1、第六章 味精生产第一节第一节 概述概述 一、定义味精：L-谷氨酸单钠的一水化合物，俗称味精，它有强烈的肉类鲜味，将其添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，是食品的鲜味调味品。 味精主要物理性质n1、旋光性nL-谷氨酸钠为右旋，在20，2mol/L盐酸介质中的比旋光度为+25.16。n2、溶解度n可溶于水和酒精溶液，在水中随温度升高而增大；在酒精中随酒精浓度升高而降低。主要化学性质n1、与酸作用生成谷氨酸n2、与碱反应生成谷氨酸二钠n3、加热脱水反应，生成焦谷氨酸钠味精安全性n味精代谢：n味精进入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人体吸收后，参与体内许多代谢反应，并与其他氨基酸一起共同构成人
2、体组织的蛋白质。人体中的谷氨酸能与血液中氨结合形成谷氨酰胺，从而解除组织代谢过程中所产生的氨的毒害作用。n过食可造成体内钠驻留，血管变细，血压升高。 味精安全性n据最近台湾一项调查发现，约有30%的人由于摄取味精过量而出现了嗜睡、焦躁等现象。n味精的主要成分为谷氨酸钠，在消化过程中能分解出谷氨酸，后者在脑组织中经酶催化，可转变成一种抑制性神经传递物质。当味精摄入过多时，这种抑制性神经传递物质就会使人体中各种神经功能处于抑制状态，从而出现眩晕、头痛、嗜睡、肌肉痉挛等一系列症状。n建议每道菜味精添加量不应超过0.5毫克。 味精安全性使用n关于食用味精安全性问题，国际第14届食品添加物专门委员会曾作
3、过如下结论： n味精作为食品添加物是极其安全的，除婴儿外，普通人一日允许摄取量为120mg/kg体重。 第二节第二节 原料及处理原料及处理 n谷氨酸发酵以糖蜜和淀粉为主要原料。n一 糖蜜n1 糖蜜：是制糖工厂的副产物，分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜两大类，其中含较多的可发酵性糖，总糖含量：甘蔗糖蜜54.8%，甜菜糖蜜49.4%；总糖中主要是可发酵性糖。 n目的：n降低生物素的含量。n方法：n活性炭吸附法：用量为糖蜜的30%40%n水解活性碳处理法：盐酸+活性碳n 树脂处理法：2 糖蜜的处理n(1)糖蜜中糖浓度高，必须进行稀释，一般稀释至1820%。n(2)糖蜜中杂质很多，如黑色素、灰分等，必须进行澄清
4、、过滤。一般采用加酸静置，加酸调pH 3.03.8，并定时通风，除溶液中的SO2、NO2等有害性挥发成分。n(3)糖蜜中的含氮物质较少，应补充营养盐，如硫酸氨，磷酸钙等物质。n(4)调pH 7.07.5。n(5)灭菌：8090。2 糖蜜的处理二 淀粉质原料n薯类、玉米、小麦、大米等。n直链淀粉占17%27%，其余为支链淀粉。n淀粉的水解有多种方法：酸解、酶解，酸酶结合法等，n1、酸解法工艺：原料调浆 糖化 冷却 中和脱色 过滤除杂糖液n 淀粉的酸解反应n淀粉的酸解n葡萄糖的复合反应 影响因素n葡萄糖的分解反应 5-羟甲基糠醛 n 淀粉酸解法工艺要点n糖化条件的控制n淀粉乳浓度：10-110Be
