第九章：味精生产

2020/1/271第九章：谷氨酸发酵与味精生产技术与工艺主讲人：宋安东[e-mail]2020/1/2721谷氨酸的性质和用途1.1谷氨酸（GlutamicAcid,GA）的性质（1）性质学名α-氨基戊二酸，又称麸酸，麸氨酸，C5H9O4N，分子量147.13，含N量9.52%，结构式中有L-型和D-型两种异构体。在生物体中，除原核生物细胞壁中有D-型AA外，其他生物体内均无D-型AA，因此，发酵生产的GA均为L-GA。如果需要D-GA，可以通过化学合成。第一节概述2020/1/273GA中的α-位的C原子为手性C原子，故有旋光性。COOHCOOHH2N-CHH-C-NH2CH2CH2CH2CH2COOHCOOHL-(+)-GAL-(-)-GA（右旋）（左旋）2020/1/274L-GA晶体属斜方晶系，结晶态稳定，熔点为249℃。晶体有α型和β型两种。（a）α型：多面棱柱形六面体，晶体光泽，颗粒大，纯度高，相对密度大，沉降快，易分离，不易碎。（b）β型：针状或薄片状，含水量大，纯度低，相对密度小，多浮于液面或母液中，不易分离（但目前生产中多为此类型）。在生产上：尽量控制条件来生产α型的GA。2020/1/275L-GA在水中的溶解度为0.846g/100ml，其等电点PI=3.22；L-GA有酸味，但其一钠盐可消除酸味，有强烈的肉鲜味；GA长期受热、脱水会形成焦GA（无鲜味）。2020/1/276（2）用途（a）促进生物体蛋白质的合成GA是生物体合成最早的AA之一，被称为领头氨基酸，几乎其他所有氨基酸都由GA通过转氨形成；（b）鲜味调味品在食品中加0.2-0.5%；2020/1/277（c）化工原料用于人造革、合成纤维、洗涤剂、农药、润肤剂等原料。（d）医药方面对脑有营养和保健作用；解氨毒作用2020/1/2782味精的性质和用途2.1性质味精：MonoSodiunGlutamate,MSGGA+纯碱（Na2CO3）=L-GA-Na常温下可结晶，为斜方晶系，显微镜下为棱柱形八面体；分子量187.13易溶于水，溶解度随温度变化的改变幅度很小；2020/1/279纯净的晶体无潮解性；有热敏性，120℃以上会失去结晶水，内部失水，形成焦GA一钠（色深、易吸潮、无鲜味）。2020/1/27102.2用途可用于鲜味调味品和食品添加剂。按FAO和WHO的试验结果，MSG可以放心食用（但保留了3个月婴儿要慎用的意见）.LD50（即LethalDose,50%）：食盐5.25g/kg（60kg成人每天可食315g）；味精16.2g/kg（60kg成人每天可食972g）。2020/1/2711第一代鲜味料2020/1/2712第二代鲜味料2020/1/2713第三代鲜味料2020/1/27143氨基酸和味精的发展和现状3.1发展（1）1909年，MSG作为商品问世；（2）我国1923年成立上海天厨味精厂；1964年，该厂用黄色短杆菌617工业化生产MSG；中国科学院从1958年开始筛选GA产生菌，1964年得到两株优良菌----北京棒状杆菌As1.299和钝齿棒杆菌As1.542，1974年推广应用，从此我国的MSG高速发展。2020/1/27153.2我国味精行业状况（1）存在问题（a）技术水平低韩国、日本、我台湾较高（产酸率、提取率等）；我国的产酸率还可以（15%），发酵罐大（600吨)。（b）污染严重；（c）无秩序竞争、走私、假冒伪劣产品等；2020/1/2716（2）生产现状全球：共计200多万吨，亚洲占92%以上。我国：总产量133万吨,工业总产值150亿元。