味精生产技术

味精生产技术

(Monosodiumglutamateproductiontechnology)

第九组

系部：食品与生物工程系

专业：生物工程

班级：文生105・2

成员：王照生

李亚东

王汝春

马成龙

一、行业简介

味精，也称味之素（商品名称），学名谷氨酸钠，是调味料的一

种，重要成分为谷氨酸钠。谷氨酸钠是谷氨酸的钠盐，是一种无色无

臭的晶体，在232°。时解体融化，吸湿性强，易溶于水。谷氨酸钠还

具有治疗慢性肝炎、肝昏迷、神经衰弱、癫痫病、胃酸缺少等病的作

用。要注意的是，假如在100℃以上的高温中使用味精，鲜味剂谷氨

酸钠会转变为致癌性的焦谷氨酸钠。假如在碱性环境中，味精会起化

学反映产生一种叫谷氨酸二钠的物质，因此要注意使用和存放味精的

条件。

1、产品的分类和用途

我国的味精目前有四种规格，即俺具有谷氨酸钠的纯度可分为99%、

95%、90%、80%四种。除99%以外，其他三种分别加5%、10%、20%

食盐等作填充料，有白色柱状结晶型和白色粉木状结晶型。市场上供

应的味精，谷氨酸钠含量低于80%的只能称之为调味品，所以在选购

时要看清包装上的谷氨酸钠含量。

2、行业的历史

1866年，德国人H.Ritthasen博士从面筋中分离到谷氨酸，根据

原料定名为秋酸（由于面筋是从小麦里的提取出来的）。192023,日

本东京大学池田菊苗实实验，从海带中分离的得到L-谷氨酸结晶体,

这个晶体和从蛋白质水解得到的L-谷氨酸是同样的物质，并且都是

有鲜味的。在1965年以前是以面筋或大豆粕为原料，通过酸水解的

方法生产味精的。这种方法消耗大，成本高，劳动强度大，对设备规

定高，需耐酸设备。随着科学的进步及生物技术的发展，史使味精生

产发生了革命性的变化，自1965年以后我国味精厂都以粮食（玉米

淀粉、大米、小麦淀粉、甘薯淀粉）为原料，通过微生物发酵、提取、

精制得到符合国家标准的谷氨酸钠，用了它以后使菜肴更加鲜美可

口。

3、地位和作用

随着生产的发展以及人们消费水平的泥高，味精在人们的生活中

已经成为不可缺的鲜味物质。味精不仅能为菜肴增添鲜味，还具有丰

富的营养。谷氨酸钠被人们食用后，可以通过胃酸的作用解离为谷氨

酸，能不久的被消化吸取，变成人体组织中必不可少的蛋白质。而谷

氨酸是一种高级营养辅助药，在医疗上有护肝、解毒、改善神经系统

的功能，对于年少儿童还具有促进神经系统发育的作用，在平常生活

中适量地食用味精，能促进发育，增强体质。因此，味精的作用及营

养价值很重要。

二、谷氨酸发酵生产方法和生产工艺流程

1、生产方法

谷氨酸发酵涉及了谷氨酸的生物合成和积累两个过程。

谷氨酸的生物合成途径大体是：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。一酮戊二酸。

a—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。因此，谷氨酸的生物合成途径涉及EMP、HMP、TCA循环

