07 第六章 发酵工艺实例介绍.ppt

第1页：味精概述

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

第2页：氨基酸生产的历史

Introduction

• History of amino acids production: the story started in 1908, isolated glutamic acid with delicious taste.
• Screen for amino-acid-excreting microorganisms: Corynebacterium glutamicum, in 1957.
• Monosodium glutamate (MSG): a flavor-enhancing compound.

第3页：谷氨酸的结构

二、谷氨酸的生物合成机理　1. 谷氨酸（α-氨基戊二酸）

L-谷氨酸单钠盐即味精，为第一代鲜味剂；天然存在并具有鲜味的为 L-型谷氨酸。分子中含两个羧基与一个氨基。

第4页：谷氨酸的生物合成

2. 谷氨酸的生物合成：葡萄糖 → 中间产物 → α-酮戊二酸 ——（谷氨酸脱氢酶，NH₄⁺，受抑制）→ 谷氨酸。

第5页：谷氨酸合成代谢途径

葡萄糖代谢途径：葡萄糖 → 6-P-葡萄糖 → 6-P-葡萄糖酸 → 5-P-核糖 / 3-P-甘油醛 → 丙酮酸 → 乙酰 CoA → 柠檬酸 → 异柠檬酸 → α-酮戊二酸 → 谷氨酸（透过细胞膜分泌）；并含草酰乙酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸等 TCA 循环中间物。

HMP：Hexose monophosphate pathway（磷酸己糖途径）。

第6页：

第7页：各代谢途径的作用

1. EMP：丙酮酸、ATP、NADH₂。
2. HMP：6-磷酸果糖、3-磷酸甘油酸；NADPH₂ 是 α-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 α-酮戊二酸。
4. CO₂ 固定反应：补充草酰乙酸。
5. 乙醛酸循环：使琥珀酸、延胡索酸和苹果酸的量得到补充，维持 TCA 循环的正常运转。
6. 还原氨基化反应：α-酮戊二酸 ——（谷氨酸脱氢酶）→ 谷氨酸。

第8页：回补反应

回补反应：通过 CO₂ 固定反应与乙醛酸循环补充草酰乙酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等中间物，维持 TCA 循环的正常运转。

第9页：生产菌的生化特征

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. α-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。

第10页：谷氨酸产生菌

4. 谷氨酸产生菌（全是细菌）

第11页：生产菌的共同点

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）。

第12页：碳源

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

第13页：氮源与碳氮比

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 α-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。

第14页：无机盐

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. 促使丙酮酸和乙醛缩合生成缬氨酸的前体物 α-乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积。

第15页：生长因子生物素

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，进而影响磷脂的合成。
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，α-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。

第16页：生物素与脂肪酸合成

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。

第17页：生物素限量的意义

脂肪酸 ＋ 甘油磷酸 → 磷脂；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。

第18页：生理学手段促进排出

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：

• 如谷氨酸发酵中，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。

第19页：膜缺损突变株

2. 利用膜缺损突变株——油酸缺陷型、甘油缺陷型

• 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，在生物素或油酸过量的情况下也可以获得大量谷氨酸。

第20页：控制细胞膜渗透性

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（生物素、青霉素 → 谷氨酸分泌）
2. 通过细胞膜缺损突变控制细胞膜渗透性（油酸缺陷型 + 限量油酸 → 谷氨酸分泌）

第21页：谷氨酸积累方法选择题

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

第22页：生物素与青霉素的作用机理

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。

第23页：pH 的影响与控制

（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。

控制范围

pH 控制在中性或微碱性。

方法

流加尿素和氨水。

第24页：温度的影响与控制

（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℃

第25页：溶解氧的控制

（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 α-酮戊二酸还原氨基化，使 α-酮戊二酸蓄积。

第26页：环境条件的代谢转换

第27页：等电点沉淀法

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

第28页：锌盐法

2. 不溶性盐沉淀法（1）锌盐法

谷氨酸 ＋ 锌离子 →（pH 6.3）→ 谷氨酸锌沉淀 → 溶液 →（加酸，pH 2.4）→ 谷氨酸结晶。

第29页：盐酸盐法与钙盐法

（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。

第30页：离子交换法

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。

第31页：树脂的选择

谷氨酸是酸性氨基酸，含 2 个羧基 1 个氨基，与阴离子交换树脂结合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。

第32页：上柱 pH 的控制

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⁺ 交换能力大于谷氨酸，优先交换，置换出 H⁺ 使 pH 值低于 3.2，使谷氨酸成为阳离子，但不能高于 6.0。

第33页：电渗析法

4. 电渗析法：膜分离过程，利用的是电位差。

二次电渗析法

pH 3.2：除去各种盐类；pH > 3.2：除去蛋白质、残糖和色素等非电解质。

第34页：味精制造

（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 → 离心分离 → 干燥 → 成品。

第35页：

第36页：我国味精技术进展