第六章 发酵工艺实例介绍.ppt

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 Historyofaminoacidsproduction Thestoryofstartedin1908Isolatedglutamicacid delicioustasteScreenforamino acid excretingmicroorganisms Corynebacteriumglutamicum In1957 Monosodiumglutamate MSG Aflavor enhancingcompound 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 HL 谷氨酸单钠盐 味精H C HH C HH COOHL 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 Hexosemonophosphatepathway 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 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 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 globiformisArthrobacter 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 N 100 15 21 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 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 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 pH 3 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