味精的发酵生产工艺.ppt

第五章 味精生产 第一节 概述 一、味精及其生理作用 1. 味精的种类 按谷氨酸的含量分类： 99%、 95%、 90%、 80%四种 按外观形状分类： 结晶味精、粉末味精 2.味精的生理作用和安全性 （ 1）参与人体代谢活动： 合成氨基酸 （ 2）作为能源 （ 3）解氨毒 谷氨酸 + NH3 谷氨酰胺 + 水 味精的毒性试验表明是安全的。 第一代鲜味料 第二代鲜味料 第三代鲜味料 二、味精的生产方法 味精的生产方法： 水解法、发酵法、合成法和提取法。 1.水解法 原理： 蛋白质原料经酸水解生成谷氨酸，利用谷氨酸盐酸盐 在盐酸中的溶解度最小的性质，将谷氨酸分离提取出来，再经 中和处理制成味精。 生产上常用的蛋白质原料 面筋、大豆及玉米等。 水解 中和、提取 蛋白质原料 谷氨酸 味精 2.发酵法 原理： 淀粉质原料水解生成葡萄糖，或直接以糖蜜或醋酸为 原料，利用谷氨酸生产菌生物合成谷氨酸，然后中和、提取 制得味精。 淀粉质原料 糖液 谷氨酸发酵 中和 味精 3.合成法 4.提取法 丙烯 氧化、氨化 丙烯睛 谷氨酸 味精 原理： 石油裂解气丙烯氧化氨化生成丙烯腈，通过羰化、 氰氨化、水解等反应生成消旋谷氨酸，再经分割制成 L-谷氨酸， 然后制成味精。 原理： 以废糖蜜为原料，先将废糖蜜中的蔗糖回收，再将废液 用碱法水解浓缩，提取谷氨酸，然后制得味精。 水解、浓缩 中和 废糖蜜 谷氨酸 味精 提取 第二节 淀粉水解糖液的制备 一、制备方法 1.酸解法 原理： 以无机酸或有机酸为催化剂，在高温高压下将淀粉转化 为葡萄糖的方法。 优点： 生产方便、设备要求简单、水解时间短、 设备生产能力大。 缺点： 要求设备耐腐蚀、耐高温、耐高压， 对原料要求严格、易发生付反应、淀粉转化率低。 2.酸酶法 原理： 先将淀粉水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶将其水解成 葡萄糖。 适用性： 淀粉颗粒较坚硬，用酶水解需较长时间的原料。 如玉米、小麦等谷物淀粉。 特点： 酸液化速度快，产品颜色浅、糖液质量高，但水解时间较长。 3.酶解法 4.双酶法 原理： 先将淀粉乳用 -淀粉酶液化，然后用酸将其水解成 葡萄糖。 适用性： 适于大米或粗淀粉原料，可省去其精制过程，避免淀粉在加工 过程中的流失。 原理： 先用淀粉酶将原料水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶 将后者水解成葡萄糖。 特点： 水解条件温和，不要求设备耐腐蚀、耐高、耐高压， 对原料要求粗放，但生产周期长。 二、酸解法制糖工艺 1.酸解法制糖原理 以酸为催化剂，在高温条件下，淀粉发生水解反应， -1， 4糖 苷键和 -1， 6糖苷键被切断，淀粉链逐渐变短，淀粉先变为糊 精、低聚糖、麦芽糖，最后生成葡萄糖。 在整个水解过程中，由于受酸和热的作用，一部分葡萄糖 发生复合反应和分解反应，如下所示： 复合反应 分解反应 复合低聚糖 葡萄糖 有机酸、有色物 淀粉 2.淀粉酸水解工艺 工艺流程 原料（淀粉、水、酸） 调浆 糖化 冷却 中和、脱色 滤除杂 糖液 水解条件 在淀粉酸解过程中，必须先将淀粉原料调成 粉浆 ，保持一定 的 浓度和酸度 ，然后将料液泵入糖化锅，在一定条件下进行 水解糖化。 淀粉乳浓度的选择 淀粉水解时，淀粉乳的浓度越低，水解液的葡萄糖值越高， 糖液色泽越浅。淀粉乳的浓度高，易发生复合分解反应， 故一般控制在 1011Be。 酸的种类和影响 常用的酸： 盐酸、硫酸和草酸。 催化效率： 盐酸最强，其次是硫酸、草酸。 催化能力强，但中和后产生氯化物， 增加糖液灰分，影响结晶、分离和收率。 颜色浅。 催化能力较强，但用硫酸钙中和时 ,生成 的硫酸钙在蒸发时易生成结垢，影响传热。 催化能力较低，用碳酸钙中和时，生成 的草酸可基本钙本除去，糖液纯度高， 颜色浅。 盐 酸 硫 酸 草 酸 酸的添加方法 添加方法不同，对水解有很大影响。