机理1. 谷氨酸 （-氨基戊二酸）OC-OH 第一代鲜味剂H2N- C- H L-谷氨酸单钠盐味精 H-C-HH-C-HH-C OOHL-型,2.谷氨酸的生物合成,葡萄糖6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸3-P-甘油醛 5-P-核糖丙酮酸 乙酰CoA草酰乙酸 柠檬酸苹果酸 异柠檬酸延胡索酸 琥珀酸- 酮戊二酸谷氨酸 透过细胞膜 谷氨酸,HMP: Hexosemonophosphate pathway,（1）EMP:丙酮酸，ATP,NADH2 （2）HMP:6磷酸果糖3磷酸甘油酸NADPH2:酮戊二酸还原氨基化必需的供氢体。 （
3、3）TCA循环:生成谷氨酸前体物质酮戊二酸。 （4）CO2固定反应:补充草酰乙酸。 （5）乙醛酸循环:使琥铂酸、延胡索酸和苹果酸的量得 到补充，维持TCA循环的正常运转。谷氨酸脱氢酶 （6）还原氨基化反应:酮戊二酸 谷氨酸,丙酮酸,回补反应,3.谷氨酸生产菌的生化特征（1）有苹果酸酶和丙酮酸羧化酶。（2）酮戊二酸脱氢酶活性弱，异柠檬酸脱氢酶活性强，异柠檬酸裂解酶活性弱。（3）谷氨酸脱氢酶活性高，经呼吸链氧化NADPH2的能力弱。（4）菌体本身利用谷氨酸的能力低。,4.谷氨酸产生菌（全是细菌）棒杆菌属 北京棒杆菌 C. pekinenseCorynebacterium 钝齿棒杆菌 C. cren
4、atum谷氨酸棒杆菌 C. glutamicum短杆菌属 黄色短杆菌 B. flvumBrevibacterium 产氨短杆菌 B. ammoniagenes 小杆菌属 嗜氨小杆菌 M. ammoniaphilumMicrobacterium节杆菌属 球形节杆菌 A. globiformis Arthrobacter,共同点：1）革兰氏阳性。2）不形成芽孢。3）没有鞭毛，不能运动。4）需要生物素作为生长因子。5）在通气条件下产谷氨酸（需氧微生物）。,三、谷氨酸发酵的工艺控制 （一）培养基1. 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃（1）淀粉水解糖的制备（2）糖蜜原料,2.氮源：铵盐、尿素、氨水C/
5、N100：1521，实际高达100：28因为：1）用于调整pH。2）分解产生的NH3从发酵液中逸出。产酸阶段：NH4+不足：使-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。NH4+过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。,3.无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中磷酸盐对发酵有显著影响。不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。过多：a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩 合生成缬氨酸的前体物乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积。,4. 生长因子：生物素作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。（1）作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影
6、响磷酯的合成。（2）浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为：a.乙醛酸循环活跃，-酮戊二酸生成量减少。b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。,生物素：B族维生素的一种，又称维生素H或辅酶R。是合成脂肪酸所必需的。脂肪酸的生物合成：利用乙酰CoA（直接原料是丙二酸单酰CoA）在乙酰CoA羧化酶（辅基为生物素）催化下合成。,脂肪酸甘油磷酸磷脂蛋白质生物膜因此，脂肪酸是组成细胞膜类脂的必要成分。生物素限量，不利于脂肪酸的合成，有利于谷氨酸透过细胞膜分泌至体外。,使胞内代谢产物迅速排出的方法1. 用生理学手段 直接抑制膜合成或使膜受缺损 如: Glu发酵中，控制生物素亚适量可大量分泌Glu；
