酒精发酵和谷氨酸发酵异同

酒精发酵和谷氨酸发酵 一 酒精发酵原料二 酒精发酵微生物三 酒精发酵生化机制 酒精发酵 一 酒精发酵原料 1 淀粉质原料淀粉质原料是生产酒精的主要原料 我国发酵酒精的80 是用淀粉质原料生产的 其中以甘薯干等薯类为原料的约占45 玉米等谷物为原料的约占35 1 薯类原料 甘薯北方俗称红薯 地瓜 南方称为山芋 蕃薯 新鲜甘薯可能直接作酒精生产原料 但一般将鲜甘薯制成薯干 这样便于保存并能供工厂全年使用 甘薯中固形物的主要成分是淀粉 还含有少量的糖类和蛋白质 甘薯干及鲜甘薯是一种良好的酒精生产原料 为我国大多数工厂所采用 是我国生产酒精的主要薯类原料 3 谷物原料包括玉米 小麦 高梁 大米等 谷物原料也是很好的酒精生产原料 国际上最常用的谷物原料是玉米和小麦 我国由于人多地少 粮食珍贵 以往除玉米外 其他粮食一般较少用于生产酒精 只有当其他原料不足 或谷物受潮发热霉变的情况下才用谷物原料 随着我国粮食生产的发展 用于酒精生产的谷物数量会增加 2 糖质原料 常用的糖质原料有糖蜜 甘蔗 甜菜和甜高梁等 糖蜜又称废糖蜜 它是干蔗或甜菜糖厂制糖过程中形成的一种副产物 分别称为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜 其产量分别为加工甘蔗和甜菜间的30 左右和3 5 5 糖蜜含糖量较高 一级甘蔗糖蜜含糖分50 以上 甜菜糖蜜含糖量50 左右 所含主要成分为蔗糖 甜高粱是一种高秆作物 起源于美国 其秆中含糖分10 12 所结的高粱米富含淀粉 均可用于发酵酒精 是具有潜在发展前途的糖质原料 糖质原料生产酒精工序简单 成本比较低 是酒精发酵的理想原料 只是制糖和其他发酵工业也都需要糖质原料 能用到酒精生产上的不太多 特别是我国糖质原料用于酒精生产较为有限 纤维类物质是自然界中的可再生资源 其含量十分丰富 天然纤维原料由纤维素 半纤维素和木质素三大成分组成 它们均较难被降解 长期以来人们都在研究如何利用纤维质原料来生产酒精及其他化工产品 近年来 纤维素和半纤维素生产酒精的研究有了突破性的进展 纤维素和半纤维已成为很有潜力的酒精生产原料 二 酒精发酵微生物 许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵 但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母 俗称酒母 利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母 Saccharomycescerevisiae 是属于子囊菌亚门酵母属的一种单细胞微生物 该种酵母菌繁殖速度快 发酵能力即产酒精能力强 并具有较强的耐酒精能力 常用的酵母的菌株有南阳酵母 1300及1308 拉斯2号酵母 Rasse 拉斯12号酵母 Rasse K字酵母 M酵母 HefeM 日本发研1号 卡尔斯伯酵母等 利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外 还有粟酒裂殖酵母 Schizosaccharomycespombe 和克鲁维酵母 Kluyveromyces sp 等 三 酒精发酵生化机制 C6H12O6 2C2H5OH 2CO2 能量 酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇 其生化过程主要由两个阶段组成 第一阶段己糖通过糖酵解途径 EMP途径 由脱羧酶催化生成乙醛和二分解成丙酮酸 