第八章味精的发酵工艺

1、味精的发酵工艺味精的发酵工艺味精的产品特性：味精的产品特性：谷氨酸钠谷氨酸钠商品味精：商品味精： 加盐味精加盐味精 无盐味精无盐味精 特鲜味精特鲜味精或称或称强力味精强力味精，指，指味精味精中又加上了中又加上了核苷酸钠核苷酸钠等增等增鲜剂，比谷氨酸钠要鲜得多。其性状也与之相似，为白色鲜剂，比谷氨酸钠要鲜得多。其性状也与之相似，为白色至米黄色结晶或粉末，无臭，味鲜，至米黄色结晶或粉末，无臭，味鲜，与谷氨酸钠合用有显与谷氨酸钠合用有显著的协同作用，鲜度大增。著的协同作用，鲜度大增。 其中，核苷酸钠有两种：一种中其中，核苷酸钠有两种：一种中5鸟苷酸二钠鸟苷酸二钠(GMP,G)；另一种是另一种是5肌苷

2、酸二钠肌苷酸二钠(IMP, I)。 目前特鲜（强力）味精以添加呈味核苷酸二钠目前特鲜（强力）味精以添加呈味核苷酸二钠（Disodium 5-ribonucleotide） （lG）的居多。）的居多。 l+G是什么是什么? “5鸟苷酸二钠鸟苷酸二钠”加加”5肌苷酸二钠肌苷酸二钠”，俗称，俗称l+G。 我国我国食品添加剂使用卫生标准食品添加剂使用卫生标准已批准使用，是以呈味已批准使用，是以呈味核苷酸二钠（核苷酸二钠（lG，即即5鸟苷酸二钠鸟苷酸二钠+5肌苷酸二钠）肌苷酸二钠）的形式批准使用的。形成一种完美的鲜醇滋味，即添加呈的形式批准使用的。形成一种完美的鲜醇滋味，即添加呈味核苷酸二钠的食品，使味

3、觉改善，使甜、酸、苦、辣、味核苷酸二钠的食品，使味觉改善，使甜、酸、苦、辣、鲜、香、咸诸味更加浓郁而更加协调。鲜、香、咸诸味更加浓郁而更加协调。在罐头食品中添加在罐头食品中添加呈味核苷酸二钠后，能抑制淀粉味和铁腥味；在午餐肉罐呈味核苷酸二钠后，能抑制淀粉味和铁腥味；在午餐肉罐头中添加呈味核苷酸二钠后可得到非常理想的效果；在酱头中添加呈味核苷酸二钠后可得到非常理想的效果；在酱类中添加它能改善酱味；在风味小食品如牛肉干、鱼片干类中添加它能改善酱味；在风味小食品如牛肉干、鱼片干等中应用能减少涩味。等中应用能减少涩味。 味精的发展史 早期从天然的食物材料中取得；1820 年水解蛋白质开始。 中期最早商

4、业化制造味精的原料是面筋； 1866 年德国的立好生博士利用硫酸水解小麦面筋，分离出一种酸性氨基酸，依据原料的取材，便将此氨基酸命名为谷氨酸。 1908.日本.池田菊苗首先从海带中提取出谷氨酸钠，命名为“味之素”； 近期糖是生产味精的主要原料； 1956.日本协和发酵公司分离出可产谷氨酸的细菌谷氨酸棒杆菌；1957 1957 年发酵法味精正式商年发酵法味精正式商业性生产，这标志着氨基酸发酵工业的诞生。业性生产，这标志着氨基酸发酵工业的诞生。味精的安全性：味精的安全性：安全安全正确食用味精的方法：正确食用味精的方法： 温度温度: 80 OC 用量用量:千分之千分之2-5 酸碱度：微酸酸碱度：微酸

5、 中国味精业空间巨大中国味精业空间巨大2001年东南亚地区味精人均消费量：台湾：2000克韩国：1200克日本：1020克香港：1000克中国大陆：500克 中国味精消费每年至少有160160万吨万吨的空间原料的预处理及淀粉水解糖的制取原料的预处理及淀粉水解糖的制取谷氨酸生产菌种子的扩大培养谷氨酸生产菌种子的扩大培养谷氨酸发酵谷氨酸发酵谷氨酸的提取与分离谷氨酸的提取与分离由谷氨酸制成味精及味精成品加工由谷氨酸制成味精及味精成品加工 味精生产工艺流程味精的发酵工艺味精的发酵工艺主要内容：主要内容：第一节：谷氨酸生产第一节：谷氨酸生产第二节：第二节：谷氨酸的提取谷氨酸的提取第三节：第三节：谷氨酸制

