味精的发酵生产.

第八章味精的发酵生产味精谷氨酸钠，化学名称为L-谷氨酸单钠一水化合物（monosodiumL-glutamatemonohydrate，MSG）。根据谷氨酸钠含量分为：纯味精，含谷氨酸钠99%以上；含盐味精，95%味精，90%味精，80%味精；特鲜（强力）味精，添加呈味核苷酸二钠或鸟苷酸二钠的味精。一、味精性质性状味精是无色至白色的柱状结晶或白色的结晶性粉末。分子式C5H8NO4Na·H2O相对分子质量187.13含氮量7.48%结构式分子式和结构式易溶于水不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂难溶于纯酒精溶解度pH值7.0(10%水溶液)195℃(在125℃以上易失去结晶水)熔点二、味精生产的发展1908年，日本东京大学池田教授在研究食品的呈味性时，首先从海带汤中发现了“鲜味”的奥秘是来自于谷氨酸钠，并分离出L-谷氨酸晶体，定名味元素。二、味精生产的发展1909年即开始了作坊式的试生产，以“味の素”为商品名称首次投放市场。1914年池田菊苗与铃木三郎合作在日本川崎市建立了世界上第一个味精厂，由水解小麦面筋批量生产味精。1936年，美国人从甜菜废液中提取谷氨酸。1946年，美国发明发酵法生产α-酮戊二酸，并用酶法或化学法将此酮酸转换为L-谷氨酸。1957年，日本率先采用微生物发酵法生产谷氨酸，并投入大规模工业化生产。这是被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调控阶段。我国味精生产的发展第一阶段是以酸法水解豆粕或水解面筋生产味精。1921年至解放初期，味精厂只有4家，上海天厨味精厂、沈阳味精厂、天津味精厂、青岛味精厂，总产量不足500吨。第二阶段是1964年上海工业微生物研究所与天厨味精厂协作，采用黄色短杆菌以发酵法生产谷氨酸获得成功。利用微生物发酵法生产谷氨酸在国内各味精厂相继推广,有力地推动了我国味精工业的崛起。70年代末期，味精生产厂发展到200家，产量由1965年的4,000吨增至1978年的21,850吨。第三阶段是十一届三中全会以后，采用酶法水解淀粉，使味精生产突飞猛进，产量由1978年的2.1万吨增至1997年的63.1万吨。迄今为止，国内已全部采用发酵法生产味精。近40年来，全国味精产量（不含台湾）发展到170万吨，占世界味精总产量的70%以上，居世界味精产量首位。鲜味物质的发现水解法制造味精以小麦面筋或大豆粕为原料通过酸水解的方法提取味精。原料来源少、成本高、劳动强度大、需要耐酸耐腐蚀设备，投资比较大，生产环境差。微生物发酵法生产味精以淀粉质或糖质为原料通过微生物发酵法提取。原料来源广泛、成本低、产品质量有保证。LargeconsumingcountriesUSAJapanChinaSouthKoreaSouthEastAsianCountriesBecauseoftheirhabitofenhancingfoodflavor.谷氨酸产生菌（细菌）棒杆菌属北京棒杆菌C.pekinenseCorynebacterium钝齿棒杆菌C.crenatum谷氨酸棒杆菌C.glutamicum短杆菌属黄色短杆菌B.flvumBrevibacterium产氨短杆菌B.ammoniagenes小杆菌属嗜氨小杆菌M.ammoniaphilumMicrobacterium节杆菌属球形节杆菌A.globiformisArthrobacter三、谷氨酸的生物合成菌株特点：革兰氏阳性，无芽孢，无鞭毛，不能运动；需氧微生物；生物素缺陷型；发酵中菌体发生明显的形态变化,同时发生细胞膜渗透性的变化；不分解利用谷氨酸,并能耐高浓度的谷氨酸。1.谷氨酸发酵原料糖蜜淀粉水解糖糖蜜糖蜜是制糖工厂的副产物，分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。①甘蔗糖蜜的还原糖含量比甜菜糖蜜多得多；②甘蔗糖蜜的含氮量比甜菜糖蜜少得多；淀粉水解糖谷氨酸产生菌不能直接利用淀粉；在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的“糖化”，所制得的糖液称为淀粉水解糖。水解糖液中除葡萄糖外，还含有其他杂质。水解糖液中所含杂质的多少，与原料质量及淀粉的糖化条件有密切关系。2.谷氨酸的生物合成机理由三羧酸循环中产生的a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶存在下进行还原性氨化作用。2.