1、味精的發(fā)酵工藝,味精的產(chǎn)品特性 商品味精 味精的安全性 正確食用味精的方法,中國味精業(yè)空間巨大,2001年東南亞地區(qū)味精人均消費(fèi)量： 臺(tái)灣：2000克 韓國：1200克 日本：1020克 香港：1000克 中國大陸：500克 中國味精消費(fèi)每年至少有160萬噸的空間,原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制取 谷氨酸生產(chǎn)菌種子的擴(kuò)大培養(yǎng) 谷氨酸發(fā)酵 谷氨酸的提取與分離 由谷氨酸制成味精及味精成品加工,味精生產(chǎn)工藝流程,味精的發(fā)酵工藝,主要內(nèi)容： 第一節(jié)：谷氨酸生產(chǎn) 第二節(jié)：谷氨酸的提取 第三節(jié)：谷氨酸制味精,第一節(jié) 谷氨酸生產(chǎn),概述：氨基酸發(fā)酵 一. 谷氨酸生產(chǎn)原料及其處理 二. 谷氨酸產(chǎn)生菌 三. 谷氨酸

2、的合成途徑 四、谷氨酸代謝的調(diào)控 五. 谷氨酸的發(fā)酵工藝,概述 氨基酸發(fā)酵,1.氨基酸的作用： 組成蛋白質(zhì)的基本成分； 可作為調(diào)味料； 提高食品的營養(yǎng)價(jià)值。 生產(chǎn)氨基酸的大國為日本和德國。,2.氨基酸生產(chǎn)方法,發(fā)酵法 化學(xué)合成法 酶法 抽提法,3.氨基酸發(fā)酵 概念：利用微生物生長和代謝活動(dòng)生產(chǎn)各種氨基酸 作用的過程。 原料 氨基酸 其他代謝產(chǎn)物 氨基酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵，它的積累是建立在對(duì)微生物正常代謝的抑制上。 關(guān)鍵：能否打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)，人為 的控制發(fā)酵。,微生物,微生物,（中間代謝產(chǎn)物）,一、谷氨酸生產(chǎn)原料及其處理,谷氨酸的作用：,（1）合成人體代謝所需的其他氨基酸。 （2

3、）降低血液中氨中毒作用。 （3）參與腦蛋白代謝和糖代謝。 腦組織只能氧化谷氨酸，而不能氧化其他氨基酸。 （4）對(duì)于防治腦震蕩或腦神經(jīng)損傷有一定的療效。 長期適當(dāng)?shù)姆霉劝彼?，可提高神?jīng)有缺陷兒童的智力。 （5）生產(chǎn)味精，作重要的調(diào)味品。,谷氨酸發(fā)酵的主要原料,淀粉：玉米、小麥、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最為常用。 糖蜜：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜 醋酸 乙醇 正烷烴（液體石蠟） 氮源料：尿素或氨水。,國內(nèi)： 淀粉（多數(shù)廠家） 糖蜜（少數(shù)廠家）,淀粉 水解 葡萄糖 谷氨酸生產(chǎn)菌 谷氨酸 糖蜜 預(yù)處理 去除生物素的糖蜜 谷氨酸生產(chǎn)菌 谷氨酸,（一）糖蜜的預(yù)處理,原因：糖蜜（特別是甘蔗糖蜜）中含有過量的生

4、物素，會(huì)導(dǎo)致光長菌體，不產(chǎn)谷氨酸的后果，影響谷氨酸的積累。 目的：降低生物素的含量 方法： 1.活性炭處理法：吸附 2.水解活性炭處理法：用鹽酸水解糖蜜后再吸附 3.樹脂處理法：通過脫色樹脂交換柱,（二）淀粉的糖化,淀粉 水解 葡萄糖,酸解法 酶解法 酸酶（或酶酸）結(jié)合法,酸酶法 酶酸法,淀粉糖化的方法,1.酸解法 淀粉 酸 高溫高壓 葡萄糖 2.酶解法（雙酶法） 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,二、谷氨酸產(chǎn)生菌,1.種類： 谷氨酸棒桿菌、黃色

5、短桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、嗜氨小桿菌、硫殖短桿菌。 我國使用的生產(chǎn)菌株是北京棒桿菌AS1.299、北京棒桿菌D110、鈍齒棒桿菌AS1.542、棒桿菌S-914和黃色短桿菌T613等。,谷氨酸棒桿菌,呈一端膨大的棒狀，折斷分裂形成“八”字狀排列,2.形態(tài)上共同特點(diǎn)（芽孢桿菌除外）: （1）革蘭氏陽性 （2）菌體為球形、短桿至棒狀 （3）不形成芽孢 （4）沒有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng) （5）都是生物素缺陷型 （6）都是需氧型微生物,三、谷氨酸合成途徑,1.谷氨酸合成的方式 （1）氨基轉(zhuǎn)移作用 -酮戊二酸 + 氨基酸 谷氨酸 + -酮酸 （2）還原氨基化作用 -酮戊二酸 + NH4+ + NADPH2 谷氨酸