6、味精谷氨酸制味精第一节第一节 谷氨酸生产谷氨酸生产概述：概述：氨基酸发酵氨基酸发酵一一. 谷氨酸生产原料及其处理谷氨酸生产原料及其处理二二. 谷氨酸产生菌谷氨酸产生菌三三. 谷氨酸的合成途径谷氨酸的合成途径四、四、谷氨酸代谢的调控谷氨酸代谢的调控五五. 谷氨酸的发酵工艺谷氨酸的发酵工艺概述概述 氨基酸发酵氨基酸发酵1.1.氨基酸的作用：氨基酸的作用： （1）组成蛋白质的基本成分； （2）可作为调味料； （3）提高食品的营养价值。生产氨基酸的大国为日本和德国。世界氨基酸生产三巨头：协和、 味之素（日本） 德固沙（德国）它们能生产高品质的氨基酸,可直接用于输液制剂的生产。 2.氨基酸生产方法氨基酸

7、生产方法发酵法发酵法化学合成法化学合成法酶法酶法抽提法抽提法3.3.氨基酸发酵氨基酸发酵概念：利用微生物生长和代谢活动生产各种氨基酸 作用的过程。原料 氨基酸 其他代谢产物氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵，它的积累是建立在对微生物正常代谢的抑制上。关键：能否打破微生物的正常代谢调节，人为 的控制发酵。 微生物微生物微生物微生物（中间代谢产物）（中间代谢产物）一、谷氨酸生产原料及其处理一、谷氨酸生产原料及其处理 谷氨酸的作用：谷氨酸的作用：（1）合成人体代谢所需的其他氨基酸。）合成人体代谢所需的其他氨基酸。（2）降低血液中氨中毒作用。）降低血液中氨中毒作用。（3）参与脑蛋白代谢和糖代谢。）参与脑蛋

8、白代谢和糖代谢。 脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其他氨基酸。脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其他氨基酸。（4）对于防治脑震荡或脑神经损伤有一定的疗效。）对于防治脑震荡或脑神经损伤有一定的疗效。 长期适当的服用谷氨酸，可提高神经有缺陷儿童长期适当的服用谷氨酸，可提高神经有缺陷儿童的智力。的智力。（5）生产味精，作重要的调味品。）生产味精，作重要的调味品。谷氨酸发酵的主要原料谷氨酸发酵的主要原料 淀粉淀粉：玉米、小麦、甘薯、大米等。糖蜜：糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜醋酸醋酸乙醇乙醇正烷烃（液体石蜡）正烷烃（液体石蜡）氮源料氮源料：尿素或氨水。国内：国内： 淀粉（多数厂家）淀粉（多数厂家） 糖蜜（少数

9、厂家）糖蜜（少数厂家） 淀粉 水解 葡萄糖 谷氨酸生产菌 谷氨酸糖蜜 预处理 去除生物素的糖蜜 谷氨酸生产菌 谷氨酸（一）糖蜜的预处理（一）糖蜜的预处理 原因：糖蜜（特别是甘蔗糖蜜）中含有过量的生物素，会导致光长菌体，不产谷氨酸的后果，影响谷氨酸的积累。 目的：降低生物素的含量 方法： 1.活性炭处理法：吸附 2.水解活性炭处理法：用盐酸水解糖蜜后再吸附 3.树脂处理法：通过脱色树脂交换柱（二）淀粉的糖化（二）淀粉的糖化 淀粉 水解 葡萄糖酸解法酶解法酸酶（或酶酸）结合法酸酶法酶酸法淀粉糖化的方法淀粉糖化的方法1.酸解法 淀粉 酸 高温高压 葡萄糖2.酶解法（双酶法） 淀粉 a-淀粉酶 糊精和

10、低聚糖 糖化酶 葡萄糖 (液化) （糖化） 3.酸酶法 淀粉 酸解法 糊精和低聚糖 糖化酶 葡萄糖4.酶酸法 淀粉 a-淀粉酶 糊精和低聚糖 酸解法 葡萄糖二、谷氨酸产生菌二、谷氨酸产生菌 1.1.种类：种类： 谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌、硫殖短杆菌。 我国使用的生产菌株是北京棒杆菌AS1.299、北京棒杆菌D110、钝齿棒杆菌AS1.542、棒杆菌S-914和黄色短杆菌T613等。谷氨酸棒杆菌呈一端膨大的棒状，折断分裂形成“八”字状排列2.2.形态上共同特点（芽孢杆菌除外）形态上共同特点（芽孢杆菌除外）: :（1 1）革兰氏阳性）革兰氏阳性（2 2）菌体为球形、短杆