一般是先将 1/3左右的酸 用水稀释后放入锅内，其余酸放入粉浆中，再泵入糖化锅进 行糖化。 酸的添加量和添加法 加酸量 以淀粉乳的 pH值为指标，当采用 1011 Be的淀粉 乳时，控制 pH值在 1.5左右。 压力和时间的选择 糖化压力与水解反应速度成正比，压力升高，水解反应速度 加快，反应时间短；反之，压力降低，反应时间加长。 高温短时间是最佳的水解方法，蒸汽压力一般为 245392KPa。 糖化设备的选择 糖化锅的结构对糖液质量有直接的影响。若糖化锅的体积 太大，进出料的时间长，使淀粉水解时间差别大，部分先水解 的生成的葡萄糖易发生复合分解反应。 因此，一般味精厂采用的糖化锅径高比为 1： 1.52.5。 水解糖液的中和、脱色和除杂 在淀粉水解的同时，淀粉原料中的其它物质，如蛋白质、 脂肪、纤维素、无机盐等也发生变化，所生成的物质影响糖液的 纯度。如氨基酸能与葡萄糖的分解产物反应，形成色素，使糖液 色泽加深。故水解糖液必须加以中和、脱色和除杂。 中和 淀粉水解糖化后，糖化液温度很高（ 140150 ），经冷却后 才能中和。 中和的目的是 降低糖化液酸度 ，调节 pH值。生产中常用的中和 剂有纯碱、氢氧化钠溶液，中和温度控制在 80 ，终点 pH控制 在 4.05.0。 脱色和除杂 水解糖液中的杂质不仅对谷氨酸发酵不利，而且影响谷氨酸的 提纯。 糖液脱色方法 活性炭吸附法 离子交换树脂脱色法。 活性炭的用量为 0.2%0.8%，脱色温度为 7080 。 在脱色过程中要保证一定时间的搅拌，使活性炭充分起作用。 三、双酶法制糖工艺 双酶法制糖工艺主要包括淀粉的液化和糖化两个步骤。 1.淀粉的液化 在 -淀粉酶的作用将淀粉水解生成糊精和低聚糖。 升温液化法 将淀粉乳（ 30%40%）调整 pH为 6.06.5，加入 CaCl2，使 Ca2+ 达到 0.01mol/l，加入定量的液化酶，在保持剧烈的搅拌下，加热 到 8090 ，保持 30min左右，达到所需的液化程度，然后升温至 100 ，灭酶 10min。 淀粉液化的方法 升温液化法、高温液化法、喷射液化法和分段液化法。 2.糖化 高温液化法 将淀粉调整好 pH和 Ca2+浓度，加入所需的液化酶，用泵将其 打入液化桶（桶内有 90 的热水），淀粉受热糊化、液化。由 桶低流入保温桶， 90 保温 40min ,达到所需的液化程度。 糖化温度和 pH 取决于所用糖化剂的性质，若用曲霉糖化剂，温度 控制在 60 ， pH 为 4.04.5；若用根霉糖化剂，温度 控制在 55 ， pH 为 5.0以下。 在实际生产中，根据酶的特性，尽量选用较高的糖化温度， 这样可以加快糖化速度，减少杂菌污染的机会。 第三节 谷氨酸发酵菌 短杆菌属 细胞为短的不分支的直杆菌，大多数不运动，革兰氏染色阳性。 一、谷氨酸发酵菌的特征和分类 谷氨酸发酵菌分属于棒杆菌属、短杆菌属、小节菌属和节杆 菌属中的细菌。 棒杆菌属 细胞为直或微弯的杆菌，常呈一端膨大的棒状，不运动，革兰 氏染色阳性。例如， AS.1.299， AS.1.542等。 节杆菌属 主要特点是在培养过程中出现细胞形态由球菌变杆菌，由杆菌变 球菌。一般不运动。 小节菌属 为杆状菌，形状和排列都和棒杆菌相似，有时呈球杆菌状。 我国谷氨酸发酵生产中使用的菌株主要有北京棒杆菌 AS.1.299 钝齿棒杆菌 AS.1.542、 HU7251、 672等。 二、谷氨酸菌种的扩大培养 培养基成分 AS.1.299 AS1.542 HU7251或 B9 672 蛋白胨（ %） 1 1 1 1 牛肉膏（ %） 1 0.5 1 1 氯化钠（ %） 0.5 0.5 0.5 0.5 葡萄糖（ %） 0.1 0.1 琼脂（ %） 2 2 2.7 2 pH 7.07.2 7.0 7.07.2 7.0 普遍采用二级种子培养流程 : 即 斜面菌种 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐 1.