第9章__氨基酸发酵.ppt

1、第九章：氨基酸发酵。氨基酸的制备始于1820年蛋白质的酸水解。氨基酸的化学合成在1850年被成功研究，谷氨酸在1956年通过发酵生产。氨基酸是重要的营养物质，具有重要的生理功能。近年来，随着氨基酸工业的发展，氨基酸已经广泛应用于食品、医药、农业、化妆品等领域，因此氨基酸的生产意义重大。在食品工业中，甘氨酸和丙氨酸有甜味，天冬氨酸和谷氨酸有酸味，谷氨酸钠和天冬氨酸钠有美味，赖氨酸和蛋氨酸是人体必需的氨基酸。在制药工业中，多种复合氨基酸制剂可用于通过输注治疗营养或代谢紊乱；精氨酸类药物用于治疗氨中毒引起的肝昏迷；丝氨酸药物被用作疲劳恢复剂；蛋氨酸和胱氨酸用于治疗脂肪肝；谷氨酸和谷氨酰胺用于治疗脑出

2、血后的记忆障碍。在化妆品生产中，胱氨酸用于护发素，丝氨酸用于面霜；由谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脂肪酸形成的表面活性剂具有清洁和抗菌功能，用于护肤产品和香波中。在农业上，苯丙氨酸和丙氨酸可以用来治疗苹果黑星病；甘氨酸可以制成除草剂。赖氨酸和蛋氨酸能加速畜禽的生长，提高肉质。自20世纪初氨基酸的工业化生产以来，氨基酸的生产方法有四种：卵内质水解法、化学合成法、微生物发酵法和酶法。蛋白质水解法：早期味精生产和复合氨基酸；化学合成法：DL-蛋氨酸、甘氨酸和DL-丙氨酸；酶法：左旋丙氨酸，左旋色氨酸，左旋丝氨酸；微生物发酵：生产60%以上的氨基酸，包括直接发酵和添加前体发酵。前三种方法成本高，工艺复杂，难

3、以达到工业化生产的目的。9.1谷氨酸发酵产量，谷氨酸发酵规模、产量最大。谷氨酸不仅可以用来制造味精，还可以用来治疗神经衰弱和制备营养注射剂。中国是世界上最大的味精生产国。1、谷氨酸发酵过程，谷氨酸生产原料，包括碳源、氮源、无机盐和生长因子。应考虑发酵原料的选择：细菌生长和繁殖的营养需求、谷氨酸的积累、产品易提取、生产周期短和价格低。(1)碳源：构成细菌并合成谷氨酸的碳架和能量来源。它们通常是淀粉原料，如玉米、小麦、红薯、大米等。淀粉水解成葡萄糖，然后中和脱色，然后放入发酵罐。糖蜜也可以用作碳源。因为糖蜜富含生物素，生物素需要在发酵前去除或破坏。(2)氮源是合成细菌蛋白质、核酸和谷氨酸的原料。氮

4、源对谷氨酸发酵的影响大于碳源。大约85%的氮源用于合成谷氨酸，15%用于合成细菌。一般发酵工业的碳氮比为100:(0.22.0)，谷氨酸发酵的碳氮比为1003360 (1521)。目前，尿素被广泛用作氮源并分批补料，且温度不要太高(不超过45)，否则，过多的游离氨会使初始酸碱度过高并抑制细菌的生长。(3)无机盐是微生物维持生命活动不可缺少的物质。磷酸盐在谷氨酸发酵中非常重要，这在谷氨酸发酵过程中是必需的，但其浓度不应过高，否则会导致缬氨酸发酵。(4)生长因子：谷氨酸产生菌均缺乏生物素，生物素是其生长因子。(1)谷氨酸产生菌目前，谷氨酸发酵菌包括谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌、黄色短杆菌、氨杆菌和

