氨基酸发酵
氨基酸发酵生产工艺学n2ppt课件
（二）pH的影响及其控制
作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。 在氮源供应充分和微酸性条件下，谷氨酸发 酵转向谷氨酰胺发酵。 pH控制在中性或微碱性。 方法：流加尿素和氨水。
我国味精技术进展情况
制糖工艺进展：酸法水解→酶酸法水解→双酶法水解。 发酵工艺进展：亚适量生物素水平（产酸4～6g／dl）
→高生物素水平（产酸12～15g／dl）。 提取工艺进展：等电点法（少数锌盐法）→等电离交法
→低温连续等电点法（少数厂家采用）。 精制工艺进展：全粉炭脱色、硫化碱除铁→颗粒炭脱
+ 4
生物 谷氨酸 (限量) 乳酸或琥珀酸(充足) 素
pH (酸性)N-乙酰-谷氨酰胺 谷氨酸(中性或微碱性)
磷酸 (适量)谷氨酸 盐
缬氨酸
➢ 菌种扩大培养
1、斜面培养：主要产生菌是棒状杆菌属、 短杆菌属、小杆菌属、节杆菌属。
我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿 棒杆菌和北京棒杆菌及各种诱变株。
生长特点：适用于糖质原料，需氧， 以生物素为生长因子。
2. 不溶性盐ห้องสมุดไป่ตู้淀法
（1）锌盐法
谷氨酸＋锌离子 pH6谷.3 氨酸锌沉淀 pH2.谷4 氨酸结晶
溶加液酸
（2）盐酸盐法： Glu在浓盐酸中生成并析出谷氨酸盐酸盐。
这是用盐酸水解面筋生产谷氨酸的原理。 （3）钙盐法：
高温谷氨酸钙溶解度大，与菌体等不溶性杂质 分开，降温，析出谷氨酸钙沉淀，加NaHCO3 直接得 到味精。
3、菌体生长停滞期：谷氨酸合成。
措施：提供必须的氨及pH维持在7.2-7.4。 大量通气，控制温度34-37 ℃。
氨基酸在发酵中的作用
氨基酸在发酵中的作用一、引言发酵是一种利用微生物代谢产物进行生物转化的过程，广泛应用于食品工业、饲料工业和生物制药等领域。
而氨基酸作为生物体内重要的有机物，也在发酵过程中发挥着重要的作用。
本文将从氨基酸在发酵中的作用机制、应用及前景等方面进行探讨。
二、氨基酸在发酵中的作用机制1.提供碳源和能源：氨基酸是微生物合成蛋白质的基本单元，可以被微生物利用作为碳源和能源。
在发酵过程中，微生物通过代谢氨基酸产生能量，并将其转化为所需的代谢产物。
2.调节酶活性：氨基酸可以作为酶的辅因子，调节酶的活性。
在发酵过程中，一些关键酶的活性会受到氨基酸的调节，从而影响代谢途径的进行。
3.调节细胞内pH值：氨基酸在细胞内可离子化，释放出氢离子或吸收氢离子，从而调节细胞内的pH值。
适宜的pH值对微生物的生长和代谢具有重要的影响，氨基酸可以在发酵过程中维持适宜的pH值，提高发酵效率。
4.提供氮源：氨基酸中的氨基团含有丰富的氮元素，可以作为微生物合成蛋白质和其他氮化合物的氮源。
发酵过程中，微生物利用氨基酸中的氨基团合成所需的氮化合物，促进代谢产物的合成。
三、氨基酸在发酵中的应用1.食品工业：氨基酸可以作为发酵食品中的营养添加剂，提供微生物生长所需的营养物质，促进发酵过程。
例如，在酱油、酱料和味精等食品的发酵中，氨基酸作为调味品添加剂，不仅能够提高食品的口感和风味，还能够增强食品的营养价值。
2.饲料工业：氨基酸作为饲料添加剂，可以提高动物的生长性能和免疫力。
在畜禽饲料中添加适量的氨基酸，有助于提高饲料的利用率，降低环境污染，达到绿色养殖的目的。
3.生物制药：氨基酸在生物制药中的应用十分广泛。
一方面，氨基酸可以作为生物药物的原料，通过发酵合成所需的蛋白质药物；另一方面，氨基酸也可以作为生物药物的稳定剂，保护药物的活性和稳定性，提高药物的疗效。
四、氨基酸在发酵中的前景随着生物技术的不断发展，发酵工艺在各个领域中的应用越来越广泛。
而氨基酸作为重要的发酵辅助剂，其应用前景也日益广阔。
氨基酸在发酵中的作用(一)
氨基酸在发酵中的作用(一)氨基酸在发酵中的作用导语氨基酸在发酵过程中扮演着重要的角色。
本文将从以下几个方面介绍氨基酸在发酵中的作用。
1. 提供营养物质•氨基酸是构成细胞和蛋白质的基本组成部分，可以为发酵微生物提供必需的营养物质。
•发酵过程中，微生物会利用氨基酸构建细胞壁、合成酶和代谢产物等，从而促进发酵反应的进行。
2. 调节发酵反应•氨基酸在发酵过程中起到调节pH值和维持稳定温度的作用。
•氨基酸可以通过与酸碱物质反应，调节发酵液的酸碱度，提供适宜的环境条件。
•同时，某些氨基酸具有缓冲作用，能够稳定发酵液的温度，保证反应的均衡进行。
3. 促进物质转化•氨基酸对发酵微生物代谢途径中的多种物质转化具有促进作用。
•例如，氨基酸可以被分解为胺和酸，进而与其他物质反应，产生独特的香味、色泽和口感等特征。
4. 提高产量和质量•适量添加氨基酸可以提高发酵反应的产量和质量。
•氨基酸作为微生物的重要营养源，可以增加微生物的生长速度和代谢活性，从而提高产酸、产酶等发酵反应的效率。
5. 其他应用领域•氨基酸在发酵工业以外的领域也有广泛应用。
•在食品工业中，氨基酸可以增强食品的营养价值和口感。
•在药物生产中，氨基酸可以作为药物结构的组成部分，影响药物的活性和稳定性。
结语氨基酸在发酵过程中具有多重作用，既能为微生物提供营养物质，又能调节环境条件和促进物质转化。
在发酵工业和其他应用领域中，氨基酸的重要性不可忽视。
通过进一步的研究和应用，我们可以更好地利用氨基酸的功能，推动发酵工艺和产品的改进和创新。
6. 氨基酸的优化利用•随着科学技术的进步，氨基酸的优化利用在发酵工业中变得越来越重要。
