1908年經池田菊苗鑑定,日本傳統上用作調味品的一種海藻昆布的增味特性是由L一谷氨酸產生的。此發現導致第二年由味之素公司工業生產L一谷氨酸;在那時,水解麥鼓和大豆蛋白質得到L一谷氨酸。1957年木下祝郎等分得一株L一谷氨酸產生菌,並用發酵法工業生產L一谷氨酸,並相繼研究出發酵技術,從此開創了胺基酸發酵的歷史。
基本介紹
- 中文名：胺基酸發酵
- 胺基酸的用途：食品工業
- 生產企業：日本Ajinomoto
- 生產方法：胺基酸發酵
1.胺基酸的用途
①食品工業 ： 增鮮劑，甜味劑 ②醫藥上的套用 ：營養型用藥 治療型用藥
③飼料行業 ④化學工業 ：洗滌劑
⑤農業 ⑥化妝品：護髮素 面霜
2.胺基酸的生產方法
胺基酸發酵,就是以糖類和銨鹽為主要原料的培養基中培養微生物,積累特定的胺基酸。
①發酵法：直接發酵法和添加前體發酵法
②提取法（extraction）：蛋白質水解，從水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。
③酶法（Enzyme）：利用微生物細胞(微生物)產生的酶來製造胺基酸。
④合成法（synthesis）：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。
3.國內外胺基酸生產企業
日本Ajinomoto 、韓國cJ、日本Kyowa Hakko以及韓國BASF和美國ADM及德國Degussa
4.學習胺基酸工藝學的目的、研究對象、任務及其內容
胺基酸發酵工業：是利用發酵微生物的生長和代謝活動生產各種胺基酸的現代工業 。
研究目的：探討胺基酸發酵工廠的生產技術。
研究對象：生產過程、微生物生化問題、分析設備問題。
學習任務：生產中的具體問題、育種問題、代謝控制問題、分離精製的原理方法、具有育種、探索新工藝、科研能力。
5.谷氨酸發酵的水解糖液必需具備的條件
①澱粉質量好，不能有霉變
②澱粉濃度儘可能低
③糖液中不含糊精
④糖液要清，色澤要淺
⑤糖液要新
⑥蛋白質含量－高時易產生泡沫
⑦水解糖的質量標準：色澤要淺黃色，透明，無糊精，還原糖98%左右，DE值90%以上，透光率60%以上，pH4.6-4.8。
6.澱粉的水解方法
①酸解法：特點：工藝簡單、水解時間短，生產效率高，設備周轉快
②酸酶法 特點： 採用酸酶法水解澱粉製糖，具有酸液化速度快的優點。糖化是由酶來完成的，因而可採用較高的澱粉乳濃度，提高生產效率。用此法，酸用量少，產品顏色淺，糖液質量高。
③雙酶法 優點：
（1）水解糖液純度高，DE值可達98%以上，使糖液得到充分利用。
（2）反應條件較溫和。
（3）可以在較高的澱粉濃度下水解
（4）可用粗原料。
（5）雙酶法製得的糖液顏色淺，較純淨，無苦味，質量高。
（6）減少糧食消耗。
缺點：
（1）酶反應時間長，生產周期長，夏天糖液容易變質
（2）酶本身是蛋白質，引起糖液過濾困難。
（3）要求設備較多，水解條件要求嚴格。
7.澱粉酸水解的化學反應分複合反應、分解反應、酸解。
8.谷氨酸的生物合成包括酵解途徑(EMP)、磷酸戊糖途徑(HMP途徑)、三羧酸循環(TCA循環)、乙醛酸循環、伍德－沃克曼反應(CO2固定反應等)。
9.生成谷氨酸的主要酶促反應
（1）谷氨酸脫氫酶(GHD)所催化的還原氨基化反應