5、球形节杆菌。在已报道的谷氨酸产生菌中，除芽孢杆菌外，虽然它们属于不同的属和种，但都有一些共同的特征(2)扩大培养(二级种子培养过程):斜面菌种一级种子培养和二级种子培养发酵罐。(1)谷氨酸生物合成途径：葡萄糖通过糖酵解(EMP途径)和磷酸己糖分支(HMP途径)生成丙酮酸，然后氧化成乙酰辅酶a，再进入三羧酸循环，然后通过乙醛酸循环和CO2固定，生成酮戊二酸，酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化和NH4的存在下生成谷氨酸。在谷氨酸发酵过程中，当生物素缺乏时，菌株生长非常缓慢；当生物素过量时，它转化为乳酸发酵；在生物素次优的条件下，谷氨酸的产率较高。(2)谷氨酸发酵过程的控制，接种量：一般为0.6升。7它是

6、由发酵培养基的成分、谷氨酸菌种的种类性质和年龄决定的。温度控制：前期326，后期3437。酸碱度：如果早期酸碱度较低，细菌会生长旺盛，长细菌不会产酸；较高的酸碱度导致细菌生长缓慢，发酵时间长。一般来说，在发酵前期控制酸碱度在7.58.0较为合适，在发酵中后期控制酸碱度在7.07.6较为合适。氨流添加或尿素流添加通常用于调节酸碱度。通气率：在细菌生长阶段，如果供氧过量，在生物素有限的情况下，细菌的生长会受到抑制，这说明糖的消耗较慢，细菌的生长也较慢，所以在发酵初期宜采用低通气率；在发酵阶段，氧气供应不足，发酵的主要产物由谷氨酸变为乳酸，因此在发酵的中后期宜采用高风量。谷氨酸的提取过程主要基于其两

7、性电解质性质、溶解度、吸附剂的作用和谷氨酸的成盐。目前常用的方法有等电点法、离子交换法、锌盐法、纳滤膜法等。(1)谷氨酸等电点提取原理：谷氨酸分子含有两个酸性羧基和一个碱性氨基。在酸性条件下，即pH3.22，羧基的电离受到抑制，谷氨酸主要以带正电荷的阳离子形式存在；当酸碱度为3.22时，谷氨酸主要以带负电荷的阴离子形式存在。当酸碱度为3.22(即等电点)时，谷氨酸的净电荷为零，它是电中性的，溶解度最小。谷氨酸可以通过过滤和离心提取。谷氨酸晶体有两种，即-型和-型。-型晶轴长度相近，是一种晶体厚、颗粒大、易沉淀分离的理想晶体。-型晶轴长度不同，针状或鳞片状，晶粒细小，难以沉淀。因此，有必要控制条

8、件，以促进型的形成。谷氨酸的等电点提取工艺和谷氨酸一钠(化学名称为谷氨酸钠)的生产是将谷氨酸进一步加工而成的具有特殊鲜味的调味产品。(1)味精生产工艺：在谷氨酸生产的基础上，通过中和、脱色、除铁制备谷氨酸钠晶体。(2)味精生产过程控制：中和：将谷氨酸溶于水中，用碳酸钠或氢氧化钠中和。应该产生最大量的味精(味精盐)。中和时，先加入谷氨酸，再加入碱，开始搅拌，温度控制在65左右(低于70)，中和液浓度为21B24B，酸碱度控制在5.66.8，否则会形成二钠盐。中和液脱色除铁：脱色除铁后，液体透过率大于90%，亚铁离子浓度低于5mgL-1。活性炭可用于脱色，Na2S或离子交换树脂可用于除铁。中和溶液

9、的浓缩和结晶：减压浓缩，加入晶种诱导结晶。干燥和包装赖氨酸生产过程中，游离赖氨酸容易吸收空气中的二氧化碳，并且很难制备赖氨酸晶体。通常，工业赖氨酸产品以赖氨酸盐酸盐的形式生产。1赖氨酸生产原料和菌种，碳源一般是由玉米和马铃薯等淀粉原料水解而成，也可以使用糖蜜。碳源的浓度不应过高，否则会不利于细菌的生长，降低赖氨酸酸的转化率。赖氨酸是一种二氨基碱性氨基酸，因此在发酵过程中添加的氮源比其他氨基酸多。常用的氮源是硫酸铵和氯化铵。赖氨酸产生菌有两种：一种是细菌，主要是以谷氨酸产生菌为出发菌诱变产生的；另一种是酵母，但其产量低于细菌。2赖氨酸生产过程控制，(1)赖氨酸生物合成途径赖氨酸合成途径不同于其他