•通过研究氨基酸的结构、功能和作用机制，可以精确地设计和调控发酵过程中的氨基酸供应和代谢途径。
•这样的优化利用可以提高发酵反应的产量、速度和效率，从而实现发酵工艺的可持续发展。
7. 氨基酸的未来发展•氨基酸作为一类重要的生物活性分子，在未来的发展中将发挥更多的潜力。
发酵法制氨基酸
发酵法制氨基酸
发酵法制氨基酸是一种利用微生物发酵的方法来生产氨基酸的过程。
以下是一个简单的发酵法制氨基酸的步骤：
1.选择菌株：选择具有生产所需氨基酸能力的菌株，可以通过诱变等方法获得。
2.培养基制备：根据所选菌株的生长需求，制备适合的培养基，通常包括碳源、氮源、无机盐等成分。
3.接种与发酵：将菌株接种到培养基中，在适当的温度和pH条件下进行发酵。
4.产物提取：发酵结束后，通过离心、萃取等方法收集菌体和发酵液，进一步提取所需的氨基酸。
5.精制与干燥：通过结晶、离子交换等方法对提取的氨基酸进行精制，并进行干燥得到最终产品。
发酵法制氨基酸的优点包括生产效率高、环境污染小等，但同时也存在一些挑战，如菌株选育困难、发酵过程控制要求高等。
目前，氨基酸的生产方法还有化学合成法、酶法、蛋白质水解提取法等。
第4章氨基酸发酵生产工艺
• ⑵酶法转化工艺
利用酶的离体专一性反应，催化底物生产有活性 的氨基酸。
D-氨基酸和DL-氨基酸的手性拆分 工艺简便、转化率高、副产物少、容易精制。 占总量的10%左右
• ⑶全化学合成生产工艺
不受氨基酸品种的限制，理论上可生产天然氨基 酸和非天然氨基酸。
产物是DL-型外消旋体，必须拆分才得单一对映 体。
• 组成蛋白质的氨基酸有20种，多数为L-型，也是 人体能吸收利用的活性形式
• 初级代谢产物 • 根据R基团的化学结构不同，分为：15种脂肪族的， 2种芳香族的，2种杂环的，以及1种亚基氨基酸。 • 根据R基团的极性，分为：12种极性与8种非极性 • 根据酸碱性，分为：2种酸性的，3种碱性的，以及 15种中性氨基酸。 • 根据人体生理生化过程能否合成，分为：(8+2)种必 需和10种非必需氨基酸 • 应用：药品、食品、饲料、化工等
4.1.2 氨基酸的理化性质
• 无色晶体，熔点200~300℃，一般溶于水、稀酸 稀碱，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，常用乙醇 沉淀氨基酸。 • 除甘氨酸外，有旋光性，测定比旋度可鉴定氨基 酸的纯度。 • 芳香族氨基酸在紫外有吸收峰，可用于鉴别、合 成、定性和定量分析中。
• 氨基酸是弱的两性电解质，在酸性环境，带正电荷； 碱性环境，带负电荷；净电荷为0时的pH值为等电 点pI。由于静电作用，等电点时，溶解度最小，容 易沉定，可用于氨基酸的制备。
氨基酸
分子量
甘氨酸
75.07
丙氨酸
89.10
缬氨酸
117.15
亮氨酸
131.18
异亮氨酸
131.18
丝氨酸
105.09
苏氨酸
119.12
半胱氨酸
氨基酸发酵工艺学
氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学是研究氨基酸生产过程中的发酵过程和工艺参数的科学。
氨基酸是生命体中重要的有机物质，广泛应用于医药、化工、食品等领域。
通过发酵工艺学的研究，可以优化氨基酸的生产工艺，提高产量和质量，降低生产成本。
氨基酸发酵工艺学主要包括微生物的选育与改良、发酵介质的配方和优化、发酵条件的控制等环节。
首先，通过选择适合生产目标氨基酸的微生物种类进行培养，并通过基因改造等手段提高其产酸能力和抗生素产量。
其次，合理配方发酵介质，提供微生物生长和代谢所需的营养物质，如碳源、氮源、无机盐等，并优化营养物质浓度和比例，以提高产酸效率。
同时，还需要注意控制介质的pH值、温度和氧气供应等因素，以最大程度地促进微生物生长和酸产量。
此外，还需要加入抗泡剂、抗生素等辅助物质，防止发酵过程中的杂菌污染。
在发酵过程中，通过监测微生物生长曲线、消耗和产酸速率等指标来了解反应的进程和微生物代谢状态。
根据这些数据，可以调整前述的工艺参数，如发酵温度、密度、通气量、搅拌速度等，以提高产酸效率和酸产量。
在工艺的最后阶段，通过优化酸的提取、纯化和结晶工艺，以获得高纯度的氨基酸产品。
随着生物技术的发展，氨基酸发酵工艺学还涉及到基因工程、酶工程等新技术的应用。
通过选择、改造和优化微生物的代谢途径和酶系统，可以进一步提高氨基酸的产酸效率和产量，同时降低废水和废料的排放。
总之，氨基酸发酵工艺学是一门综合知识学科，涉及到微生物学、生化学、工程学等多个领域的知识。
通过深入研究和应用，可以不断改进氨基酸生产工艺，满足市场需求，推动氨基酸产业的发展。
氨基酸发酵工艺学是一门涉及微生物学、生化学、生物工程学等多学科的综合学科，旨在通过研究发酵过程和优化工艺参数，提高氨基酸的产量和质量，降低生产成本，促进氨基酸产业的发展。
在氨基酸发酵工艺学中，微生物的选育与改良是一个重要的环节。
微生物是氨基酸发酵的生产工具，不同的微生物对于氨基酸的产量和产物特性有着不同的影响。
氨基酸发酵
• 生产氨基酸的大国为日本和德国。 • 日本的味之素、协和(xiéhé)发酵及德国的德固
沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生 产高品质的氨基酸,可直接用于输液制剂的 生产。
• 日本在美国、法国等建立了合资的氨基酸
生产厂家,生产氨基酸和天冬甜精等衍生物。