DCA循环和CO2固定作用等。

重要酶反映：

a—酮戊二酸+NH4++NADPH2—谷氨酸+H2O+NADP

由葡萄糖生成的谷氨酸钠的总反映式为：

C6HQ+NH3+3/2O?Y5HoN+3Hoec）2

谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌的代谢均存在EMP途径和HMP

途径。经这两条途径发酵至丙酮酸后，一部分经氧化脱竣生成乙酰辅

酶A,一部分通过炭化固定CO2生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与

乙酰辅酶A在柠檬酸合酶催化作用下，缩合成柠檬酸，再经TCA循

环中的部分环节生成a—酮戊二酸，经转氨反映生成谷氨酸。

2、发酵工艺流程

3、重要工艺参数

⑴溶解氧对谷氨酸产生菌种的种子培养影响很大。溶解氧过低，

菌体呼吸取到克制，从而克制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是

并非溶解氧越高越好，当溶解氧满足菌的需氧量后继续升高，不仅会

导致浪费还会由于高氧水平克制菌体生长和谷氨酸的生成。

⑵温度谷氨酸发酵0-12h为长菌期，菌种生长最适温度30-32℃o

当菌体生长到稳定期，进入产酸期，控制温度为34・36℃。

⑶pH为了维持发酵的最佳条件，根据谷氨酸产生菌发酵的最适pH

在7.0-8.0之间，采用提高通风量、控制流加氮源的方法来调节谷氨

酸的发酵。

⑷磷酸盐是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否如会

转向缀氨酸发酵；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于产酸c发

酵结束后，常用离子互换树脂法等进行提取。

三、技术参数

1、菌种方面

目前在谷氨酸发酵生产中所使用的菌种重要如下：

棒状杆菌属：谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、钝齿棒状杆菌。

短杆杆菌：黄色短杆菌、天津短杆菌。

这些菌种具有以下共同的特性：细胞形态为棒状、断杆；革兰氏

阳性菌，无芽包，无鞭毛，不能运动；都是需氧型；都是生物素缺陷

型；版酶强阳性；不分解淀粉；谷氨酸脱氢酶活力强；不分解谷氨酸,

并能耐高浓度谷氨酸；发酵中菌体发生明显的形态变化，同时细胞膜

渗透性发生变化；二氧化碳固定反映酶系活力强；乙醛酸循环弱；a

-酮戊二酸氧化缺失或薄弱。

菌种的选育

根据各个军中的特性，选择合适的菌种作为培养的对象很重要，

英雌在生产实践中，育种思绪可以从以下儿个方面考虑。一是可通过

诱变选育L-谷氨酸的结构类似物抗性突变株和营养缺陷型的回复突

变株，以解除自身的反馈克制和反馈阻遏，增大L-谷氨酸积累量。

二是选育强化能量代谢的突变株。三是选育不能以L.谷氨酸作为唯

一碳源生长的突变株。

(1)北京棒状菌AS1.99(Corynebaxteriumpekinensen.sp.AS1.99)

细胞呈短杆或棒状，有时略呈弯曲状，两端钝圆，排列为单个、成对

或V字形。革兰染色阳性。无芽抱，无鞭毛，不运动。

普通肉汁平皿培养，菌落圆形，中间隆起，表面光滑湿润，边沿整齐,

菌落颜色开始呈白色，直径1mm,随培养时间延长变为淡黄色，直

径增大至6mm,不产水溶性色素。普通肉汁液体培养，稍馄饨，有

时表面呈微环状，管底有粒状沉淀。

⑵钝齿棒状菌AS1.542(Corynebacteriumcrenatumn.sp.AS1.542)