6、+ NADPH + H2O,2、谷氨酸合成途徑谷氨酸的生物合成過程中的幾個(gè)途徑,主要有： （1）糖酵解途徑（EMP途徑） （2）磷酸己糖途徑（HMP途徑） （3）三羧酸循環(huán)途徑（TCA循環(huán)） （4）乙醛酸循環(huán)途徑（DCA循環(huán)） （5）伍德-沃克反應(yīng)（CO2固定反應(yīng)） （6）-酮戊二酸的還原氨基化反應(yīng) 這6條途徑之間是相互聯(lián)系和相互制約的，如圖所示：,3.谷氨酸的生物合成 過程中的幾個(gè)途徑,三羧酸循環(huán)（TCA）,4.谷氨酸產(chǎn)生菌的生化特征,（1）CO2固定能力強(qiáng)。 （2）-酮戊二酸氧化能力微弱: -酮戊二酸脫氫酶喪失或活性低。 （3）異檸檬酸裂解酶活力微弱。 （4）谷氨酸脫氫酶活性強(qiáng)。 （5）還

7、原性輔酶(NADPH+H+)進(jìn)入呼吸鏈能力缺陷或微弱。 （6）不利用谷氨酸。 （7）耐高糖耐高谷氨酸。 （8）解除谷氨酸反饋抑制。 （9）具有向胞外分泌谷氨酸的能力。,谷氨酸理論轉(zhuǎn)化率,如果草酰乙酸全部由CO2固定獲得，則1摩爾葡萄糖生成1摩爾的谷氨酸。 C6H12O6+NH3+1.5O2C5H9O4+CO2+3H2O 理論轉(zhuǎn)化率=147/180=81.7%,谷氨酸的大量積累不是由于生物合成途徑的特異，而是： （一）菌體代謝調(diào)節(jié)控制 （二）細(xì)胞膜通透性的特異調(diào)節(jié) （三）發(fā)酵條件的適合,四、谷氨酸代謝的調(diào)控,（一）菌體代謝調(diào)節(jié)控制1.谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制,琥珀酸 -酮戊二酸脫氫酶（弱） -酮

8、戊二酸,谷氨酸脫氫酶（強(qiáng)）,谷氨酸,透過細(xì)胞膜,谷氨酸,谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制,1. 優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié) 2.糖代謝的調(diào)節(jié) （1）能荷控制 （2）能荷控制生物素對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié) 3.氮代謝的調(diào)節(jié) 4.其他調(diào)節(jié)（如Cu 2+的調(diào)節(jié)）,（二）細(xì)胞膜通透性的特異調(diào)節(jié),用能積累谷氨酸菌株做如下實(shí)驗(yàn): 生物素充足時(shí),細(xì)胞內(nèi)含大量谷氨酸,但培養(yǎng)液里幾乎不含谷氨酸 用溶菌酶消化細(xì)胞壁得到的原生質(zhì)體仍不分泌谷氨酸 當(dāng)把原生質(zhì)體放入低滲溶液里,將其漲破,谷氨酸才排出 生物素亞適量時(shí),培養(yǎng)液里含大量谷氨酸,細(xì)胞里含量少 結(jié)論:谷氨酸的分泌是由細(xì)胞膜控制,控制細(xì)胞膜通透性的方法： 控制磷脂的合成； 控制細(xì)胞壁的合成

9、：選育溫敏突變株,1.控制磷脂的合成生物素營養(yǎng)缺陷型,作用機(jī)制:生物素是脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA羧化酶的輔酶,參與了脂肪酸的合成,進(jìn)而影響脂肪酸的合成。當(dāng)磷脂合成量少到正常的1/2左右時(shí),細(xì)胞變形,Glu向膜外漏出，積累于發(fā)酵液中。 控制關(guān)鍵:使用該類突變株必須限制發(fā)酵培養(yǎng)基中生物素亞適量(5-10g/L).在發(fā)酵初期(0-8小時(shí)),細(xì)胞正常生長,當(dāng)生物素耗盡后,在菌的再次倍增時(shí),開始出現(xiàn)異常形態(tài)細(xì)胞,即完成了細(xì)胞從生長型到積累型轉(zhuǎn)換.,突變株,油酸營養(yǎng)缺陷型 作用機(jī)制:油酸營養(yǎng)缺陷型喪失了合成油酸的能力,通過控制油酸使磷脂合成量減少到正常量的1/2左右. 控制關(guān)鍵:保證在培養(yǎng)