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• 国内生产氨基酸的厂家主要是天津氨基酸公司,湖北八
烷烃 碳源浓度过高时，对菌体生长不利，氨
基酸的转化率降低。 菌种性质(xìngzhì)、生产氨基酸种类和所采
用的发酵操作决定碳源种类
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2、氮源：铵盐、尿素、氨水；
• 同时调整pH值。 • 营养(yíngyǎng)缺陷型添加适量氨基酸主要以添
加有机氮源水解液。
• 需生物素和氨基酸，以玉米浆作氮源。 • 尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。
ɡǎn jūn)K-12及棒状杆菌家族，通常是通过诱变选育出 的基础产率较高的菌株。
• 大肠杆菌遗传背景研究得清楚，载体系统完善，利于
工程菌的构建，但它含有内毒素且不能将蛋白产物分 泌至胞外，为应用带来困难。
• 棒状杆菌能克服这两个缺点，但载体受体系统研究
较晚且有限制修饰系统的障碍，所以获得利于外源 基因导入及表达且能稳定遗传的受体菌是尚待解决 的问题。
产的一种方法(fāngfǎ)。
• 典型的例子就是谷氨酸发酵。 • 改变培养条件的发酵转换法中,有变化铵离
子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰 胺和缬氨酸发酵
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2.2 用营养缺陷 变异株的 (quēxiàn) 方法
• 这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成
某步反应阻遏的营养缺陷型变异(biànyì)体，使 生物合成在中途停止，不让最终产物起控 制作用。
《氨基酸工艺学》6 氨基酸发酵过程控制
（六）响应面分析法
➢发酵培养基优化的步骤： ①所有影响因子的确认； ②影响因子的筛选，以确定各个因子的影响程度； ③根据影响因子和优化的要求，选择优化策略； ④实验结果的数学或统计分析，确定其最佳条件； ⑤最佳条件的验证。
（六）响应面分析法
钾盐比菌体生长需要的钾盐高。
➢菌体生长需要钾盐量约为0.1 g/L，氨基酸生产需 要钾盐量为0.2~1.0 g/L。
（三）无机盐
（4）微量元素： ➢微生物需要量非常少但又不可完全没有的元素称
为微量元素。
➢如锰是某些酶的激活剂，羧化反应需要锰，一般 配比为2 mg/L。铁是细胞色素氧化酶、过氧化 氢酶的组成部分，也是一些酶的激活剂，配比为 2 mg/L。
（六）相容性溶质
➢相容性溶质概念： 微生物通过在胞内积累有限的几种小分子溶质，如 糖醇、有机碱和氨基酸等以提高细胞内水活度，使 细胞的体积和膨压达到正常水平，并避免细胞内所 有物质浓度的升高，这类溶质的高浓度积累可使细 胞内外渗透压达到平衡，并且不妨碍细胞正常的代 谢活动，因而被称为“相容性溶质”。
（三）无机盐
元素 磷
硫 镁 钙 钠 钾
化合物形成（常用）
生理功能
KH2PO4，K2HPO4
核酸、核蛋白、磷酸、辅酶及ATP等高 能分子的成分，作为缓冲系统调节培养
基pH
含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）、 (NH4)2SO4，MgSO4 维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧
化还原电位
MgSO4
己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸 聚合酶等活性中心组分
（六）相容性溶质
➢甜菜碱是在甜菜糖蜜中发现的季铵型生物碱，具 有维持和调节细胞渗透压、保护酶以及参与甲基 化反应等重要功能。
发酵工程 15-2氨基酸发酵
3、谷氨酸发酵培养基的配制
1）培养基 2）发酵培养基中生物素的控制 亚适量。
3）发酵培养基中的氮源
谷氨酸分子中氮含量占9.5%，所以培养基中必须提供 相对充足的氮源。 谷氨酸产生菌的生长和产物合成时期需维持在pH7.07.2，而且培养基中铵离子浓度又不宜太高，因此，不 宜采用硫酸铵、氯化铵等生理酸性铵盐。
2、L-谷氨酸发酵原料的预处理
已知所有谷氨酸产生菌都不能直接利用淀粉或糊 精，而只能以葡萄糖等作为碳源。所用的山芋淀 粉、玉米淀粉、大米或木薯淀粉都需先进行水解， 制成葡萄糖。 1）酸法制水解糖液 2）酶法制水解糖液
3）糖蜜原料：甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜中都含有丰富 的生物素，不宜直接作为谷氨酸发酵的碳源，发 酵前必须进行预处理，去除生物素或将其破坏。
生理活性和化学特性。 主要应用领域是食品、饲料、化妆品、医药， 也用作化学工业的中间体。据估计全世界每年 氨基酸市场为40－50亿美元，其中35%用于食
品、50%用于饲料和15%用于医药和化妆品。
1、食品领域
氨基酸大多无味，但它们是自然芳香的前体 谷氨酸钠（味精）是所有氨基酸中最大生产品种， 全世界年产量达100万吨（中国大陆约为60万吨）。
法育成的菌株，进行发酵生产（L-羟脯氨酸）。
谷氨酸发酵
1957年日本率先采用微生物发酵法生产谷氨酸，
被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业
进行代谢控制发酵的阶段。目前全国有近50家
