1908年经池田菊苗鉴定,日本传统上用作调味品的一种海藻昆布的增味特性是由L一谷氨酸产生的。此发现导致第二年由味之素公司工业生产L一谷氨酸;在那时,水解麦鼓和大豆蛋白质得到L一谷氨酸。1957年木下祝郎等分得一株L一谷氨酸产生菌,并用发酵法工业生产L一谷氨酸,并相继研究出发酵技术,从此开创了氨基酸发酵的历史。

1.氨基酸的用途

①食品工业 ： 增鲜剂，甜味剂 ②医药上的应用 ：营养型用药 治疗型用药

③饲料行业 ④化学工业 ：洗涤剂

⑤农业 ⑥化妆品：护发素 面霜

2.氨基酸的生产方法

氨基酸发酵,就是以糖类和铵盐为主要原料的培养基中培养微生物,积累特定的氨基酸。

①发酵法：直接发酵法和添加前体发酵法

②提取法（extraction）：蛋白质水解，从水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。

③酶法（Enzyme）：利用微生物细胞(微生物)产生的酶来制造氨基酸。

④合成法（synthesis）：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。

3.国内外氨基酸生产企业

日本Ajinomoto 、韩国cJ、日本Kyowa Hakko以及韩国BASF和美国ADM及德国Degussa

4.学习氨基酸工艺学的目的、研究对象、任务及其内容

氨基酸发酵工业：是利用发酵微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业 。

研究目的：探讨氨基酸发酵工厂的生产技术。

研究对象：生产过程、微生物生化问题、分析设备问题。

学习任务：生产中的具体问题、育种问题、代谢控制问题、分离精制的原理方法、具有育种、探索新工艺、科研能力。

5.谷氨酸发酵的水解糖液必需具备的条件

①淀粉质量好，不能有霉变

②淀粉浓度尽可能低

③糖液中不含糊精

④糖液要清，色泽要浅

⑤糖液要新

⑥蛋白质含量－高时易产生泡沫

⑦水解糖的质量标准：色泽要浅黄色，透明，无糊精，还原糖98%左右，DE值90%以上，透光率60%以上，pH4.6-4.8。

6.淀粉的水解方法

①酸解法：特点：工艺简单、水解时间短，生产效率高，设备周转快

②酸酶法 特点： 采用酸酶法水解淀粉制糖，具有酸液化速度快的优点。糖化是由酶来完成的，因而可采用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率。用此法，酸用量少，产品颜色浅，糖液质量高。

③双酶法 优点：

（1）水解糖液纯度高，DE值可达98%以上，使糖液得到充分利用。

（2）反应条件较温和。

（3）可以在较高的淀粉浓度下水解

（4）可用粗原料。

（5）双酶法制得的糖液颜色浅，较纯净，无苦味，质量高。

（6）减少粮食消耗。

缺点：

（1）酶反应时间长，生产周期长，夏天糖液容易变质

（2）酶本身是蛋白质，引起糖液过滤困难。

（3）要求设备较多，水解条件要求严格。

7.淀粉酸水解的化学反应分复合反应、分解反应、酸解。

8.谷氨酸的生物合成包括酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(HMP途径)、三羧酸循环(TCA循环)、乙醛酸循环、伍德－沃克曼反应(CO2固定反应等)。

9.生成谷氨酸的主要酶促反应

（1）谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应

α-酮戊二酸+NH4+ +NADPH2——→谷氨酸+H2O+NADP

GHD

(2)转氨酶(AT)催化的转氨反应

(3)谷氨酸合成酶(Gs)催化的反应

10.谷氨酸生物合成的调节机制

一、优先合成与反馈调节

(1) 、优先合成

(2) 、反馈调节

①谷氨酸脱氢酶(GDH)的调节 谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在着反馈抑制和反馈阻遏。

②柠檬酸合成酶的调节 柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏和乌头酸的反馈抑制。

③异柠檬酸脱氢酶的调节 异柠檬酸脱氢酶催化的异柠檬酸脱氢脱羧生成aα-酮戊二酸的反应和谷氨酸脱氢酶催化的aα-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸的反应是一对氧化还原共轭反应，细胞内aα -酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡。当aα -酮戊二酸过量时对异柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用，停止合成。

④a -酮戊二酸脱氢酶在谷氨酸产生菌中先天性地丧失或微弱。

⑤磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶受天冬氨酸的反馈抑制，受谷氨酸和天冬氨酸的反馈阻遏。

