发酵工艺 课件 项目十 酶制剂及单细胞蛋白的发酵生产

项目十

酶制剂及单细胞蛋白的发酵生产发酵工艺项目十酶制剂及单细胞蛋白的发酵生产一、酶制剂发酵生产技术二、单细胞蛋白发酵生产技术一、酶制剂发酵生产技术

（1）微生物种类繁多，酶的品种齐全。（2）微生物生长繁殖快，生活周期短，酶的产量高。（3）经济效益高。（一）微生物酶的基本特性和种类1、微生物酶的基本特征到目前为止，工业上大量生产的酶已有几十种，这些酶大多数属于水解酶类，其中最主要的是淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶和果胶酶等，广泛应用于食品、纺织、制革、医药、日用化工和三废治理等各个方面。目前酶的生产品种，按用途的不同，有从粗品到结晶的各种不同精制程度的微生物酶制剂。2、微生物酶的种类及用途（二）酶制剂的生产方法酶的生产方法有提取分离法、生物合成法和化学合成法三种。提取分离法是最早采用而沿用至今的方法；生物合成法是20世纪50年代以来酶生产的主要方法，其中以微生物发酵合成酶较为重要；化学合成法至今仍停留在实验室阶段。酶的发酵生产根据微生物培养方式不同，可以分为固体培养发酵、液体深层发酵和载体发酵三大类，其中载体发酵还未用于大规模生产，以介绍固体发酵和液体发酵为主。固态发酵法中微生物的培养物是固态，一般用麸皮、米糠作培养基。通常是在曲房内将培养基拌入种曲后（固态，含水量60%左右）在曲盘或帘子上铺成薄层（lcm左右），然后置于多层的架子上进行培养.培养过程中控制曲房的温度和湿度（90%~100%），逐日测定酶活力的消长，待菌丝布满基质，酶活力达到最大值不再增加时，即可终止培养，进行酶提取。1、固体培养发酵采用在通风搅拌的发酵罐中进行微生物深层液体培养，是目前酶制剂发酵生产中最主要的方法。此法机械化程度高，发酵条件易控制，且酶的产率高、质量好。目前，许多酶制剂产品都趋向用液体深层培养法来生产，但无菌程度高，在生产上要特别注意防止染菌。2、液体深层发酵（1）固定化细胞发酵20世纪70年代后期，在固定化酶的基础上发展起来的发酵技术，目前仍存在较多的技术难题。（2）固定化原生质体发酵20世纪80年代中期发展起来的技术，通过原生质体内的物质易于分泌到胞外，为胞外物质的生产开辟了新途径。3、载体发酵（三）酶的发酵工艺条件及控制酶的发酵生产以获得大量所需的酶为目的。为此，除了选择性能优良的产酶细胞以外，还必须满足细胞生长、繁殖和发酵产酶的各种工艺条件，并要根据发酵过程的变化进行优化控制。保藏菌种在发酵前，需要接种于新鲜的固体培养基上进行培养，恢复细胞生命活性。活化的菌种在种子培养基上经过一级乃至数级的扩大培养，即可获得足够数量的优质细胞。种子扩大培养的培养基和培养条件：应当适合细胞生长、繁殖的最适条件。种子培养基中一般含有较为丰富的氮源，碳源可以相对少一些。种子扩大培养时，温度、pH、溶解氧等培养条件，应尽量满足细胞生长和繁殖的需要，使细胞长得又快又好。种子扩大培养的时间：一般以培养到细胞对数生长期为宜，有时需要采用孢子接种，则要培养至孢子成熟期才能用于发酵。1、菌种活化与扩大培养酶制剂的生产是利用微生物正常的生长代谢活动进行的，因此产酶的培养基组成与酶的产量密切相关。微生物产酶的培养基与其他发酵产品的相似，都包括碳源、氮源、无机盐和生长因子。此外，在酶制剂的生产过程中还常加入一些特殊物质如产酶促进剂(加入少量的某种物质能显著增加酶产量)、诱导物(对于诱导酶来说，在培养基中适量添加可使产酶量显著提高)。产酶诱导物通常是酶作用的底物或底物类似物。2、产酶培养基碳源是微生物细胞能量的来源和生命活动的基础，是合成酶的主要原料之一。不同微生物对碳源的利用有所不同，应根据细胞的营养需求选择适宜的碳源，还要考虑到碳源对酶生物合成的间调节作用，主要考虑某些碳源对酶的生物合成具有的诱导作用和分解代谢物阻遏作用。在选择碳源时，尽量选择对所需的酶有诱导作用的碳源，而不使用或少使用有分解代谢物阻遏作用的碳源。常见酶生产中的诱导碳源和阻遏碳源见表10-1。（1）碳源（1）碳源酶本身是蛋白质，而氮是组成蛋白质和核酸的主要元素。因此，在酶的微生物生产中，氮源是不可缺少的重要原料。氮源可分为有机氮源和无机氮源，微生物酶生产，一般使用的有机氮源有豆饼、花生饼、棉子饼、玉米浆和蛋白胨等；无机氮源有硫酸铵、氯化铵、硝酸氨、硝酸钠和磷酸氢二铵等。微生物的氮源谱见表10-2。（2）氮源培养基中碳元素（C）的总量与氮元素（N）的总量之比，即碳氮比（C/N），对酶的合成也有重要影响。在微生物酶生产培养基中，碳氮比是随生产的酶类、生产菌株的性质和培养阶段的不同而改变。在微生物酶生产过程中，培养基的碳氮比也因培养过程不同而异。