工厂生产味精，年产量约为60万吨，居世界首 位。
一、菌种
现在经过鉴定和命名的谷氨酸生产菌很多，主
要是棒杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌 属中的细菌。 它们有很多相似点：革兰氏阳性；不形成芽孢； 没有鞭毛，不能运动；都需要生物素作为生长
氨基酸在发酵中的用途
氨基酸在发酵中的用途氨基酸是构成蛋白质的基本单元，也是分解蛋白质的产物，广泛应用于发酵工业中。
氨基酸的应用范围包括调味品、膳食营养补充剂、医药、化妆品等。
本文将重点介绍氨基酸在发酵中的用途。
首先，氨基酸在微生物发酵中作为重要的营养源，其存在与否对微生物代谢产物的种类和质量均有重要影响。
在发酵生产过程中，氨基酸是细胞生长和代谢的基础，通过抗原质和营养质学的联合制约，可有效避免营养不足或过剩而引起的细胞生长、代谢异常等。
其次，氨基酸在制备调味品中具有重要作用。
目前，氨基酸类调味品已成为日常生活中不可或缺的调味品种类。
其中，谷氨酸钠、天冬酰胺酸和色氨酸等氨基酸受到广泛应用。
通过合理的配比及添加适当的微量元素，氨基酸可以使调味品产生特有的鲜味、咸味、香味、甜味等多种味觉感受，丰富了产品味道，并在保持食品原有的口感的同时，有效地降低了产品中的钠、脂肪等有害元素含量。
再次，氨基酸在膳食营养补充剂中是不可或缺的。
随着人们对健康意识的日益增强，膳食营养补充剂的市场需求也逐年增加。
氨基酸作为蛋白质的重要组成部分，在营养补充剂中具有优良的补充功能。
通过添加各种氨基酸，可以有效地补充人体由于营养不良、疾病等原因所失去的蛋白质。
同时，氨基酸还可作为运动营养补充剂，可以显着提高运动员的肌肉质量、促进肾脏排泄代谢废物的功能，并能增强身体的抵抗力。
最后，氨基酸在制药、化妆品等领域具有广泛用途。
作为生物催化剂，氨基酸可用于制备高效、低剂量的药品，如β-内酰胺类抗生素等。
另外，氨基酸还可作为化妆品中的重要配料，具有增强皮肤抵抗力、促进细胞新陈代谢等功效。
综上所述，氨基酸是发酵生产的重要原料之一，也是膳食补充剂、调味品和化妆品等领域的重要组成部分。
其在不同领域中的应用都有独特的优势和功能，对于提高产品品质、满足人们营养需要、开发新的养生产品等方面均具有重要作用。
因此，有关部门应加强对氨基酸的研究，不断创新，提高其应用的深度和广度。
第9章氨基酸发酵
化妆品生产中，胱氨酸用于护发素，丝氨 酸用于面霜中；谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸 与脂肪酸形成的表面活性剂，具有清洗、 抗菌等功能，用于护肤品、洗发剂中。 在农业中，苯丙氨酸和丙氨酸可用于治疗 苹果疮痂病；甘氨酸可制成除草剂。赖氨 酸、蛋氨酸添加在饲料中，能加速家畜、 家禽的生长，改善肉的质量。
第9章氨基酸发酵谷氨来自酸制味
精
的
工
艺
流
第9章氨基酸发酵
（2）味精生产工艺控制：
①中和：将谷氨酸加水溶解，用碳酸钠或 氢氧化钠中和。 应使谷氨酸一钠(单钠盐)生成量最大，中和 时，应先加谷氨酸后加碱，开启搅拌，温 度控制在65℃左右(低于70℃)，中和液浓度 21°Bé~24°Bé，pH 5.6~6.8，控制pH不 超过7，否则形成二钠盐。
第9章氨基酸发酵
（3）赖氨酸的精制 粗品50℃搅拌溶于去离子水，活性炭60℃ 保温脱色1h，趁热过滤，滤液冷却后5℃结 晶2天。 滤取结晶真空干燥或热风干燥，即得赖氨 酸盐酸盐成品。
第9章氨基酸发酵
9.3 其他氨基酸的发酵生产
1．苏氨酸发酵 用于饲料工业、保健食品和医药工业。目前 年产量约5万吨。 主要生产企业为日本味之素公司、德国德固 赛公司、美同ADM公司、日本协和发酵工业 公司等。它们的产量占全球份额的90％左右。 其中，日本味之素公司占据全球市场60％以 上的份额。 制备方法有化学合成法、发酵法和蛋白质水 解三种方法，其中以发酵法最为先进。 由微生物发酵生成的苏氨酸都是L-苏氨酸。
第9章氨基酸发酵
②培养基中苏氨酸、蛋氨酸的控制：赖氨 酸生产菌都是高丝氨酸缺陷型，苏氨酸和 蛋氨酸是赖氨酸生产菌的生长因子，在发 酵过程中，如果培养基中两者含量丰富， 就会只长菌，而不产或少产赖氨酸，所以 在发酵时，将苏氨酸和蛋氨酸控制在亚适 量，以提高赖氨酸产量。
天津科技大学氨基酸发酵工艺学
第四章 谷氨酸发酵控制 第三节 pH值对谷氨酸发酵的影响
一、 pH值对谷氨酸发酵的影响 二、发酵过程pH 值的变化及控制
第四章 谷氨酸发酵控制 第四节 供氧对谷氨酸发酵的影响
一、溶解氧与谷氨酸的需氧量 二、供氧对谷氨酸发酵的影响 三、供氧与其他发酵工艺条件的关系 四、氧对发酵影响的微生物生理学考察
S9114 华南理工大学 FD415 上海复旦大学 TG961 天津科技大学
第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养
第三节 谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化
一、种子的菌体形态
斜面和一、二级种子培养在不同培养条件下,细胞形态基本相似。斜面培养的 菌体较细小,一、二级种子比斜面菌体大而粗壮,革兰氏染色深。多为短杆至棒杆状, 有的微呈弯曲状,两端钝圆,无分枝;细胞排列呈单个、成对及"V"字形,有栅状或不规 则聚块;分裂的细胞大小为0.7～0.9*1.0～3.4um。由于生物素充足,繁殖的菌体细胞 均为谷氨酸非积累型细胞。
第一章 淀粉水解糖的制备 第二节 淀粉水解糖的制备方法