α-酮戊二酸+NH4+ +NADPH2——→谷氨酸+H2O+NADP
GHD
(2)轉氨酶(AT)催化的轉氨反應
(3)谷氨酸合成酶(Gs)催化的反應
10.谷氨酸生物合成的調節機制
一、優先合成與反饋調節
(1) 、優先合成
(2) 、反饋調節
①谷氨酸脫氫酶(GDH)的調節 谷氨酸對谷氨酸脫氫酶存在著反饋抑制和反饋阻遏。
②檸檬酸合成酶的調節 檸檬酸合成酶是三羧酸循環的關鍵酶，除受能荷調節外，還受谷氨酸的反饋阻遏和烏頭酸的反饋抑制。
③異檸檬酸脫氫酶的調節 異檸檬酸脫氫酶催化的異檸檬酸脫氫脫羧生成aα-酮戊二酸的反應和谷氨酸脫氫酶催化的aα-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸的反應是一對氧化還原共軛反應，細胞內aα -酮戊二酸的量與異檸檬酸的量需維持平衡。當aα -酮戊二酸過量時對異檸檬酸脫氫酶發生反饋抑制作用，停止合成。
④a -酮戊二酸脫氫酶在谷氨酸產生菌中先天性地喪失或微弱。
⑤磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的調節。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶受天冬氨酸的反饋抑制，受谷氨酸和天冬氨酸的反饋阻遏。
二、糖代謝的調節
1、能荷控制(細胞內的能量水平)
2．生物素對糖代謝的調節
(1)生物素對糖代謝速度的影響
生物素對糖代謝的影響主要是影響糖解速度
(2)生物素對CO 2固定反應的影響
①由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化的反應
②由丙酮酸羧化酶催化的反應
③先由蘋果酸酶所催化，進行還原羧化作用，生成蘋果酸。然後再生成草醯乙酸：
(3)生物素對乙醛酸循環的影響
乙醛酸循環中關鍵酶是異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。
①異檸檬酸裂解酶催化的反應
②蘋果酸合成酶催化的反應
三、氮代謝的調節
控制谷氨酸發酵的另外一個關鍵因素就是降低蛋白質的合成能力，使合成的谷氨酸不去轉化成其它胺基酸和參與蛋白質的合成。
四、其它調節
除了上述調節機制外，發現在以醋酸或石蠟為碳源時，銅離子對谷氨酸的生物合成具有調節作用。
11.以葡萄糖為原料發酵生產谷氨酸時，幾乎看不到異檸檬酸裂解酶的活性的原因
原因：①丙酮酸氧化能力下降，醋酸的生成速度慢，所以為醋酸所誘導形成的異檸檬酸 裂解酶就很少。②由於該酶受琥珀酸阻遏，在生物素亞適量條件下，因琥珀酸氧化能力降低而積累的琥珀酸就會反饋抑制該酶的活性，並阻遏該酶的生成，乙醛酸循環基本上是封閉的。這樣就使代謝流向異檸檬酸g a－酮戊二酸g谷氨酸的方向高效率地移動。
12.澱粉酸水解原理
原理：酸作用於澱粉能生成糖，最後生成葡萄糖。
酸 分解 胺基酸
酸法：澱粉－－→葡萄糖——→5-羥甲基糠醛——→色素
↓複合反應
二糖
13.控制磷脂的合成，導致形成磷脂合成不足的不完全的細胞膜（在谷氨酸發酵中如何控制細胞膜滲透性）
一.a、生物素缺陷型（使用生物素缺陷型菌種進行生產的時候，必須控制生物素的用量）
1．作用機制