11、至棒状）菌体为球形、短杆至棒状（3 3）不形成芽孢）不形成芽孢（4 4）没有鞭毛，不能运动）没有鞭毛，不能运动（5 5）都是生物素缺陷型）都是生物素缺陷型（6 6）都是需氧型微生物）都是需氧型微生物三、谷氨酸合成途径 1、谷氨酸的生物合成途径：三、谷氨酸合成途径1.谷氨酸合成的方式（1）氨基转移作用 - -酮戊二酸酮戊二酸 + + 氨基酸氨基酸 谷氨酸谷氨酸 + + - -酮酸酮酸（2）还原氨基化作用 - -酮戊二酸酮戊二酸 + NH4+ NH4+ + + NADPH+ NADPH2 2 谷氨酸谷氨酸+ NADPH + H+ NADPH + H2 2O O2 2、谷氨酸合成途径、谷氨酸合成途径

12、谷氨酸的生物合成过程中的几个途径谷氨酸的生物合成过程中的几个途径 主要有：（1）糖酵解途径（EMP途径）（2）磷酸己糖途径（HMP途径）（3）三羧酸循环途径（TCA循环）（4）乙醛酸循环途径（DCA循环）（5）伍德-沃克反应（CO2固定反应）（6）-酮戊二酸的还原氨基化反应 这6条途径之间是相互联系和相互制约的，如图所示：葡萄糖葡萄糖 HMP3-3-磷酸甘油磷酸甘油醛醛丙丙 酮酮 酸酸乙酰辅酶乙酰辅酶ACO2草酰乙酸草酰乙酸柠柠 檬檬 酸酸苹果酸苹果酸异柠檬酸异柠檬酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸NADPH-酮戊二酸酮戊二酸NADPHNH4+谷氨酸谷氨酸乳酸乳酸乙酰辅酶A乙醛酸循环乙醛酸乙醛酸E

13、MPTCA谷氨酸谷氨酸CO2固定透透过过细细胞胞膜膜-酮戊二酸的还原氨基化3.谷氨酸的生物合成谷氨酸的生物合成 过程中的几个途径过程中的几个途径三羧酸循环（TCA）4.4.谷氨酸产生菌的生化特征谷氨酸产生菌的生化特征（1）CO2固定能力强。 （2）-酮戊二酸氧化能力微弱: -酮戊二酸脱氢酶丧失或活性低。（3）异柠檬酸裂解酶活力微弱。（4）谷氨酸脱氢酶活性强。（5）还原性辅酶(NADPH+H+)进入呼吸链能力缺陷或微弱。（6）不利用谷氨酸。（7）耐高糖耐高谷氨酸。（8）解除谷氨酸反馈抑制。（9）具有向胞外分泌谷氨酸的能力。谷氨酸理论转化率谷氨酸理论转化率 如果草酰乙酸全部由CO2固定获得，则1摩

14、尔葡萄糖生成1摩尔的谷氨酸。 C6H12O6+NH3+1.5O2C5H9O4+CO2+3H2O 理论转化率=147/180=81.7% 谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径的特异，而是：的特异，而是：（一）（一）菌体代谢调节控制菌体代谢调节控制（二）（二）细胞膜通透性的特异调节细胞膜通透性的特异调节（三）（三）发酵条件的适合发酵条件的适合四、谷氨酸代谢的调控四、谷氨酸代谢的调控遗传改变；遗传改变；细胞透性调节；细胞透性调节；发酵条件控制。发酵条件控制。 代谢调控操作途径：代谢调控操作途径：人工育种控制措施人工育种控制措施 针对细胞正常代谢时的自动调节机针对细

15、胞正常代谢时的自动调节机制制 营养缺陷型突变营养缺陷型突变 （指微生物等不能在无机盐类和碳源组成的基本培养基中增殖，必须补充一种或一种以上的营养物质才能生长。）条件解除反馈调节条件解除反馈调节 条件控制膜透性条件控制膜透性 渗漏营养缺陷突变渗漏营养缺陷突变 解除反馈调节解除反馈调节 营养缺陷回复突变营养缺陷回复突变 解除反馈调节解除反馈调节 结构类似物抗性突变结构类似物抗性突变 解除反馈调节解除反馈调节 代谢调控育种的措施（遗传改变）代谢调控育种的措施（遗传改变） 关键问题：控制机制被解除 打破微生物正常代谢调节例如：瓜氨酸缺陷型菌株可以降低反馈作用物浓度控制细胞渗透性控制发酵环境条件（一）菌

