第十章氨基酸發(fā)酵工藝10.1概述10.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制10.3氨基酸發(fā)酵的工藝控制10.4谷氨酸生產(chǎn)工藝10.1概述氨基酸的應(yīng)用1、食品工業(yè)：營養(yǎng)強化劑；鮮味劑；甜味劑。2、飼料工業(yè)：營養(yǎng)強化劑。3、醫(yī)藥工業(yè)：氨基酸輸液；氨基酸衍生物；氨基酸鹽。4、化學(xué)工業(yè)：洗滌劑；護膚品；人造革。5、農(nóng)業(yè)：無公害農(nóng)藥。10.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：強化食品：谷物中缺賴氨酸，蘇氨酸，色氨酸、蛋氨酸。增鮮劑：谷氨酸單鈉和天冬氨酸。苯丙氨酸與天冬氨酸可用于制造低熱量二肽甜味劑(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此產(chǎn)品1981年獲FDA批準(zhǔn),現(xiàn)在每年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)萬噸。10.1概述氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)：

大豆蛋白的氨基酸組成影響其營養(yǎng)效價。

10.1概述氨基酸的應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)：多種復(fù)合氨基酸制劑可通過輸液治療營養(yǎng)或代謝失調(diào)苯丙氨酸與氮芥子氣合成的苯丙氨酸氮芥子氣對骨髓腫瘤治療有效,且副作用低。10.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法1、發(fā)酵法（1）直接發(fā)酵野生菌株營養(yǎng)缺陷型突變抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的營養(yǎng)缺陷型菌株營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株

（2）添加前體的發(fā)酵10.1概述氨基酸的生產(chǎn)方法2、酶法：利用酶來制造氨基酸。3、提取法：蛋白質(zhì)水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸4、合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸傳統(tǒng)的提取法、酶法和化學(xué)合成法由于前體物的成本高,工藝復(fù)雜,難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。10.1概述氨基酸的國內(nèi)外生產(chǎn)概況

日本和德國為世界主要氨基酸生產(chǎn)國。日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國的德固沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基酸，可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。日本在美國、法國、中國等建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。10.1概述氨基酸的國內(nèi)外生產(chǎn)概況

國內(nèi)生產(chǎn)主要氨基酸生產(chǎn)廠：

天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量與國外大廠有較大差距。

在80年代中后期,我國從日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵以技貿(mào)合作的方式引進輸液制劑的制造技術(shù)，1991年銷售量為二千萬瓶，1996年達(dá)六千萬瓶，主要廠家有無錫華瑞，北京費森尤斯，昆明康普萊特，但生產(chǎn)原料都依賴進口。10.2氨基酸發(fā)酵的代謝控制控制發(fā)酵的環(huán)境條件