一、淀粉水解糖的生产意义和水解糖的质量要求 二、淀粉水解的方法及其比较
1、酸解法 2、酶酸法 3、酸酶法 4、双酶法
第一章 淀粉水解糖的制备
第三节 双酶法制糖工艺
淀粉双酶法制糖工艺主要包括:淀粉的液化和糖化两个步骤。 液化是利用液化酶使淀粉糊化,粘度降低,并水解到糊精和低聚糖 的程度。糖化是用糖化酶将液化产物进一步彻底水解成葡萄糖 的过程。
各种微生物在一定条件下,都有一个最适的生长温度范围。 谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～40℃,产生谷氨酸的最适 为35～37℃。若温度过高,菌体容易衰老。生产上表现为OD值 增长慢,pH值高,耗糖慢,发酵周期长,谷氨酸生成少。应及时降 温,采用小通风,流加尿素以少量多次;必要是时可补加玉米浆,以 促进生长。适当提高温度可加快发酵速率。
氨基酸发酵
1806 1820 1820 1849 1865 1866 1868 1881 1881 1889 1895 1896 1899 1901 1901 1901 1904 1922 1935
Vauquelin Braconnot Braconnot Bopp Cramer Ritthausen Ritthausen Schultze Weyl Drechsel Hedin Kossel,Hedin Morner Fischer Fischer Hopkins Erhlich Mueller McCoy et al
发展方向
新型 氨基酸
❖ 产品多元化，应用领域扩大化
❖ 资源能源利用最大化
❖ 推行
，污染物排放减量化
❖ 扩大综合利用途径，废弃物资源化
小品种 氨基酸
大宗氨基 酸产品
我国氨基酸工业的生产现状、 发酵趋势及存在问题
谷氨酸
赖氨酸
色氨酸 苏氨酸
蛋氨酸
我国氨基酸工业的生产现状——谷氨酸
❖谷氨酸
➢ 谷氨酸是目前生产量最大的氨基酸品种，主要以 谷氨酸钠(商品名味精)的形式作为食品增鲜剂存 在，2011年年产量约240万吨。
➢ 谷氨酸与谷氨酰胺可调节血氨浓度，防止氨对大 脑的毒性作用。同时有报道表明，谷氨酸和天门 冬氨酸还是中枢神经兴奋性递质，因此有少量谷 氨酸用于医药行业。
我国氨基酸工业的生产现状——谷氨酸
❖ 谷氨酸工业生产现状
➢ 我国味精生产始于1923年，1965年以前生产方法一直使用 传统的蛋白质酸水解法。此工艺原料消耗高、操作环境差、 劳动强度大、污染严重。42年间，年产量最高不过4000吨， 生产发展速度缓慢。
我国氨基酸工业的生产现状——谷氨酸
❖据统计，2011年全国谷氨酸及味精生产量 约240万吨，实际增长10%左右。
微工第5章 氨基酸发酵机制
（一）EMP途径、HMP途径
谷氨酸生产菌存在着两种代谢途径：EMP、 HMP ；EMP/HMP=90/10。
2024/9/4
12
第五章 氨基酸发酵机制
（二）TCA、DCA和CO2固定作用 1.TCA环（三羧酸循环）
P69表5-2：谷氨酸是通过三羧酸循环途 径合成的；为此：
α-酮戊二酸之前的代谢必须畅通； α-酮戊二酸脱氢酶活性丧失或很小；
2024/9/4
19
第五章 氨基酸发酵机制
2024/9/4
✓GA产生菌有强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性
20
第五章 氨基酸发酵机制
2024/9/4
21
第五章 氨基酸发酵机制
✓ 谷氨酸合成酶对NH4＋的亲和力比谷氨酸脱 氢酶强得多，当环境中NH4＋浓度很低时， 可由谷氨酸合成酶途径合成谷氨酸。
NAD+ NADH+H+
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第五章 氨基酸发酵机制
PEP的分解和羧化受细胞能量代谢水平调节； PEP羧化酶的Km较高；
2024/9/4
18
第五章 氨基酸发酵机制
（三）氨的导入
氨是氨基酸基本结构之一，氨的导入是氨基 酸合成中的基本过程。
氨的导入有三种方式：
①α-酮戊二酸还原氨基化→谷氨酸(谷氨酸脱 氢酶) ②天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移，将氨基 转给 α-酮戊二酸(ALT, AST) ③谷氨酸合成酶途径，该酶Km仅谷氨酸脱氢 酶的1/10，且不被谷氨酸抑制。
2024/9/4
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第五章 氨基酸发酵机制
代谢控制发酵工程技术时期的标志事 件：1956年，谷氨酸发酵生产成功
谷氨酸
学名：α-氨基戊二酸 其单钠盐：谷氨酸钠，商品名称味精，是重要的调味品。
发酵生产l-氨基酸过程
发酵生产L-氨基酸是一种常见的生物技术过程，它利用微生物代谢产生的酶和代谢产物来合成L-氨基酸。
本文将介绍L-氨基酸发酵生产的过程以及其中的关键步骤。
一、L-氨基酸发酵生产的基本流程L-氨基酸发酵生产的基本流程包括以下几个步骤：1. 培养基的制备：将适合微生物生长的营养物质和培养基成分加入到水中，经过混合、消毒等处理，制备出适合微生物生长的培养基。
2. 微生物的培养：将选用的微生物接种到培养基中，利用适当的培养条件（如温度、pH 值、氧气含量等）进行培养，使微生物快速繁殖。
3. 发酵过程：在微生物培养达到一定程度后，加入适当的营养物质和调节剂，以促进微生物代谢产生目标L-氨基酸。
4. 分离提纯：将发酵液经过分离、提纯等处理，得到高纯度的L-氨基酸。