10、氨基酸，取决于不同的微生物种类。细菌赖氨酸生物合成途径需要天冬氨酸反应合成二氨基庚二酸，然后合成赖氨酸。不同的细菌有不同的生物合成调节机制；酵母中赖氨酸的合成需要天冬氨酸反应合成-氨基己酸，然后合成赖氨酸。(2)赖氨酸发酵过程控制，赖氨酸发酵过程条件：控制溶解氧浓度对赖氨酸发酵非常重要，供氧不足会导致乳酸积累，并可能导致赖氨酸生产的不可逆抑制，这与细胞膜通透性有关。由于供氧不足，细胞中赖氨酸和磷脂含量增加，而发酵液中赖氨酸含量很低。发酵过程中，前期温度为32，中后期温度为34。酸碱度控制在6.57.5，最佳酸碱度为7.0，这可以通过添加尿素或氨水来控制。培养基中苏氨酸和蛋氨酸的控制：赖氨酸产生

11、菌是高丝氨酸缺乏的，苏氨酸和蛋氨酸是赖氨酸产生菌的生长因子。在发酵过程中，如果培养基富含这两种物质，只有细菌会生长，但不会产生或产生较少的赖氨酸。因此，在发酵过程中，苏氨酸和甲硫氨酸应控制在适当的量，以提高赖氨酸产量。发酵中的生物素控制：产生赖氨酸的细菌被产生谷氨酸的细菌诱变，所有这些细菌都缺乏生物素。培养基中生物素的有限添加将导致发酵转化为谷氨酸，并积累大量的谷氨酸。如果培养基中添加过量的生物素，细胞中合成的谷氨酸会抑制谷氨酸脱氢酶，从而抑制谷氨酸的合成，然后转化为天冬氨酸并积累大量的赖氨酸。发酵过程中物质的添加，某些物质对赖氨酸产量的影响，以及赖氨酸的提取。其下游加工包括三个阶段：发酵液的

12、预处理、提取和精制。(1)加入絮凝剂(明矾等)2)对发酵液进行顶部处理，絮凝，过滤除去菌体，或通过高速离心进行固液分离，回收菌体进一步加工利用，用盐酸调节滤液的酸碱度至4.0备用。(2)赖氨酸提取方法：有四种方法：沉淀法、有机溶剂萃取法、离子交换法和电渗析法。离子(强酸性)交换法是工业上常用的萃取方法。赖氨酸是一种碱性氨基酸，等电点为9.59。在约2.0的酸碱度下被强酸性阳离子交换树脂吸附；在pH 7.09.0时被弱酸性阳离子交换树脂吸附。氢型强酸性阳离子交换树脂比铵型阳离子交换树脂更容易吸附赖氨酸，但铵型阳离子交换树脂能选择性吸附赖氨酸和其他碱性氨基酸，但不吸附中性和酸性氨基酸，用氨水洗脱赖

13、氨酸后树脂不需要再生。因此，选择了铵型强酸性阳离子交换树脂。树脂处理工艺：732#阳离子交换树脂，用1摩尔/升氢氧化钠洗涤，洗涤至pH6.0，洗涤至pH 8.0，用1摩尔/升盐酸处理，用1摩尔/升氨水处理，洗涤至pH8.0，铵树脂(待使用)，离子交换水洗：水洗柱至中性，以除去可溶性和不溶性杂质，提高赖氨酸质量。用氨水洗脱浓缩结晶：真空浓缩除氨，用盐酸调节酸碱度至4.9，减压浓缩，静置结晶2天，得到赖氨酸盐酸盐粗品。(3)将精制的粗赖氨酸50在搅拌下溶解在去离子水中，用活性炭60脱色1小时，趁热过滤，将滤液冷却并结晶5天。过滤、真空干燥或热风干燥，得到赖氨酸盐酸盐成品。9.3发酵生产其他氨基酸，

