色氨酸发酵工艺原理及工业生产

湖北大学

发酵工程与设备课程设计

题目色氨酸发酵工艺

专业年级 08生物工程

学生姓名赵雄峰

学号 ****************

指导老师李亚东

2011 年 6 月 4 日

目录

1前言------------------------------------------------3

2发酵机制--------------------------------------------6

3发酵工艺及特点--------------------------------------7

4菌种的制备及种子的扩大培养--------------------------9

5培养基的组成及制备----------------------------------12 6无菌空气制备系统-----------------------------------13

7部分工艺计算----------------------------------------15 8三废处理--------------------------------------------17 9参考文献---------------------------------------------18

一. 前言

L-色氨酸是种重要的氨基酸,广泛应用于医药、食品和饲料等行业。近年来,各行业对L-色氨酸的需求量日益增加,而现有产量远不能满足国内外市场的需求。因此,开发微生物酶法生产L-色氨酸的工艺路线具有广阔的应用前景。目前我国市场上销售的[色氨酸主要依靠进口，我国国务院已于2004、 2007年将I 色氨酸生产列入"鼓励外商投资产业目录"之中。直接发酵法生产[色氨酸的研究，对发展我国氨基酸发酵工业具有重大的意义。本文对发酵液中色氨酸的快速测定、出发菌株的生理特征和产酸特性、I色氨酸高产菌株的选育及发酵条件的优化进行了重点研究。

1.1色氨酸的理化性质

色氨酸属于中性芳香族氨基酸，结构中含有吲哚基，在生物体中，色氨酸以结

图1-1色氨酸的结构式

合态或游离态存在。其结构式如图1-1所示：色氨酸是手性化合物，有[型和0型两种镜像结构。[色氨酸是人体必须氨基酸，它参与人体与动物的蛋白质合成和代谢网络调节，并广泛的存在于自然界中； 0-色氨酸不能合成蛋白质，在人体内几乎不发生代谢作用。

L-色氨酸化学名为L-2-氨基-3-吲哚基丙酸，别名为L-氨基吲哚丙酸、胰化蛋白氨基酸。其分子式为C11H12O2N2，相对分子量为204.21，熔点为289℃，等电点PI为5.89， pKa（25℃）为2.38及9.39，微苦、呈绢丝光泽六角片状白色结晶，在水中溶解度1.147％（25℃）2.80％（75℃）, 微溶于乙醇，不溶于乙醚、氯仿，在碱液中稳定，在强酸中易分解。

1.2 L-色氨酸的用途

L-色氨酸在生物体内不能自然合成，需要从食物中摄取，是动物和一些真菌生命活动中的必须氨基酸。L-色氨酸在蛋白质中含量很低，平均含量约1％或更少。L-色氨酸能调节蛋白质的合成、调节免疫及消化功能，增加5-羟色胺代谢作用以

及增强认知能力等，因此在人和动物的新陈代谢、生长发育中有重要作用L-色氨酸的这些营养和药用价值使其被广泛应用于医药、饲料和食品等行业。

1.2.1色氨酸在医学上的应用

在生物体内L-色氨酸是合成生理活性物质及某些激素的前体物（如烟酸、5-羟色胺、色素、吲哚乙酸、辅酶和生物碱等）。这些生理活性物质和激素会参与生物体多种生命活动。例如，吲哚乙酸可以调节植物生长；5-羟色胺是动物的一种神经递质，它可以调节祌经的抑制和兴奋状态、调节血管的收縮，具有抗抑郁、抗高血压、镇痛、促进睡眠等功能；褪黑素可以调节动物毛发生长及性成熟等多种生物节律，并可以选择性影响大脑内不同结构5-羟色胺代谢。吲哚生物碱中的长春碱和长春新碱被广泛的用作抗癌性药物。由于众多代谢途径中涉及到L-色氨酸，所以色氨酸和它的代谢产物在调节胃口、睡眠与清醒节奏和疼痛知觉等神经行为上起着重要作用，从而使其在医药领域的用途成为医学界的研究热门。L-色氨酸代谢功能失调，可引起神经系统的功能障碍。L-色氨酸常常被用作复合氨基酸制剂和氨基酸注射液，用来改善睡眠效果、消除精神紧张、预防、治疗嗜酸细胞增多性肌痛综合症和粗糙病等。到目前为止，L-色氨酸作为治疗精神分裂症、髙血压、抑郁症、癩皮病和镇痛等用途已经得到很好的认可。L-色氨酸还可以与维生素、铁剂等合用提高抗贫血疗效，或与组氨酸合用防治消化道溃疡等。

