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第六章发酵工艺实例介绍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 flavor-enhancing compound氨基酸的生产方法：1. 抽提法：最早采用的生产法，用酸水解蛋白质，然后从中提取氨基酸。得到的是各种氨基酸的混合物。碱性或酸性氨基酸容易些，胱氨酸，半胱氨酸，酪氨酸仍用此法生产。2. 发酵法：目前最常用的方法。成本低，原料来源丰富。包括直接发酵法(利用微生物直接由粮食原料生产氨基酸)和添加前体物质发酵法（以氨基酸中间产物为原料，用微生物转化为相应的氨基酸，可避免氨基酸生物合成途径中的反馈抑制作用）。3. 酶法：用微生物细胞抽提出的酶类来制造氨基酸，若采用固定化酶或固定化菌体，优点则更明显。4. 化学合成法：蛋氨酸，甘氨酸得到的DL-氨基酸，若需要L-型的，则进行化学异构体的拆分。L-苯丙氨酸（阿斯巴甜）人体八种必需氨基酸：苏 缬 亮 异亮 色 苯 蛋 赖氨基酸工业历史：氨基酸工业起源于日本，1908年日本人发现海藻昆布的鲜味来自其汁液所含的谷氨酸。根据这个发现，次年味之素公司开始工业化生产谷氨酸钠。当时谷氨酸的生产是通过水解面筋或大豆蛋白获得的。 半个世纪以后，1957年，日本科学家发现培养某些微生物（如谷氨酸棒杆菌）会产生氨基酸的积累，并采用微生物发酵法生产谷氨酸获成功。这项成果被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业进入了代谢调控阶段。 谷氨酸是第一种应用发酵法进行工业化生产的氨基酸，也是目前产量最高的氨基酸。 我国氨基酸工业虽然起步早（1964），但品种单一，多数厂家只生产谷氨酸。第一节味精人的味觉除了原本发现的酸甜苦咸等四种外，还有第五种基本味觉，即“甘旨味”，俗称鲜味。以谷氨酸钠（味精）最具代表性。为什么味精是谷氨酸的钠盐？谷氨酸与其他氨基酸共同组成蛋白质时，隐藏于蛋白质分子中，无法刺激味蕾呈现鲜味。若从蛋白质中释放出来成为游离氨基酸，形成谷氨酸钠时，会表现出特别的鲜味。一、概述-早期从天然的食物材料中取得 海带以热水煮过后，取其汤浓缩即可得到含味精的浓缩液。-中期最早商业化制造味精的原料是面筋。20kg小麦面粉可生产1kg味精。因为谷氨酸钠在植物蛋白中含量丰富。-近期糖是生产味精的主要原料。1958年利用微生物生产味精，以葡萄糖，淀粉水解糖经味精生产菌代谢合成大量谷氨酸钠。放味精有学问：宜放于不明显呈酸碱性食物中，注意温度味精的安全性：1995年美国食品药品管理局公布了一份报告还味精一个清白，结论是食用味精是安全的，且对人体有三大重要性：1. 生物体内氨基酸和碳水化合物的桥梁。2. 人体合成必需氨基酸所需材料。3. 增加人的摄食量，改善营养状况和身体免疫力。二、谷氨酸的生物合成机理 1. 谷氨酸 （a-氨基戊二酸） O C-OH 第一代鲜味剂H2N- C- H L-谷氨酸单钠盐味精 H-C-H H-C-H H-C =O OH L-型2.谷氨酸的生物合成 NH4葡萄糖 中间产物 - 酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酸脱氢酶葡萄糖 6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸（HMP: Hexosemonophosphate pathway） 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（图）（1）EMP:丙酮酸，ATP,NADH2（2）HMP:6磷酸果糖 丙酮酸 3磷酸甘油酸 NADPH2:a酮戊二酸还原氨基化必需的供氢体。（3）TCA循环:生成谷氨酸前体物质a酮戊二酸。（4）CO2固定反应:补充草酰乙酸。P255（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。P256 谷氨酸脱氢酶（6）还原氨基化反应:a酮戊二酸 谷氨酸问：丙酮酸进入TCA循环时会形成CO2，在谷氨酸发酵中，微生物怎样固定CO2以提高谷氨酸产率的？回补反应（附图）3.谷氨酸生产菌的生化特征P256（1）有苹果酸酶和丙酮酸羧化酶。