谷氨酸的生物合成机理a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶存在下进行还原性氨化作用。葡萄糖中间产物a－酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶NH4＋透过细胞膜抑制四、味精的生产工艺流程1.淀粉水解糖的制取；2.谷氨酸生产菌种子的扩大培养；3.谷氨酸发酵；4.谷氨酸的提取分离；5.由谷氨酸制味精。1.淀粉水解糖的制取含淀粉原料淀粉水解的方法酸解法酶解法酸酶结合法2.菌种扩大培养斜面培养：琼脂培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠，pH值7.0-7.2。北京棒杆菌、钝齿棒杆菌：30-32℃天津短杆菌：33-34℃培养18-24h。一级种子培养：培养基：葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成，pH值7.0。振荡培养12h。二级种子培养：用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的1％；用水解糖代替葡萄糖，32℃，通气搅拌7-10h。种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌或噬菌体污染；菌体大小均一，呈单个或八字排列；活菌数为108-109/ml。photomicrographsofcellsinsyntheticbrothfor16h影响种子质量的因素培养基构成温度pH值溶解氧接种量培养时间3.谷氨酸发酵过程①适应期：尿素分解产生氨，pH值上升。糖不被利用。2-4h。控制措施：控制接种量和发酵条件使其缩短。②对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH值上升，氨被利用pH值又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形。不产酸。12h。控制措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH值，在pH值7.5-8.0时流加尿素；维持温度30-32℃。③菌体生长停止期：谷氨酸合成。控制措施：提供必需的氨，pH值维持7.2-7.4。大量通气，控制温度34-37℃。④发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。控制措施：pH值维持7.0～7.2。提高温度,一般为36～37℃。营养物耗尽，酸浓度不增加时，及时放罐。发酵周期一般为30h。五、谷氨酸发酵过程控制碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃氮源：铵盐、尿素、氨水无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜生长因子：生物素1.培养基C/N＝100:1521，实际高达100:28，①用于调整pH值；②分解产生的NH3从发酵液中逸出。产谷氨酸阶段：NH4+不足：使-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。NH4+过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。氮源：铵盐、尿素、氨水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。过多：细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。无机盐作为乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。生长因子：生物素影响细胞膜通透性和代谢途径。生物素：B族维生素的一种，又称维生素H或辅酶R，是合成脂肪酸所必需的。脂肪酸的生物合成：利用乙酰CoA（直接原料是丙二酸单酰CoA）在乙酰CoA羧化酶（辅基为生物素）催化下合成。脂肪酸＋甘油磷酸磷脂＋蛋白质生物膜生物素限量，不利于脂肪酸的合成，进而影响磷脂的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半时，细胞发生变形，谷氨酸从胞内渗出，积累于发酵液中。生物素含量高时，细胞膜致密，阻碍谷氨酸分泌，并引起反馈抑制。使胞内谷氨酸产物迅速排出的方法①用生理学手段——直接抑制膜合成或使膜受缺损谷氨酸发酵中，控制生物素亚适量，有利于谷氨酸透过细胞膜分泌至体外。