二、L-氨基酸发酵生产的关键步骤1. 微生物的选择和培养条件的优化微生物的选择和培养条件的优化是L-氨基酸发酵生产的关键步骤之一。
常见的微生物有大肠杆菌、放线菌等。
在选择微生物时，需要考虑其生长速度、产酸能力和稳定性等因素。
同时，需要优化培养条件，如调节温度、pH值、氧气含量等，以提高微生物的生长速度和产酸能力。
2. 发酵过程的控制发酵过程的控制是L-氨基酸发酵生产的另一个关键步骤。
在发酵过程中，需要控制营养物质的加入量、调节剂的浓度和添加时间等，以促进微生物代谢产生目标L-氨基酸。
同时，还需要控制发酵液的温度、pH值、氧气含量等，以保证微生物的生长和代谢过程。
3. 分离提纯的技术分离提纯的技术是L-氨基酸发酵生产的最后一个关键步骤。
常用的分离提纯技术包括离心、过滤、蒸馏、萃取等。
通过这些技术，可以将发酵液中的L-氨基酸分离出来，并得到高纯度的产品。
三、L-氨基酸发酵生产的应用L-氨基酸是一种重要的生物活性物质，广泛应用于医药、化工、食品等领域。
其中，L-赖氨酸、L-赖氨酸盐酸盐、L-色氨酸、L-苯丙氨酸等是常见的L-氨基酸产品。
在医药领域，L-氨基酸可以用于合成多肽类药物、生物制剂等。
氨基酸发酵
此外，还可利用添加前体物和酶转 化法生产氨基酸。特别是遗传工程技术的应 用，在获得或改造氨基酸发酵微生物高产菌 株方面，出现了可喜的进展。
例如,L－赖氨酸的生产菌株多采用高 丝氨酸缺陷型突变株，而精氨酸缺陷型突变株 往往产生鸟氨酸或瓜氨酸等；
②调节突变株。采用调节突变株发酵生产氨基 酸是成功的工艺之一，因为这类突变株一旦对 氨基酸结构类似物具备了抗性之后，其正常代 谢调节机制即被解除，因缺陷型与抗反馈调节多重突变株。 采用这类多重突变株对提高某些氨基酸 的发酵产率有明显的效果。例如，生产L －精氨酸、L－色氨酸、L－苯丙氨酸、 L－酪氨酸、L－白氨酸和L－苏氨酸等 就常采用多重突变株。
1、谷氨酸发酵：
L-谷氨酸发酵微生物的优良菌株多 在棒状杆菌属、微杆菌属、节杆菌属和短杆菌 属中。具有下述共同特性：①细胞形态为短杆 至棒状；②无鞭毛，不运动；③不形成芽孢； ④革兰氏阳性；⑤要求生物素（利用石蜡为碳 源的要求硫胺素）;⑥在通气培养条件下产生 大量L－谷氨酸。此外，其他细菌、放线菌和 真菌中的一些属种也有产L－谷氨酸的菌株， 但产酸率较低。
流程：
菌种 斜面 摇晃种子 种子罐
淀粉 水 盐酸
水 解
过 滤
中 和
淀粉 水解 糖
配 料
发 酵
空气
空压机
过滤器
2、赖氨酸发酵：
赖氨酸生产最早是从水解大豆蛋白开始的 ，1952年日本味之素公司用水解大豆等蛋白 质的方法第一次成功地进行了赖氨酸商品化 生产，并开始大量出售L—赖氨酸。 1952年日本中山等人以谷氨酸棒杆菌为 出发菌株，经诱变获得了赖氨酸生产菌，并 将其用于生产。
至今为止，所用的赖氨酸生产菌多 数为谷氨酸产生菌的变异株，其赖氨酸合成 途径都是经过DAP(二氨基庚二酸)途径，在 此途径中关键酶天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏 氨酸的协同反馈抑制，即只有在苏氨酸和赖 氨酸同时存在时，才能对天门冬氨酸激酶起 抑制作用。故选育高丝氨酸营养缺陷型菌株， 使苏氨酸和赖氨酸对天门冬氨酸激酶的协同 反馈抑制，这样赖氨酸就会大量积累下来。
氨基酸生产工艺
氨基酸生产工艺氨基酸是生命体内必不可少的基本组成元素之一，广泛应用于农业、医药、化工等领域。
氨基酸的生产工艺通常包括发酵、提纯和干燥三个主要步骤。
下面将为大家介绍一下氨基酸的生产工艺。
首先是发酵过程。
氨基酸的发酵主要是通过微生物对含有氮源和碳源的培养基进行发酵，产生氨基酸。
常用的微生物有大肠杆菌、窄叶蓝枯草菌等。
培养基中的碳源主要有葡萄糖、甘油等，而氮源则有酵母粉、角蛋白等。
发酵过程中，微生物在一定的温度、pH值和氧气条件下生长和繁殖，生成氨基酸。
发酵结束后，需要对发酵液进行提纯。
提纯过程中，一般通过离子交换、凝胶过滤和超滤等方法，将杂质和有机物去除，得到纯净的氨基酸产物。
其中，离子交换属于最常用的提纯方法之一，主要是通过树脂的吸附作用，将杂质和有机物与目标物质分离。
最后是干燥过程。
氨基酸经过提纯后，仍然是液体状态，需要经过干燥来得到固体产品。
干燥的方法有很多种，常用的有喷雾干燥和真空干燥。
其中，喷雾干燥是将液态的氨基酸通过喷雾器喷入高温的空气中，迅速使其蒸发和冷凝成粉末状。
而真空干燥则是通过减压操作，将氨基酸的水分蒸发出来，得到干燥的氨基酸。
整个氨基酸生产工艺需要控制各个环节的条件，以确保产品质量。
发酵过程中，需要控制好温度、pH值和氧气供应，以促进微生物的生长和产酸。
在提纯过程中，要选择适合的方法和条件，以达到高纯度的氨基酸产物。
干燥过程中，需要控制干燥温度和时间，以避免产物的降解和热敏性。
氨基酸生产工艺的优化是提高产量和降低成本的关键之一。
通过优化培养基的配方、改进发酵条件和提高纯化技术，可以提高氨基酸的产量和纯度，并减少废物的产生和处理成本。
总之，氨基酸的生产工艺是一个较为复杂的过程，需要依靠微生物的发酵和多种分离纯化技术的协同作用。
随着科学技术的进步，氨基酸的生产工艺将进一步优化，为人们提供更多高质量的氨基酸产品，促进农业和医疗卫生事业的发展。
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第一部分基础练习一、名词解释1.末端产物阻遏：是指由某代谢途径末端产物的过量累积时而引起的反馈阻遏，是一种较为重要的反馈阻遏。