2020/1/27172010年度我国味精企业排名1通辽梅花生物科技有限公司2河南省莲花味精集团有限公司3河北梅花味精集团有限公司4上海太太乐食品有限公司5山东信乐味精有限公司6山东齐鲁味精食品集团有限公司7宁夏伊品味精有限公司8广州奥桑味精食品有限公司9成都市国泰实业有限公司10山东菱味调味品有限公司2020/1/27181:工业总产量2：利润总额3：总产值（万吨）（亿元）（亿元）河南莲花29.1河南莲花1.5河南莲花11.95山东菱花10.0山东菱花0.63山东菱花8.35三九味精5.15三九味精0.54三九味精5.08江苏菊花5.01江苏菊花5.86广州奥桑3.69肇庆星湖（广东）3.61沈阳红梅3.52山东铃兰2.48浙江蜜蜂（义乌）2.32浙江蜜蜂0.31杭州味精2.192020/1/27194生产工艺淀粉质原料----糖化（淀粉水解成葡萄糖）----发酵（L-GA）----L-GA的提取----由GA制成MSG----提取----结晶----成品味精的生产方法：水解法、发酵法、合成法和提取法。2020/1/2720第二节淀粉水解糖液的制备一、制备方法1.类型主要包括酸解法、酸酶法、酶解法和双酶法。当前工业上最常用的是双酶法。2020/1/27212.双酶法原理：先用淀粉酶将原料水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶将后者水解成葡萄糖。特点：水解条件温和，不要求设备耐腐蚀、耐高、耐高压，对原料要求粗放，但生产周期长。2020/1/2722主要包括淀粉的液化和糖化两个步骤。1.淀粉的液化在-淀粉酶的作用将淀粉水解生成糊精和低聚糖。高温液化法：90℃保温40min。二、双酶法制糖工艺2020/1/27232.淀粉的糖化若用曲霉糖化剂，温度控制在60℃，pH为4.0~4.5；若用根霉糖化剂，温度控制在55℃，pH为5.0以下。2020/1/2724直接进发酵罐、浓缩后进发酵罐、供酵母培养用。3淀粉水解糖的去向2020/1/2725第三节GA产生菌一、分类自1954年日本筛选出直接用于发酵生产GA的微生物后，在之后的近20年的时间内掀起了GA产生菌的热潮。研究表明：酵母、细菌、霉菌、放线菌等中均有一些微生物可分泌GA，但1%的均为细菌，5%的均为无芽孢杆菌，且局限于以下四个属（依据《手册》）。2020/1/2726属名主要特征可利用的碳源棒状杆菌属（Corynebacterium）棒状、折断成“八”形糖、乙酸、CH化合物短杆菌属（Brevibacterium）直短杆状糖、乙酸、CH化合物小杆菌属（Microbacterium）杆状乙醇节杆菌属（Arthrobacter）球状杆状糖、CH化合物2020/1/2727黄色短杆菌谷氨酸棒状杆菌美国ATCC谷氨酸棒杆菌Ⅹ型2020/1/2728二、GA产生菌的特征1一般特征（按《手册》）（1）G+、无芽孢、无鞭毛、不运动；（2）好氧；（3）生物素缺陷型；（4）α-酮戊二酸脱氢酶活性丧失或非常低，异柠檬酸脱氢酶活性和L-GA脱氢酶活性很强；（5）发酵过程中，菌体形态会发生明显的变化，同时发生细胞膜渗透性变化，可向环境中泄露GA；（6）GA产生力1%，不分解GA，耐GA。2020/1/27292.优良菌株特征除上述特征外，还有-----（1）细胞大，分泌色素和胶体量少；（2）菌体等电点与GA的等电点差别大；（3）菌体生长快，耐高温，耐糖，耐GA浓度高；（4）发酵条件粗放；（5）产酸能力高，糖酸转化率高。2020/1/2730我国优良生产菌株：As1.290及其变种（D110、7338、WTH-1）（均为北京棒杆菌）；S-941（棒状菌属）；As1.542及其变种TS-27、HU7251及其变种（均为钝齿棒杆菌属）；T6-13及其变种（FM8207、FM84-415、CMTC6282、9-17、ZX-507、G1-1）等。2020/1/27313.代谢控制发酵（1）定义：利用遗传学的方法或其他生物化学的方法，人为地在DNA水平上改变和控制微生物的代谢，使有用的目的产物大量生产、积累的发酵。（2）意义：所有的AA发酵均不是在正常的生理状态下进行的，而是一种非常异常的的畸形状态下进行的，有内因（菌体的异常代谢途径）和外因（发酵条件）共同作用完成的。2020/1/2732高产谷氨酸菌株应具备以下特征：①丧失α-酮戊二酸脱氢酶的催化能力；②谷氨酸脱氢酶活力强；③氧化还原氨基化反应强；④C02固定反应强；⑤异柠檬酸脱氢酶活力强；异柠檬酸裂解酶活性弱;⑥不分解和利用谷氨酸；⑦耐高糖、高浓度谷氨酸。