10、基中油酸亞適量,完成細(xì)胞從生長型到生產(chǎn)型的轉(zhuǎn)換.,突變株,甘油缺陷型,作用機(jī)理：喪失L-甘油-3-磷酸(NADP氧化還原酶)，不能合成a-磷酸甘油和磷脂，只有添加甘油才能生長。在甘油限量供應(yīng)下，由于控制了細(xì)胞膜中與滲透性有直接關(guān)系的磷脂的含量，使谷氨酸得以積累。 控制的關(guān)鍵：添加亞適量的甘油或甘油衍生物。甘油過少，菌株生長不夠好;甘油過量，磷脂合成正常，產(chǎn)谷氨酸低。,突變株,添加表面活性劑(如吐溫60)或不飽和脂肪酸 (C16-18),也能造成細(xì)胞滲漏,積累谷氨酸。 機(jī)理:兩者在脂肪酸合成時(shí)對(duì)生物素有拮抗作用,導(dǎo)致磷脂合成不足,形成不完整的細(xì)胞膜。 關(guān)鍵:控制好脂肪酸或表面活性劑的時(shí)間和濃度,

11、必須在藥劑加入后,在這些藥劑存在下進(jìn)行分裂,形成產(chǎn)酸型細(xì)胞。,其他,添加表面活性劑,添加青霉素 機(jī)理:青霉素抑制谷氨酸生產(chǎn)菌細(xì)胞壁后期的合成,細(xì)胞膜在失去保護(hù),在滲透壓的作用下受損,向外泄露谷氨酸. 控制關(guān)鍵:一般在進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期的早期(3-6小時(shí))添加.添加青霉素后倍增的菌體不能合成完整的細(xì)胞壁,完成細(xì)胞功能的轉(zhuǎn)換.,其他,谷氨酸發(fā)酵強(qiáng)制控制工藝,如:“高生物素 高吐溫”或“高生物素 高青霉素” 控制方法:在發(fā)酵培養(yǎng)基中預(yù)先配加一定量(過量)的純生物素,大大地削弱每批原料中生物素含量變化的影響,高生物素 大接種量能促進(jìn)菌體迅速增殖.再在菌體倍增的早期加入相對(duì)高的吐溫或青霉素,形成產(chǎn)酸型細(xì)胞.

12、固定其它條件,確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn).,其他,（三）發(fā)酵條件的控制,（1）發(fā)酵溫度 谷氨酸發(fā)酵前期(012h):30-32。 對(duì)數(shù)生長期:菌體濃度迅速增大（12h），糖耗快，維持溫度30-32 在發(fā)酵中、后期:是谷氨酸大量積累的階段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脫氫酶的最適溫度在32-36。,（2）pH值,1） pH值對(duì)谷氨酸產(chǎn)生菌生長的影響 2） pH值對(duì)谷氨酸積累的影響 發(fā)酵液的pH影響微生物的生長和代謝途徑。 發(fā)酵前期如果pH偏低，則菌體生長旺盛，長菌而不產(chǎn)酸；如果pH偏高，則菌體生長緩慢，發(fā)酵時(shí)間拉長。在發(fā)酵前期將pH值控制在7.58.0左右較為合適。 而在發(fā)酵中、后期將pH值控制在7.07.6左右

13、對(duì)提高谷氨酸產(chǎn)量有利。,（3） 通風(fēng),在谷氨酸發(fā)酵過程中，發(fā)酵前期以低通風(fēng)量為宜；發(fā)酵中、后期以高通風(fēng)量為宜。 實(shí)際生產(chǎn)上，以氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)來檢查通氣量，即以每分鐘單位體積的通氣量表示通風(fēng)強(qiáng)度。另外發(fā)酵罐大小不同，所需攪拌轉(zhuǎn)速與通風(fēng)量也不同。,（4）泡沫的控制,在發(fā)酵過程中由于強(qiáng)烈的通風(fēng)和菌體代謝產(chǎn)生的CO2，使培養(yǎng)液產(chǎn)生大量的泡沫，不僅使氧在發(fā)酵液中的擴(kuò)散受阻，影響菌體的呼吸和代謝。給發(fā)酵帶來危害，必須加以消泡。 消泡方法： 機(jī)械消泡(耙式、離心式、刮板式、蝶式消泡器) 化學(xué)消泡(天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等),（5）發(fā)酵時(shí)間,不同的谷氨酸產(chǎn)生菌對(duì)糖的濃度要求也不一樣，其發(fā)酵時(shí)間也有所差異

