发酵法生产谷氨酸.doc

湖北理工学院 学年论文 发酵法生产谷氨酸摘要：谷氨酸是一种酸性氨基酸，广泛用于食品，日用化妆品及医药行业。本文主要介绍了采用发酵法来制备谷氨酸，全过程可划分为三个工艺阶段：原料的预处理及糖化；种子扩大培养及谷氨酸发酵；谷氨酸的提取。又着重详细介绍了等电离交法提取谷氨酸。关键词：谷氨酸；发酵；工艺；提取Abstract : Glutamic acid is an acidic amino acid , widely used in food , daily cosmetics and the pharmaceutical industry . This paper introduces that the preparation of glutamate fermentation , the fermentation processes can be divided into three process stages: pretreatment and saccharification of raw materials ; seeds to expand cultivation and glutamic acid fermentation ; the extraction of glutamic acid . This paper describes the ionization cross-extraction of glutamic acid . Keywords : Glutamic acid ; Fermentation ; Process ; Extract1 湖北理工学院 学年论文 目 录一、谷氨酸简介31.1概述3二、 发酵法生产谷氨酸32.1 发酵法概述32.2 原料的预处理及糖化42.2.1 原料的种类42.2.2 原料的处理42.3 谷氨酸发酵工艺52.3.1 发酵培养基52.3.2 培养基灭菌62.3.3 发酵控制62.4 谷氨酸提取72.4.1 原理72.4.2 工艺流程72.5 鉴别82.6发酵终点的判断8三、总结8参考文献.9一、谷氨酸简介1.1概述 谷氨酸一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的，为无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸溶液，等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育。食品工业上，味精是常用的仪器增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。过去生产味精主要用小麦面筋（谷蛋白）水解法进行，现改用微生物发酵法来进行大规模生产1。谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。L谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，谷氨酸盐在自然界普遍存在的。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐，它即是蛋白质或肽的结构氨基酸之一，又是游离氨基酸，L型氨基酸美味较浓。 L谷氨酸 又名“麸酸”或写作“夫酸”，发酵制造L谷氨酸是以糖质为原料经微生物发酵，采用“等电点提取”加上“离子交换树脂”分离的方法而制得。2、 发酵法生产谷氨酸 2.1 发酵法概述谷氨酸的发酵生产全过程可划分为三个工艺阶段:(1)原料的预处理及糖化;(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵;(3)谷氨酸的提取。与这三个工艺阶段相对应的生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间等作为主要生产车间3。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。2.2 原料的预处理及糖化2.2.1 原料的种类发酵生产谷氨酸的原料主要是淀粉，其次还有非粮食淀粉原料。