细胞呈短杆或棒状，两端钝圆，排列为单个、成对或V字形。革兰

染色阳性。无芽泡，无鞭毛，不运动。

细胞内次极端有异染颗粒并存在数个横隔。普通肉汁固体平皿培养，

菌落扁平，呈草黄色，表面湿润无光泽，边沿较薄呈钝齿状，不产水

溶性色素，直径3-5.普通肉汁液体培养浑浊，表面有薄菌膜，管底

有较多沉淀。

2、工艺上

①材料准备谷氨酸常用材料有玉米、小麦、甘薯、大米等。谷氨竣生

产时发酵原料具有一定的选择原则。一方面要考虑菌体生长繁殖的营

养，是否有助于谷氨酸的大量积累，还要考虑原料是否丰富、价格便

宜，发酵周期是否短，产品是否易提取等因素。

②菌种制备菌种制备的重要目的是尽也许地培养出高活性、能满足

大规模发酵需要的纯种，重要方式为：分离纯化和扩大培养。分离纯

化一般两个月左右就应当分离纯化一次，分两步进行。第一步是用平

板稀释法分离出单细胞菌落，具体方法是把待分离的菌株用无菌生理

盐水制成菌悬液，并在装有玻璃珠的三角瓶中充足震荡，运用玻璃珠

的滚动使菌体细胞分散，然后将菌悬液稀释成一定的浓度，分别做平

板培养，使被分离的单细胞长成单菌落；第二步是挑取若干单细胞菌

落接种于试管斜面培养基上，然后把这些菌株分别用三角瓶进行摇瓶

发酵实验，比较各菌株产酸的高低，选择产酸的菌株供生产用。扩大

培养室菌种制备的重要手段，其培养顺序为：斜面菌种、一级种子、

二级种子。

③工艺操作要点

a制备淀粉水解唐

b发酵发酵过程分为：斜面活化一二级摇瓶种子一二级罐种子一

发酵

c谷氨酸提取大本分工厂提取谷氨酸采用等电点法。将发酵液的pH

调至3.22,谷氨酸就处在过饱和状态呈结晶析出。

d中和脱色谷氨酸与碳酸钠中和制成谷氨酸钠，才具有强力鲜味。

中和温度为60-65℃,中和液的浓度为22B,pH为6.9-7.0。106g的t

碳酸钠可中和294g的谷氨酸。中和完毕后，需将中和液脱色。先用

谷氨酸将中和液pH调回至6.3,加热至60℃,使谷氨酸钠充足溶解

加入粉末活性炭进行脱色，搅拌30min后，即可让其自然沉淀或进行

过滤。

e浓缩结晶将脱色液放入真空浓缩锅内，真空度保持8000Pa以

上，温度控在60℃以下，当锅内液体浓度达成32B时，即开搅拌机,

关掉蒸汽，用真空吸入晶种，进行起晶，然后将所得晶液在离心机内

进行离心分离。

f干燥过筛将结晶味精于80℃干燥，然后过筛。大片的可打坏成

粉搅拌入食盐，作为粉状味精；过细的作为小结晶味精或当晶种使用。

g成品包装、标志、运送和存储产品的外包装按照《包装储运图

示标志》(GB/T191-2023)的规定，外包装物应有明显的标志。产品在

运送过程中应轻拿轻放，严防污染、雨淋和曝晒。产品储存在阴凉、

干燥、通风无污染的的环境下，不应露天堆放。

3、产物的分离和提取

a、使用碳酸钠对谷氨酸钠进行中和，pH一般控制在6.7-7.0得

到的是谷氨酸一钠I(有鲜味)。在实际操作中，由于谷氨酸在水中的

溶解度较小，中和反映的体系应当控制在60℃左右，应先将谷氨酸

加入到热水中，在逐步加入碳酸钠，完毕中和。

b、脱色常用的活性炭脱色法，温度一般控制在50-60C。

c、根据实际操作所使用设备的材质，此环节选做。

d、浓缩和结晶涉及三个过程：形成过饱和溶液一晶核形成一晶

体成长

e、用抽滤装置将味精晶体分离，再放入干燥箱干燥，干燥温度

