第三章 氨基酸 2011.09.14

（7）泡沫的控制
• 生产上为了控制泡沫，除了在发酵罐内安装机械 消泡器外，还在发酵时加入消泡剂。 • 目前谷氨酸发酵常用的消泡剂有： 花生油、豆油、玉米油、棉子油、泡敌和硅酮等。 天然油脂类的消泡剂的用量较大，一般为发酵液 的0.1%～0.2%(体积分数)， 泡敌的用量为0.02%～0.03%(体积分数)。
• 生物素是谷氨酸生产菌不可缺少的生长因子。当 培养基的生物素将被耗尽时，细菌就停止增殖。 • 提高生物素的含量，OD值会上升，但一方面细胞 的膜通透性会变差，影响谷氨酸从胞内往胞外渗 出；另一方面，在高生物素环境下，菌体只进行 增殖并不生成谷氨酸。 • 因此，控制OD值的增长，是保证菌体在胞外大量 蓄积谷氨酸的重要手段。
味精：L-谷氨酸单钠的一水化合物，俗称味精， 它有强烈的肉类鲜味，将其添加在食品中可使食 品风味增强，鲜味增加，是食品的鲜味调味品。
味精食品安全： 味精食品安全：
作为食品添加物是极其安全的，除婴儿外， 作为食品添加物是极其安全的，除婴儿外，普通人一日允许摄取量为 120mg/kg体重 味精摄入过多时，出现眩晕、头痛、嗜睡、 体重。 120mg/kg体重。味精摄入过多时，出现眩晕、头痛、嗜睡、肌肉痉挛等一 系列症状。建议每道菜味精添加量不应超过0.5毫克。 0.5毫克 系列症状。建议每道菜味精添加量不应超过0.5毫克。 味精进入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。 味精进入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸能与血液中氨结合形成谷 氨酰胺，从而解除组织代谢过程中所产生的氨的毒害作用。 氨酰胺，从而解除组织代谢过程中所产生的氨的毒害作用。过食可造成体 内钠驻留，血管变细，血压升高。 内钠驻留，血管变细，血压升高。
3. 细胞内通透性调节
谷氨酸发酵
（一）培养基 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、 1. 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃 （1）淀粉水解糖的制备 （2）糖蜜原料
2.氮源：铵盐、尿素、 2.氮源：铵盐、尿素、氨水 氮源
C/N＝100：15∼21，实际高达100： C/N＝100：15∼21，实际高达100：28 100 因为： 因为：1）用于调整pH。 用于调整pH。 pH 2）分解产生的NH3从发酵液中逸出。 分解产生的NH 从发酵液中逸出。 产酸阶段： 产酸阶段： 不足： 酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。 NH4+不足：使α-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。 过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。 NH4+过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。
3.无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中 3.无机盐：磷酸盐、 无机盐 磷酸盐对发酵有显著影响。 磷酸盐对发酵有显著影响。 不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。 不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。 过多：a.细胞膜磷脂生成量多 不利于谷氨酸排出。 细胞膜磷脂生成量多， 过多：a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。 b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成） b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩 促使丙酮酸和乙醛 合生成缬氨酸的前体物——α－乙酰乳酸， 合生成缬氨酸的前体物 α 乙酰乳酸， 缬氨酸在发酵液中蓄积。 使缬氨酸在发酵液中蓄积。
谷氨酸发酵代谢途径
EMP途径 EMP途径 磷酸己糖途径
三羧酸循环
生成α-酮戊二酸，谷 氨酸合成的直接前体。
乙醛酸循环
丙酮酸羧化支路
α-酮戊二酸还原氨 基化反应生成谷氨酸。
谷氨酸合成调控
1.代谢途径反馈调节 1.代谢途径反馈调节 优先合成
CO2 AC-coA
Glc
CO2 丙酮酸 羧化酶 草酰乙酸 天门冬氨酸 （Asp） ）
我国氨基酸发酵发展
