第八章氨基酸发酵2015上课.ppt

第八章 氨基酸发酵 氨基酸制备最早是在1820年用蛋白质酸水解开始的，1850年化学合成氨基酸研究成功，1956年发酵生产谷氨酸。 氨基酸是重要营养物质，具有重要的生理功能，近年来随着氨基酸工业的发展，氨基酸在食品、医药、农业、化妆品等领域得到广泛应用，因此氨基酸的生产具有重要的意义。 食品工业中，甘氨酸、丙氨酸具有甜味，天冬氨酸、谷氨酸具有酸味，谷氨酸钠、天冬氨酸钠具有鲜味，赖氨酸、蛋氨酸等是人体必需氨基酸。 医药工业中，多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调；精氨酸药物用于治疗由氨中毒造成的肝昏迷；丝氨酸药物用作疲劳恢复剂；蛋氨酸、胱氨酸用于治疗脂肪肝；L-谷氨酸与L-谷氨酰胺用于治疗脑出血后的记忆力障碍等。 化妆品生产中，胱氨酸用于护发素，丝氨酸用于面霜中；谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸与脂肪酸形成的表面活性剂，具有清洗、抗菌等功能，用于护肤品、洗发剂中。 在农业中，苯丙氨酸和丙氨酸可用于治疗苹果疮痂病；甘氨酸可制成除草剂。赖氨酸、蛋氨酸添加在饲料中，能加速家畜、家禽的生长，改善肉的质量。 从20世纪初期，氨基酸实现工业化生产以来，氨基酸生产大体有蛋内质水解法、化学合成法、微生物发酵法和酶法四种生产方法。 蛋白质水解法：早期味精生产、复合氨基酸； 化学合成法：DL-蛋氨酸、甘氨酸、DL-丙氨酸； 酶法：L-丙氨酸、L-色氨酸、L-丝氨酸； 微生物发解法：生产60%以上的氨基酸，包括直接发酵法和添加前体发酵法。 前三种方法成本高，工艺复杂，难以达到工业化生产目的。 8.1 谷氨酸的发酵生产 谷氨酸发酵规模、产量最大。 谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射剂等。 我国是世界最大味精生产大国。 3．谷氨酸发酵机制及工艺控制 （1）谷氨酸生物合成途径：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CoA，然后进入三羧酸循环，生成α-酮戊二酸，α-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。 谷氨酸发酵过程中，生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；生物素过量时，则转为乳酸发酵；生物素亚适量条件下，谷氨酸产量高。 （2）谷氨酸发酵工艺控制 ①接种量：一般为0.6％~l.7％。由发酵培养基成分、谷氨酸菌种种类性质、种龄等确定。 ②温度控制：前期32±6℃，后期可提高到34℃~37℃。 ③pH值：前期pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌不产酸；pH偏高，菌体生长缓慢，发酵时间长。 一般前期pH值控制在7.5~8.0较为合适，发酵中、后期将pH值控制在7.0~7.6，常采用氨水流加法或尿素流加法调节pH。 ④通风量：长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量的情况下，抑制菌体生长，表现为耗糖慢，长菌慢，所以发酵前期以低通风量为宜；发酵阶段，供氧不足，发酵主产物由谷氨酸变为乳酸，所以发酵中、后期以高通风量为宜。 1．谷氨酸生产原料 包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。 发酵原料选择要考虑：菌体生长繁殖的营养需求、有利于谷氨酸大量积累、产品提取容易、生产周期短及价格便宜。 （1）碳源：是构成菌体和合成谷氨酸的碳骨架以及能量来源。 一般都是淀粉原料，如玉米、小麦、甘薯、大米等。淀粉先水解成葡萄糖，然后经中和、脱色再投放到发酵罐。 也可用糖蜜原料作碳源，糖蜜因富含生物素，发酵前需除去或破坏生物素。 （2）氮源：是合成菌体蛋白质、核酸及谷氨酸的原料。氮源比碳源对谷氨酸发酵影响更大，约85％的氮源被用于合成谷氨酸，15％用于合成菌体。 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)。 目前多用尿素作为氮源，分批流加，流加时温度不易过高(不超过45℃)，否则游离氨过多，使初始pH过高，抑制菌体生长。 （3）无机盐：是微生物维持生命活动不可缺少的物质。其中磷酸盐在谷氨酸发酵中非常重要，是谷氨酸发酵过程必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。 （4）生长因子：谷氨酸生产菌都是生物素缺陷型，生物素为其生长因子。 2．谷氨酸生产菌及其扩大培养 （1）谷氨酸生产菌 目前谷氨酸发酵菌种有谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌、黄色短杆菌、嗜氨小杆菌、球形节杆菌。 报道的谷氨酸生产菌中，除芽孢杆菌外，虽然它们属于不同的属种，但都有一些共同特点，如菌体为球形、短杆至棒状、无鞭毛、不运动、不形成芽孢、呈革兰氏阳性、需要生物素做生长因子、在通气条件下培养产生谷氨酸。 （2）扩大培养(二级种子培养流程)： 斜面菌种 → 一级种子培养 → 二级种子培养 → 发酵罐。 4．谷氨酸的提取工艺 主要根据其两性电解质性质、溶解度和吸附剂的作用以及谷氨酸的成盐作用等。 目前常用方法有等电点法、离子交换法、锌盐法、纳滤膜等。 （1）等电点法提取谷氨酸