不超过60C,即得到味精原晶体。

4、重要生产设备

试管；三角瓶；高压灭菌锅；摇床；培养箱；显微镜；膜组件；板块

过滤器；旋转蒸发器；发酵罐:GUJS・5O・5OO型,种子罐50L,发酵罐

500Lo

四、技术进展

(一).菌种方面

为了证实在谷氨酸棒杆菌中，运用H+-ATPase基因失活构建高产谷氨

酸基因工程菌的应用可行性，通过重组PCR技术部分缺失H+-ATPase

Y亚基基因序列，采用插入失活方法构建H+-ATPase失活的谷氨酸棒

杆菌。考察了其谷氨酸产生能力及对生长速率的影响。实验结果表白，

H+-ATPase失活的谷氨酸棒杆菌在具有l()()g/L的葡萄糖培养基中摇瓶

发酵，其谷氨酸最大累积量为51.6g/L,比野生菌株提高了42.9%o

生长速率研究结果表白，H+-ATPase失活的谷氨酸棒杆菌生长速率略

低于野生谷氨酸棒杆菌。证实了H+-ATPase基因失活对提高谷氨酸产

量的作用，为运用H+-ATPase基因构建高产谷氨酸基因工程菌株提供

了科学依据。

(二)・工艺上

1选育优良菌种高产、纯正、优良的菌种是保证发酵成功的前提，因

此优良生产菌种的选育一直是谷氨酸发酵的重要研究课题。谷氨酸发

酵一般采用黄色短杆菌(BrevibacteriumfLavum)为出发菌株，根据

代谢控制发酵原理进行人工诱变，定向选育高产率的菌种。如陈宁等

人以黄色短杆菌T1为出发菌株，运用紫外线、硫酸二乙酯进行诱变,

定向选育出具有寡霉素抗性、谷氨酸氧后酸盐抗性的温度敏感型突

变株TM106。然后，以TM106和产酸率高(10.5%以上)的天津短杆

菌TG961为亲株，通过原生质体融合技术，成功地选育出了产酸率高

的融合子CM021,并且该菌株系温度敏感型菌株，可用于谷氨酸强制

发酵。在最佳条件下，谷氨酸产酸率达13.6%,糖酸转化率达60%以

上在菌种的保藏和培养过程中，与一切生物发酵生产同样，菌种是发

酵生产成败的内因，生产选用高产、纯正、优良的菌种，必须做好5

个方面的控制：①严格保藏温度和干燥的环境，满足菌种不变异、不

退化、不污染的条件。保藏菌种要经分离、纯化、筛选，要有专门的

冷藏设备，周边的环境要清洁无污染，对于细菌的保藏可采用・80℃

冰箱保藏液体菌种的方法。②生产使用的菌种要尽量减少传代次数，

斜面菌种一般以2代〜3代可用于生产的为佳。③严格菌种培养的原材

料，试剂原料通过摇瓶和生产实验后，要基本固定规格和生产厂家。

有机原料更换批号要做摇瓶实验，每批都要留样做下批实验的对照。

④一级种子的培养要严格摇瓶培养间的温度、无菌等级，有条件的情

况下摇瓶间可送无菌风。要保证摇床的转速和振幅，经常检查摇床的

皮带或齿轮是否松动。⑤控制好一级种子下瓶的时机，除进行OD（光

密度）的检测外还可进行湿菌体或用血球计数器计数检测，镜检菌体

的形态和同步性，同时要尽量缩短一级种子的冷冻时间，为下一步的

扩大再培养提供活力强、同步性好、数量多、无污染的一级菌和、

2流加糖的控制

流加糖工艺的关键技术在于开始流加的时矶的选择、流加过程中的流

加速度、流加期间残糖的含量及流加糖量占总投糖的比例。根据菌种

的耗糖能力、生物素，在采用适量法的工艺条件下，总投糖含量为18%

左右的转化率较高，投糖超过20%的转化率就有低于58.()%的危险(转

化率低于58.0%对淀粉的单耗和成本导致升高的影响)，投糖量过低虽