2.分解代谢物阻遏：是指细胞内同时存在两种碳源(或两种氮源)时，利用快的那种碳源(或氮源)会阻遏利用慢的那种碳源(或氮源)的有关酶合成的现象。
3.代谢调控:在发酵工业中，为了大量积累人们所需要的某一代谢产物，常人为地打破微生物细胞内的自动代谢调节机制，使代谢朝人们所希望的方向进行，这就是所谓的代谢调控。
4.营养缺陷型菌株因基因突变致使某一合成途径中断，丧失合成其生长中必需的某种物质的能力，使末端产物减少，解除了末端产物参与的反馈抑制或调节，可使代谢途径中的某一中间产物过量积累，也可使分子代谢的中间产物和另一分支途径中的末端产物积累。
5.外源诱导物：抗生素生物合成过程中，参与次级代谢的酶，有些是诱导酶，诱导物有的是外界加入的，称外源诱导物。
二、问答题1.答：氨基酸生产方法主要有合成法与发酵法两种。
2.答：野生型菌株，营养缺陷型突变株，或是氨基酸结构类似物抗性突变株.3.答：氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈控制和在合成途径分枝点处的优先合成，除此之外，还有一些特殊的调节机制，如协同反馈抑制、合作（或增效）反馈抑制、同功酶控制、顺序控制、平衡合成、代谢互锁等。
4.答：在乳糖发酵短杆菌中，赖氨酸合成分支上的第一个酶——二氢吡啶合成酶（DDP合成酶）受到与本途径无关的另一种氨基酸——亮氨酸的阻遏（即代谢互锁）。
5.答：具有分子代谢途径的分支点。
即在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。
第二部分技能训练一、选择题1.D2.C3.D4.B5.B6.A7.C二、问答题1.（1）磷酸盐磷酸盐浓度对氨基酸发酵的影响很大。
例如谷氨酸发酵中，磷酸盐浓度高时，抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性，菌体生长较好，但谷氨酸产量低，代谢向合成缬氨酸转化；磷酸盐不足时，糖代谢受抑制，糖耗慢。
（2）镁镁离子是己糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶等的激活剂，并能促进葡萄糖-6－磷酸脱氢酶的活力。
镁含量太少会影响碳源的氧化。
一般G＋菌要求镁离子浓度最低为25ppm，G－菌为4～6ppm。
（3）钾钾离子是许多酶的激活剂，能促进糖代谢。
氨基酸发酵需要钾的量受菌种性质、培养条件和发酵阶段等条件影响，例如谷氨酸发酵时，钾盐多时有利于产酸，钾盐少时有利于菌体生长。
（4）其他无机盐氨基酸发酵所需要的元素还有硫、钠、锰、铁等。
硫是细胞中含硫氨基酸的组成成分，也是构成某些活性物质如辅酶A和谷胱甘肽等的成分。
培养基中的硫可通过加入的MgSO4·7H2O引入，不必另加。
钠起调节渗透压作用，一般在调节pH值时加入的钠已足够，也不必另加。
锰是许多酶的激活剂，一般培养基中使用MnSO4·4H2O 2ppm已足够。
铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活性基的组成成分，大量铁离子可促进谷氨酸产生菌的生长。
但是铜离子对氨基酸发酵有明显的毒害作用，培养基中含0.001％硫酸铜时，谷氨酸产率明显下降，当铜离子达到0.1％时菌体停止生长。
2.利用营养缺陷型菌种，并及时分离产物。
3.AK（天冬氨酸激酶）受末端产物苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制，这种抑制在苏氨酸或赖氨酸单独过量存在时并不会发生。
通过遗传手段可获得缺少高丝氨酸脱氢酶的突变株，但只有在培养基内添加苏氨酸，此突变株才能生长。
所以生产中，采用低水平的苏氨酸补充量，帮助天冬氨酸激酶避开反馈抑制作用，使代谢中间产物向赖氨酸支路转移，合成大量的目的产物赖氨酸。
第三部分综合应用1.总结实际生产中提高发酵产率的主要措施？答：选育高产菌种，改良菌种性能；改进发酵工艺(例如采用一次高浓度糖发酵；降低发酵糖浓度，连续流加糖发酵；混合碳源发酵；应用电子计算机控制和管理发酵，使发酵工艺最佳化；通电发酵法；固定化活细胞连续发酵生产谷氨酸)。
2.分析柠檬酸的发酵生产中有哪些人为的代谢调控点？这些具体操作是为了克服代谢途径中的哪些不利因素？答：柠檬酸是微生物生长代谢过程中的一个中间性产物,在正常的微生物体内不能够积累的,如果有积累的话,与柠檬酸合成有关的各种酶的活性,则会受到抑制或阻遏。
（1）磷酸果糖激酶(PFK)活性的调节从葡萄糖——柠檬酸的合成过程中,PFK是一种调节酶或者称之为关键酶,其酶活性受到柠檬酸的强烈抑制,这种抑制必须解除,否则,柠檬酸合成的途径就会因为该酶活性的抑制而被阻断,停止柠檬酸的合成。
研究表明,微生物体内的NH4+,可以解除柠檬酸对PFK的这种反馈抑制作用,在较高的NH4+的浓度下,细胞可以大量形成柠檬酸。
进一步的研究表明,柠檬酸产生菌——黑曲霉如果生长在Mn+缺乏的培养基中,NH4+浓度异常的高,可达到25mmol/L,显然,由于Mn+的缺乏,使得微生物体内NH4+浓度升高,进而解除了柠檬酸对PFK活性的抑制作用,使得葡萄糖源源不断的合成大量的柠檬酸。
当培养基中Mn+缺乏时,NH4+浓度升高,同时微生物体内积累几种氨基酸(GA,GLu,Arg,Oin等),这些氨基酸的积累,意味着体内蛋白质的合成受阻,而外源蛋白质的分解速度则不受到影响,这样NH4+的消耗下降,NH4+浓度就会升高。
