谷氨酸的发酵工艺

谷氨酸的发酵工艺第1页，共57页，2023年，2月20日，星期四

味精的产品特性商品味精味精的安全性正确食用味精的方法第2页，共57页，2023年，2月20日，星期四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160万吨的空间第3页，共57页，2023年，2月20日，星期四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发酵谷氨酸的提取与分离由谷氨酸制成味精及味精成品加工

味精生产工艺流程第4页，共57页，2023年，2月20日，星期四味精的发酵工艺主要内容：第一节：谷氨酸生产第二节：谷氨酸的提取第三节：谷氨酸制味精第5页，共57页，2023年，2月20日，星期四第一节谷氨酸生产概述：氨基酸发酵一.谷氨酸生产原料及其处理二.谷氨酸产生菌三.谷氨酸的合成途径四、谷氨酸代谢的调控五.谷氨酸的发酵工艺第6页，共57页，2023年，2月20日，星期四概述氨基酸发酵1.氨基酸的作用：组成蛋白质的基本成分；可作为调味料；提高食品的营养价值。生产氨基酸的大国为日本和德国。第7页，共57页，2023年，2月20日，星期四2.氨基酸生产方法发酵法化学合成法酶法抽提法第8页，共57页，2023年，2月20日，星期四3.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（中间代谢产物）第9页，共57页，2023年，2月20日，星期四一、谷氨酸生产原料及其处理

谷氨酸的作用：（1）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。（3）参与脑蛋白代谢和糖代谢。

脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其他氨基酸。（4）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的智力。（5）生产味精，作重要的调味品。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期四谷氨酸发酵的主要原料

淀粉：玉米、小麦、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最为常用。糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜醋酸乙醇正烷烃（液体石蜡）氮源料：尿素或氨水。第11页，共57页，2023年，2月20日，星期四

国内：淀粉（多数厂家）

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第12页，共57页，2023年，2月20日，星期四（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第13页，共57页，2023年，2月20日，星期四（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第14页，共57页，2023年，2月20日，星期四淀粉糖化的方法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第15页，共57页，2023年，2月20日，星期四二、谷氨酸产生菌

1.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T6~13等。谷氨酸棒杆菌呈一端膨大的棒状，折断分裂形成“八”字状排列第16页，共57页，2023年，2月20日，星期四2.形态上共同特点（芽孢杆菌除外）:（1）革兰氏阳性（2）菌体为球形、短杆至棒状（3）不形成芽孢（4）没有鞭毛，不能运动（5）都是生物素缺陷型（6）都是需氧型微生物第17页，共57页，2023年，2月20日，星期四三、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+氨基酸谷氨酸+-酮酸（2）还原氨基化作用-酮戊二酸+NH4++NADPH2

谷氨酸+NADPH+H2O第18页，共57页，2023年，2月20日，星期四2、谷氨酸合成途径

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）α-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：第19页，共57页，2023年，2月20日，星期四葡萄糖

②HMP3-磷酸甘油醛丙酮酸乙酰辅酶ACO2草酰乙酸柠檬酸苹果酸异柠檬酸延胡索酸琥珀酸NADPHα-酮戊二酸NADPHNH4+谷氨酸乳酸乙酰辅酶A④乙醛酸循环乙醛酸①EMP③TCA谷氨酸⑤CO2固定透过细胞膜⑥α-酮戊二酸的还原氨基化3.谷氨酸的生物合成过程中的几个途径第20页，共57页，2023年，2月20日，星期四三羧酸循环（TCA）第21页，共57页，2023年，2月20日，星期四4.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Ⅱ(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。第22页，共57页，2023年，2月20日，星期四谷氨酸理论转化率如果草酰乙酸全部由CO2固定获得，则1摩尔葡萄糖生成1摩尔的谷氨酸。C6H12O6+NH3+1.5O2→C5H9O4+CO2+3H2O理论转化率=147/180=81.7%第23页，共57页，2023年，2月20日，星期四谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径的特异，而是：（一）菌体代谢调节控制（二）细胞膜通透性的特异调节（三）发酵条件的适合四、谷氨酸代谢的调控第24页，共57页，2023年，2月20日，星期四（一）菌体代谢调节控制