1.2.2色氨酸在食品和词料添加剂中的应用

由于植物蛋白中比较缺乏L-色氨酸，所以可用L-色氨酸做食品或词料添加剂，使植物蛋白质的利用率得以提高。我国农业部已经将L-色氨酸确认为六种饲料级氨基酸之一，使得L-色氨酸成为继赖氨酸、蛋氨酸之后的第三大饲料添加用氨基酸。L-色氨酸可以调节畜禽生产性能、釆食量以及饲料转化率；减少肝脏中脂肪的积累量、提高蛋白质合成率从而增加畜禽的瘦肉比例；减轻应激反应从而减少畜禽攻击行为；还可以转化为尼克酰胺促进畜禽生长并预防尼克酰胺缺乏症的出现〔等。因此，在动物饲料中添加L-色氨酸，对动物的生长和健康起着重大的作用。在食品方面，L-色氨酸可被用于水解蛋白质和酶解明胶制剂的营养强化剂。L-色氨酸具有抗氧化作用，可以作为防腐剂防止奶粉变质；或是作为鱼类保鲜剂，用以阻止氧化发生，防止蛋白质分解、发霉等。

1.3 色氨酸的生产方法

1.31 水解法

废蚕丝、毛发和血粉等蛋白质原料含有相对相对丰富的L-色氨酸，可以通过酶水解或碱水解法来提取L-色氨酸。由于蛋白质中色氨酸的含量不是很高、材料来源有限、生产周期较长、工艺及产品成分复杂等缺点，现在已经很少使用水解法来生产色氨酸.

1.3.2微生物法

1.3.

2.1酶促转化法

酶促转化法是以廉价碳源来培养微生物，利用微生物产生的[色氨酸合成酶系转化前体合成1色氨酸的方法。该法需要解除生物合成途径中相关酶所受到的反馈调节，使这些酶大量合成，才能使[色氨酸得以高浓度积累。由于所添加的前体物大多对微生物生长有抑制作用，因此筛选前体物抗性突变株往往有利于提高前体物的添加量。此外，采用分批少量添加前体物的方式也可以减轻高浓度前体物对微生物生长的抑制

酶促转化法的前体物可以通过化工来合成，从而能够利用有机合成技术优势。该法产物浓度、纯度以及收率都较髙，同时反应周期短、分离提纯容易，副产物少，使得该法生产成本较低，是L-色氨酸的生产中较为广泛采用的一种方法。在氨基酸生产大国日本，几家大公司如三乐、三井东压、味之素和三菱油化等均采用酶促转化法生产L-色氨酸.酶促转化法生产L-氨酸也有自身的缺点：色氨酸合成酶会受到底物吲哚的强烈抑制，甚至会完全失活；底物L-酸价格较高；吲哚水溶性较差，转化率不高.

1.3.

2.2直接发酵法

直接发酵法是指利用[L-色氨酸高产菌种，采用葡萄糖等廉价碳源做原料，控制在合适的发酵条件，直接发酵积累L-色氨酸。由于L-色氨酸的生物合成途径的代谢流比较微弱，再加上L-色氨酸的合成需要多种前体物的供给（如[丝氨酸、磷酸核糖焦磷酸、L-谷氨酰胺等、只有提高这些前体物的量，才能有效的提高L-色氨酸产量，使得该法很长时间内不能达到工业化要求。此外，L-色氨酸生物合成途径中存在这较为复杂的调节机制，弱化子系统以及多重反馈调节的存在使得L-色氨酸的发酵生产成为氨基酸发酵工业中的一大难题。从自然界中分离到可以大量积累L-色氨酸的菌株的可能性极小，因此L-色氨酸高产菌种的选育是直接发酵法成功的关键。

直接发酵法几乎全是使用细菌的突变菌株。不同技术分离得到的突变株主要是芳香族缺陷型或抗代谢突变株。国内外对L-色氨酸生产菌株的诱变育种进行了大量的研究。

1.4论文的主要研究内容

L-色氨酸的发酵机制，发酵工艺及特点，菌种的制备及种子的扩大培养，，