第二阶段丙酮酸氧化碳 乙醛进一步被还原成乙醇 葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为 发酵过程中除主要生成乙醇外 还生成少量的其他副产物 包括甘油 有机酸 主要是琥珀酸 杂醇油 高级醇 醛类 酯类等 理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇 即180克葡萄糖产生92克乙醇 的率为51 5 可是实际得率没有这么高 因酵母菌体的积累约需2 的葡萄糖 另外2 的葡萄糖用于形成甘油 0 5 用于形成有机酸 0 2 用于形成杂醇油 因此实际上只有约47 的葡萄糖转化成乙醇 乙醇发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中 所释放的226kJ自由能中除67kJ 29 用于形成ATP外 其余能量以热的形式散发 谷氨酸发酵 氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵 由发酵所生成的产物 氨基酸 都是微生物的中间代谢产物 它的积累的关键是取决于是否能打破微生物的正常代谢调节 一 合成谷氨酸的生化途径 二 谷氨酸生成菌的生化特征 三 GA生物合成的理论得率 四 生物素对GA发酵的影响 五 GA发酵的外在因素 六 谷氨酸发酵工艺 谷氨酸产生菌因环境条件变化而引起的发酵转换 乳酸和琥珀酸 酮戊二酸 通气不足 适中 通风过量 转速过快 NH4 酮戊二酸 谷氨酸 谷氨酰胺 适量 缺乏 过量 pH值 谷氨酰胺 N 乙酰谷酰胺 谷氨酸 pH值5 5 8 NH4 过多 中性或微碱性 磷酸 缬氨酸 谷氨酸 高浓度磷酸盐 磷酸盐适中 生物素 乳酸或琥珀酸 谷氨酸 过量 限量 一 合成谷氨酸的生化途径 谷氨酸的生物合成途径大致是 葡萄糖经糖酵解 EMP途径 和己糖磷酸支路 HMP途径 生成丙酮酸 再氧化成乙酰辅酶A 乙酰COA 然后进入三羧酸循环 生成 酮戊二酸 酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4 存在的条件下 生成谷氨酸 Glucose的酵解 EMPGlucose的有氧氧化 HMP丙酮酸的有氧氧化 TCA循环乙醛酸循环途径 DCA循环CO2固定反应 KGA的还原氨基化 主要的生产菌种 1 棒状杆菌属谷氨酸棒状杆菌 Corynebacteriumglutamicum 生物素缺陷型 温度敏感型 北京棒杆菌 钝齿棒杆菌 2 短杆菌属黄色短杆菌 天津短杆菌 二 谷氨酸生产菌的生化特征 内在因素 1生物素缺陷型谷氨酸产生菌大多数为生物素缺陷型 谷氨酸发酵时 控制生物素亚适量 贫乏量 引起菌种代谢失调 使谷氨酸得到大量积累 2具有CO2固定反应的酶系菌种能利用CO2产生大量草酰乙酸 有利于谷氨酸的大量积累 3 KGA脱氢酶酶活性微弱或丧失这是菌体生成并积累 KGA的关键 KGA是菌体进行TCA循环的中间性产物 很快在 KGA脱氢酶的作用下氧化脱羧生成琥珀酸辅酶A 在正常的微生物体内他的浓度很低 也就是说 由 KGA进行还原氨基化生成GA的可能性很少 只有当体内 KGA脱氢酶活性很低时 TCA循环才能够停止 KGA才得以积累 为谷氨酸的生成奠定物质基础 4 GA产生菌体内的NADPH氧化能力欠缺或丧失 1 NADPH是 KGA还原氨基化生成GA必须物质 该还原氨基化所需要的NADPH是与柠檬酸氧化脱羧相偶联的 2 由于NADPH的在氧化能力欠缺或丧失 使得体内的NADPH有一定的积累 