生物素作為催化脂肪酸生物合成最初反應的關鍵酶乙醯輔酶A羧化酶的輔酶，參與了脂肪酸的合成，進而影響磷脂的合成。
當磷脂合成減少到正常量的1/2左右時，細胞變形，谷氨酸向膜外漏出，積累於發酵液中。
2．控制的關鍵
必須亞適量控制生物素
如果生物素過剩，就會出現只是長菌而不產酸的現象或者長菌好而產酸低。
b．添加表面活性劑（吐溫）或者飽和脂肪酸
使用生物素過量的糖蜜原料發酵生產谷氨酸時，通過添加表面活性劑或者高級飽和脂肪酸（C16-18）及其親水聚醇酯類，同樣能清除滲透屏障物，積累谷氨酸。
1．作用機制
在不飽和脂肪酸的合成過程中，作為抗代謝物具有抑制作用，對生物素有拮抗作用。通過拮抗生物素的生物合成，導致磷脂合成不足，結果形成磷脂不足的細胞膜。提高了細胞膜對脂肪酸的滲透性。
2．影響產酸的關鍵 必須控制好添加表面活性劑、不飽和脂肪酸的時間與濃度，必須在藥劑添加之後
C．油酸缺陷型 使用油酸缺陷型菌株進行谷氨酸發酵時，必須限制發酵培養基中油酸的濃度
油酸過量時，只長菌不產酸，或者長菌好而產酸低
d．甘油缺陷型 使用甘油缺陷型菌株進行谷氨酸發酵時，必須限制發酵培養基終甘油的濃度
二.阻礙谷氨酸菌細胞壁的合成，形成不完全的細胞壁，進而導致形成不完全的細胞膜
第一.①、作用機制
添加青黴素是抑制谷氨酸生產菌細胞壁的後期合成，主要是抑制糖肽轉移酶，影響細胞壁糖肽的合成。
②、影響產酸的關鍵
在生長的對數期階段添加青黴素是影響產酸的關鍵。
第二.物理控制方法 利用溫度敏感型細胞進行谷氨酸發酵時，由於僅僅控制溫度就能實現谷氨 酸的生產，所以我們把這種新工藝稱為物理控制方法。
F（1）突變位置
（2）影響產酸的關鍵 在生長的什麼階段轉化溫度是影響產酸的關鍵
第三、強制控制工藝的要點和實例
14.現有谷氨酸生產菌主要是棒桿菌、短桿菌、小桿菌及節桿菌。
15.谷氨酸發酵的代謝控制育種日常菌種工作
①、定期分純(一般1～2個月分純一次)
②、小劑量誘變刺激（紫外線、通電、雷射）
③、高產菌製作安瓿管
16.選育耐高滲透壓菌株
①．耐高糖： 選在20~30%葡萄糖的平板上生長好的突變株
②.耐高谷氨酸 ：選育在15~20%味素的平板上生長好的突變株
③.耐高糖、高谷氨酸 ：選育在20%葡萄糖加15%味素的平板上生良好的突變株。
17.選育不分解利用谷氨酸的突變株
以谷氨酸為唯一碳源菌體不長或生長微弱的突變株
（1）平板法 ：選育不長或生長微弱的菌。
（2）搖瓶法 ：選育OD值淨增極少的菌。
18.發酵培養基：谷氨酸發酵培養基包括碳源、氮源、無機鹽、生長因子及水等。
19.發酵培養基，溫度，PH值，供氧，二氧化碳，泡沫等對谷氨酸發酵的影響
一.培養基
谷氨酸發酵培養基包括碳源、氮源、無機鹽、生長因子及水等。
培養基中糖濃度對發酵的影響
培養基中糖濃度對谷氨酸發酵有很大影響。在一定的範圍內，谷氨酸產量隨糖濃度增加而增加，但糖濃度過高對菌體生長和發酵均不利。
氮源
氮源是合成菌體蛋白質、核酸等含氮物質和合成谷氨酸氨基的來源；另一部分氨用於調節PH值，形成谷氨酸氨鹽。谷氨酸發酵的碳氮比為100：15～30。當碳氮比在100：11以上才開始累積穀氨酸
常用氮源 無機氮 有機氮
（1）尿素 蛋白質
（2）液氨 腖
（3）碳酸氫銨 胺基酸
尿素的用途：組成菌體含氮部分