14、。 低糖(10%12%)發(fā)酵，其發(fā)酵時(shí)間為3638h， 中糖(14%)發(fā)酵，其發(fā)酵時(shí)間為45h。,五、谷氨酸發(fā)酵工藝,整個(gè)過程可簡單的分為2 個(gè)階段: 1.菌體生長階段; 2.產(chǎn)酸階段,谷氨酸得以大量積累。,1.發(fā)酵培養(yǎng)基,主要成分 （1）碳源 （2）氮源 （3）無機(jī)鹽 （4）生長因子,2.培養(yǎng)基滅菌,（1）滅菌條件 實(shí)罐培養(yǎng)基滅菌條件：105110 ，滅菌5min 連續(xù)滅菌條件：連消塔滅菌溫度為110115 , 維持罐溫度在105110約6min。 （2）冷卻：至30左右。,3.種子的擴(kuò)大培養(yǎng),接種量：1% 兩級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的方法，其工藝流程為： 保藏菌種 斜面活化 搖瓶種子培養(yǎng)（一級(jí)種子） 種

15、子罐（二級(jí)種子） 發(fā)酵罐,谷氨酸發(fā)酵過程中,生產(chǎn)菌種的特性、生物素、發(fā)酵溫度、pH值、通風(fēng)和發(fā)酵產(chǎn)生的泡沫都是影響谷氨酸積累的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中,只有針對(duì)存在的問題,嚴(yán)格控制工藝條件,才能達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。,將谷氨酸發(fā)酵菌在發(fā)酵液中積累的L-谷氨酸提取處理，再進(jìn)一步中和、除鐵、脫色加工精制成谷氨酸單鈉鹽（俗稱味精），這個(gè)過程叫提煉。 從生產(chǎn)上分為谷氨酸提取與精制兩個(gè)階段。,第二節(jié) 谷氨酸的提取,目前國內(nèi)各味精廠提取谷氨酸的主要方法： 1.等電點(diǎn)法 2.離子交換法 3.金屬鹽法 4.鹽酸水解等電電法 5.離子交換膜電滲析法 國外提取谷氨酸方法： 日本：協(xié)和發(fā)酵采用 濃縮等電點(diǎn)工藝 美國：

16、旋轉(zhuǎn)真空膜過濾,一、等電點(diǎn)法提取谷氨酸(簡單、常用),原理： HOOCCH2CH2CH(NH2)COOH 谷氨酸（GA） HOOCCH2CH2CH(NH3 +)COOH GA+ HOOCCH2CH2CH(NH3+)COO- GA士 HOOCCH2CH2CH(NH2)COO- GA- -OOCCH2CH2CH(NH2)COO- GA= 谷氨酸在等電點(diǎn)是它呈電中性時(shí)所處的環(huán)境的PH值，用PI表示。谷氨酸在等電點(diǎn)時(shí),絕大部分以偶極離子(GA)狀態(tài)存在,其分子內(nèi)部正負(fù)電荷相等,并含有等量的帶不同電荷的陽離子(GA+)和陰離子(GA-),因此溶液中總靜電荷等于零。 由于谷氨酸分子之間相互碰撞,再通過靜電

17、引力的作用,結(jié)合成較大的聚合體而被沉淀析出,因而處于等電點(diǎn)時(shí)GA的溶解度最小。 又由于溫度對(duì)GA的溶解度影響很大,溫度越低溶解度越小,生產(chǎn)上多采用04。,等電點(diǎn)法提取工藝操作簡單，收率60。周期長，占地面積大,等電點(diǎn)法提取谷氨酸注意三個(gè)方面： 發(fā)酵液純度高：谷氨酸/殘?zhí)潜戎蹈?，膠體少，提前除菌體最好； 發(fā)酵液處理要及時(shí)； 加酸調(diào)pH、溫度、育晶時(shí)間、攪拌服從結(jié)晶規(guī)律。,原理：,當(dāng)氨基酸pH值大于3.22時(shí)羧基離解而帶負(fù)電,它能被陰離子交換樹脂吸附;當(dāng)pH小于3.22時(shí)氨基離解而帶正電,此時(shí)能被陽離子交換樹脂吸附。 離子交換法提取GA是利用陽離子交換樹脂對(duì)GA陽離子的選擇性吸附,以使發(fā)酵液中阻礙GA結(jié)晶的殘?zhí)羌疤堑木酆衔?、蛋白質(zhì)、色素等非離子性雜質(zhì)得以分離,然后經(jīng)洗脫達(dá)到濃縮提取GA的目的。,二、離子交換法提取谷氨酸,其他方法提取谷氨酸,等電點(diǎn)-離子交換法 鋅鹽法 電滲析法,三、谷氨酸的晶型及其性質(zhì),-型結(jié)晶：斜方六面晶體，純度高，顆粒大，質(zhì)量重，易沉降，與母液容易分離。 B-型結(jié)晶：粉狀或針狀、鱗片狀、晶粒微細(xì)，純度低，晶體無光澤，質(zhì)量輕，難沉降，不易與沉淀分離，常常稱為“輕質(zhì)谷氨酸”。 谷氨酸結(jié)晶操作中要控制條件，避免B型結(jié)晶析出。,味精生產(chǎn)工藝流程