淀粉来自粮食原料，通常利用各种谷类或薯类淀粉，如北方常用玉米，南方常用番薯淀粉等。非粮淀粉原料主要指甜菜或是甘蔗糖蜜醋酸乙醇正烷烃（如液体石蜡）等。非粮食原料除糖蜜外，一般不需要预处理，可直接用来配制培养基；而糖蜜中生物素含量过高，虽然生产菌可以良好生长，但采用一般谷氨酸的生产方法，则不积累谷氨酸，故在采用糖蜜为主要原料时，常对糖蜜进行预处理。糖蜜的预处理谷氨酸生产上使用的糖蜜进行预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中含有大量的生物素，因此不宜用与谷氨酸发酵，降低生物素含量的方法有：活性炭处理法、水解法、树脂处理法、亚硝酸处理法、糖蜜原料添加青霉素法，此外，还可以采用表面活性剂，或采用非生物素缺陷型突变株的方法，以解除糖蜜中过量生物素对谷氨酸积累的影响。2.2.2 原料的处理大多数谷氨酸发酵菌种都不能直接利用淀粉和糊精，因此用淀粉质原料进行谷氨酸生产时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供其发酵。在工业上，淀粉的处理主要是指糖化，制得的水解糖叫淀粉糖。可以用来制备淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等。我国多数味精生产厂是利用酸水解法来进行淀粉的水解。淀粉水 调浆 糖化 冷却 中和 脱色 过滤除杂 糖液盐酸（1） 调浆 首先将原料淀粉、水、和工业盐酸调成均匀的淀粉乳，为便于操作控制，生产上加盐酸量常以淀粉浆pH值为指标，控制在pH在1.5左右。（2） 糖化 在水解锅内加入一定量的水，然后将水解罐顶预热至100-105，蒸汽压力为9.8-19.6kPa，随后将淀粉乳用泵送至水解罐内进行水解，水解蒸汽压力控制在0.25-0.4MPa之间，水解时间控制在10-20min。淀粉的糖化工艺及其条件是根据淀粉水解反应和葡萄糖的缩合与分解反应，但实际上不可能达到此目的。在水解过程中，酸的浓度，水解的温度和时间，以及淀粉乳的浓度都会对淀粉的水解产生影响。为了提高淀粉水解成葡萄糖的收得率以及水解糖液的质量，必须合理地选择淀粉水解的工艺条件，以限制缩合反应和分解反应的发生。（3） 中和 采用酸化糖化淀粉需要用碱中和酸。一般淀粉水解完毕，水解糖液中葡萄糖含量约为16%-18%左右，其中还含有多余的酸，必须要用碱中和。中和剂通常为纯碱。当中和桶中糖液的冷却至80左右，加入中和剂，中和时生成大量的二氧化碳，呈现剧烈的沸腾状态，所以中和桶容积应为糖化液体积的3-4倍，以防糖化液溢出桶外，中和时的pH应控制在4.0-5.0左右。此时有利于蛋白质、氨基酸、色素和其他杂质的凝聚沉淀。（4） 脱色过滤 糖化液中杂质的存在对糖液质量影响很大，通过调节pH，将水解糖液调至等电点时，蛋白质和谷氨酸的溶解度最小，便于沉淀过滤，色素则可用活性炭吸附法除去。中和结束后，添加活性炭脱色，控温在60，活性炭用量相当于淀粉量的0.6%-0.8%左右。最后让经过中和脱色的水解糖液静置1-2h，使其充分沉淀，待液温降至45-50时，用泵打入过滤器过滤，过滤后的糖液送贮糖桶备用。2.3 谷氨酸发酵工艺2.3.1 发酵培养基谷氨酸发酵培养基主要成分有碳源、氮源、生长因子和无机盐等。（1）碳源 大多数谷氨酸生产菌可以利用葡萄糖、蔗糖、果糖等，极少数可以直接利用淀粉。由葡萄糖生成谷氨酸的总应式如下:C2H12O6+NH3+1/2O2C5H9NO4+CO2+3H2O （2）氮源 谷氨酸产生菌细胞中的蛋白、核酸、磷脂、某些辅酶及其他主要产物（谷氨酸）等均为含氮化合物，为了合成这些化合物，在培养基中必须添加氮源物质。 （3）无机盐 它们是构成细胞和调节菌体生命活动的营养物质。如镁、磷、钾、锰、铁等，是代谢中辅酶或辅基的组分，是培养基不可缺少的。在谷氨酸发酵中，常应用K+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等阳离子和PO43-、SO42-、Cl-等阳离子作为无机盐。（4）生长因子 凡是微生物生长不可缺少，而其自身又不能合成的微量有机物质都称为生长因子。