二、糖代谢的调节

1、能荷控制(细胞内的能量水平)

2．生物素对糖代谢的调节

(1)生物素对糖代谢速度的影响

生物素对糖代谢的影响主要是影响糖解速度

(2)生物素对CO 2固定反应的影响

①由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化的反应

②由丙酮酸羧化酶催化的反应

③先由苹果酸酶所催化，进行还原羧化作用，生成苹果酸。然后再生成草酰乙酸：

(3)生物素对乙醛酸循环的影响

乙醛酸循环中关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。

①异柠檬酸裂解酶催化的反应

②苹果酸合成酶催化的反应

三、氮代谢的调节

控制谷氨酸发酵的另外一个关键因素就是降低蛋白质的合成能力，使合成的谷氨酸不去转化成其它氨基酸和参与蛋白质的合成。

四、其它调节

除了上述调节机制外，发现在以醋酸或石蜡为碳源时，铜离子对谷氨酸的生物合成具有调节作用。

11.以葡萄糖为原料发酵生产谷氨酸时，几乎看不到异柠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，所以为醋酸所诱导形成的异柠檬酸 裂解酶就很少。②由于该酶受琥珀酸阻遏，在生物素亚适量条件下，因琥珀酸氧化能力降低而积累的琥珀酸就会反馈抑制该酶的活性，并阻遏该酶的生成，乙醛酸循环基本上是封闭的。这样就使代谢流向异柠檬酸g a－酮戊二酸g谷氨酸的方向高效率地移动。

12.淀粉酸水解原理

原理：酸作用于淀粉能生成糖，最后生成葡萄糖。

酸 分解 氨基酸

酸法：淀粉－－→葡萄糖——→5-羟甲基糠醛——→色素

↓复合反应

二糖

13.控制磷脂的合成，导致形成磷脂合成不足的不完全的细胞膜（在谷氨酸发酵中如何控制细胞膜渗透性）

一.a、生物素缺陷型（使用生物素缺陷型菌种进行生产的时候，必须控制生物素的用量）

1．作用机制

生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸的合成，进而影响磷脂的合成。

当磷脂合成减少到正常量的1/2左右时，细胞变形，谷氨酸向膜外漏出，积累于发酵液中。

2．控制的关键

必须亚适量控制生物素

如果生物素过剩，就会出现只是长菌而不产酸的现象或者长菌好而产酸低。

b．添加表面活性剂（吐温）或者饱和脂肪酸

使用生物素过量的糖蜜原料发酵生产谷氨酸时，通过添加表面活性剂或者高级饱和脂肪酸（C16-18）及其亲水聚醇酯类，同样能清除渗透屏障物，积累谷氨酸。

1．作用机制

在不饱和脂肪酸的合成过程中，作为抗代谢物具有抑制作用，对生物素有拮抗作用。通过拮抗生物素的生物合成，导致磷脂合成不足，结果形成磷脂不足的细胞膜。提高了细胞膜对脂肪酸的渗透性。

2．影响产酸的关键 必须控制好添加表面活性剂、不饱和脂肪酸的时间与浓度，必须在药剂添加之后

C．油酸缺陷型 使用油酸缺陷型菌株进行谷氨酸发酵时，必须限制发酵培养基中油酸的浓度

油酸过量时，只长菌不产酸，或者长菌好而产酸低

d．甘油缺陷型 使用甘油缺陷型菌株进行谷氨酸发酵时，必须限制发酵培养基终甘油的浓度

二.阻碍谷氨酸菌细胞壁的合成，形成不完全的细胞壁，进而导致形成不完全的细胞膜

第一.①、作用机制

添加青霉素是抑制谷氨酸生产菌细胞壁的后期合成，主要是抑制糖肽转移酶，影响细胞壁糖肽的合成。

②、影响产酸的关键

在生长的对数期阶段添加青霉素是影响产酸的关键。

第二.物理控制方法 利用温度敏感型细胞进行谷氨酸发酵时，由于仅仅控制温度就能实现谷氨 酸的生产，所以我们把这种新工艺称为物理控制方法。

F（1）突变位置

（2）影响产酸的关键 在生长的什么阶段转化温度是影响产酸的关键

第三、强制控制工艺的要点和实例

14.谷氨酸生产菌主要是棒杆菌、短杆菌、小杆菌及节杆菌。

15.谷氨酸发酵的代谢控制育种日常菌种工作

①、定期分纯(一般1～2个月分纯一次)