• 我国氨基酸生产最早在1922年用酸法水解面筋生产谷氨酸 我国氨基酸生产最早在1922年用酸法水解面筋生产谷氨酸 1922 钠即味精，在上海开办了天厨味精厂。 钠即味精，在上海开办了天厨味精厂。 • 1965年以后，我国味精生产全部采用以淀粉质或糖蜜为原 1965年以后， 年以后 料的微生物发酵工艺，大大的促进了氨基酸工业生产发展。 料的微生物发酵工艺，大大的促进了氨基酸工业生产发展。 • 发酵法L-赖氨酸生产起步于20世纪70年代，当时仅有上海 发酵法L 赖氨酸生产起步于20世纪70年代， 20世纪70年代 天厨味精厂少量生产。 天厨味精厂少量生产。 • 1981年在广西建成年产100吨食品级L-赖氨酸试验工厂， 1981年在广西建成年产100吨食品级L 赖氨酸试验工厂， 年在广西建成年产100吨食品级 1987年投产 年投产。 于1987年投产。
（3） 溶解氧的控制
• 在实际生产中，搅拌转速固定不变，通常 用调节通风量来改变供氧水平。 • 通风比（ m3 /m3 .min ）：每分钟向1m3的发 酵液中通入0.1cm3无菌空气，用1:0.1表示。
（4） 种龄和种量的控制
• 所谓种龄，是指在正常培养条件下，种子 培养的时间。 种龄长短关系到种子活力的强弱，影响下 一次增殖的适应期长短。 • 接种量多少，将明显影响种子生长期的长 短。
氨基酸的生产方法
• 水解蛋白质法 • 化学合成法 • 生物法（包括直接发酵法和酶转化） 生物法（包括直接发酵法和酶转化） 目前绝大多数氨基酸是以发酵法或酶法生产。 目前绝大多数氨基酸是以发酵法或酶法生产。 发酵法 生产
氨基酸工业发展
新技术和工艺的开发应用 1.现代生物技术在氨基酸工业中的应用 2.生物化工技术在氨基酸工业中的应用 新产品的开发、 新产品的开发、新应用领域的拓展 1.医药中间体 2.肽类 3.多聚氨基酸 4.氨基酸系表面活性剂
美国则开发出聚精氨酸（paa）。该产品可用于生产用量 极大的农用保湿地膜以及作为洗涤剂、废水处理剂等工业用 产品。由于paa具有生物降解性，即使废弃后也绝不像丙烯酸 树脂那样会造成严重的环境污染。 德国拜耳公司已建成年产2000吨级paa实验工厂，产品主要 为paa高吸水性树脂。 日本是世界上最大氨基酸生产国与输出国。已开发成功γ 聚谷氨酸，它是利用纳豆菌为工业微生物对谷氨酸进行聚合 化获得的。γ聚谷氨酸是一种出色的绿色塑料，可广泛用于 从食品包装到一次性餐具及其他各种工业用途中。它在自然 界可迅速降解，不会造成环境污染。
合成酶 柠檬酸
反 馈 阻 遏
异柠檬酸 α-酮戊二酸 酮戊二酸 α-酮戊二酸 酮戊二酸 谷氨酸 Glu 酶 酶 顺乌头酸
反 馈 抑 制
2. 代谢流调节
ATP/ADP
生物素
CO2固定酶 系活力强
异柠檬酸脱氢 酶活力强 异柠檬酸裂解酶 活力欠缺或微弱
乙醛酸循环弱
α-酮戊二酸氧化 酮戊二酸氧化 能力缺失或微弱 谷氨酸脱氢酶能 力强
第二节
谷氨酸
生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代 谢上具有重要意义。L－谷氨酸是蛋白质的主要构 成成分，L-氨基酸美味较浓。以谷氨酸盐在自然界 存在。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐， 医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷，还用 于改善儿童智力发育。 食品工业上，味精是常用的仪器增鲜剂，其 主要成分是谷氨酸钠盐。
第二章 氨基酸
2011.09.14
第一节 氨基酸
氨基酸（amino acid）：含有氨基和羧基的一类有机化合物的 氨基酸 通称。生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。目前自然界中 尚未发现蛋白质中氨基和羧基不连在同一个碳原子上的氨基酸。 8种必需氨基酸：L-赖氨酸、L-色氨酸、 L-苏氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-异 亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-蛋氨酸。 两种半必需氨基酸，精氨酸和酪氨酸。
Glu发酵常用菌种 发酵常用菌种 Glu发酵菌特征 发酵菌特征
谷氨酸棒杆菌(C.glutamicum) 谷氨酸棒杆菌 北京棒杆菌(C.peiking AS.1229) 北京棒杆菌 黄色短杆菌(Brevibacterium flavum) 黄色短杆菌 乳糖发酵短杆菌(B.lactofermentum) 乳糖发酵短杆菌
北京棒杆菌
Baidu Nhomakorabea
2.谷氨酸的生物合成 2.谷氨酸的生物合成
谷氨酸生物合成机理
由三羧酸循环中产生的a 酮戊二酸， 由三羧酸循环中产生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体 存在下，进行还原性氨化作用而得到。 存在下，进行还原性氨化作用而得到。
葡萄糖
中间产物
NH4＋
a－酮戊二酸
谷氨酸 脱氢酶
抑 制
谷氨酸