氨基酸發(fā)酵受菌種的生理特性和環(huán)境條件的影響，對專性需氧菌來說環(huán)境條件的影響更大。谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件的影響會引起發(fā)酵的轉(zhuǎn)換，生成各種不同的產(chǎn)物。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵酵的代代謝控控制溶解氧氧：乳酸或或琥珀珀酸←←→谷谷氨酸酸←→→α－酮酮戊二二酸（通氣氣不足足）（（適適中））（（通氣氣過量量、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過過快））NH4+：α－酮酮戊二二酸←→谷谷氨酸酸←→→谷酰酰胺（缺乏乏）（（適適量））（（過量量）pH：：谷酰胺胺，N－乙乙酰谷谷酰胺胺←→谷谷氨酸酸（NH4+過多）（中性性或微微堿性性）磷酸：：纈氨氨酸酸←→谷谷氨酸酸（高濃濃度磷磷酸鹽鹽）生物素素：乳酸或或琥珀珀酸←←→谷谷氨酸酸（過量量）（（限量量）10.2氨氨基酸酸發(fā)酵酵的代代謝控控制控制細(xì)細(xì)胞滲滲透性性代謝產(chǎn)產(chǎn)物的的細(xì)胞胞透性性是氨氨基酸酸發(fā)酵酵的重重要因因素，，只有有使細(xì)細(xì)胞內(nèi)內(nèi)的氨氨基酸酸滲透透到細(xì)細(xì)胞外外，才才能大大量積積累氨氨基酸酸。（1））生物物素、、油酸酸和表表面活活性劑劑，引引起細(xì)細(xì)胞膜膜的脂脂肪酸酸成分分的改改變。。（2））青霉霉素：：抑制制細(xì)胞胞壁的的合成成，由由于細(xì)細(xì)胞內(nèi)內(nèi)外的的滲透透壓的的差異異使谷谷氨酸酸泄漏漏出來來。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制控制旁路代代謝例如：L－－異亮氨酸酸的生物合合成可由L－蘇氨酸酸改為D－－蘇氨酸途途徑，即采采用旁路代代謝。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制降低反饋作作用物的濃濃度控制反饋作作用物濃度度，克服反反饋抑制和和阻遏，使使氨基酸的的生物合成成反應(yīng)能夠夠順利進行行。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制消除終產(chǎn)物物的反饋抑抑制與阻遏遏作用消除終產(chǎn)物物的反饋抑抑制與阻遏遏作用，是是通過使用用抗氨基酸酸結(jié)構(gòu)類似似物突變株株的方法來來進行。例：利用抗抗性突變株株消除S－－（β－氨基乙乙酸）－L－半胱氨氨酸（即AEC）（（賴氨酸的的結(jié)構(gòu)類似似物）與L－蘇氨酸酸的協(xié)同抑抑制。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制促進ATP的積累，，增加氨基基酸的生物物合成氨基酸的生生物合成需需要能量，，ATP的的積累可促促進氨基酸酸的生物合合成。10.2氨氨基酸酸發(fā)酵的代代謝控制10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基pH溫度氧10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基1、碳源：：淀粉水解糖糖、糖蜜、、醋酸、乙乙醇、烷烴烴碳源濃度要要適當(dāng)，避避免碳源濃濃度過高，，否則對菌菌體生長不不利，氨基基酸的轉(zhuǎn)化化率降低。。菌種性質(zhì)、、生產(chǎn)氨基基酸種類和和所采用的的發(fā)酵操作作決定碳源源種類10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基2、氮源：：銨鹽、尿素素、氨水；；同時調(diào)整整pH值。。營養(yǎng)缺陷型型添加適量量氨基酸主主要添加有有機氮源水水解液。需生物素和和氨基酸，，以玉米漿漿作氮源。。尿素滅菌時時分解或形形成磷酸銨銨鎂鹽，須須單獨滅菌菌，40％％的尿素可可在108℃40min，高溫會生生產(chǎn)縮脲。。氨水用pH自動控制制連續(xù)流加加10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基3、碳氮比比氮源除用于于菌體生長長外，還用用于氨基酸酸合成，在在氨基酸發(fā)發(fā)酵中常常常是用氨水水、尿素來來調(diào)節(jié)pH，所以氨氨基酸發(fā)酵酵所用的C/N比一一般微生物物發(fā)酵的低低，或者說說氮源用量量更高。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基3、碳氮比比谷氨酸發(fā)酵酵在C/N大于100:11才開始積積累谷氨酸酸，所以發(fā)發(fā)酵的C/N為100:(15～～30)。。合成菌體使使用3～6％的氮源源；合成谷谷氨酸用去去30～80％氮源源。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基4、NH4+濃度：過低增加α-酮戊二二酸積累，，過高使谷谷氨酸轉(zhuǎn)化化為谷酰胺胺。5、磷酸鹽鹽：對發(fā)酵有顯顯著影響。。不足時糖糖代謝受抑抑制。