5、n酸种类与用量：盐酸 干淀粉的0.6%，n糖化温度和时间： 蒸汽直接加热 133,25min, 138,15minn加酸方式:先加1/3,后2/3。n糖化终点判定酒精法，酸解结束前，将少量酸解液滴入无水酒精中，若无白色沉淀出现，表示淀粉水解完全。n酸解液的中和 液碱酸解液pH 1.5,调至4.5n酸解液的除杂 活性炭 干淀粉量0.2%, 60-70,30minn水解糖液的质量要求: 还原糖18%； 糖液清,呈浅黄绿色,550nm处透光率90%；无糊精；糖液新鲜n2、目前生产中多采用酶解法。n工艺流程n原料 粉碎 加水 液化 糖化 淀粉水解糖 n该工艺优点：n淀粉的液化条件、方法、控制n淀粉糖化
6、 水解作用、酶来源、糖化工艺第三节 菌株及扩大培养 一、常用的生产菌株 1、 谷氨酸生产菌的共同特征 细胞呈球形、棒形或短杆形； 革兰氏染色呈阳性反应； 无鞭毛，不能运动； 是需氧性的微生物； 不形成芽孢； 以生物素作为生长因子； 具有一定的谷氨酸蓄积能力。 2、常用的生产菌株 谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌、硫殖短杆菌等。 北京棒杆菌AS1.299、北京棒杆菌7338、 北京棒杆菌D110、棒杆菌S-944、 钝齿棒杆菌AS1.542、钝齿棒杆菌HU7251 钝齿棒杆菌9二、二、 培养基的配制培养基的配制 1、斜面培养基 2 一级种子和二级种子培养基 一级种子培养基。
7、一级种子培养基应该营养丰富，有利于菌体的生长繁殖。为了避免培养过程中因产生有机酸引起培养基pH下降而造成菌体老化，所以培养基的含糖量要低，一般在2.5左右。 二级种子培养基 通过一级种子扩大培养后，种量还不能满足发酵用的需要，因此需要进一步扩大培养。 二级种子培养基的组成和原料来源应该与发酵培养基相一致，但配比上可有差异，这样就保证二级种子接到发酵罐后能很快适应环境，缩短发酵周期。 3 发酵培养基 发酵培养基不仅提供菌体生长繁殖所需要的营养和能量，而且是形成谷氨酸的物质来源。因此，这就要求发酵培养基含有足够的碳源和氮源，其量比种子培养基中的含量要高出很多。 三、三、 灭菌灭菌 1、无菌室的灭菌
8、方法 2 、使用高压消毒锅的灭菌条件 3 、空罐灭菌 4、实罐灭菌 5、 尿素的灭菌 6 、消泡剂的灭菌 7、 管路的灭菌 8 、空气过滤器的灭菌四、 空气的净化 1、空气的净化系统 2、过滤介质五五 、种子扩大培养、种子扩大培养 工艺流程 保藏菌种斜面活化摇瓶种子培养种子罐发酵罐 一级种子标准 二级种子标准五五 、种子扩大培养、种子扩大培养 1、一级种子培养 通常谷氨酸发酵的接种量为1。 在1000ml三角瓶中，装入一级种子培养基180200ml， 摇床上，在3032振荡培养1012h。 2、二级种子培养 二级种子是在种子罐里培养的， 培养二级种子时的接种量为0.2%0.5，温度为3234，
9、培养时间为68h。 注意事项： 种子培养基的N源、生物素和P盐适当高，但G 2.5%左右。 温度不要波动太大；适当通风搅拌；注意种子培养时间。第四节第四节 谷氨酸发酵谷氨酸发酵 一、一、 代谢途径代谢途径 （一）谷氨酸合成的方式（一）谷氨酸合成的方式 （1）氨基转移作用）氨基转移作用 （2）还原氨基化作用 NH4+和供氢体还原性辅酶II（NADPH2）存在的条件下，a一酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸 。（3）其他生物合成方式 谷氨酸合成酶的催化下可产生下列反应：（二）（二）谷氨酸合成途径 谷氨酸生物合成途径主要有糖酵解途径（EMP途径）、磷酸己糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA
10、）、乙醛酸循环、伍德-沃克反应（二氧化碳的固定反应）等。 1谷氨酸生物合成过程中的途径 (1) 糖酵解途径糖酵解分为两个阶段共10个反应，每个分子葡萄糖经第一阶段共5个反应，消耗2个分子ATP为耗能过程，第二阶段5个反应生成4个分子ATP为释能过程。 葡萄糖6-磷酸葡萄糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸 （2）磷酸己糖途径n葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖后，经磷酸己糖途径，可以生成核糖、乙酸辅酶A等芳香族氨基酸的前体物质，这些都是细菌构建细胞所必需的。n过程中有6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛和多量NADPH2生成，前两者可以跟糖酵解途径联系起来，进一步生成丙酮
11、酸；后者是a一酮戊二酸进行还原氨基化反应所必需的供氢体。磷酸己糖途径（3）三羧酸循环丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸经脱氨基后，可分别生成丙酮酸、草酸乙酸和a一酮戊二酸。（4）二氧化碳固定反应 由于合成谷氨酸不断消耗a-酮戊二酸，从而引起草酰乙酸缺乏。 为了保证三羧酸循环不被中断和源源不断供给a-酮戊二酸，在苹果酸酶和丙酮酸羧化酶的催化下，分别生成苹果酸和草酸乙酸，前者再在苹果酸脱氢酶催化下，被氧化成草酸乙酸，从而使草酸乙酸得到了补充。 （5）乙醛酸循环 谷氨酸生产菌的a-酮戊二酸脱氢酶活力很弱。因此，琥珀酸的生成量尚难满足菌体生长的需要。通过乙醛酸循环异柠檬裂解酶的催化作用，使琥珀酸、延胡索酸和苹果
12、酸的量得到补足，这对维持三羧酸循环的正常运转有重要意义。 （6）还原氨基化反应 -酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，发生还原氨基化反应，生成谷氨酸。 异柠檬酸脱氧过程中产生的NADPH为还原氨基化反应提供了必需的供氧体。 （二）、谷氨酸生产菌的生化特征 （1）有催化固定二氧化碳的二羧酸合成酶苹果酸酶和丙酮酸羧化酶的存在，使三羧酸循环的中间代谢物能得到补充。同时，丙酮酸脱羧酶活力不能过强，以免丙酮酸被大量耗用而使草酰乙酸的生成受到影响。 （2）a-酮戊二酸脱氢酶的活性很弱，这样有利于a-酮戊二酸的蓄积。 （3）异柠檬酸脱氢酶活力强，而异柠檬酸裂解酶活力不能太强，这就有利于谷氨酸前体物a-酮戊二酸的
13、生成，满足合成谷氨酸的需要。（二）、谷氨酸生产菌的生化特征 （4）谷氨酸脱氢酶活力高，有利于谷氨酸的生成。 （5）谷氨酸生产菌经呼吸链氧化NADPH2的能力要求弱。 谷氨酸脱氢酶催化a-酮戊二酸还原氨基化反应时，需要有NADH2作为供氢体。如果NADPH2过多地经呼吸链氧化，使所带的氢跟氧结合生成水，那么由于氢的不足，将影响谷氨酸的生成。 （6）菌体本身进一步分解转化和利用谷氨酸的能力要低下，有利于谷氨酸的蓄积。 二、谷氨酸发酵的控制 1、温度的控制。 国内常用菌株的最适生长温度为3034， 产生谷氨酸的最适温度为3436。 012h的发酵前期，主要是长菌阶段； 发酵12h后，菌体进入平衡期，