谷氨酸的生物合成包括 • 糖酵解作用（glycolysis, EMP途径） 途径） 糖酵解作用（glycolysis, EMP途径 • 戊糖磷酸途径（pentose phosphate 戊糖磷酸途径（ pathway，HMP途径 途径） pathway，HMP途径） • 三羧酸循环（tricarboxylic acid 三羧酸循环（ cycle） cycle） • 乙醛酸循环(glyoxylate cycle) 乙醛酸循环( • 丙酮酸羧化支路（CO2固定反应）等 丙酮酸羧化支路（ 固定反应）
发酵异常现象及处理
发酵过程的检查 • ① OD值的测定 • ② 细胞形态的观察 • ③ 还原糖的测定 • ④ pH的测定 • ⑤ 温度的测定 • ⑥ 通风量的测定 • ⑦ 残脲的测定 • ⑧ 谷氨酸的测定
异常现象及处理
• ①污染杂菌和感染噬菌体引起的发酵异常 • a.污染杂菌 污染杂菌后，OD值增长快，糖耗也快，且发酵液 泡沫增多，但谷氨酸生成量少。 处理： 如果发酵前期发现杂菌污染，可将培养基重新灭菌， 并酌加培养基成分，重新接种后再发酵。 如果发酵中期发现染菌，而pH、OD值和糖耗等尚属 正常，此时可加大风量，按常规继续发酵。 如果发酵后期染菌，一般对发酵影响不大。
（5） OD值的控制
• OD值是细菌个数、菌体大小和发酵液色泽深浅的 综合反应。 • 以B9和T6-13菌株为例，当初糖为12.5％～14%时， 长菌期的OD净增值在0.7～0.9。 • 当细胞进入平衡期后，OD值已达到最大值，此时 细胞数不再增加，但因为细胞个体还会继续伸长 增大，所以OD值会略有上升。
生长因子： 4. 生长因子：生物素 作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。 作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。
（1）作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰 CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成， CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响 的辅酶 磷酯的合成。 磷酯的合成。 浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为： （2）浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为： a.乙醛酸循环活跃， 酮戊二酸生成量减少。 a.乙醛酸循环活跃，α-酮戊二酸生成量减少。 乙醛酸循环活跃 b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。 b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。 转氨酶活力增强
（2） pH的控制
• 前期 • 一般发酵前期pH控制在7.5-8.5左右，发酵中、 后期pH控制在7.0～7.2，调低pH的目的在于 提高与谷氨酸合成有关的酶的活力。 • 尿素被谷氨酸生产菌细胞的脲酶所分解放出 氨，因而发酵液的pH会上升。 • 发酵过程中，由于菌体不断利用氨，以及有 机酸和谷氨酸等代谢产物进入发酵液，使N 源不足和发酵液pH下降，需再次流加尿素 。
谷氨酸发酵工艺流程
1. 温度 2. pH 3. 氧气 4. 菌株和菌龄 5. OD值 OD值 6. 泡沫
谷氨酸发酵工艺流程
谷氨酸发酵的控制
（1）、温度的控制。 • 国内常用菌株的最适生长温度为30～34℃， 产生 谷氨酸的最适温度为34～36℃。 • 0～12h的发酵前期，主要是长菌阶段； • 发酵12h后，菌体进入平衡期，增殖速度变得缓慢； • 温度提高到34～36℃，谷氨酸的生成量就增加。
氨基酸工业发展
近40年来，国内外在研究、开发和应用氨基酸方面均取 40年来，国内外在研究、 年来 得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已发展到20世 得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已发展到20世 20 纪80年代的400种，目前已达1000多种。 80年代的400种 目前已达1000多种。 年代的400 1000多种 自从发酵法生产谷氨酸成功以后，世界各国纷纷开展氨 自从发酵法生产谷氨酸成功以后， 基酸发酵的研究与生产，产量增长很快。 基酸发酵的研究与生产，产量增长很快。 2000年氨基酸产量达237万吨，销售额接近45亿美元， 2000年氨基酸产量达237万吨，销售额接近45亿美元， 年氨基酸产量达237万吨 45亿美元 占生物技术产品销售额的7％。 占生物技术产品销售额的7 目前氨基酸产业发展较快的国家是美国、日本和中国。 目前氨基酸产业发展较快的国家是美国、日本和中国。