6、鎂：是已糖磷酸酸化酶、檸檸檬酸脫氫氫酶和羧化化酶的激活活劑，并促促進葡萄糖糖-6-磷磷酸脫氫酶酶活力。7、鉀：促進糖代謝謝。谷氨酸酸產(chǎn)酸期鉀鉀多利于產(chǎn)產(chǎn)酸，鉀少少利于菌體體生長。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基8、鈉：調(diào)節(jié)滲透壓壓作用，一一般在調(diào)節(jié)節(jié)pH值時時加入。9、錳：是許多酶的的激活劑。。10、鐵：：是細(xì)胞色素素、細(xì)胞色色素氧化酶酶和過氧化化氫酶的活活性基的組組成分，可可促進谷氨氨酸產(chǎn)生菌菌的生長。。11、銅離離子：對氨基酸發(fā)發(fā)酵有明顯顯毒害作用用。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制培養(yǎng)基生長因子：：生物素作用：影響響細(xì)胞膜透透性和代謝謝途徑。濃度：過多多促進菌體體生長，氨氨基酸產(chǎn)量量低。過少少菌體生長長緩慢，發(fā)發(fā)酵周期長長。與其它培養(yǎng)養(yǎng)條件的關(guān)關(guān)系：氧供供給不足，，生物素過過量時，發(fā)發(fā)酵向其它它途徑轉(zhuǎn)化化。種類：玉米米漿、麩皮皮水解液、、甘蔗糖蜜蜜和甜菜糖糖蜜為來源源。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制pH對氨基基酸發(fā)酵的的影響及其其控制作用機理：：主要影響酶酶的活性和和菌的代謝謝?？刂苝H方方法：流加尿素素和氨水流加方式：：根據(jù)菌體生生長、pH變化、糖糖耗情況和和發(fā)酵階段段等因素決決定。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制pH對氨基基酸發(fā)酵的的影響及其其控制控制：（1）菌體體生長或耗耗糖慢時，，少量多次次流加尿素素，避免pH過高（2）菌體體生長或耗耗糖過快時時，流加尿尿素可多些些，以抑制制菌體生長長。（3）發(fā)酵酵后期，殘殘?zhí)巧?，接接近放罐時時，少加或或不加尿素素，以免造造成氨基酸酸提取困難難。（4）氨水水對pH影影響大，應(yīng)應(yīng)采取連續(xù)續(xù)流加。10.3氨氨基基酸發(fā)酵的的工藝控制制溫度對氨基基酸發(fā)酵的的影響及其其控制菌體生長長達(dá)一定定程度后后再開始始產(chǎn)生氨氨基酸，，因此菌菌體生長長最適溫溫度和氨氨基酸合合成的最最適溫度度是不同同的。谷谷氨酸前前者30～32?C，后后者34～37?C。。菌體生長長階段溫溫度不宜宜過高，，否則菌菌體易衰衰老，pH增高高，糖耗耗減慢，，酸產(chǎn)量量低。當(dāng)菌體生生長溫度度過高時時：要減減少通風(fēng)風(fēng)量，少少量多次次流加尿尿素，來來促進菌菌體生長長。發(fā)酵中后后期：維維持合成成溫度，，以利氨氨基酸合合成。10.3氨氨基酸酸發(fā)酵的的工藝控控制氧對氨基基酸發(fā)酵酵的影響響及其控控制要求供氧氧充足的的谷氨酸酸族氨基基酸發(fā)酵酵：生物合成成與TCA循環(huán)環(huán)有關(guān)。。適宜在缺缺氧條件件下進行行的亮氨氨酸、苯苯丙氨酸酸和纈氨氨酸發(fā)酵酵：菌體呼吸吸受阻時時產(chǎn)量最最大。供氧不足足時產(chǎn)酸酸受輕微微影響的的天冬氨氨酸族氨氨基酸發(fā)發(fā)酵10.4谷谷氨酸酸生產(chǎn)工工藝谷氨酸生生產(chǎn)概述述起初工業(yè)業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)采取小小麥或大大豆蛋白白質(zhì)水解解制取。。1957年，日日本率先先采用微微生物發(fā)發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)，并實實現(xiàn)工業(yè)業(yè)化，被被譽為現(xiàn)現(xiàn)代發(fā)酵酵工業(yè)的的重大創(chuàng)創(chuàng)舉，使使發(fā)酵工工業(yè)進入入調(diào)節(jié)調(diào)調(diào)控水平平。目前世界產(chǎn)谷谷氨酸鈉30噸/年，占占氨基酸總量量的2/3。。我國現(xiàn)有200余家生產(chǎn)產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)達(dá)15萬噸，，居世界首位位。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝谷氨酸產(chǎn)生菌菌株特點革蘭氏陽性不形成芽胞沒有鞭毛，不不能運動需要生物素作作為生長因子子在通氣條件下下才能產(chǎn)生谷谷氨酸10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝谷氨酸生物合合成機理由三羧酸循環(huán)環(huán)中產(chǎn)生的a-酮戊二酸酸，在谷氨酸酸脫氫酶和氫氫供體存在下下進行還原性性氨化作用而而得到。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝淀粉的酸水解解工藝1、調(diào)漿：干淀粉用水調(diào)調(diào)成10-11?Bx的淀粉乳乳，加鹽酸0.5-0.8％至pH1.5。