14、增殖速度变得缓慢； 温度提高到3436，谷氨酸的生成量就增加。 2 pH的控制 前期 一般发酵前期pH控制在7.5-8.5左右，发酵中、后期pH控制在7.07.2，调低pH的目的在于提高与谷氨酸合成有关的酶的活力。 尿素被谷氨酸生产菌细胞的脲酶所分解放出氨，因而发酵液的pH会上升。 发酵过程中，由于菌体不断利用氨，以及有机酸和谷氨酸等代谢产物进入发酵液，使N源不足和发酵液pH下降，需再次流加尿素 。 3 溶解氧的控制 在实际生产中，搅拌转速固定不变，通常用调节通风量来改变供氧水平。 通风比（ m3 /m3 .min ）：每分钟向1m3的发酵液中通入0.1cm3无菌空气，用1:0.1表示。 4
15、种龄和种量的控制 所谓种龄，是指在正常培养条件下，种子培养的时间。 种龄长短关系到种子活力的强弱，影响下一次增殖的适应期长短。 接种量多少，将明显影响种子生长期的长短。 5 OD值的控制 OD值是细菌个数、菌体大小和发酵液色泽深浅的综合反应。 以B9和T6-13菌株为例，当初糖为12.514%时，长菌期的OD净增值在0.70.9。 当细胞进入平衡期后，OD值已达到最大值，此时细胞数不再增加，但因为细胞个体还会继续伸长增大，所以OD值会略有上升。5 OD值的控制 生物素是谷氨酸生产菌不可缺少的生长因子。当培养基的生物素将被耗尽时，细菌就停止增殖。 提高生物素的含量，OD值会上升，但一方面细胞的膜
16、通透性会变差，影响谷氨酸从胞内往胞外渗出；另一方面，在高生物素环境下，菌体只进行增殖并不生成谷氨酸。 因此，控制OD值的增长，是保证菌体在胞外大量蓄积谷氨酸的重要手段。6 泡沫的控制 生产上为了控制泡沫，除了在发酵罐内安装机械消泡器外，还在发酵时加入消泡剂。 目前谷氨酸发酵常用的消泡剂有： 花生油、豆油、玉米油、棉子油、泡敌和硅酮等。 天然油脂类的消泡剂的用量较大，一般为发酵液的0.1%0.2%(体积分数)， 泡敌的用量为0.02%0.03%(体积分数)。 三、三、 发酵异常现象及处理发酵异常现象及处理 1 发酵过程的检查 OD值的测定 细胞形态的观察 还原糖的测定 pH的测定 温度的测定 通
17、风量的测定 残脲的测定 谷氨酸的测定2 异常现象及处理 污染杂菌和感染噬菌体引起的发酵异常 a.污染杂菌 污染杂菌后，OD值增长快，糖耗也快，且发酵液泡沫增多，但谷氨酸生成量少。处理：如果发酵前期发现杂菌污染，可将培养基重新灭菌，并酌加培养基成分，重新接种后再发酵。如果发酵中期发现染菌，而pH、OD值和糖耗等尚属正常，此时可加大风量，按常规继续发酵。如果发酵后期染菌，一般对发酵影响不大。 b.感染噬菌体 感染噬菌体后，OD值不上升甚至下跌，因此发酵液pH上升且变得粘稠，泡沫也增多。发酵液中很少有谷氨酸蓄积。 处理：如果发酵前期发现感染噬菌体，可将培养基重新灭菌，或采用并罐法。如果发酵中期发现感
18、染噬菌体，将培养基在70加热10min杀死噬菌体，补料补种，重新发酵。如果发酵后期染菌，一般对发酵影响不大。种子质量差引起的发酵异常 将种龄过长或活力弱的种子接入发酵罐后，在发酵中、后期，糖耗就变得缓慢，pH不下降、波动不活跃，谷氨酸生成量少。处理： 停止搅拌或减小通风量，追加生物素、磷盐和镁盐。 培养基配比差错引起的发酵异常 a.生物素 生物素是谷氨酸生产菌不可缺少的生长因子。 生物素不足，长菌慢，糖耗慢，菌体生长不足。 生物素过量，葡萄糖的消耗被用于菌体增殖。生物素生物素 b.磷盐。磷在微生物细胞中含量较高，它是合成核酸、核蛋白、磷脂、各种核苷酸和辅酶的重要元素。 如果培养基中不加或少加磷
19、酸盐，则菌体生长缓慢，糖耗慢，最终菌体生长不足。 如磷盐过多，糖的降解都通过EMP和TCA，菌体增殖快。发酵条件控制不当引起的发酵异常 通风量、 发酵前期通风量不足，影响不大；中后期供氧不足，则谷氨酸生成少。 温度、 发酵前期、中期温度过高，细胞易衰老；温度过低，发酵周期长。 pH 谷氨酸棒状杆菌能谷氨酸棒状杆菌能够利用葡萄糖，经够利用葡萄糖，经过复杂的代谢过程过复杂的代谢过程形成谷氨酸；形成谷氨酸；第五节第五节 谷氨酸的分离纯化谷氨酸的分离纯化 谷氨酸发酵液、提取液和水解液中，还含有许多杂质: 诸如丙氨酸、天门冬氨酸等其他氨基酸；乳酸、酮酸等有机酸； 各种糖类；各种无机离子； 微生物菌体等。
20、 需要通过一系列分离纯化技术，将杂质分离，才能得到所需的纯化谷氨酸。 谷氨酸分离纯化的方法主要有离心分离、沉淀分离、离心分离、沉淀分离、过滤与膜分离、层析分离过滤与膜分离、层析分离等。 一一 、离心分离、离心分离 离心分离是借助离心机高速旋转所产生的离心力，使不同大小和不同密度的物质分离的技术。 常速离心机 转速8000r/min，相对离心力 10kg 高速 1-2.5 x 104 r/min，相对离心力10- 100kg 超速 2.5 8 x 104 r/min，相对离心力8 x 108kg二二 、沉淀分离、沉淀分离 沉淀分离是通过改变某些条件，使混合液中某种溶质的溶解度降低，从溶液中沉淀析
21、出，而与其他溶质分离的技术。沉淀分离是谷氨酸分离纯化过程中经常使用的技术。 1、等电点沉淀法 等电点沉淀法是利用两性电解质在等电点时溶解度最低，以及不同的两性电解质具有不同的等电点这一特性，通过改变溶液的pH，而对两性电解质进行分离的技术。 谷氨酸是两性物质，在等电点的条件下，谷氨酸的溶解度最小，谷氨酸的等电点为pH 3.22。它除与溶液的pH有关，温度越低，溶解度越小，很多生产厂采用低温等电点法。二二 、沉淀分离、沉淀分离 2、复合沉淀法 溶液中加入某些大分子物质，使之与微生物菌体、蛋白质等形成复合物而沉淀。 3、加热沉淀法 经加热使混合液中微生物菌体和蛋白质变性而沉淀。谷氨酸发酵液加热到8
22、0-85，使菌体蛋白除去。三三 、谷氨酸的离子交换层析、谷氨酸的离子交换层析 1、原理： 它是利用离子交换剂上的可解离的基团对各种离子的亲和力的不同，而使不同物质分离的技术。 由于谷氨酸是一种两性电解质，可以用阳离子交换树脂也可用阴离子交换树脂进行分离纯化。 在溶液的pH小于3.22时，谷氨酸分子带正电荷，可以用阳离子交换树脂进行层析分离。由于在此条件下，阳离子交换树脂对谷氨酸的吸附力较弱，所以应采用强酸性阳离子交换树脂，若采用弱酸性阳离子交换树脂，则吸附性较差，容易脱落； 三三 、谷氨酸的离子交换层析、谷氨酸的离子交换层析 在溶液的pH大于3.22时，谷氨酸分子带负电荷，则要用阴离子交换树脂
23、进行层析分离，在此条件下，阴离子交换树脂对谷氨酸的吸附力较强，宜采用弱碱性阴离子交换树脂，若采用强碱性阴离子交换树脂，则吸附牢固而难以洗脱。 四、过滤与膜分离 1、粗滤 常压、加压、减压过滤 2、膜分离技术加压膜分离静压膜分离 微滤、超滤、反渗透电场膜分离扩散膜分离第六节第六节 谷氨酸钠的生产谷氨酸钠的生产 谷氨酸钠，又称麸酸钠，谷氨酸一钠，学名为一氨基戊二酸一钠 谷氨酸钠的生产是在前述获得的纯化的谷氨酸的基础上，再经中和、脱色、浓缩、结晶、分离等步骤制造而成。 纯化谷氨酸中和脱色浓缩结晶分离味味精精发发酵酵生生产产工工艺艺流流程程 一一 、谷氨酸的中和、谷氨酸的中和 谷氨酸的中和是指谷氨酸与
24、碱或碱性盐反应生成谷氨酸钠的过程。 中和作用所使用的碱是氢氧化钠，使用的碱性盐为碳酸氢钠或碳酸钠。 在谷氨酸钠的生产过程中，控制中和液的pH在6.46.7的范围，就可使谷氨酸大部分生成谷氨酸钠。pH过低，则中和不完全；pH过高，则生成较多谷氨酸二钠，都会使谷氨酸钠生成率降低。 温度一般控制在60左右。 二二 、除铁、除铁 在谷氨酸加碱中和后，中和液还需要进行除铁过程，即通过一些处理，以除去存在于中和液中过量的铁离子。 由于铁离子容易氧化变成黄色，对谷氨酸钠的质量有所影响。所以谷氨酸钠产品必须控制铁离子的含量，一般要求低于5mgkg。(1)硫化钠除铁 硫化钠除铁是在谷氨酸中和液中加入一定量10%
25、左右浓度硫化钠溶液，生成硫化亚铁沉淀。 Fe2+ + Na2S FeS + 2Na+ 由于硫化亚铁在碱性条件下几乎不溶于水，而在酸性条件下溶解度较大，所以在操作时为了除铁较完全，应控制好pH，并加入稍过量的硫化钠。(2)离子交换树脂除铁 谷氨酸中和液中的铁，一般以二价或三价铁离子存在。可以采用适当的离子交换树脂进行离子交换而除去。 我国常用于谷氨酸中和液除铁的离子交换树脂有通用一号树脂、122弱酸性阳离子交换树脂和酚醛树脂等。 采用离子交换树脂除铁，除铁较完全，而且不会有残留的硫化钠存在于谷氨酸钠产品之中，在实际生产中较多采用。 三、脱色三、脱色 (1)活性炭脱色 采用颗粒状的活性炭进行脱色时
26、，一般是让谷氨酸钠溶液通过活性炭柱，色素被吸附，而得到的流出液为脱除了色素的谷氨酸钠溶液。 采用粉末状活性炭进行谷氨酸钠溶液的脱色时，一般是将粉末状的活性炭按溶液体积的1%2%的比例加到谷氨酸中和液中，不断搅拌2h左右，使活性炭充分吸附色素，然后通过过滤除去，以达到脱色目的。 (2)离子交换树脂脱色 由于谷氨酸钠溶液中所带的色素大部分是与蛋白质结合的大分子物质，一般带负电荷，所以，选用的脱色树脂一般都是大孔径的阴离子交换脱色树脂。 脱色是在谷氨酸中和、除铁以后进行，中和液的pH为6.46.7。脱色温度以4050为宜。四、四、 浓缩与结晶浓缩与结晶经过上述中和、除铁、脱色处理以后，得到较纯的谷氨酸钠溶液。该溶液含有大量的水，需要经过浓缩与结晶，才能得到所需的谷氨酸钠结晶产品。 1、浓缩 在6570条件下进行蒸发浓缩，当溶液浓度达到3030.5波美度时，即可加入谷氨酸钠晶种进行结晶。 2、结晶 自然起晶、刺激起晶、晶种起晶 加入的晶种颗粒的大小一般为2440目，加入量一般为谷氨酸钠含量的10%15%。加入晶种后，慢慢搅拌。 五、干燥五、干燥 真空干燥、气流干燥、红外线干燥、冷冻干燥、吸附干燥、喷雾干燥等。在谷氨酸钠结晶的干燥方面，常用的有真空干燥和气流干燥等。 味精发酵设备