1.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第25页，共57页，2023年，2月20日，星期四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（2）能荷控制生物素对糖代谢的调节3.氮代谢的调节4.其他调节（如Cu2+的调节）第26页，共57页，2023年，2月20日，星期四（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: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用溶菌酶消化细胞壁得到的原生质体仍不分泌谷氨酸当把原生质体放入低渗溶液里,将其涨破,谷氨酸才排出生物素亚适量时,培养液里含大量谷氨酸,细胞里含量少结论:谷氨酸的分泌是由细胞膜控制第27页，共57页，2023年，2月20日，星期四控制细胞膜通透性的方法：控制磷脂的合成；控制细胞壁的合成：选育温敏突变株

第28页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.控制磷脂的合成

①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(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.突变株第29页，共57页，2023年，2月20日，星期四

②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.突变株第30页，共57页，2023年，2月20日，星期四③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。突变株第31页，共57页，2023年，2月20日，星期四添加表面活性剂(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④添加表面活性剂第32页，共57页，2023年，2月20日，星期四⑤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.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.

其他第33页，共57页，2023年，2月20日，星期四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.其他第34页，共57页，2023年，2月20日，星期四（三）发酵条件的控制

（1）发酵温度谷氨酸发酵前期(0~12h):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℃。

第35页，共57页，2023年，2月20日，星期四（2）

pH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7.5~8.0左右较为合适。而在发酵中、后期将pH值控制在7.0~7.6左右对提高谷氨酸产量有利。第36页，共57页，2023年，2月20日，星期四（3）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。另外发酵罐大小不同，所需搅拌转速与通风量也不同。

第37页，共57页，2023年，2月20日，星期四（4）

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)第38页，共57页，2023年，2月20日，星期四（5）

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36~38h，中糖(14%)发酵，其发酵时间为45h。第39页，共57页，2023年，2月20日，星期四五、谷氨酸发酵工艺整个过程可简单的分为2个阶段:1.菌体生长阶段;2.产酸阶段,谷氨酸得以大量积累。

第40页，共57页，2023年，2月20日，星期四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OD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第41页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.发酵培养基主要成分（1）碳源（2）氮源（3）无机盐（4）生长因子第42页，共57页，2023年，2月20日，星期四2.培养基灭菌（1）灭菌条件实罐培养基灭菌条件：105~110℃，灭菌5min连续灭菌条件：连消塔灭菌温度为110~115℃,维持罐温度在105~110℃约6min。（2）冷却：至30℃左右。第43页，共57页，2023年，2月20日，星期四3.种子的扩大培养接种量：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）发酵罐第44页，共57页，2023年，2月20日，星期四谷氨酸发酵过程中,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,才能达到稳产、高产的目的。第45页，共57页，2023年，2月20日，星期四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。第二节谷氨酸的提取第46页，共57页，2023年，2月20日，星期四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.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：旋转真空膜过滤第47页，共57页，2023年，2月20日，星期四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）谷氨酸的分离与味精的制备

第48页，共57页，2023年，2月20日，星期四一、等电点法提取谷氨酸(简单、常用)原理：HOOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COOH谷氨酸（GA）HOOC—CH2—CH2—CH(NH3+)—COOHGA+HOOC—CH2—CH2—CH(NH3+)—COO-

GA士HOOC—CH2—CH2—CH(NH2)—COO-

GA--OOC—CH2—CH2—CH(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0～4℃。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期四等电点法提取工艺

操作简单，收率60％。周期长，占地面积大20BeHClpH4.5~4.02h慢加酸发酵液第一中和点停酸育晶等电点pH5.0时慢加

pH3.0~3.2低速搅拌结晶静止沉降湿谷氨酸离心分离谷氨酸20h母液第50页，共57页，2023年，2月20日，星期四等电点法提取谷氨酸注意三个方面：发酵液纯度高：谷氨酸/残糖比值高，胶体少，提前除菌体最好；发酵液处理要及时；加酸调pH、温度、育晶时间、搅拌服从结晶规律。第51页，共57页，2023年，2月20日，星期四原理：当氨基酸pH值大于3.22时羧基离解而带负电,它能被阴离子交换树脂吸附;当pH小于3.22时氨