組成谷氨酸的氨基
調節pH值，形成谷氨醯胺
無機鹽：
無機鹽是微生物生命活動所不可缺少的物質。其主要功能是構成菌體成分；作為酶的組成部分；酶的激活劑或抑制劑；調節培養基的滲透壓；調節pH值和氧化還原電位等。
①磷酸鹽
磷是某些蛋白質和核酸的組成成分。腺二磷(ADP)、腺三磷(ATP)是重要的能量傳遞者。參與一系列的代謝反應。磷酸鹽在培養基中還具有緩衝作用。
磷量對谷氨酸發酵影響很大。磷濃度過高時，菌體的代謝轉向合成纈氨酸，但磷含量過低，菌體生長不好。
②硫酸鎂
鎂是某些細菌的葉綠素的組成成分，此外並不參與任何細胞結構物質的組成，但它的離子狀態是許多重要的酶(如己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、羧化酶等)的激活劑。
硫存在於細胞的蛋白質中，是含硫氨酸酸的組成成分。硫是構成一些酶的活性基團。
③鉀鹽
鉀不參與細胞結構物質的組成。它是許多酶的激活劑。谷氨酸發酵產物生成所需要的鉀鹽比菌體生長需要量高。
菌體生長需鉀量約為0.1g/L (以K 2SO4計)，谷氨酸積累需鉀量為0. 2～ 1.0g/L 。鉀對谷氨酸發酵有影響，鉀鹽不足時長菌體，鉀鹽充足時產谷氨酸。
④微量元素
一般作為碳氮源的農副產物天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加。
某些金屬離子，特別是汞和銅離子，具有明顯的毒性，抑制菌體生長和影響谷氨酸的合成，因此，必須避免有害離子加入到培養基中。
生長因子
①生物素
如果生物素過量，就大量繁殖而不產或少產谷氨酸，而產乳酸或琥珀酸。在生產 中表現為長菌快，耗糖快，pH值低，尿素消耗多。
若生物素不足，菌體生長不好，谷氨酸產量也低。表現為長菌慢，耗糖慢，發酵周期長。
②維生素B1（硫胺素）
維生素B1對某些谷氨酸菌種的發酵有促進作用
二.溫度對谷氨酸發酵的影響
正面影響
從酶反應動力學來看，溫度升高，反應速度加快，生長速度快，產物生成提前。
負面影響
①酶是蛋白質，受熱容易失活，溫度愈高失活愈快。 ②溫度高，菌體易衰老。 ③溫度還通過影響發酵液的性質來間接影響發酵。
谷氨酸發酵
最適溫度為35～37℃，溫度高，菌體易衰老，表現為OD值增長慢，耗糖慢，pH值升高，發酵周期長，谷氨酸生成少。
三.pH值對谷氨酸發酵的影響
①影響酶的活性
②影響微生物細胞膜所帶電荷，從而改變細胞膜的滲透性，影響微生物對營養物質的吸收和代謝產物的排泄。
③影響培養基某些營養物質和中間代謝產物的離解，進而影響微生物對這些物質的吸收。
④ pH值的改變，引起菌體代路途徑的改變，使代謝產物發生變化。
pH值的調節方法：（1）添加碳酸鈣法。（2）液氨或氨水添加法。（3）尿素流加法
四.供氧對谷氨酸發酵的影響
糖濃度高、生物素含量高，需氧量大。
糖濃度低、生物素含量低、需氧量小。
CO2對谷氨酸發酵的影響
（1）促進固定反應
由磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草醯乙酸，提供合成谷氨酸所必須的四碳二羧酸，無CO2 存在時，這一步無法進行。
（2）CO2過高，影響菌體正常呼吸
（3）與供氧相比， CO2的作用很小