16、体代谢调节控制（一）菌体代谢调节控制1.谷氨酸生物合成的调节机制谷氨酸生物合成的调节机制琥珀酸 -酮戊二酸脱氢酶（弱） -酮戊二酸 谷氨酸脱氢酶（强）谷氨酸透过细胞膜谷氨酸谷氨酸生物合成的调节机制1. 优先合成与反馈调节2.糖代谢的调节（1）能荷控制（能荷即ATP,ADP和AMP浓度之和所负荷的高能磷酸基数量 ）（2）生物素对糖代谢的调节3.氮代谢的调节4.其他调节（如Cu 2+的调节）（二）细胞膜通透性的特异调节（二）细胞膜通透性的特异调节用能积累谷氨酸菌株做如下实验实验: :1. 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2. 用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷氨酸

17、3. 当把原生质体放入低渗溶液里,将其涨破,谷氨酸才排出4. 生物素亚适量时,培养液里含大量谷氨酸,细胞里含量少结论结论: :谷氨酸的分泌是由细胞膜控制谷氨酸的分泌是由细胞膜控制 控制细胞膜通透性的方法：控制细胞膜通透性的方法：1.控制磷脂的合成；2.控制细胞壁的合成：选育温敏突变株 1.1.控制控制磷脂的合成生物素营养缺陷型生物素营养缺陷型 作用机制: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向膜外漏出，积累于发酵液中。 控制关键:使用该类突变株必须限制发酵培养基中生物素亚适量(

18、5-10g/L).在发酵初期(0-8小时),细胞正常生长,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转换.突变株突变株 油酸营养缺陷型油酸营养缺陷型 作用机制:油酸营养缺陷型丧失了合成油酸的能力,通过控制油酸使磷脂合成量减少到正常量的1/2左右. 控制关键:保证在培养基中油酸亚适量,完成细胞从生长型到生产型的转换.突变株突变株甘油缺陷型甘油缺陷型 作用机理：丧失L-甘油-3-磷酸(NADP氧化还原酶)，不能合成a-磷酸甘油和磷脂，只有添加甘油才能生长。在甘油限量供应下，由于控制了细胞膜中与渗透性有直接关系的磷脂的含量，使谷氨酸得以积累。 控制的关键：添

19、加亚适量的甘油或甘油衍生物。甘油过少，菌株生长不够好;甘油过量，磷脂合成正常，产谷氨酸低。突变株突变株添加表面活性剂(如吐温60)或不饱和脂肪酸(C16-18),也能造成细胞渗漏,积累谷氨酸。 机理:两者在脂肪酸合成时对生物素有拮抗拮抗作用,导致磷脂合成不足,形成不完整的细胞膜。 关键:控制好脂肪酸或表面活性剂的时间和浓度,必须在药剂加入后,在这些药剂存在下进行分裂,形成产酸型细胞。其他添加表面活性剂添加表面活性剂添加青霉素添加青霉素 机理:青霉素抑制谷氨酸生产菌细胞壁后期的合成,细胞膜在失去保护,在渗透压的作用下受损,向外泄露谷氨酸. 控制关键:一般在进入对数生长期的早期(3-6小时)添加.

20、添加青霉素后倍增的菌体不能合成完整的细胞壁,完成细胞功能的转换. 其他谷氨酸发酵强制控制工艺谷氨酸发酵强制控制工艺 如:“高生物素 高吐温”或“高生物素 高青霉素” 控制方法:在发酵培养基中预先配加一定量(过量)的纯生物素,大大地削弱每批原料中生物素含量变化的影响,高生物素 大接种量能促进菌体迅速增殖.再在菌体倍增的早期加入相对高的吐温或青霉素,形成产酸型细胞.固定其它条件,确保高产稳产.其他（三）发酵条件的控制（三）发酵条件的控制 （1 1）发酵发酵温度温度 谷氨酸发酵前期(012h):30-32。 对数生长期:菌体浓度迅速增大（12h），糖耗快，维持温度30-32 在发酵中、后期:是谷氨酸

21、大量积累的阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在32-36。 （2 2） pHpH值值1） pH值对谷氨酸产生菌生长的影响2） pH值对谷氨酸积累的影响 发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径。 发酵前期如果pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌而不产酸；如果pH偏高，则菌体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前期将pH值控制在7.58.0左右较为合适。 而在发酵中、后期将pH值控制在7.07.6左右对提高谷氨酸产量有利。 （3 3） 通风通风 在谷氨酸发酵过程中，发酵前期以低通风量为宜；发酵中、后期以高通风量为宜。 实际生产上，以气体转子流量计来检查通气量，即以每分钟单位体积的通气量表示通风强度