然可以提高转化率，但产酸低、影响设备运用率和能源的消耗。

2.1初糖浓度

一般情况下，大罐初糖12%〜14%、菌种10h左右达成平衡，初糖

15%~16%、菌种12h左右达成平衡，12h的转化率为55.0%左右；初糖

16.0%以上菌种要在14h左右达成平衡，12h的转化率一般为52%左右。

总之，初糖含量的设计要考虑对菌种生长和转化率的影响也要考虑到

发酵培养基的平衡，在发酵周期3()h左右、流加糖含量为36.0%左右的

条件下，初糖设计含量为14%〜16%是比较适当

的。假如流加糖含量提高至50.0%以上，初糖质量分数设计在

13%〜14%即可。

2.2流加时间

选择适当的时机是相称重要的，对发酵的产量有很大影响。补糖的时

机不能单纯以培养时间作为依据，要根据糖的耗用速度、值变化、残

糖的高低、菌体活力、菌体形态是否转型等因素判断比较符合实际。

补糖的时间原则是控制微生物的中间代谢：使之向有助于产物积累的

方向发展。能控制菌体量的增长、糖的消耗速度与发酵单位增长三者

之间的关系，就可获得更长的生物合成期，以利于谷氨酸的积累,其

控制要点是谷氨酸生产菌转型期和乳酸峰值期相结合进行糖流加。开

始流加时机应以残糖量、耗糖速度、菌体的活力和转型情况为依据，

通过耗氧及需氧情况的计算显示，发酵残糖在5.0%〜2.0%时是流加糖

的最佳时机。在流加过程中流加速度重要根据残糖量控制，根据生产

经验残糖控制量为2.0%〜1.0%、流加糖占总投糖的60%〜70%时产酸和

转化率较为抱负。糖液质量直接影响谷氨酸发酵生长、耗糖速度，进

而影响产量和酸糖转化率，控制好糖液的质量是发酵成功的基础，糖

液的质量应当是具有高DE值（97%以上）和高DX值（95.0%以上），

复合二糖3.0以下，三糖、四糖以上的糖含量不超过

2.3流加方式

连续流加比间歇流加控制效果好，这样可以避免一次性大量流加而引

起菌体的代谢受到环境忽然改变的影响。如此在恒定状态下微生物所

处的环境条件，如培养物浓度、产物浓度、pH值以及微生物细胞的

浓度、生长速率等可以始终维持不变，以达成产生大量代谢产物的目

的。对谷氨酸发酵而言，其控制要点有以下3个方面：①流加糖质量

分数在45%〜50%之间，糖色泽不增长，糖不被分解，蒸发过程中损

失尽量减小，蒸发温度不宜过高，时间不宜过长，避免产生焦糖和色

素，浓缩前后的糖DE值（或DX值）与透光率差距不能过大；②流加

糖消毒灭菌温度不宜过高，并且要迅速降温至3（）℃〜45℃,保压备用；

③流加过程中残糖控制量不宜忽高忽低，宜根据糖耗速率控制流加数

量，保持残糖含量稳定。

3生物素的控制

在生物素用量的控制中不仅要考虑到培养基中原料（涉及玉米浆、糖

蜜纯生物素）的生物素总量，同时还要考虑到糖液因玉米淀粉和生产

工艺的变化导致的营养素（生物素和维生素）的变化，适时地根据发

酵耗糖、产酸及发醉的容氧情况调整培养基中生物素配比，控制生物

素用量，充足满足生长、耗糖、合成谷氨酸的需要，并且不能出现负

面的影响。在采用生物素适量法工艺控制中，发酵培养基的总生物量

控制在10.0ug/L以上,与生物素用量相配套的二级种子到大罐的接种

量达成10.0%以上，湿菌体量控制1.0mL/10mL以上；大猫初糖采用

14%~16%的中高糖发酵，大罐前期(对数生长、转型期、发酵期)