NADPH抑制 KGA的脱羧氧化 5 乙醛酸循环 DCA 的关键酶 异柠檬酸裂解酶该酶是一种别构酶 通过该酶酶活性的调节来实现DCA循环的封闭 糖的代谢才能沿着 酮戊二酸的方向进行 从而有利于谷氨酸的积累 6 强烈的L 谷氨酸脱氢酶活性 KGA NH4 NADPH GA NADPL 谷氨酸脱氢酶的酶活性强 酮戊二酸易生成谷氨酸 三 GA生物合成的理论得率 1 存在乙醛酸循环 体系不存在CO2固定反应3 2C6H12O6 NH4 C5H9NO4 4CO2产率 147 180 3 2 54 4 2 封闭乙醛酸循环 存在CO2固定反应C6H12O6 NH4 C5H9NO4 CO2产率 147 180 81 7 CO2固定反应 1 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的作用下磷酸丙酮酸 CO2 GDP 草酰乙酸 GTP 2 苹果酸酶的作用下丙酮酸 CO2 NADH 苹果酸 NAD需要Mn2 做辅因子 所以 在GA发酵过程中需要向培养基中补充Mn2 四 生物素对GA发酵的影响 GA产生菌大都是生物素的营养缺陷型 即 VH 生物素对发酵的影响是全面的 在发酵过程中要严格控制其浓度 1 生物素对糖代谢的影响 1 VH对于糖酵解有促进作用 对丙酮酸的有氧氧化 乙酰辅酶A的生成也有促进作用 对两者的促进作用不一样 对前者大一些 这样培养基中如果有较丰富的VH 就会打破糖酵解与丙酮酸氧化之间的平衡 导致丙酮酸的积累 丙酮酸积累则可能导致乳酸的形成 乳酸生成 则使得碳源利用率降低 而且带来的是发酵液的pH值下降 当VH缺乏时 A 丙酮酸的有氧氧化就会减弱 由于VH对TCA循环的促进作用 则 乙酰辅酶A的生成量就会少 产醋酸浓度降低 降低对异柠檬酸裂解酶的诱导作用 B VH对TCA循环促进作用的降低 使中间产物琥珀酸的氧化速度降低 产生积累 阻遏和抑制异柠檬酸裂解酶作用加强 两者综合的作用 异柠檬酸裂解酶的活性丧失 DCA循环得到封闭 2 对乙醛酸循的调控 可以通过控制VH的浓度 以实现对于乙醛酸循环的封闭 当VH丰富时 异柠檬酸裂解酶的活性加强 则DCA循环正常进行 DCA循环的进行 一方面提供了大量的 中间性产物 另一方面 菌体的能荷水平得到提高 前者是菌体增殖的物质基础 后者则是菌体增殖的能量的保证 结果是利于菌体的增殖和生长 则GA的生物合成就会受到影响 甚至停止 这在生产上 就是通常我们说的 只长菌 不产酸 的现象 以上分析说明 GA发酵过程中 前期 菌体的增殖期 一定量的生物素是菌体增殖所必需的 而在产物合成期 则要限制生物素的浓度 以保证产物的正常合成 2 生物素影响细胞膜的通透性 用能积累谷氨酸菌株做如下实验 生物素充足时 细胞内含大量谷氨酸 但培养液里几乎不含谷氨酸用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷氨酸当把原生质体放入低渗溶液里 将其涨破 谷氨酸才排出生物素亚适量时 培养液里含大量谷氨酸 细胞里含量少结论 谷氨酸的分泌是由细胞膜控制 生物素影响细胞膜的通透性进而影响谷氨酸积累 生物素是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶 参与了脂肪酸的合成 进而影响脂肪酸的合成 当磷脂合成量少到正常的1 2左右时 细胞变形 Glu向膜外泄漏 2 VH对菌体细胞膜通透性的影响 菌体进入产物合成期时 有GA的产生 如果能够大量的把产物及时的排泄到细胞膜外 可以解除GA对L 