（2）a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P238（全是细菌） 棒杆菌属 北京棒杆菌 C. pekinenseCorynebacterium 钝齿棒杆菌 C. crenatum 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：P238 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/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a-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。碳氮比对谷氨酸发酵有很大影响，大约85%的氮源用于合成谷氨酸，15%用于合成菌体。谷氨酸发酵需要的氮源比一般发酵工业多的多，一般100：0.2-2.0，而谷氨酸C/N为100：15-21。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a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： -酮戊二酸生成量减少。aa.乙醛酸循环活跃， 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；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。（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：30-34产酸阶段：34-36（四）溶解氧的控制P258 ，265 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。-酮戊二酸蓄积。a-酮戊二酸还原氨基化，使a过大：NADPH2通过呼吸链被氧化，影响环境条件引起谷氨酸合成的代谢转换P263-266控制因子产物氧(不足)乳酸或琥珀酸谷氨酸(充足)-酮戊二酸(过量)NH4+(不足)-酮戊二酸谷氨酸(适量)谷氨酰胺(过量) P243生物素谷氨酸 (限量) 乳酸或琥珀酸(充足) P263pH(酸性)N-乙酰-谷氨酰胺谷氨酸(中性或微碱性) P266磷酸盐(适量)谷氨酸缬氨酸（高浓度） P265四、下游过程（一）谷氨酸的提取方法 1.等电点沉淀法：P283原理：谷氨酸在等电点处溶解度最小。介稳区：过饱和溶液，但过量的溶质并不马上结晶析出，溶液具有相对稳定性。 （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 pH6.3 加酸 pH2.4谷氨酸锌离子 谷氨酸锌沉淀 溶液谷氨酸结晶原理：谷氨酸与锌离子形成谷氨酸锌沉淀，加酸溶解，再将pH调至2.4，析出谷氨酸结晶。（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。即HCl10% 时变得难溶。（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。4. 离子交换法离子交换树脂由母体（骨架）和活性基团（与溶液中同性离子交换）组成。 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= 12 pIa. 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之间。P303原因：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。b. 洗脱与再生一般用NaOH（4%）洗脱。再生用HCl（5-10%）。以上三个方法也可结合起来用，如等电点锌盐法，等电点离子交换法。4.电渗析法P315。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1. 中和： 碱 碱过量 谷氨酸 谷氨酸钠 谷氨酸二钠（无鲜味）关键：防止谷氨酸二钠的生成。措施：用碳酸钠中和时，pH值控制在6.77.0之间。2. 中和液除铁、锌原料，设备，盐酸，碱铁 不符合食品标准，Fe2+过多，影响色泽。锌盐法提取谷氨酸锌方法：a.沉淀法：Na2S法，使Fe2+，Zn2+ 沉淀除去。 b.离子交换法：阳离子交换树脂。优点：除Fe2+完全，无污染（Na2S法产生硫化氢气体）。3. 脱色：吸附法活性碳 离子交换法4. 