的通风量已达成0.35m3/s〜0.45m3/s,大罐最大湿菌体量达成

().9mL/l()mL〜L()mL/l()mL；在低糖(36.0%左右)流加的情况下周期

缩短到28h〜30h,产酸可达成12.0%左右，转化率达成59.0%以上。适

量法成功的经验说明，生物素量的设计不是孤立的一个条件，要与其

他的工艺条件相配合。

4发酵环境条件控制

4.1温度控制

发酵罐温度根据发酵时间进程，在不同阶段按最适宜的微生物生长环

境设定温度值。

4.2pH值控制

发酵罐pH值过程控制根据生产实践长期摸索的规律，拟定一条优化

设定曲线，采用液氨流加，控制发酵液的pH值。考虑到pH值过程的

非线性特性，为了提高控制效果，采用了有约束力的非线性补偿控制

方法，pH值的跟踪性能与抗干扰性能都较强，最大稳态误差pH值不

超过0.1。

4.3压力控制

发酵罐压力的稳定不仅可以有效地防止染菌，减小供风阻力的波动，

也有助于气液两相氧气分压的平衡和DO值的稳定。该系统与空气流

量控制系统虽然有明显的关联性，但通过调整控制器的有关参数，可

以将这2个变量分另L控制稳定。

4.4溶解氧控制

在发酵过程中恰当控制溶解氧，改变代谢分布，可以增大谷氨酸产率,

减少杂酸的生成。溶解氧最优控制水平为10%左右。在一般情况下，

当发酵罐内有富余的空气且搅拌电机转速适中时，通过对搅拌电机转

速控制可以得到良好的溶解氧动态过程，而在空气量局限性或搅拌电

机达成一定转速后，DO变化受到限制，这时可以通过溶解氧和风量

调回路得到继续改善

（三）.产物的分离和提取

L1浓缩等电工艺流程

浓缩等电工艺源自日本味之素公司糖蜜发酵谷氨酸的提取技术，国内

最早由河南莲花味精集团将其嫁接于淀粉糖原料发酵工艺上（图2）,该

工艺没有采用/离交技术0,优点是硫酸、液氨消耗低，排放高浓度废水

总量仅占发酵液体积的50%左右。

I笈孵滋I——-I宓效浓缩1■电纾“1川----一网心分阂——T等电，次润

海泊I

吟嘏水I

211清洁工艺流程

“清洁工艺”是由江南大学和山东菱花集团合作开发并于2023年成功

产业化的开环式清洁工艺（图3）。通过絮凝除菌、多效蒸发浓缩、脱

硫酸镀和造粒干燥等工序，从离交尾液中回收菌体蛋白、无机和有机

肥，蒸发冷凝水回用,既尢废水乂尢废气。

7

|寓交尾液11絮废除菌H多效叱缩|­浓缩脱41|脱盐母液|—1选粒烘I!―“一合肥|

।

।菌体蛋.।।冷凝水।।—।

图三

3无废低耗工艺的构建与关键技术研究

311无废低耗工艺的构建

吸取上述提取技术及高浓废水治理技术的优点而摒弃其缺陷,实现高

收率、高质量、低物耗及资源综合运用等优势的集成,是构建谷氨酸

提取无废低耗工艺的目的。基于此目的构建的谷氨酸提取无废低耗生

产工艺（以下简称无废低耗工艺）如图5所示。无废低耗工艺采用新型

的具有/细晶消除功能的等电结晶工艺，以减少等电母液中残留谷氨酸

浓度,提高一步等电结晶的收率;同时以等电母液中残留谷氨酸的二次

结晶技术替代现有的离子互换技术，以减少硫酸、液氨等辅料的消耗;

将谷氨酸二次结晶和清洁工艺的蒸发浓缩巧妙结合，在不增长蒸气消

耗的前提下，有效地解决高浓废水污染问题。工艺目的:谷氨酸提取总

收率\93%,接近等电离交工艺;不再消耗离子互换所需的硫酸和液氨，

也无额外产生的工艺废水。要实现图5无废低耗工艺，必须解决2个技术

关键点:连续间歇耦联等电结晶技术（简称半连续结晶）和二次结晶技

术。该工艺在山东菱花味精有限公司进行了中试，半连续结晶罐规模

为5m3,二次结晶罐规模为3.4m3。

图五

312半连续等电结晶工艺研究

常规等电结晶母液中存在大量微小晶体,微晶数量多少直接影响提取

收率和晶体质量。半连续结晶内含“微晶自动消除技术”，目的是消

除结晶母液中存在的微小晶体，使等电母液中残留谷氨酸的浓度由离

交工艺的2.3%降至1.8%以下,将一步等电结晶收率提高到85%;另一方

面，谷氨酸晶体颗粒直径大幅度提高，纯度提高到98%以上。微晶消除

后谷氨酸结晶颗粒粗壮，容易分离且夹带母液少，因而收率和纯度都

高。

313二次结晶工艺研究

二次结晶技术的关键是获得晶形良好的Q-晶体，以保证二次结晶收率

达成60%以上,且工艺上容易实现分离操作。等电母液中硫酸铉等杂质

浓度是谷氨酸的4倍以上，二次结晶困难，采用常规浓缩结晶，得到的是

小颗粒泥状结晶（图6）,分离困难且纯度低。采用变温连续浓缩结晶，可

获得图7所示晶型良好的a