五.泡沫 泡沫是空氣溶解在發酵液中和產生二氧化碳的結果
泡沫的消除方法 ①物理方法：改變溫度
②機械法：優點：可節省原料；防止污染。
缺點：不能從根本上消除引起泡沫穩定的因素。
③化學消泡劑 優點：消泡效果好，作用快。
缺點：需消泡劑，可增加染菌機會；氧的傳遞及菌體代謝；
20.發酵熱：引起發酵過程溫度變化的原因是發酵過程所產生的熱量
發酵熱包括生物熱、攪拌熱、蒸發熱和輻射熱等。
21.提煉：將谷氨酸生產菌在發酵液中積累的谷氨酸提取出來，再進一步中和、除鐵、加工精製成谷氨酸單鈉鹽（俗稱味素）這個過程叫提煉。
22.谷氨酸的提取原理：谷氨酸在生產上可以分為谷氨酸提取與精製兩個階段。谷氨酸的分離提純通常套用它的兩性電解質的性質，谷氨酸的溶解度、分子大小、吸附劑的作用以及谷氨酸的成鹽作用等，可以把發酵液中的谷氨酸提取出來。
23.谷氨酸的提取工藝
（1）等電點法 將發酵液加鹽酸調節pH至谷氨酸的等電點，使谷氨酸沉澱析出，其收率可以達到60%～70%。如果採用冷凍低溫等電點法，液溫冷凍至5℃以下，收率可以達到78%左右。
（2）離子交換法 先將發酵液稀釋至一定濃度，用鹽酸將發酵液調至一定的pH， 採用陽離子交換樹脂吸附谷氨酸，然後用洗脫劑將谷氨酸從樹脂上洗脫下來，達到濃縮和提純的目的
（3）金屬鹽法 金屬鹽法包括鋅鹽法和鈣鹽法，既利用谷氨酸與鋅離子、鈣離子、鈷離子等金屬離子作用，生成難溶於水的谷氨酸金屬鹽，沉澱析出，在酸性環境中谷氨酸金屬鹽被分解，在pH2.4時，谷氨酸溶解度最小，重新以谷氨酸形式結晶析出。
（4）鹽酸水解－等電點法 發酵液經濃縮後加鹽酸水解，可回收部分谷氨酸，從而使谷氨酸的提取收率和谷氨酸質量得到提高
（5）離子交換膜電滲析法提取谷氨酸 根據滲透膜對各種離子的選擇滲透性不同而將谷氨酸分離，如電滲析和反滲透法。
24.發酵液的主要成分
(1) 谷氨酸為L－型，以谷氨酸鐵鹽形式存在
(2) 無機鹽，有K+ 、N a+ 、NH4+ 、Mg++ 、Ca++ 、Fe++ 、Cl－、SO32－、PO43－等、還有殘糖、色素、尿素及消泡用的花少油、豆油或合成消泡劑等
(3)大量菌體、蛋白質等固形物質懸浮在發酵液中，濕菌體約占發酵液的5—8%。
(4) 發酵副產物，如：有機酸類、胺基酸類。
(5) NH4+0.6~0.8%、殘糖1%以下。
(6)核苷酸類物質及其降解產物
25.谷氨酸的結晶： α －型結晶 。β－型結晶
26.影響谷氨酸結晶的主要因素
(1)谷氨酸含量對結晶晶型的影響
(2)溫度與降溫速度對谷氨酸發酵：結晶析出溫度小於30 ℃控制液溫緩慢下降，不可回升
(3)加酸速度與終pH的影響：當pH>5時，可以快些；pH<5時，加酸速度要慢，出現晶核時，要立即停止加酸
(4)投晶種與育晶 投晶種要控制投入時間和pH
(5)攪拌的影響：有利於晶體長大，攪拌太快引起晶體的磨損，結晶細小。太慢晶體下沉，形成微晶細核。
(6)菌體的影響 菌體影響谷氨酸結晶，不易與谷氨酸分離。
(7)殘糖的影響
(8)L-谷氨醯胺對晶型的影響
(9)雜菌和噬菌體的影響
(10)水解糖液質量對晶型的影響
(11)發酵液pH值對晶型的影響
(12)不同菌種對提取的影響
27.等電點工藝的類型
帶菌體直接常溫等電點；
帶菌體冷凍低溫一次等電點：
除菌體常溫等電點；