②、小剂量诱变刺激（紫外线、通电、激光）

③、高产菌制作安瓿管

16.选育耐高渗透压菌株

①．耐高糖： 选在20~30%葡萄糖的平板上生长好的突变株

②.耐高谷氨酸 ：选育在15~20%味精的平板上生长好的突变株

③.耐高糖、高谷氨酸 ：选育在20%葡萄糖加15%味精的平板上生良好的突变株。

17.选育不分解利用谷氨酸的突变株

以谷氨酸为唯一碳源菌体不长或生长微弱的突变株

（1）平板法 ：选育不长或生长微弱的菌。

（2）摇瓶法 ：选育OD值净增极少的菌。

18.发酵培养基：谷氨酸发酵培养基包括碳源、氮源、无机盐、生长因子及水等。

19.发酵培养基，温度，PH值，供氧，二氧化碳，泡沫等对谷氨酸发酵的影响

一.培养基

谷氨酸发酵培养基包括碳源、氮源、无机盐、生长因子及水等。

培养基中糖浓度对发酵的影响

培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有很大影响。在一定的范围内，谷氨酸产量随糖浓度增加而增加，但糖浓度过高对菌体生长和发酵均不利。

氮源

氮源是合成菌体蛋白质、核酸等含氮物质和合成谷氨酸氨基的来源；另一部分氨用于调节PH值，形成谷氨酸氨盐。谷氨酸发酵的碳氮比为100：15～30。当碳氮比在100：11以上才开始累积谷氨酸

常用氮源 无机氮 有机氮

（1）尿素 蛋白质

（2）液氨 胨

（3）碳酸氢铵 氨基酸

尿素的用途：组成菌体含氮部分

组成谷氨酸的氨基

调节pH值，形成谷氨酰胺

无机盐：

无机盐是微生物生命活动所不可缺少的物质。其主要功能是构成菌体成分；作为酶的组成部分；酶的激活剂或抑制剂；调节培养基的渗透压；调节pH值和氧化还原电位等。

①磷酸盐

磷是某些蛋白质和核酸的组成成分。腺二磷(ADP)、腺三磷(ATP)是重要的能量传递者。参与一系列的代谢反应。磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用。

磷量对谷氨酸发酵影响很大。磷浓度过高时，菌体的代谢转向合成缬氨酸，但磷含量过低，菌体生长不好。

②硫酸镁

镁是某些细菌的叶绿素的组成成分，此外并不参与任何细胞结构物质的组成，但它的离子状态是许多重要的酶(如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、羧化酶等)的激活剂。

硫存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨酸酸的组成成分。硫是构成一些酶的活性基团。

③钾盐

钾不参与细胞结构物质的组成。它是许多酶的激活剂。谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要量高。

菌体生长需钾量约为0.1g/L (以K 2SO4计)，谷氨酸积累需钾量为0. 2～ 1.0g/L 。钾对谷氨酸发酵有影响，钾盐不足时长菌体，钾盐充足时产谷氨酸。

④微量元素

一般作为碳氮源的农副产物天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加。

某些金属离子，特别是汞和铜离子，具有明显的毒性，抑制菌体生长和影响谷氨酸的合成，因此，必须避免有害离子加入到培养基中。

生长因子

①生物素

如果生物素过量，就大量繁殖而不产或少产谷氨酸，而产乳酸或琥珀酸。在生产 中表现为长菌快，耗糖快，pH值低，尿素消耗多。

若生物素不足，菌体生长不好，谷氨酸产量也低。表现为长菌慢，耗糖慢，发酵周期长。

②维生素B1（硫胺素）

维生素B1对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用

二.温度对谷氨酸发酵的影响

正面影响

从酶反应动力学来看，温度升高，反应速度加快，生长速度快，产物生成提前。

负面影响

①酶是蛋白质，受热容易失活，温度愈高失活愈快。 ②温度高，菌体易衰老。 ③温度还通过影响发酵液的性质来间接影响发酵。

谷氨酸发酵

最适温度为35～37℃，温度高，菌体易衰老，表现为OD值增长慢，耗糖慢，pH值升高，发酵周期长，谷氨酸生成少。

三.pH值对谷氨酸发酵的影响

①影响酶的活性

②影响微生物细胞膜所带电荷，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄。

③影响培养基某些营养物质和中间代谢产物的离解，进而影响微生物对这些物质的吸收。

④ pH值的改变，引起菌体代路途径的改变，使代谢产物发生变化。

pH值的调节方法：（1）添加碳酸钙法。（2）液氨或氨水添加法。（3）尿素流加法

四.供氧对谷氨酸发酵的影响

糖浓度高、生物素含量高，需氧量大。

糖浓度低、生物素含量低、需氧量小。

CO2对谷氨酸发酵的影响

（1）促进固定反应

由磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酰乙酸，提供合成谷氨酸所必须的四碳二羧酸，无CO2 存在时，这一步无法进行。

（2）CO2过高，影响菌体正常呼吸

（3）与供氧相比， CO2的作用很小

五.泡沫 泡沫是空气溶解在发酵液中和产生二氧化碳的结果

泡沫的消除方法 ①物理方法：改变温度

②机械法：优点：可节省原料；防止污染。

缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素。

③化学消泡剂 优点：消泡效果好，作用快。

缺点：需消泡剂，可增加染菌机会；氧的传递及菌体代谢；

20.发酵热：引起发酵过程温度变化的原因是发酵过程所产生的热量

发酵热包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热等。

21.提炼：将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的谷氨酸提取出来，再进一步中和、除铁、加工精制成谷氨酸单钠盐（俗称味精）这个过程叫提炼。

22.谷氨酸的提取原理：谷氨酸在生产上可以分为谷氨酸提取与精制两个阶段。谷氨酸的分离提纯通常应用它的两性电解质的性质，谷氨酸的溶解度、分子大小、吸附剂的作用以及谷氨酸的成盐作用等，可以把发酵液中的谷氨酸提取出来。

23.谷氨酸的提取工艺

（1）等电点法 将发酵液加盐酸调节pH至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出，其收率可以达到60%～70%。如果采用冷冻低温等电点法，液温冷冻至5℃以下，收率可以达到78%左右。

（2）离子交换法 先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸将发酵液调至一定的pH， 采用阳离子交换树脂吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯的目的

（3）金属盐法 金属盐法包括锌盐法和钙盐法，既利用谷氨酸与锌离子、钙离子、钴离子等金属离子作用，生成难溶于水的谷氨酸金属盐，沉淀析出，在酸性环境中谷氨酸金属盐被分解，在pH2.4时，谷氨酸溶解度最小，重新以谷氨酸形式结晶析出。

（4）盐酸水解－等电点法 发酵液经浓缩后加盐酸水解，可回收部分谷氨酸，从而使谷氨酸的提取收率和谷氨酸质量得到提高

（5）离子交换膜电渗析法提取谷氨酸 根据渗透膜对各种离子的选择渗透性不同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。

24.发酵液的主要成分

(1) 谷氨酸为L－型，以谷氨酸铁盐形式存在

(2) 无机盐，有K+ 、N a+ 、NH4+ 、Mg++ 、Ca++ 、Fe++ 、Cl－、SO32－、PO43－等、还有残糖、色素、尿素及消泡用的花少油、豆油或合成消泡剂等

(3)大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发酵液中，湿菌体约占发酵液的5—8%。

(4) 发酵副产物，如：有机酸类、氨基酸类。

(5) NH4+0.6~0.8%、残糖1%以下。

(6)核苷酸类物质及其降解产物

25.谷氨酸的结晶 ： α －型结晶 。β－型结晶

26.影响谷氨酸结晶的主要因素

(1)谷氨酸含量对结晶晶型的影响

(2)温度与降温速度对谷氨酸发酵：结晶析出温度小于30 ℃控制液温缓慢下降，不可回升

(3)加酸速度与终pH的影响：当pH＞5时，可以快些；pH＜5时，加酸速度要慢，出现晶核时，要立即停止加酸

(4)投晶种与育晶 投晶种要控制投入时间和pH

(5)搅拌的影响：有利于晶体长大，搅拌太快引起晶体的磨损，结晶细小。太慢晶体下沉，形成微晶细核。

(6)菌体的影响 菌体影响谷氨酸结晶，不易与谷氨酸分离。

(7)残糖的影响

(8)L-谷氨酰胺对晶型的影响

(9)杂菌和噬菌体的影响

(10)水解糖液质量对晶型的影响

(11)发酵液pH值对晶型的影响

(12)不同菌种对提取的影响

27.等电点工艺的类型

带菌体直接常温等电点；

带菌体冷冻低温一次等电点：

除菌体常温等电点；

浓缩水解等电点

低温浓缩等电点等。

28.732#阳离子交换树脂，发酵液中不同阳离子在交换树脂中的分层比较明显。按其对强酸性阳离子交换树脂的亲和力大小，程序依次为：Ca++＞Mg+＞ K+＞NH4+＞ Na+碱性氨基酸＞ 中性氨基酸＞谷氨酸＞天门冬氨酸

29.产生DL－谷氨酸钠的原因

①中和操作过程中，先加碱，后加谷氨酸，在高温度下，长时间处于强碱性，使L－谷氨酸钠转为DL－谷氨酸钠消旋化反应，使谷氨酸钠含量下降。

② pH值对味精含量的影响 谷氨酸钠溶液随pH升高，在高温下，长时间加热，谷氨酸钠破坏也随着增加。且随pH升高，碱性增加，消旋化程度增加。

③不同加热时间对味精含量的变化曲线 随着加热时间的延长，DL－谷氨酸钠的含量增加。

30.谷酸中和的工艺条件

（1）投料比

湿谷氨酸∶水（或渣水）≈1∶2

湿谷氨酸∶纯碱≈1∶0.3～0.34

湿谷氨酸∶活性炭≈1∶0.01（旧炭或新炭）

（2）中和温度：夏天60℃，冬天65℃。

（3）中和pH值要求：中性pH6.96

（4）中和液浓度：21～23°Bé。

31.中和液中铁、锌离子的来源

铁离子的来源①生产原材料不纯 设备的腐蚀

锌离子的来源：提取工艺采用锌盐法

32.除铁的方法

（1）硫化钠除铁 （2）树脂除铁

33. 谷氨酸中和液的脱色

色素带入味精成品中，会影响味精的色泽和纯度

一、色素的来源

（1）生产过程的化学反应产生有色物质

淀粉水解

葡萄糖与氨基酸结合（热）

（2）生产过程中操作不当

硫化碱用量不当（中和）

脱色的方法 ：1、活性炭脱色 2、离子交换树脂的脱色

34.工业生产中都是采用蒸发的方法进行中和液的浓缩

蒸发方法： 蒸发有常压蒸发和减压蒸发两种

35.蒸发过程中产生焦谷氨酸钠

产生原因：蒸发过程中谷氨酸－钠溶液加热脱水环化

36.结晶包括3个过程：(1)形成饱和溶液；(2)晶核形成；(3)晶体生长。

37.工业生产上结晶有三种不同起晶方法

（1）自然起晶法 （2）刺激起晶法 （3）晶种起晶法

38.味精发红的原因

（1）母液除铁不净，含有铁离子；

（2）母液接触铁器，或味精接触铁器；

（3）GH－15颗粒炭盐酸再生不完全，解析铁离子不彻底，带入母液中。

39.味精发灰主要是压滤过程活性炭粉末带入母液中或GH－15颗粒炭清洗不净，留有活性炭末子，特别遇到炭柱沥干，上柱使大量空气进入，产生气泡，打乱碳层，使炭末带入脱色液中，使制成味精出现灰色。

40.味精发青主要是母液除铁硫化钠过量的原因。

41.味粉混浊的原因

①、硫化钠过量产生混浊

②、消泡油过量产生混浊

③、味粉中夹带DL－谷氨酸钠使溶液混浊

④、原材料质量差产生混浊

42.赖氨酸学名2，6－二氨基己酸，有L型和D型两种构型。

43.赖氨酸生产菌及扩大培养

生产菌株

细菌: 棒杆菌、短杆菌、假单胞菌、埃希氏菌、芽孢杆菌

真菌: 酵母、假丝酵母、隐球酵母

44.赖氨酸发酵工艺条件

①、温度

前期32 ℃ ，中后期34℃

②、pH控制

赖氨酸发酵控制pH6.5~7.5，最适6.5~7.0。在整个发酵过程控制pH平稳为好。

③、种龄和种量

二级种子，约2%，种龄为8～12h；三级种子，约10%，种龄6～8h；总之以对数生长期的种子为好。

④、供氧对赖氨酸发酵的影响

控制供氧充足，培养基丰富，耗氧量大。