生物素是当前谷氨酸身长菌的重要生长因子。2.3.2 培养基灭菌4谷氨酸发酵培养基一般采用淀粉水解糖为主要碳源，实罐灭菌条件是105-110保温6min。连续灭菌所采用的灭菌条件是，连消塔灭菌温度为110-115，维持罐温105-110，约6-10min。培养基灭菌后冷却至30左右，即可接入种子进行发酵。2.3.3 发酵控制 主要指发酵条件的管理，包括温度、通气、PH值与泡沫的控制5。 要获得谷氨酸发酵的产品率，除了选用优良菌种外。在发酵条件控制和严格无菌操作方面是极其重要的。(1) 温度对发酵的影响 在发酵中，谷氨酸产生菌的生长繁殖与谷氨酸合成都 是在酶的催化下进行的。不同酶促反应所需的温度各异。谷氨酸发酵分前期和后期两个阶段。前期（0-12h）主要是合成细胞物质，菌体大量增殖阶段。而控制这些合成反应的最适温度为30-32；在发酵中后期，是谷氨酸大量积累阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度为32-36，故在发酵中后期应适当提高罐温，以利谷氨酸形成和积累。不同菌种对温度的敏感性也不一样，故应视菌种进行温度控制。(2) PH值对发酵的影响 在发酵中，发酵液PH值的变化是微生物代谢过程的综合标志。主要是通过培养基配比及发酵条件的控制，使其适宜于生产菌的PH值。发酵前期，应创造有利于谷氨酸产生菌生长的最适PH(偏碱性)，通常控制PH在7.5-8.0左右。发酵中后期，应满足催化谷氨酸合成的酶对PH的要求（中性或弱碱性），故将其发酵PH控制在7.0-7.5。(3) 通风量与搅拌对发酵的影响 谷氨酸产生菌（谷氨酸棒杆菌）属兼性好气菌，在供氧充足与不足的条件下都可生成，但其代谢产物不同6。通风量小，供氧不足时，进行不完全氧化，葡萄糖进入菌体后经糖酵解途径产生丙酮酸，丙酮酸则还原成乳酸。如果通气量过大，葡萄糖在菌体内被氧化成丙酮酸。继而进一步氧化成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环，生成-酮戊二酸，但由于供氢体（NADPH2）在氧气充足的条件下经呼吸链被氧化成水，而没有氢的供给，谷氨酸合成受阻，-酮戊二酸大量积累；只有在供氧适当时还原性辅酶大部分不经呼吸链被氧化成水，在充足的NH4+条件下，才有利于谷氨酸脱氢酶的催化，还原氨基化反应，大量形成并积累谷氨酸。(4) 泡沫的控制 在谷氨酸发酵中，由于强烈的通风与菌体代谢所产生的二氧化碳，使培养液产生大量的泡沫，泡沫的存在往往给发酵造成危害和损失，在泡沫过多时，会使培养液溶解氧减少，气体交换受阻，影响菌的呼吸和代谢。2.4 谷氨酸提取2.4.1 原理谷氨酸子等电点pH 时，发酵中正负离子（电荷）相等，总静电荷等于零，形成偶极离子，此时谷氨酸溶解度最小，被析出呈结晶状态。谷氨酸的等电点时pH 为3.0-3.2。2.4.2 工艺流程7 等电点法提取谷氨酸的工艺流程如下： 盐酸 发酵液 调酸 停酸育晶 等电搅拌 静置沉降 离心分离 谷氨酸（pH4.5-4.0）（2h） （pH3.0-3.2）（1）调节等电点 将发酵结束的醪液引入等电点桶或等电点池，待液温降至30加盐酸调pH，约2h左右将发酵液pH调至4.0-4.5左右时，观察晶核有否形成，如已形成晶核，应停止加酸，育晶1-2h，使晶核增大，然后缓慢地将pH调节至3.0-3.2为止，此时继续搅拌20h。（2）谷氨酸分离 停止搅拌后，静置分离4h，关闭冷却水，放出上清液，除去谷氨酸沉淀表层菌体及细麸酸（放入另一缸中回收利用）。底部谷氨酸结晶取出送离心机分离，所得湿谷氨酸供精制用。2.5 鉴别通过革兰氏染色法可鉴别。2.6发酵终点的判断确定放罐的指标有：产物的产量、过滤速度、氨基氮的含量、菌丝形态、pH值、发酵液的外观和粘度等。发酵终点的掌握，就要综合考虑这些参数来确定。三、总结谷氨酸发酵是一个复杂的过程，当前对其发酵过程的控制还需要不断深入，如高产菌种的选育、微生物代谢过程的本质、产物积累、发酵过程动力学模型的建立及应用等还需进一步探讨。影响谷氨酸发酵的因素很多，随着生物技术提升，相信谷氨酸发酵控制技术也会得到不断提升。参考文献1 于信令. 味精工业手册M,第二版. 中国轻