当培养液中生物素含量较高时可适量添加青霉素；即控制细胞膜的渗透性青霉素：抑制肽聚糖合成中的转肽酶活性，引起肽聚糖结构中肽桥无法交联，造成细胞壁缺损。由于细胞壁的破损，使细胞膜处于无保护状态，在渗透压的作用下代谢物外渗，降低了谷氨酸的反馈抑制，提高了产量。②利用膜缺损突变株——油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型菌：培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。甘油缺陷型菌株：细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，即使在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。2.温度的影响及控制菌体生长达一定程度后开始产生谷氨酸，菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度不同。菌体生长阶段：3034℃产谷氨酸阶段：3437℃3.pH值的影响及控制主要影响酶的活性和菌的代谢。发酵前期，幼龄细胞对pH值较敏感，pH值过低，菌体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢。谷氨酸脱氢酶最适pH值为7.0-7.2，转氨酶最适pH值为7.2-7.4，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。4.溶解氧的控制不同种龄、种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐大小要求通风量不同。在菌体生长阶段，通风量过大，生物素缺乏，抑制菌体生长。大小由通风量和搅拌转速决定。4.溶解氧的控制在发酵产酸阶段，需要大量通风供氧，以防过量生成乳酸和琥珀酸。但过大通风，NADPH2通过呼吸链被氧化，影响-酮戊二酸还原氨基化，使-酮戊二酸大量积累。5.泡沫通气和搅拌培养基性质机械消泡和化学消泡6.防止噬菌体和杂菌的污染从空气过滤、培养基、设备、环境等环节严格把关。控制因子产物氧(不足)乳酸或琥珀酸谷氨酸(充足)α-酮戊二酸(过量)NH4+(不足)α-酮戊二酸谷氨酸(适量)谷氨酰胺(过量)生物素谷氨酸(限量)乳酸或琥珀酸(充足)pH(酸性)N-乙酰-谷氨酰胺谷氨酸(中性或微碱性)磷酸盐(适量)谷氨酸缬氨酸引起谷氨酸合成的代谢转换的因素六、谷氨酸的提炼工艺过程过滤：用板框式压滤机过滤发酵液。提取：采用沉淀、离子交换等提取氨基酸。脱色：加入活性炭脱除色素。精制：离子交换、重结晶等进行精制。水解等电点法低温等电点法低温连续等电点法1.等电点沉淀法操作简单，收率60％。但周期长，占地面积大。（1）锌盐法（2）盐酸盐法（3）钙盐法2.不溶性盐沉淀法（1）锌盐法谷氨酸＋锌离子谷氨酸锌沉淀溶液谷氨酸结晶pH6.3加酸pH2.4（2）盐酸盐法：谷氨酸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：高温下谷氨酸钙溶解度大，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.离子交换法用阳离子交换树脂吸附谷氨酸形成的阳离子，再用热碱（60℃，4%NaOH）洗脱，收集相应流分，加盐酸结晶。4.电渗析法原理：膜分离过程，利用的是电位差。二次电渗析法：pH3.2：除去各种盐类。pH3.2:除去蛋白质、残糖和色素等非电解质。七、味精制造谷氨酸溶于水活性炭脱色加Na2CO3中和谷氨酸单钠（味精粗品）除铁过滤活性炭脱色减压浓缩结晶离心分离干燥成品八、味精的安全性味精风波：“中国餐馆病”，“中餐综合症”，“味精症状”。味精的营养性味精是谷氨酸的钠盐，谷氨酸是组成蛋白质的氨基酸之一，而钠盐又是人体必须的矿物质元素，因此谷氨酸盐是维持生命活动所需要的成分。谷氨酸盐在自然界是普遍存在的。L-谷氨酸是蛋白质的主要构成成分。多种食品以及人体内都含有L-型谷氨酸盐，它既是蛋白质或肽的结构氨基酸之一，又是游离氨基酸。自然界中的谷氨酸盐食品种类谷氨酸盐含量（g/100g）食品种类谷氨酸盐含量（g/100g）猪肉0.023鱿鱼0.056牛肉0.033鲍鱼0.138鸡0.044牡蛎0.335蛋0.023干贝0.191人奶0.018龙虾0.009牛奶0.001鳗鱼0.013常见食品谷氨酸盐含量味精如何产生“鲜味”?人的味觉器官中存在着专门的氨基酸受体。当味精被人们食用时，刺激位于舌部味蕾的氨基酸受体，就能使人感受到可口的鲜味。味