（2）顺乌头酸酶活性的控制该酶的丧失或失活是阻断TCA循环,大量生成柠檬酸的必要条件.通常柠檬酸产生菌体内该酶的活性本身就要求很弱,但在发酵过程中仍需要控制它的活性。
由于该酶的活性受到Fe2+的影响,控制培养基中的Fe2+的浓度,可以使该酶失活。
因此,柠檬酸发酵要求采用不锈钢为反应器的材料,目的就是控制培养基中的Fe2+的浓度。
但是在柠檬酸发酵过程中,培养基中的Fe2+的浓度有要求不能够低于0.1mg/L,原因目前尚没有搞清楚。
（3）增加氧气的浓度增加氧气的浓度，可以提高柠檬酸的产量。
菌体要大量合成柠檬酸,从葡萄糖经过EMP到柠檬酸整个代谢途径需要畅通,在这个过程中,有一步反应:丙酮酸氧化脱羧,每分子丙酮酸可产生一分子的NADH,在有氧的条件下,每分子的NADH经过呼吸链彻底氧化成H2O,并氧化磷酸化产生3分子的ATP,造成了微生物体内能荷的增加,能荷增加则抑制PFK等关键酶的酶活性,使得从葡萄糖到柠檬酸的代谢停止,怎么能够大量合成柠檬酸呢。
如果NADH(还原型)不能够快速的被氧化转变成NAD(氧化型),则整个反应就会因为缺乏作为推动力的氧化型的NAD而停止,仍然不能够合成柠檬酸。
而实际上,确实柠檬酸产生菌可以在有氧的条件下大量生成柠檬酸,也就是说,NADH即被氧化了,又没有产生ATP。
为了解释这种现象,有人提出了一种假设:该菌体内存在一条侧系呼吸链,NAD(P)H经过该呼吸链,可以正常的传递H+,将其氧化为H2O,但是并没有氧化磷酸化生成ATP,能够正常产生ATP的呼吸链称之为标准呼吸链。
后来的大量的实验证明,在某些微生物体内确实存在一条这样的侧系呼吸链,该侧系呼吸链中的酶系强烈需氧,如果在柠檬酸的发酵过程中,发酵液的溶氧浓度在很低的水平维持一段时间,或者在这期间中断供氧一段时间(20分钟,根据处理情况如:紧急保压等)则这一侧系呼吸链不可逆的失活,其结果是菌体不再产酸,而是产生了大量的菌体,因为,标准呼吸链的存在使得菌体在代谢过程中产生了大量的ATP,用于菌体自身的生长上,这种现象,在生产上通常称之为:只长菌不产酸,大量的葡萄糖被消耗了,却没有生产出柠檬酸,是一种失败。
3.简述L-色氨酸的代谢调控机制，并论述L-色氨酸高产菌的育种思路，在发酵条件控制中应注意的问题？答：芳香族氨基酸的生物合成存在着特定的调节机制，因此不可能从自然界中找到大量积累色氨酸的菌株，但是可以以黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌等作为出发菌株，设法造就从遗传角度解除了芳香族氨基酸的生物合成正常代谢机制的突变菌株，用微生物直接发酵法生成积累色氨酸。
这些方法包括：⑴切断支路代谢：切断由分支酸到预苯酸、维生素K、CoQ的代谢支路，节约碳源，使中间体分支酸更多的转向合成色氨酸，同时可以解除Phe、Tyr对合成途径中DS的反馈调节，从而有利于色氨酸的积累。
⑵解除自身反馈调节：可通过选育色氨酸的结构类似物抗性突变株，解除自身的反馈调节来达到积累色氨酸的目的。
⑶增加前体物：为了积累更多的色氨酸，必须增加更多的前体物，减少PEP 和EP的支路代谢，解除Phe、Tyr对合成途径中DS的反馈调节，增加分支酸浓度等方法可以增加前体物的合成。
⑷切断进一步代谢：选育色氨酸酶缺失突变株、色氨酸脱羧酶缺失突变株、色氨酸tRNA合成酶缺失突变株以及不分解利用色氨酸的突变株可以减少色氨酸的消耗，有利于色氨酸的积累。
⑸利用基因工程技术构建色氨酸工程菌株：应用重组DNA技术和分析应用生物学相关的遗传，进行有精确目标的基因操作，改变微生物原有的调节系统，实现目的代谢产物的提高。
如：改变代谢流、扩展代谢途径、构建新的代谢途径、及蛋白质工程的应用—对于色氨酸操纵子上的结构基因进行定点诱变，解除代谢反馈抑制等。
⑹其他标记：选育色氨酸操纵子中弱化子缺失突变型也是积累色氨酸的有效措施。
4. 试设计筛选高产L-赖氨酸的科研方案（包括出发菌株的选择、生物合成途径的调节机制、遗传标记的筛选、发酵条件的控制等）。
答：1.切断或减弱支路代谢⑴切断支路代谢，Hom-或Met-+Thr-。
（北微所AS1.299-Hom-As1563,1568,2.5%; 上微所黄色短杆菌2305- Hom-H-2,3%;日本黄色短杆菌No2247- Hom-H1013,4.2%）⑵变换优先合成降低HD酶活性○1增强代谢流转向合成Lys○2Hom减少，Thr合成减少，解NTG降Thr+Lys的协同反馈抑制。
例：日本.黄色短杆菌No2247 获得一批Thr s,Met s突变株，其中一株所产25g/L（2.5%），此突变株HD仅为野生菌株的1/30。
这样低的HD 酶比活性下，不添加Thr和Met也能生长，但若单独过量添加一种Thr和Met，反而由于过剩的Thr或Met能以致或阻遏本来活力已经很低的HD，使Thr和Met合成不足而抑制生长，即呈现Thr s或Met s2.解除反馈调节选育抗结构类似物突变株Lys的结构类似物：S-2氨基乙基-L-半胱氨酸（简称AEC），α-氯己内酰胺（CCL）, α-氟己内酰胺（FCL）,苯酯基Lys（CBL）,甲基赖氨酸（ML），α-氨基月桂基内酰胺（ALL）,青霉素，杆菌素等。
Thr的结构类似物：α-氨基-β-羟基戊酸（AH r）,邻甲基苏氨酸（OMT）等Leu结构类似物：α-噻唑丙氨酸（α-TA）等(1)解除AK酶的反馈调节ThrHx r、All r、AEC r、LysHx r、AHV r、ML r、CCL r、CBL r等。