发酵时，不同发酵阶段要求的碳氮比也是不同的。

在确定培养基配比时，还应考虑碳氮比对pH值的影响，由于酶的生产受pH值影响，故这一点特别重要。（3）碳氮比微生物酶的发酵生产和其他微生物产品生产一样，培养基中需要有无机盐提供细胞生命活动必需的无机元素，并对培养基的pH、氧化还原电位和渗透压起调节作用。

酶生产中常以磷酸二氢钾、磷酸氢二钾等磷酸盐作为磷源，以硫酸镁作为硫源和镁源。钙离子对淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等多种酶的活性有十分重要的稳定作用。钠离子有控制细胞渗透压使酶产量增加的作用，培养基中钠离子有时以磷酸氢二钠及硝酸钠等形式加入。铁、锰、锌、铜、钴、钼等微量元素，有的是酶的基团成分或辅酶的必需成分，或作为酶的激活剂。（4）无机盐生长因子是指细胞生长繁殖所必需的微量有机化合物，主要包括各种氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素以及植物生长激素等。

在酶的发酵生产中，一般在培养基中添加酵母膏、玉米浆、麦芽汁、麸皮水解液、米糠以及豆饼和玉米等，以提供细胞所需的生长因子。此外，乳酸、植酸盐、生物素等也常用。（5）生长因子产酶促进剂多为表面活性剂，适量添加能增加酶的产量，一般为产酶的诱导物或表面活性剂。有的产酶诱导物不仅是酶作用的底物或底物类似物，而且是诱导物的前体物质。因此，某些诱导物的诱导能力是在逐渐水解成较简单的物质时才产生的，这种物质一产生就被菌体利用，所以不会积聚到足以产生阻遏作用的程度。一般非离子表面活性剂对微生物几乎无毒性，生产上常用于提高胞外酶的活力。（6）产酶促进剂温度是影响酶发酵生产的重要因素之一。温度不仅影响微生物的生长和繁殖，同时也明显影响酶和其他代谢产物的形成和分泌以及影响酶的稳定性。在发酵工业中，不同菌种发酵产酶的温度不同。即使同一菌种，细胞发酵产酶的最适温度与生长繁殖的最适温度也有所不同。在不同的温度下，可产生不同的酶，同一种酶也可由不同的微生物产生。酶的发酵生产，要在不同阶段控制不同的温度条件。在生长繁殖阶段控制在细胞生长最适温度范围内，以利于细胞生长繁殖，而在产酶阶段，则需控制在产酶时的最适温度。3、酶的发酵工艺条件（1）温度酶发酵生产中，首先要根据酶生产所要求的pH确定培养基的碳氮比和初始pH，或者使用缓冲溶液，也可通过调节通气量来实现。如果在特殊情况下，发酵液pH过高，可添加糖或淀粉进行调节，在pH过低时，添加氨进行调节。也可以用补料来控制培养基的碳氮比与pH值。必要时，还可以通过滴加适宜的酸碱溶液方法调节pH值。（2）pH值用于酶制剂生产的菌种一般都是需氧微生物，如果氧气供应不足，将影响微生物的生长发育和酶的产生。因此要根据菌体细胞对溶解氧的需要量，进行连续不断地供氧，以使培养基中的溶解氧维持一定的浓度范围内。

生产中调节溶解氧可通过调节通气量、氧分压、气液接触时间和面积，改变培养液的性质等手段来实现。（3）溶解氧微生物生长期与产酶有一定的关系，例如，曲霉的蛋白酶当菌体生长进入对数生长期时大量分泌；芽孢杆菌的碱性蛋白酶在对数生长期末大量形成芽孢时生成。但是，菌种变异或培养基改变，均可使产酶期发生变动。4、微生物生长期和产酶的关系（1）添加诱导物。（2）控制阻遏物浓度。（3）添加产酶促进剂。5、提高酶产量的措施（四）酶的提取技术1、发酵液预处理2、酶的沉淀或吸附3、酶的干燥4、酶制剂化和稳定化处理（1）酶制剂化处理（2）稳定化处理二、单细胞蛋白发酵生产技术

（一）生产单细胞蛋白的微生物1、细菌2、酵母菌3、真菌4、藻类（二）单细胞蛋白的生产（1）工业废液类（2）工农业糟渣类（3）化工产品类1、生产原料2、生产工艺流程（1）液态微生物发酵法液态微生物发酵法可以根据菌种的需要控制不同的发酵条件，具有产量大、便于控制、机械化程度高、适合工业化大生产的特点。（2）固态微生物发酵法固态微生物发酵法是指微生物在几乎没有游离水的固态湿培养基中的发酵过程。固态湿培养基的含水量为30%～70%。

固态发酵法具有对发酵物质利用完全、易于干燥、耗能低以及回收率高的优点。3、生产方法（三）单细胞蛋白的应用单细胞蛋白可以加工成“人造肉”，供人们食用，也可以作为食品添加剂，补充食品中的蛋白质、维生素和矿物质等；有的单细胞蛋白具备抗氧化能力，能起保护食物的作用，可以用于婴儿粉及汤料等食品的天然防腐剂；因干酵母含热量低，常用于减肥食品的添加剂；在烘饼中加入活性酵母，可以提高饼的延薄性；酵母蛋白液浓缩后有显著的鲜味，已用于食品的增鲜剂。在动物饲养上，