22、。另外发酵罐大小不同，所需搅拌转速与通风量也不同。 （4 4） 泡沫的控制泡沫的控制 在发酵过程中由于强烈的通风和菌体代谢产生的CO2，使培养液产生大量的泡沫，不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸和代谢。给发酵带来危害，必须加以消泡。 消泡方法：机械消泡(耙式、离心式、刮板式、蝶式消泡器)化学消泡(天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等)（5 5） 发酵时间发酵时间 不同的谷氨酸产生菌对糖的浓度要求也不一样，其发酵时间也有所差异。 低糖(10%12%)发酵，其发酵时间为3638h， 中糖(14%)发酵，其发酵时间为45h。 五、谷氨酸发酵工艺五、谷氨酸发酵工艺整个过程可简单的分为2 个阶段:

23、1.菌体生长阶段;2.产酸阶段,谷氨酸得以大量积累。 发酵过程参数测定还原糖的测定谷氨酸的测定菌体形态观察菌体浓度测定发酵过程参数的控制D0值pH温度搅拌速度发 酵发 酵 液冷却接种三角瓶培养固体斜面培养上罐实消培养基的配制谷氨酸发酵的工艺流程简图谷氨酸发酵的工艺流程简图1.1.发酵培养基发酵培养基 主要成分：（1）碳源（2）氮源（3）无机盐（4）生长因子2.2.培养基灭菌培养基灭菌（1）灭菌条件 实罐培养基灭菌条件：105110 ，灭菌5min 连续灭菌条件：连消塔灭菌温度为110115 , 维持罐温度在105110约6min。（2）冷却：至30左右。3.3.种子的扩大培养种子的扩大培养 接

24、种量：1% 两级扩大培养的方法，其工艺流程为： 保藏菌种 斜面活化 摇瓶种子培养（一级种子） 种子罐（二级种子） 发酵罐 谷氨酸发酵过程中,生产菌种的特性、生物素、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,严格控制工艺条件严格控制工艺条件,才能达到稳产、高产的目的。 将谷氨酸发酵菌在发酵液中积累的L-谷氨酸提取处理，再进一步中和、除铁、脱色加工精制成谷氨酸单钠盐（俗称味精），这个过程叫提炼。 从生产上分为谷氨酸提取与精制两个阶段。第二节第二节 谷氨酸的提取谷氨酸的提取目前国内各味精厂提取谷氨酸的主要方法：1.等电点法2.离子交换法3.

25、金属盐法4.盐酸水解等电电法5.离子交换膜电渗析法国外提取谷氨酸方法：日本：协和发酵采用 浓缩等电点工艺美国：旋转真空膜过滤谷氨酸发酵液谷氨酸发酵液常温等电法等电结晶沉降分离脱色中和结晶冷冻等电法上清液（母液）离子交换谷氨酸晶体谷氨酸晶体冷冻结晶浓缩结晶谷氨酸钠晶体（味精）谷氨酸钠晶体（味精）谷氨酸的分离与味精的制备谷氨酸的分离与味精的制备 一、等电点法提取谷氨酸一、等电点法提取谷氨酸( (简单、常用简单、常用) )原理：HOOCCH2CH2CH(NH2)COOH 谷氨酸（GA）HOOCCH2CH2CH(NH3 +)COOH GA+HOOCCH2CH2CH(NH3+)COO- GA士HOOCC

26、H2CH2CH(NH2)COO- GA- -OOCCH2CH2CH(NH2)COO- GA= 谷氨酸在等电点是它呈电中性时所处的环境的PH值，用PI表示。谷氨酸在等电点时,绝大部分以偶极离子(GA)状态存在,其分子内部正负电荷相等,并含有等量的带不同电荷的阳离子(GA+)和阴离子(GA-),因此溶液中总静电荷等于零。 由于谷氨酸分子之间相互碰撞,再通过静电引力的作用,结合成较大的聚合体而被沉淀析出,因而处于等电点时GA的溶解度最小。 又由于温度对GA的溶解度影响很大,温度越低溶解度越小,生产上多采用04。等电点法提取工艺等电点法提取工艺操作简单，收率60。周期长，占地面积大20BeHCl pH4.54.0 2h 20BeHCl pH4.54.0 2h 慢加酸慢加酸发酵液发酵液 第一中和点第一中和点 停酸育晶停酸育晶 等电点等电点pH5.0pH5.0时慢加 pH3.03.2 低速搅拌结晶低速搅拌结晶 静止沉降静止沉降 湿谷氨酸湿谷氨酸 离心分离离心分离 谷氨酸谷氨酸20h20h母液 等电点法提取谷氨酸注意三个方面：1.发酵液纯度高：谷氨酸/残糖比值高，胶体少，提前除菌体最好；2.发酵液处理要及时；3