14、1苏氨酸发酵用于饲料工业、保健食品和制药工业。目前，年产量约为5万吨。主要生产企业有日本味之素有限公司、德国德固赛有限公司、美铁ADM有限公司、日本协和发酵工业有限公司，其产量约占全球份额的90%。其中，日本味之素公司占据了全球60%以上的市场。制备方法有三种：化学合成法、发酵法和蛋白质水解法，其中发酵法最为先进。微生物发酵产生的苏氨酸都是左旋苏氨酸。目前苏氨酸生产菌主要有三种：大肠杆菌、粘质沙雷氏菌和短杆菌。L-苏氨酸发酵由基因工程菌产生，产酸量约为810，糖转化率为2530，提取率为85。缬氨酸和左旋缬氨酸是人体必需的氨基酸，也是三种支链氨基酸(缬氨酸、异亮氨酸和亮氨酸)之一。L-缬氨酸主

15、要用于制备复合氨基酸制剂，尤其是高支链氨基酸的输注。近年来，已经发现左旋缬氨酸是高效免疫抗生素的原料，并且其使用显著增加。目前，只有两家日本公司生产它，年消耗量已达到几干吨。缬氨酸的生物合成是：-乙酰乳酸由丙酮酸产生，然后-酮异戊酸通过还原脱水获得，最后产生缬氨酸。其中，异亮氨酸和缬氨酸是除氨基酸脱水酶以外常见的，因此所选突变体应为缬氨酸结构类似物突变体和异亮氨酸营养缺陷型突变体。3异亮氨酸和亮氨酸被发酵，异亮氨酸和亮氨酸都有甲基侧链。(1)异亮氨酸发酵：异亮氨酸有四种异构体，其中只有l-异亮氨酸可被动物使用。微生物产生的异亮氨酸是l型。异亮氨酸的发酵方法有两种：添加前体发酵和直接发酵。添加前

16、体发酵法：合成途径中的关键酶是苏氨酸脱水酶，它受到异亮氨酸反馈的抑制，异亮氨酸和缬氨酸的合成酶系统也受到多价异亮氨酸、缬氨酸和亮氨酸的抑制，因此在发酵过程中添加D-苏氨酸和-氨基丁酸等前体可以解除抑制和抑制，积累大量异亮氨酸。直接发酵法：使用反反馈调节突变体或营养缺陷型。(2)亮氨酸发酵：直接前体是酮异戊酸，缬氨酸的中间体，其关键酶是-乙酰乳酸合酶和-苹果酸异丙酯合酶，前者被缬氨酸反馈和三个支链氨基酸的多价抑制所抑制；后者受到亮氨酸反馈的抑制和抑制。亮氨酸产生菌株是一种突变菌株。4、天冬氨酸发酵，天冬氨酸作为营养补充剂，添加到各种清凉饮料中。可用作氨解毒剂、肝功能促进剂和疲劳消除剂。目前，主要采用酶法生产。利用大肠杆菌、假单胞菌等微生物产生的天冬氨酸酶将富马酸和氨转化为左旋天冬氨酸，转化率接近理论值。通过发酵生产可以选择对天冬氨酸结构类似物、赖氨酸和高丝氨酸双缺陷型和丙氨酸缺陷型有抗性的突变体。色氨酸是一种带有茚满芳基的中性芳香氨基酸。作为第二大必需氨基酸，它广泛应用于医药、食品和饲料中，是仅次于蛋氨酸和赖氨酸的第三大饲料添加剂氨基酸。生产主要包括酶法、前体发酵法和直接发酵法。酶法是由微生物产生的色氨酸合成酶和丝氨酸消旋酶催化生产色氨酸，是目前色氨酸的主