6谷氨酸提取

6谷氨酸提取6.1概述将谷氨酸产生菌在发酵液中积累的L-谷氨酸提取出来，再进一步中和、除铁、脱色并精制成谷氨酸单钠盐（俗称味精）的过程叫提炼。目前生产上可分为谷氨酸提取与精制二个阶段。由糖质原料转化为谷氨酸的发酵过程是一个复杂的生物化学反应过程。谷氨酸是发酵目的产物，它溶解在发酵液中，而在发酵液中还存在菌体、残糖、色素、胶体物质以及其它发酵副产物。从发酵液中将产物谷氨酸提取出来，必需了解谷氨酸和发酵液的性质特征，以利用谷氨酸和杂质之间物理、化学性质上的差异，采用适当的提取方法和工艺，除去杂质和分离提纯谷氨酸。通常应用谷氨酸的两性电解质性质，溶解度、分子大小、吸附剂作用以及谷氨酸的成盐作用等，可以把谷氨酸从发酵液中提取出来。生产上选择谷氨酸提取工艺的原则如下：工艺简单，操作方便；所用原材料价格低廉，来源丰富；提取收率高，产品纯度高；劳动强度小；设备简单，造价低。在提取过程中，还要注意尽量不造成或减少对环境的污染。6.2谷氨酸发酵液的性质6.2.1谷氨酸的性质6.2.1.1谷氨酸的主要物理性质谷氨酸结晶为无色正四面体晶体，相对分子质量为147.13，相对密度为1.538(20℃)，熔点为202～203℃，在2mol/LHCl中的比旋光度为[α]D20=+31.8°(HCl浓度为10%)。谷氨酸的两性解离及等电点谷氨酸分子中含有2个羧基和1个氨基，是一个既有酸性基团又有碱性基团的两性电解质。谷氨酸晶体是以偶极离子的形式存在的。谷氨酸溶解于水后呈离子状态存在，其解离方式取决于溶液的pH，也就是说，谷氨酸在不同的pH溶液中，可以解离成阳离子、两性离子和一价阴离子及二价阴离子4种不同的离子状态，分别以GA＋、GA±、GA－、GA2－表示。谷氨酸的两性性质和电离平衡随溶液pH的变化情况可用下式表示：在一定的pH溶液中，4种谷氨酸离子以一定比例存在。在pH＜2的酸性溶液中，谷氨酸主要以阳离子(GA＋)状态存在；随着溶液pH的升高，谷氨酸的电离平衡发生转移，当溶液的pH等于谷氨酸的等电点时，谷氨酸主要以两性离子(GA±)状态存在；在pH=7的中性溶液中，谷氨酸丰要以一价阴离子(GA－)状态存在；若溶液的pH继续升高，在pH=13的碱性溶液中时，谷氨酸以二价阴离子(GA2－)状态存在。酸性等电点中性碱性谷氨酸离子存在形式COOHCHNH3+CH2CH2COOHCOO－CHNH3+CH2CH2COOHCOO－CHNH3+CH2CH2COO－COO－CHNH2CH2CH2COO－表示符号GA+GA±GA－GA=表6-1溶液的酸碱性与谷氨酸离子状态的关系谷氨酸的等电点是它呈电中性时所处的环境pH值，即谷氨酸解离成兼性离子时所处环境的pH值，习惯上常以pI代表。pI=(pK1+pK2)/2=(2.19+4.25)/2=3.22谷氨酸在等电点时，即pH3.22时，正负电荷相等，总静电荷为零，形成偶极离子，此时，由于谷氨酸分子之间的相互碰撞，并通过静电引力的作用，会结合成较大的聚合物而沉淀析出。因此在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。工业生产中等电点法提取就是根据这一特性，将发酵液pH调3.2，使谷氨酸处于过饱和状态而结晶析出。谷氨酸的溶解度谷氨酸的溶解度与温度有关。温度对谷氨酸溶解度的影响如表6-2所示。表6-2在等电点时不同温度条件下谷氨酸的溶解度由表6-2可以看到，随着温度的降低，谷氨酸的溶解度逐渐减小。因此，工业生产上采用等电点法提取谷氨酸时，应在低温条件下进行，才能得到较高的提取收率。除了温度对谷氨酸的溶解度有影响外，溶液的pH对谷氨酸的溶解度影响也较大。在发酵液中，谷氨酸的溶解度随发酵液pH的变化情况如表6-3所示。表6-320℃时不同pH条件下谷氨酸的溶解度在pH≤0.7或pH≥5.3情况下，谷氨酸的溶解度很高，但在等电点pH3.22时，谷氨酸的溶解度最小。谷氨酸的溶解度随pH的变化趋势：在等电点左边溶液偏酸时，溶解度变化较小，而在等电点右边溶液偏碱时，溶解度变化较大。这主要是由于发酵液中还含有其它金属离子而使发酵液中谷氨酸的等电点的pH与纯谷氨酸溶液相比稍偏酸，所以在实际生产操作中，往往将发酵液的pH调节到3.0～3.2。除了温度和溶液的pH对谷氨酸的溶解度有影响外，溶液中杂质也影响其溶解度。如谷氨酸发酵液中含有的残糖、其它氨基酸、菌体、胶体物质等，都将影响谷氨酸的溶解度。当发酵液中有其它氨基酸存在时，会导致谷氨酸的溶解度增加。这种现象在提取谷氨酸时严重影响谷氨酸的收率。另外，发酵液中碳水化合物水解物的存在，也会使谷氨酸的溶解度有所增加。6.2.1.2谷氨酸的主要化学性质①成盐反应谷氨酸分子中含有2个酸性的羧基和1个碱性的氨基，是一个既有酸性基团又有碱性基团的两性电解质，与酸或碱作用都可以生成盐。②脱羧反应在谷氨酸脱羧酶的作用下，谷氨酸脱去α-羧基放出二氧化碳，同时生成γ-氨基丁酸。用瓦勃氏呼吸仪测量二氧化碳的生成量，就可以计算谷氨酸的量，这是测定谷氨酸的方法之一。③与茚三酮反应谷氨酸和其它氨基酸一样，在pH2.5～4.7时与水合茚三酮共热，生成紫蓝色产物，其颜色深浅与谷氨酸含量成正比。在没有其它氨基酸存在时，可利用这个反应来定量分析谷氨酸。④生成焦谷氨酸谷氨酸经长时间加热，脱水生成焦谷氨酸(L-吡咯烷酮酸)。焦谷氨酸谷氨酸⑤生成谷氨酸盐酸盐谷氨酸在浓盐酸中会生成并析出谷氨酸盐酸盐。谷氨酸盐酸盐与碱作用生成谷氨酸。如果碱过量则生成谷氨酸一钠甚至生成谷氨酸二钠。⑥与金属盐反应在一定pH下，谷氨酸与金属盐反应生成难溶于水的复盐。这个性质也被用于提取发酵液中的谷氨酸。6.2.2谷氨酸发酵液的性质谷氨酸发酵属于细菌发酵，培养基的主要成分是葡萄糖、铵离子和磷酸盐等，因此发酵液较稀薄、不黏稠。发酵结束放罐时，发酵液中除了含有谷氨酸外，还有菌体和培养基的残留物以及其它代谢产物等。从外观上看，发酵结束时整个发酵液呈浅黄色浆状，表面浮有少许泡沫，发酵液温度一般为34～36℃，pH为6.5～7.0，近中性。发酵液中的主要成分和含量取决于发酵条件的控制和生产菌种的类型。发酵液中的主要成分有以下几种：①谷氨酸发酵液中所含的谷氨酸均为L-型，一般以谷氨酸铵盐的形式存在，即C5H8O4N·NH4。谷氨酸的含量一般在12～15%。②无机盐发酵液中含有的无机盐主要是K＋、Na＋、NH4＋、Mg2＋、Ca2＋、Fe2＋、Cl－、SO42－、PO43－等，此外发酵液中还有残糖、色素等成分。其中NH4＋的含量占发酵液的0.6%～0.8%，残糖的含量占发酵液的0.8%以下。③菌体和培养基残留物大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发酵液中，其中湿菌体占发酵液的8%左右。此外，在发酵过程中用于消泡的合成消泡剂等也留在发酵液中。④发酵副产物发酵液中还有一些含量很少的发酵副产物存在，如有机酸类主要有乳酸、α-酮戊二酸、琥珀酸等；氨基酸类有天冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组氨酸和谷氨酰胺等；各种氨基酸的含量均小于1%。此外，发酵液中还含有核苷酸类物质及其降解产物，以腺嘌呤和尿嘧啶较为常见。其中腺嘌呤在发酵液中占0.02%～0.05%，而尿嘧啶占发酵液的0.01%～0.03%。6.2.3提取谷氨酸的方法常用的提取谷氨酸的方法有以下几种。①等电点法利用谷氨酸是两性电解质的性质，将发酵液加硫酸调pH至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出。②离子交换法先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸或硫酸将发酵液调至一定的pH，采用阳离子交换树脂（732#）吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯谷氨酸的目的。③金属盐法利用谷氨酸与Zn2＋、Ca2＋等金属离子作用生成难溶于水的谷氨酸金属盐而沉淀析出。④离子交换膜电渗析法根据渗透膜对各种离子物质的选择透性不同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。6.2.3菌体分离方法国内味精厂从发酵液中谷氨酸时，一般受设备条件限制，并不先分离菌体，而直接从含有菌体和蛋白质的发酵液及其浓缩液中提取谷氨酸。