7、 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法；,2. 利用膜缺损突变株 油酸缺陷型、甘油缺陷型 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,控制细胞膜的渗透性,(1) 通过生理学手段控制细胞膜渗透性,(2) 通过细胞膜缺损突变控制细胞膜渗透性,工业上利用谷氨酸棒状杆菌大量积累谷氨酸，应采用的最好方法是（ ） A加大菌种密度 B改变碳源和氮源比例 C改变菌体细胞膜通透性 D加
8、大葡萄糖释放量,为什么添加适量生物素或青霉素可提高谷氨酸产量？生物素：乙酰-CoA羧化酶的辅酶，与脂肪酸及磷脂合成有关。控制生物素含量，可改变细胞膜的成分，改变膜的透性、谷氨酸的分泌和反馈调节。生物素含量高时，细胞膜致密，阻碍Glu分泌，并引起反馈抑制，加适量青霉素可提高Glu产量。青霉素：抑制肽聚糖合成中的转肽酶活性，引起肽聚糖结构中肽桥无法交联，造成细胞壁缺损，在膨胀压的作用下代谢物外渗，降低了谷氨酸的反馈抑制，提高了产量。,（二）pH的影响及其控制作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。在氮源供应充分和微酸性条件下，谷氨酸发酵转向谷氨酰胺发酵。pH控制在中性或微碱性。方法：流加尿素和氨水。
9、,（三）温度的影响及其控制,菌体生长达一定程度后开始产生氨基酸，菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度不同。 菌体生长阶段：3034 产酸阶段：3436,（四）溶解氧的控制大小由通风量和搅拌转速决定。发酵产酸阶段，通风量要适量。 不足：发酵液pH值偏低，生成乳酸和琥珀酸，谷氨酸少。 过大：NADPH2通过呼吸链被氧化，影响-酮戊二酸还原氨基化，使-酮戊二酸蓄积。,环境条件引起谷氨酸合成的代谢转换,三、下游过程 （一）谷氨酸的提取方法1.等电点沉淀法（1）水解等电点法（2）低温等电点法（3）低温连续等电点法,2. 不溶性盐沉淀法 （1）锌盐法 谷氨酸锌离子 谷氨酸锌沉淀 溶液 谷氨酸结晶,pH6
10、.3,加酸,pH2.4,（2）盐酸盐法：Glu在浓盐酸中生成并析出谷氨酸盐酸盐。 这是用盐酸水解面筋生产谷氨酸的原理。 （3）钙盐法：高温谷氨酸钙溶解度大，与菌体等不溶性杂质 分开，降温，析出谷氨酸钙沉淀，加NaHCO3 直接得到味精。,3.离子交换法用阳离子交换树脂吸附谷氨酸形成的阳离子，再用热碱（ 60 4% NaOH ）洗脱，收集相应流分，加盐酸结晶。GA+ GA GA- GA=12pI,谷氨酸是酸性氨基酸，含2个羧基1个氨基，与阴离子交换树脂要比与阳离子交换树脂强，但阴离子机械强度差，价格贵，因而用阳离子交换树脂。,理论上讲发酵液上柱的pH值应低于3.22，但实际上控制在5.0 6.0
11、之间，因Na+、NH4+交换能力谷氨酸，优先交换，置换出H+使pH值低于3.2，使谷氨酸成为阳离子，但不能6.0。,4.电渗析法膜分离过程，利用的是电位差。二次电渗析法： pH3.2：除去各种盐类。 pH3.2:除去蛋白质、残糖和色素等非电解质。,（二）味精制造谷氨酸溶于水活性炭脱色加Na2CO3中和谷氨酸单钠（味精粗品）除铁过滤活性炭脱色减压浓缩结晶离心分离干燥成品,我国味精技术进展情况 制糖工艺进展：酸法水解酶酸法水解双酶法水解。 发酵工艺进展：亚适量生物素水平（产酸46gdl） 高生物素水平（产酸1215gdl）。 提取工艺进展：等电点法（少数锌盐法）等电离交法低温连续等电点法（少数厂家采用）。精制工艺进展：全粉炭脱色、硫化碱除铁颗粒炭脱色、树脂除铁。,