4.GA代谢途径2020/1/2733谷氨酸发酵是糖的需氧氧化和氨同化的生物化学过程，包括糖解途径（EMP途径），磷酸己糖途径（HMP途径），三羧酸循环途径（TCA循环），乙醛酸循环，CO2固定反应等。2020/1/2734三、谷氨酸菌种的扩大培养普遍采用二级种子培养流程:斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→发酵罐2020/1/27351、谷氨酸生产原料包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。第四节：GA发酵（1）碳源碳源的种类很多，常用的有糖类、脂肪、有机酸、某些醇类和烃类。国内----纯淀粉、玉米、大米水解糖，甘蔗或甜菜糖蜜；国外----糖蜜。需要走低浓度发酵、高浓度补料的路线。2020/1/2736（2）氮源一般的发酵工业碳氮比为100：0.2～2，谷氨酸发酵的碳氮比为100：0.5～2.0，当碳氮比为100：0.5～2.0时，只能合成菌体，而不产谷氨酸。碳氮比在100：11l以上时，才开始积累谷氨酸。目前生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加。α-酮戊二酸GA谷氨酰胺（NH4缺乏）（NH4适量）（NH4过量）2020/1/2737（3）无机盐GA工业发酵中应补P、K、Mg。生产上常用的无机磷有K2HP04·3H20或Na2HP04·12H20。（4）生长因子一般谷氨酸产生菌绝大多数为生物素缺陷型，以生物素为生长因子。可添加玉米浆、糖蜜、化学纯的生物素来补充。2020/1/2738几种常用的谷氨酸发酵培养基配比培养基成分FM-415S9013WTH-1T6-13S9114S9114水解糖（%）15-16初糖13-15流加糖3-412.518.5玉米浆（%）0.15-0.20.1-0.150.30.3甘蔗糖蜜0.15-0.20.18-0.220.1-0.3初糖8，流加糖120.2甜菜糖蜜15-17磷酸氢二钠0.170.17磷酸氢二钾（%）0.1-0.14硫酸镁（%）0.04-0.060.040.040.060.04-0.060.07磷酸0.075-0.090.075-0.09氯化钾0.120.050.080.03氢氧化钾0.075-0.09Fe3+、Mn2+（mg/L）各2纯生物素70-100尿素2.00.60.6消泡剂0.030.030.030.030.030.03pH7.27.27.5-7.77.27.2-7.57.0-7.22020/1/27392、谷氨酸发酵条件的控制谷氨酸发酵条件包括温度、pH、菌龄及接种量、通风及搅拌、氧的传递、泡沫的控制等。用发酵条件来控制发酵过程中各种化学及生物化学反应的方向和速度，以达到预期的生产目的。2020/1/2740谷氨酸发酵工艺流程2020/1/2741（1）温度的控制谷氨酸菌的最适生长温度与产物生成所需温度不同。其最适生长温度为30～32C，谷氨酸形成的最适温度为34～37C。前期温度上升要缓慢。在发酵中期，温度上升要快，后期逐渐缓和。即发酵前期长菌体阶段控制在30～32℃，发酵中、后期为34～37℃。2020/1/2742（2）pH的控制谷氨酸发酵在中性和微碱性条件下可积累谷氨酸，而在酸性条件下则容易形成谷酰胺和N-乙酰谷酰胺。pH的控制：发酵前期应控制pH为7．5左右。发酵中、后期控制pH7．2左右，通常采用氨水流加法和尿素流加法调节pH。2020/1/2743（3）菌龄及接种量的控制种龄：一级种子菌龄控制在11～12h，二级种子菌龄为7～8h。种量：一般以1％为好。2020/1/2744（4）通风量与搅拌速度的控制谷氨酸产生菌是兼性好氧菌，它进行呼吸和合成细胞物质时需要氧气。因此，在进行谷氨酸发酵时，需要大量供给菌体生长及发酵所需的氧。谷氨酸菌只能利用溶解氧，所以在发酵过程中，需要不断补充无菌空气。不同的种龄、接种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐，