第7章+生物化工工艺实例

生物化工工艺学工业微生物部分微生物实例第一节氨基酸生产工艺自然界中有二十多种氨基酸，这些氨基酸构成了所有生物所需的各种各样的蛋白质。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，它参与生物体的各种代谢，有各种生理功能。人类要维持生命活动，就必须获得各种氨基酸。但是有八种氨基酸人类自身不能合成，必须从食物中摄取。按氨基酸在人体内是否能被合成，分为：（1）必需氨基酸指人体内不能合成或合成的速度不能满足机体需要的氨基酸。异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸为必需氨基酸。（2）非必需氨基酸除上述八种必需氨基酸外，其它均属非必需氨基酸。提取法1820年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。1866年立好生Ritthansen利用H2SO4从小麦面筋制取Glu（名称来源于此）。1908年从海带中提取了Glu，并制取了味之素（味精，MonosodiumGlutamate，MSG）。1910年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精。1936年美国人开始从Stiffenmolasses（废糖蜜）制取味精。（1）氨基酸生产的发展史1、概述过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取的，1956年，日本人首先利用发酵法生产谷氨酸后，氨基酸的发酵生产发展很快，目前绝大多数氨基酸已能用发酵法或酶法生产。见表6-1（2）我国氨基酸生产的发展情况我国起始于1923（上海天厨），1932沈阳味精厂，当时年产量200-300T（提取法）。我国发酵法生产味精起始于1964年，2000年80万T，2005年接近100万T。中国现有氨基酸企业以谷氨酸生产为主，其次是赖氨酸，其它有几种生产规模较小的工业化产品。2.氨基酸的应用氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业等行业有广泛用途。（1）食品工业是最早应用氨基酸的领域，消费量占总量的60％，主要用于强化食品，调味调香、抗氧化剂、消除异味，防止食品色香味的变化，提高食品风味及营养价值。如苯丙氨酸和天冬氨酸制成的甜味肽，其甜味是蔗糖的200倍。生活实例：新型甜味剂阿斯巴甜又名蛋白糖，是天冬氨酸和苯丙氨酸合成的二肽甜味剂，是一种相当蔗糖甜度200倍的低热值高甜度的新型甜味剂。它具有安全、易吸收、不致龋齿等优点，可供糖尿病患者及忌糖者的婴幼儿食用，是老年营养食品和保健食品的优良甜味剂；可以制成新型糖的替代品直接加入饮料或食品中；大量用于饮料，果酱、口香糖、乳制品、罐头、蜜饯婴幼儿食品等多种食品中，至今已有3000多种食品使用阿斯巴甜。（2）医药工业氨基酸是构成蛋白质的基本单位，参与体内代谢和各种生理活动，因此可用于治疗各种疾病。可制成有治疗作用的药物及各种氨基酸营养制剂。--大输液和治疗药物。（3）饲料工业及无公害农药在饲料中加入赖氨酸、苏氨酸和DL-蛋氨酸，能提高饲料中蛋白质利用率，校正配合饲料中氨基酸不全或配比失衡，增加饲料营养价值。合成氨基酸衍生物可作为锄草剂和无毒农药。（4）化工用谷氨酸可制成无刺激性能洗涤剂——十二烷基谷氨酸钠肥皂，能保持皮肤湿润的润肤剂——焦谷氨酸钠和质量接近天然皮革的聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料。丝氨酸用于雪花膏等。二、谷氨酸发酵谷氨酸可用用蛋白质水解法和合成法制取，但目前主要采用发酵法。1．淀粉水解糖的制备发酵法生产谷氨酸的原料是薯类、玉米、木薯淀粉、椰子树淀粉等淀粉的水解糖或糖蜜。生产菌为短杆菌，北京棒杆菌等。淀粉--需要用酶法水解转化为葡萄糖谷氨酸（-氨基戊二酸）OC-OH第一代鲜味剂H2N-C-HL-谷氨酸单钠盐——味精H-C-HH-C-HH-COOHL-型酶法水解过程：液化-----糖化---葡萄糖α－淀粉酶糖化酶2、生物合成机制谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，一部分氧化成乙酰辅酶A（乙酰COA），一部分固定CO2生成草酰乙酸。然后进入三羧酸循环，生成α－酮戊二酸。α－酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。即，谷氨酸的生物合成途径包括EMP、HMP、TCA循环、DCA循环和CO2固定作用等。谷氨酸生产菌种葡萄糖中间产物a－酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶NH4＋抑制2.谷氨酸的生物合成生物素缺乏C6H12O6+NH4+==C5H9O4N+CO2理论产率：147/180==81.7%实际产率？？谷氨酸积累后不断地透过细胞膜分泌到培养基中得到积累。谷氨酸发酵受环境条件影响很大，氧、铵、pH、生物素等若控制不当，往往会发生发酵转换现象。利用此原理可以人为地控制环境使发酵发生转换。三、谷氨酸发酵的工艺控制（一）培养基1.碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃（1）淀粉水解糖的制备（2）糖蜜原料目前以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生物素缺陷型2.氮源：铵盐、尿素、氨水C/N＝100：1521，实际高达100：28因为：1）用于调整pH。2）分解产生的NH3从发酵液中逸出。产酸阶段：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。3.无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中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：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）缩合生成缬氨酸的前体物——－乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积。4.生长因子：生物素作用：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，进而影响磷酯的合成。（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。b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。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。目前生产上以玉米浆、麸皮煮出汁、糖蜜等天然原料作为其来源。浓度一般为2---5μg/L。若生物素缺乏—菌体生长不好，谷氨酸产量低（二）pH的影响及其控制作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。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7--8。方法：流加尿素和氨水。（三）温度的影响及其控制菌体生长达一定程度后开始产生氨基酸，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℃产酸阶段：3537℃四、谷氨酸的生产工艺谷氨酸的生产工艺包括发酵和提纯两部分。生产工艺示意图1、发酵方法①发酵培养基：发酵培养基组成的质量分数（％）如下：水解糖12～14KCl：0.05MgSO4•7H2O0.06尿素0.5～0.8玉米浆0.6mlpH7.0Na2HPO20.17其种子培养基为：一级种子培养基中含糖量要低，一般在2.5％左右，其配方的质量分数（％）如下：葡萄糖2.5K2HPO40.1玉米浆2.5～3.0mlMgSO4•7H2O0.04pH7.0二级培养基组成的质量分数（％）水解糖3.0尿素0.6水解糖0.5～0.6MgSO4•7H2O0.1～0.2pH7.0②培养条件：一级种子培养条件在1000ml三角烧瓶中，装入一级种子培养基180～200ml，以8层纱布覆盖瓶口，并用细绳扎紧，瓶口外再用牛皮纸裹紧，同样用细绳扎牢。将三角烧瓶放在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌后接种，然后置摇床上，在30～32℃振荡培养10～12小时。2.提取方法谷氨酸的提取方法有水解等电点法、低温等电点法、离子交换法、等电点离子交换法、盐酸盐法、锌盐法、钙盐法、电渗析法等方法。其中以等电点法和离子交换法较普遍。①等电点法谷氨酸的等电点为pI=3.22故将发酵液用盐酸调节到pH=3.22，谷氨酸就可分离析出。此法操作方便，设备简单，一次收率达70％左右；缺点是周期长，占地面积大。下图表示等电点法提取谷氨酸的工艺流程。等电点法提取谷氨酸工艺流程②离子交换法当发酵液的pH值低于3.22时，谷氨酸以阳离子状态存在，可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨酸阳离子，并可用碱洗下来，收集谷氨酸洗脱流分，经冷却，加盐酸调pH=3.0～3.2进行结晶,再用离心分离机分离即可得谷氨酸结晶.此法过程简单,周期短,设。设备省，占地少，提取总收率可达85～90％，缺点是酸碱用量大,废液污染环境。下图表示离子交换法提取谷按酸的工艺流程。离子交换法提取谷氨酸的工艺流程五、谷氨酸钠（味精）的生产１．谷氨酸的中和味精是谷氨酸单钠盐谷氨酸的饱和溶液加碱进行中和，中和反应的pH值应控制在第二等电点pH=6.96。当pH值太高时，生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。。２．中和液的除铁、除锌由于生产原料不纯、生产设备腐蚀及生产工艺等原因，使中和液中铁、锌离子超标，必须将其除去。目前除铁、锌离子的方法主要有硫化钠和树脂法两种。硫化钠法是利用硫化钠可与Fe2+、Zn2+反应生成硫化盐沉淀而除去铁、锌杂质。树脂法是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸附铁或锌得以将其除去。这种方法不但解决了硫化法引起的环境污染问题，改善了操作条件，而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁方法3．谷氨酸中和液的脱色一般谷氨酸中和液都具有深浅不同的褐色色素，必须在结晶前将其脱除，常用的脱色方法有活性炭脱色法和离子交换树脂法两种。活性脱色主要是粉末状的药用炭和GH-15颗粒活性炭两种。粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱色后除去铁，另一种方法是中和液洗涤除铁，用谷氨回调pH=6.2～6.4蒸汽加热60℃，使谷氨酸全部溶解，再加入适量的活性炭脱色。经粉末活性炭脱色后，往往透光率达不到要求，需进入GH-15活性炭进行最后一步脱色工序。离子交换树脂的脱色主要靠树脂的多孔表面对色素进行吸附，主要是树脂的基团与色素的某些基团形成共价健，因而对杂质起到吸附与交换作用，一般选用弱碱性阳离子交换树脂。（4）中和液的浓缩与结晶谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想从溶液中析出结晶，必须除去大量的水，使溶液达到饱和状态。工业上为了避免温度太高，谷氨酸钠脱水变成焦谷氨酸钠，都采用减压蒸性发法来进行中和液的浓缩和结晶，真空度一般在80kPa以上，温度为65～70℃。为了使味精结晶颗粒整齐，一般采用投晶种结晶法，完成结晶后，经离心机分离，振动床干燥、筛分，再经过包装，即成成品味精。味精对人体的重要性1、生物化学的研究显示，味精中的谷氨酸是生物体内氨基酸和碳水化合物代谢的重要桥梁。2、美国Reeds博士的最新研究发现，饮食中的谷氨酸进入消化道时，提供消化道表面细胞代谢所需的大部分能量，也提供其合成必需氨基酸所需的材料。3、Schiffman教授的研究证实，食物中添加味精可以增加正常老人和患病老人的摄食量，也显著地改善营养状况和身体免疫力。1.不要在滚烫的锅中加入，而要在菜肴快出锅时加入。因为谷氨酸钠在温度高于120℃时，会变为焦点谷氨酸钠，食后对人体有害，且难以排出体外。2.不宜在酸性食物中添加味精，如糖醋鱼、糖醋里脊等。味精呈碱性，在酸性食物中添加会引起化学反应，使菜肴走味。3.在含有碱性的原料中不宜使用味精，味精遇碱会化合成谷氨酸二钠，会产生氨水臭味,使鲜味降低，甚至失去其鲜味。味精的使用注意事项(5点)4.注意咸淡程度。如果太咸，味精就可能吃不出鲜味，食盐与味精的比例在3：1或4：1范围内，即可达到圆润柔和的口味，作凉拌菜时宜先溶解后再加入。因为味精的溶解温度为85℃，低于此温度，味精难以分解。5.高汤、鸡肉、鸡蛋、水产制出的菜肴中不用再放味精。第二节有机酸的生产工艺有机酸发酵工业是生物工程领域中的一个重要且较为成熟的分支,在世界经济发展中,占有一定的地位。有机酸在传统发酵食品中早已得到广泛应用,以微生物发酵法生产且达到工业生产规模的产品已有十几种。用微生物发酵法生产有机酸,以代替从水果和蔬菜等植物中提取有机酸,是近年来由于社会及市场的需要而开发出的方法。由于食品、医药、化学合成等工业的发展，有机酸需求骤增，发酵法生产有机酸逐渐发展成为近代重要的工业领域。•从消费量上来看，美国人均消费150g/年.人；日本为30g，中国仅有3~5