但菌体存在于发酵液中不利于谷氨酸的结晶分离。有条件的厂家如能将发酵液中菌体预先分离，就会降低发酵液的粘度和杂质含量，有利于谷氨酸发酵液的浓缩纯化和结晶分离，提高产品收率和纯度由于谷氨酸产生菌菌体很小，其大小只有0.7～1.0μm×0.7～3.0μm，比酵母和霉菌菌丝体小得多，因此分离比较困难。可用于菌体分离的方法如下：⑴机械分离法一般采用高速离心分离机分离菌体。如用国产的DP-400型和D-350型酵母高速离心机，转速6500r/min，GF-150型高速管式离心机，转速13500~15000r/min。但动力消耗太大。⑵加热沉淀法将发酵液加热至70～80℃，静置使菌体和蛋白质凝固沉淀而除去。此法特别适用于感染杂菌、污染噬菌体的发酵液，经过加热既可杀死杂菌又可使大量杂质凝固沉淀，有利于提取；但缺点是消耗较多能源，另外发酵液中残糖与谷氨酸发生美拉德反应造成产酸下降和色素上升。⑶添加凝聚剂沉淀法在发酵液中加入适量的絮凝剂如聚丙烯酰胺，使菌体凝聚一起，加助滤剂过滤除去，但聚丙烯酰胺具有一定的毒性。⑷采用各种膜除去菌体随着膜技术进步，国内已有厂家采用此技术分离菌体，但存在问题是投资大，另外分离得到的湿菌体中含有大量谷氨酸，如何回收湿菌体中谷氨酸是一大难题。6.2.4发酵液的综合利用发酵废液中含有一些量较小，但价值较高的代谢副产物，主要有如下：⑴从谷氨酸发酵液中提取腺嘌呤。⑵从菌体中用自溶法制取腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸。⑶菌体中含有丰富的蛋白质和脂肪等物质，是动物良好的饲料。⑷发酵废液中含有大量铵和磷钾等，是农业生产中很好的NPK肥料。⑸发酵废液还可以来进行酵母发酵，制取单细胞蛋白，作饲料，又可减少环境污染。6.3.2谷氨酸的溶解度①pH对谷氨酸溶解度的影响谷氨酸的溶解度随pH改变而变化。谷氨酸在pH1附近或碱性情况下，溶解度很大，但是等电点pH3.22和在30%以上的高浓度盐酸条件下，溶解度便显著降低到最低点。工业生产中的等电点法、盐酸盐法提取谷氨酸，就是巧妙地利用这一特性。②温度对谷氨酸溶解度的影响温度对谷氨酸溶解度影响较大，温度越低，溶解度越小，这便是低温等电点法提取谷氨酸能提高收率的依据。③杂质对谷氨酸溶解度的影响发酵液中含有残糖、其它氨基酸、菌体及胶体物质等杂质，这些杂质都会提高谷氨酸的溶解度。6.3.3谷氨酸的结晶在等电点操作时，随着加酸降pH，温度的降低，逐渐接近谷氨酸的等电点，溶液中的谷氨酸处于过饱和状态，过量的溶质谷氨酸便会结晶析出。一般控制在介稳区时使溶液产生微细的晶核，再进行养晶、育晶即已产生的晶核为中心，陆续在晶核表面吸附周围的溶质分子，使晶粒不断长大，通过对晶核形成与晶体成长的控制，可得到满意的谷氨酸结晶（α-型结晶）。⑴谷氨酸的晶型及其性质谷氨酸结晶具有多晶型性质，在不同条件下会形成不同的谷氨酸结晶，可分为α-型结晶和β-型结晶二种。α-型谷氨酸结晶为正四面体，是等电点提取的一种理想结晶。这种结晶纯度高、颗粒大、易沉降，因此容易与母液分离。β-型谷氨酸结晶为粉状或针状、鳞片状结晶，晶粒微细、纯度低、难沉降，结晶时常与发酵液中胶体物质粘结，悬浮在母液中或搅拌轴周围，不易沉淀分离，故称为轻质谷氨酸（轻质麸酸）。因此在操作中要控制结晶条件，避免β-型结晶析出。⑵影响谷氨酸结晶的主要因素影响谷氨酸结晶的因素很多。发酵液的纯度和中和结晶操作条件是影响谷氨酸结晶的主要因素。如发酵液中谷氨酸含量、温度、残糖、菌体以及是否染菌(尤其是否染噬菌体)；中和时的加酸速率、搅拌、加晶种与否、晶种质量等，对谷氨酸的结晶及收率都有很大影响。①谷氨酸含量对结晶晶型的影响随着发酵液中谷氨酸含量的升高，等电点结晶时如控制不当，生成β-型结晶的机会增多，这样会造成母液分离困难，谷氨酸结晶纯度下降，并影响收率。②温度与降温速率对晶型的影响结晶析出温度对晶型有很大影响，当结晶析出温度超过30℃时，β-型结晶明显增加。因此，为了避免形成β-型结晶，在等电点法提取谷氨酸时，必须先将发酵液的液温降到30℃以下，再进行晶体析出。