2、糖化：蒸汽加熱、加加壓糖化25min。3、中和：冷卻至80℃℃，燒堿中和和至pH4.0-5.0（避免產(chǎn)生焦糖糖又保證過濾濾，中和為沉沉淀膠體）。。4、脫色：活性炭脫色和和脫色樹脂。?；钚蕴坑昧苛繛?.6-0.8％，，在70℃及及酸性條件下下攪拌后過濾濾。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝淀粉的酶法糖化工藝以大米或碎米米為原料時采采用大米浸泡泡磨漿，再調(diào)調(diào)成15?Bx，pH6.0，加細(xì)細(xì)菌α-淀粉酶在85℃下液液化30min，加糖化化酶60℃糖糖化24h，，過濾后可供供配制培養(yǎng)基基。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝糖蜜原料不宜直接用來來作為谷氨酸酸發(fā)酵的碳源源，因含豐富富的生物素。。預(yù)處理方法：：活性炭或樹樹脂吸附和亞亞硝酸法破壞壞以減少糖蜜蜜中的生物素素。也可以在發(fā)酵酵液中加入表表面活性劑吐吐溫60或添添加青霉素。。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝菌種擴大培養(yǎng)養(yǎng)1、斜面培養(yǎng)養(yǎng)：主要產(chǎn)生菌是是棒狀桿菌屬屬、短桿菌屬屬、小桿菌屬屬、節(jié)桿菌屬屬。我國各工廠目目前使用的菌菌株主要是鈍鈍齒棒桿菌和和北京棒桿菌菌及各種誘變變株。生長特特點：適用于于糖質(zhì)原料，，需氧，以生生物素為生長長因子。斜面培養(yǎng)基：：蛋白胨、牛牛肉膏、氯化化鈉組成的pH7.0-7.2瓊脂脂培養(yǎng)基，32℃培養(yǎng)18-24h。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝菌種擴大培養(yǎng)養(yǎng)2、一級種子子培養(yǎng)：由葡萄糖、玉玉米漿、尿素素、磷酸氫二二鉀、硫酸鎂鎂、硫酸鐵及及硫酸錳組成成。pH6.5－6.8。1000ml裝200-250ml振蕩蕩，32℃培培養(yǎng)12h。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝菌種擴大培養(yǎng)養(yǎng)3、二級種子子培養(yǎng)：用種子罐培養(yǎng)養(yǎng)，料液量為為發(fā)酵罐投料料體積的1％％，用水解糖糖代替葡萄糖糖，于32℃℃進行通氣氣攪拌7-10h。種子子質(zhì)量要求：：二級種子培培養(yǎng)結(jié)束時，，無雜菌或噬噬菌體污染，，菌體大小均均一，呈單個個或八字排列列?；罹鷶?shù)為為108-109/ml。10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵1、適應(yīng)期：：尿素分解出氨氨使pH上升升。糖不利用用。2-4h。措施：接接種量和發(fā)酵酵條件控制使使該期縮短。。2、對數(shù)生長長期：糖耗快，尿素素大量分解使使pH上升，，氨被利用pH又迅速下下降；溶氧急急劇下降后維維持在一定水水平；菌體濃濃度迅速增大大，菌體形態(tài)態(tài)為排列整齊齊的八字形；；不產(chǎn)酸；12h。措施：采取流加尿素素辦法及時供供給菌體生長長必須的氮源源及調(diào)節(jié)pH在7.5-8.0；維維持溫度30-32℃℃10.4谷谷氨酸生生產(chǎn)工藝谷氨酸發(fā)酵3、菌體生長長停止期：谷氨酸合成，，糖和尿素分分解產(chǎn)生α-酮戊二酸酸和氨用于合合成谷氨酸。措施：及時流加尿素素以提供足夠夠的氨并使pH維持在7.2-7.4。大量通通氣，控制溫溫度34-37℃。4、發(fā)酵后期期：菌體衰老，糖糖耗慢，殘?zhí)翘堑?。措施：營養(yǎng)物耗盡酸酸濃度不增加加時，及時放放罐。發(fā)酵周期一一般為30h。10.4谷谷氨氨酸生產(chǎn)工工藝谷氨酸發(fā)酵酵控制（1）生物物素：作為催化脂脂肪酸生物物合成最初初反應(yīng)的關(guān)關(guān)鍵酶乙酰酰CoA的的輔酶，參參與脂肪酸酸的生物合合成，進而而影響磷酯酯的合成。。當(dāng)磷酯含含量減少到到正常時的的一半左右右時，細(xì)胞胞發(fā)生變形形，谷氨酸酸能夠從胞胞內(nèi)滲出，，積累于發(fā)發(fā)酵液中。。生物素過過量，則發(fā)發(fā)酵過程菌菌體大量繁繁殖，不產(chǎn)產(chǎn)或少產(chǎn)谷谷氨酸，代代謝產(chǎn)物中中乳酸和琥琥珀酸明顯顯增多10.4谷谷氨氨酸生產(chǎn)工工藝谷氨酸發(fā)酵酵控制（2）種齡齡和種量的的控制一級種子控控制在11-12h，二級控控制在7-8h。接接種量為1％。過多多，菌體嬌嬌嫩，不強強壯，提前前衰老自溶溶，后期產(chǎn)產(chǎn)酸量不高高。10.4谷谷氨氨酸生產(chǎn)工工藝谷氨酸發(fā)酵酵控制（3）pH發(fā)酵前期，，幼齡細(xì)胞胞對pH較較敏感，pH過低，，菌體生長長旺盛，營營養(yǎng)成分消消耗大，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入正常發(fā)發(fā)酵慢，長長菌不長酸酸。谷氨酸脫氫氫酶最適pH為7.0-7.2，轉(zhuǎn)氨氨酶