浓缩：除去大量水分，使溶液达到过饱和状态，采用减压浓缩（因为高温脱水生成焦谷氨酸钠）。5. 结晶：将溶液浓缩到介稳区内。起晶方法：刺激起晶粉末 晶种起晶结晶6. 分离：离心机除去粘附在晶体上的水分。7. 干燥：80（120 失去结晶水）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。第二节柠檬酸-使用最广的酸味剂。-广泛存在于植物果实中（柑桔类及浆果类水果，大都与苹果酸共存）。-对人体有益，广泛用于清凉饮料，水果罐头等。-提取不能满足需要。-合成法不被人们所接受。-发酵法生产的有机酸接近自然产物。柠檬酸（citric acid）学名：2-羟基-丙烷三羧酸或-羟基丙三酸分子式C6H8O7 ，分子量192.13商品柠檬酸有：Anhydrous citric acid 36.6 结晶析出Monohydrate citric acid 36.6 结晶析出一、 历史1784年，瑞典化学家最早从柠檬汁中提取出柠檬酸。1893年前，主要从柑橘、菠萝和柠檬等提取。 1893年后，发现微生物（青霉）可产生柠檬酸。1913年，利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年，美国采用表面培养法生产柠檬酸。1923年，美国建立第一家固体发酵生产厂家。1951年，美国率先用深层发酵法生产柠檬酸。我国60年代末开始浅盘发酵生产柠檬酸。1968年，上海酵母厂深层发酵生产柠檬酸投产。1995年，生产厂家过百家，现30多家。二、柠檬酸生产菌 青霉（Penicillium）、毛霉（Mucor）、曲霉（Aspergillus）等。 国内外学者一致认为：黑曲霉（Aspergillus niger）是生产柠檬酸的最佳菌种。因为：黑曲霉具有多种较强的酶系，边长菌、边糖化、边发酵产酸。柠檬酸发酵微生物-黑曲霉（A. niger）菌落：黑色顶囊：球形或近球形小梗：双层，第一层长，布满顶囊表面，放射状孢子：球形，黑褐色，有小棘，成链排列（1）黑曲霉的形态特征孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状。菌丝有隔膜和分支，无色或有色，有足细胞，顶囊生成1层或2层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。（2）黑曲霉的生理特征可利用淀粉。最适生长pH值一般为37，产酸最适pH值1.82.5。 生长最适温度3337C，产酸最适温度在2837C，温度过高易形成杂酸。黄曲霉（A. flavus）菌落：黄色顶囊：球形或近球形小梗：双层，第一层长，布满顶囊表面，放射状孢子：球形或梨形，有小棘，成链排列 三、柠檬酸发酵机制及代谢调控 1. 柠檬酸生物合成途径 P253 氧化脱羧 乙酰CoA EMP 缩合葡萄糖 丙酮酸 柠檬酸 草酰乙酸HMP CO2固定反应（羧化）TCA循环与柠檬酸的形成（附图）2.黑曲霉柠檬酸发酵的代谢调控 P253（1）磷酸果糖激酶是EMP途径第一个调节酶，也是决定EMP途径代谢流量最重要的关键酶。受柠檬酸，ATP抑制，受NH4+，AMP激活，且：NH4+能有效解除前两者的抑制。（2）-酮戊二酸脱氢酶受高葡萄糖和NH4+的阻遏。 （3）低pH下，乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶受抑制。三高三低: P484-酮戊二酸脱氢酶a高底物浓度：阻遏 高铵离子浓度:激活磷酸果糖激酶，阻遏-酮戊二酸脱氢酶 高通氧强度：存在一条侧系呼吸链,正常情况下，不产生ATP。缺氧导致不可逆失活,NADPH2改走标准呼吸链，产生ATP。 低磷酸盐浓度：否则ATP多。低Mn2+浓度：降低菌体中糖代谢转向合成蛋白质、核酸的能力，造成NH4+浓度升高。低pH值：有利于柠檬酸积累。问题：1.黑曲霉柠檬酸生产菌为什么能大量积累柠檬酸？ 2.什么机制导致柠檬酸积累？四、柠檬酸的生产工艺黑曲霉（Aspergillus niger）利用淀粉质原料大量积累柠檬酸。工艺: 固体或液体深层发酵原料: 薯干粉、废糖蜜、甘蔗渣等柠檬酸发酵工艺（附图）1. 原料预处理 淀粉的液化、糖蜜的除杂 我国采用薯干粉发酵工艺只用液化工艺，利用黑曲霉自身能产生糖化酶，完成后续的糖化工艺。 液化法是我国柠檬酸工艺的特色方法。深层发酵的几种方法-利用薯干粉醪液-利用糖蜜-利用淀粉水解糖2.培养基与发酵条件 提供高浓度的葡萄糖和充足的氧，而