谷氨酸脱氢酶活性的抑制作用 从而使由Glucose GA的高效率转化 谷氨酸发酵采用的菌种都是VH 而VH又是菌体细胞膜合成的必须物质 因此 通过控制VH的浓度 可以实现对菌体细胞膜通透性的调节 限制发酵培养基中生物素亚适量 5 10 g L 在发酵初期 0 8小时 细胞可以正常生长 当生物素耗尽后 在菌的再次倍增时 开始出现异常形态细胞 即完成了细胞从生长型到积累型 细胞膜缺陷 转换 谷氨酸发酵过程中 合适的发酵条件如生长素 发酵温度 pH值 通风和发酵产生的泡沫都是影响谷氨酸积累的主要因素 在实际生产中 只有针对存在的问题 严格控制工艺条件 才能达到稳产 高产的目的 五 GA发酵的外在因素 1 供氧浓度 通风 过量 NADPH的再氧化能力会加强 使 KGA的还原氨基化受到影响 不利于GA的生成 供氧不足 则丙酮酸向乳酸方向转化 积累大量的乳酸 使发酵液的pH值下降 不利于GA的产生 同时 一部分葡萄糖转成了乳酸 影响了糖酸转化率 降低了产物的提出率 2 NH4 浓度 1 影响到发酵液的pH值 2 与产物的形成有关 NH4 过量 菌体增殖阶段会抑制菌体生长 产酸阶段Glu会受谷氨酰胺合成酶作用转化为GlnNH4 不足 不利于 KGA的还原氨基化 酮戊二酸积累 引起反馈调节 NH4 的供给方式 1 流加液氨 2 流加0 8 尿素 3 磷酸盐 过量 1 促进EMP途径 打破EMP与TCA之间的平衡 积累丙酮酸 产生乳酸等 2 产生并积累Val 4 发酵液的碳氮比碳源在一定范围内 谷氨酸的产量随糖含量的增加而增加 但糖含量过高 渗透压过大 对菌体生长不利 谷氨酸对糖的转化率低 发酵液中还原糖的含量一般应控制在10 13 氮源氮源是合成菌体细胞蛋白质 核酸和谷氨酸的氨基来源 大约85 的氮源被用于合成谷氨酸 另外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得多 一般发酵工业碳氮比为100 0 2 2 0 谷氨酸发酵的碳氮比为100 15 21 在谷氨酸发酵过程中 菌体生长期碳氮比应大一些 氮低 在产酸期 碳氮比应小些 氮高 6 发酵温度谷氨酸发酵前期应采取菌体生长最适温度 即30 32 温度过低 菌体生长繁殖慢 若温度过高 菌体易衰老 生产中表现为DO值增长慢 耗糖慢 pH值高 最终发酵周期长 产酸少 发酵中 后期菌体生长基本停止 为积累大量谷氨酸 应适当提高发酵温度 产谷氨酸的最适温度35 37 但温度过高 酶易失活 谷氨酸生成受阻 7 pH值1 pH值对谷氨酸产生菌生长的影响当高于或低于最适生长pH值范围 1 菌体内的酶受到抑制 菌体新陈代谢受阻 生长停滞 2 菌体细胞膜所带电荷发生改变 从而改变细胞膜的渗透性 影响菌体对营养的吸收和代谢产物的排出 3 影响培养基组分和中间代谢产物的离解 影响菌体对这些物质的利用 2 pH值对谷氨酸积累的影响谷氨酸脱氢酶是合成谷氨酸的主要酶 它的最适pH为7 0 7 2 当发酵液的pH值偏酸时 pH5 0 5 8 谷氨酸脱氢酶受到抑制 在发酵后期由于耗用大量NH4 pH值下降 此时就要进行pH值调节 以保证发酵的正常进行 前期pH 7 5 8 0 中后期pH7 0 7 6 通过采用流加尿素 氨水等办法调节pH 补充氮源 8 泡沫谷氨酸发酵是好气性发酵 因通风和搅拌产生泡沫是正常的 但泡沫过多会带来一系列问题 1 泡沫形成泡盖时 代谢产生的气体不能及时排出 妨碍菌体呼吸作用 影响菌体的正常代谢 2 泡沫过多 发酵液会外溢 造成浪费和污染 3 泡沫过多 易冲上罐顶 造成染菌 六 谷氨酸发酵工艺