濃縮水解等電點
低溫濃縮等電點等。
28.732#陽離子交換樹脂，發酵液中不同陽離子在交換樹脂中的分層比較明顯。按其對強酸性陽離子交換樹脂的親和力大小，程式依次為：Ca++>Mg+> K+>NH4+> Na+鹼性胺基酸> 中性胺基酸>谷氨酸>天門冬氨酸
29.產生DL－谷氨酸鈉的原因
①中和操作過程中，先加鹼，後加谷氨酸，在高溫度下，長時間處於強鹼性，使L－谷氨酸鈉轉為DL－谷氨酸鈉消旋化反應，使谷氨酸鈉含量下降。
② pH值對味素含量的影響 谷氨酸鈉溶液隨pH升高，在高溫下，長時間加熱，谷氨酸鈉破壞也隨著增加。且隨pH升高，鹼性增加，消旋化程度增加。
③不同加熱時間對味素含量的變化曲線 隨著加熱時間的延長，DL－谷氨酸鈉的含量增加。
30.谷酸中和的工藝條件
（1）投料比
濕谷氨酸∶水（或渣水）≈1∶2
濕谷氨酸∶純鹼≈1∶0.3～0.34
濕谷氨酸∶活性炭≈1∶0.01（舊炭或新炭）
（2）中和溫度：夏天60℃，冬天65℃。
（3）中和pH值要求：中性pH6.96
（4）中和液濃度：21～23°Bé。
31.中和液中鐵、鋅離子的來源
鐵離子的來源①生產原材料不純 設備的腐蝕
鋅離子的來源：提取工藝採用鋅鹽法
32.除鐵的方法
（1）硫化鈉除鐵 （2）樹脂除鐵
33. 谷氨酸中和液的脫色
色素帶入味素成品中，會影響味素的色澤和純度
一、色素的來源
（1）生產過程的化學反應產生有色物質
澱粉水解
葡萄糖與胺基酸結合（熱）
（2）生產過程中操作不當
硫化鹼用量不當（中和）
脫色的方法 ：1、活性炭脫色 2、離子交換樹脂的脫色
34.工業生產中都是採用蒸發的方法進行中和液的濃縮
蒸發方法： 蒸發有常壓蒸發和減壓蒸發兩種
35.蒸發過程中產生焦谷氨酸鈉
產生原因：蒸發過程中谷氨酸－鈉溶液加熱脫水環化
36.結晶包括3個過程：(1)形成飽和溶液；(2)晶核形成；(3)晶體生長。
37.工業生產上結晶有三種不同起晶方法
（1）自然起晶法 （2）刺激起晶法 （3）晶種起晶法
38.味素發紅的原因
1）母液除鐵不淨，含有鐵離子；
（2）母液接觸鐵器，或味素接觸鐵器；
（3）GH－15顆粒炭鹽酸再生不完全，解析鐵離子不徹底，帶入母液中。
39.味素發灰主要是壓濾過程活性炭粉末帶入母液中或GH－15顆粒炭清洗不淨，留有活性炭末子，特別遇到炭柱瀝乾，上柱使大量空氣進入，產生氣泡，打亂碳層，使炭末帶入脫色液中，使製成味素出現灰色。
40.味素發青主要是母液除鐵硫化鈉過量的原因。
41.味粉混濁的原因
①、硫化鈉過量產生混濁
②、消泡油過量產生混濁
③、味粉中夾帶DL－谷氨酸鈉使溶液混濁
④、原材料質量差產生混濁
42.賴氨酸學名2，6－二氨基己酸，有L型和D型兩種構型。
43.賴氨酸生產菌及擴大培養
生產菌株
細菌: 棒桿菌、短桿菌、假單胞菌、埃希氏菌、芽孢桿菌
真菌: 酵母、假絲酵母、隱球酵母
44.賴氨酸發酵工藝條件
①、溫度
前期32 ℃ ，中後期34℃
②、pH控制
賴氨酸發酵控制pH6.5~7.5，最適6.5~7.0。在整個發酵過程控制pH平穩為好。
③、種齡和種量
二級種子，約2%，種齡為8～12h；三級種子，約10%，種齡6～8h；總之以對數生長期的種子為好。
④、供氧對賴氨酸發酵的影響
控制供氧充足，培養基豐富，耗氧量大。