菌种的扩大培养 斜面菌种培养： 32 培养 1824h 一级种子的培养 二级种子的培养 将培养好的培养基分装于 1000ml三角瓶中，每瓶装 200250ml 液体培养基，瓶口用 6层纱布加一层绒布包扎，在 0.1MPa的蒸 汽压下灭菌 30min。每只斜面菌种接种 3只一级种子三角瓶。 接种后， 32 振荡培养 12h。培养好的一级种子放在 4 冰箱备用。 通常使用种子罐培养，种子罐的大小是根据发酵罐的容积配套 确定的。二级种子的数量是发酵培养液体积的 1%。二级种子 的培养温度为 32 ，时间为 710h。 2.、种子的质量要求 镜检菌体健壮，排列整齐，大小均匀，呈单个或八字形排列。 革兰氏染色阳性。 二级种子的活菌浓度要求达到 108109个 /ml。 要求二级种子活力旺盛，对数期种子的呼吸强度（ QO2） 大于 1000lO2/mlh。 平板检查，菌落蛋黄色，中间隆起，表面湿润，有光泽， 边缘整齐，呈半透明状。 小摇瓶发酵试验，产酸稳定，并在高峰。 第四节 谷氨酸发酵机制及工艺控制 一、谷氨酸生物合成途径 谷氨酸发酵是糖的需氧氧化和氨同化的生物化学过程， 包括 糖解途径（ EMP途径），磷酸己糖途径（ HMP途径）， 三羧酸循环途径（ TCA循环），乙醛酸循环， CO2固定反应 等。 在谷氨酸发酵时，糖酵解经过 EMP及 HMP两个途径进行。 生物素充足菌 HMP途径所占的比例是 38% 生物素亚适量 EMP途径所占的比例更大 74%。 HMP途径所占比例约为 26。 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径见下图 。 由 葡 萄 糖 生 物 合 成 谷 氨 酸 二、谷氨酸生产原料 包括 碳源、氮源、无机盐和生长因子 等。 发酵原料的选择原则 首先考虑菌体生长繁殖的营养； 考虑到有利于谷氨酸的大量积累； 还要考虑原料丰富，价格便宜； 发酵周期短，产品易提取等因素。 1.碳源 它是构成微生物细胞和合成谷氨酸的碳架及能量的 营养物质。谷氨酸产生菌是异养型微生物，只能从有 机化合物中取得碳素，并以氧化分解有机化合物产生 的能量供给细胞生长需要。 碳源的种类很多，常用的有 糖类、脂肪、有机酸、 某些醇类和烃类。 2.氮源 一般的发酵工业 碳氮比 为 100： 0.2 2，谷氨酸发酵的 碳氮比为 100： 0.5 2.0，当碳氮比为 100： 0.5 2.0时， 只能合成菌体，而不产谷氨酸。碳氮比在 100： 11l以上时， 才开始积累谷氨酸。 氮源种类： 无机氮和有机氮 。 无机氮有 氨水、尿素、硫酸铵、碳酸铵、氯化铵；硝酸铵 等。 菌体利用无机氮源较有机氮源迅速，铵氮、尿素氮比硝基氮优越， 目前生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，其初尿用量是根 据菌种的脲酶的强 弱及耐尿程度决定。 注： 尿素流加时温度不宜过高 (不超过 45) ，否则游离氨过多， 使初 pH过高，抑制菌体生长。发酵初尿流加应在培养液冷却至室温 后加入，以防止温度高，尿素分解， pH升高，生成不溶性磷酸铵 镁盐。 3.无机盐 微生物所需要的无机盐有硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含钾、 钠、镁、铁的化合物等。有的还需要微量元素，如铁、锰、锌、 铜、钴、硼等。 工业生产上常用的 无机磷有 K2HP043H20或 Na2HP0412H20。 镁是很多酶促反应中的无机激活剂。 硫是构成蛋白质和某些酶的活性基。 钠在培养基中起着调节渗透压的作用。 锰是许多酶的激活剂，其需要量极少，一般培养基中使用 MnS044H20其浓度为 2mg/kg。 4.生长因子 微生物生长所不可缺少的微量的有机物称为生长因子，包括 氨基酸、嘌呤、维生素 等，一般谷氨酸产生菌绝大多数为生物 素缺陷型，以生物素为生长因子。 三、谷氨酸发酵条件的控制 谷氨酸发酵条件包括 温度、 pH、菌龄及接种量、通风及搅拌、 氧的传递、泡沫的控制 等。用发酵条件来控制发酵过程中各种 化学及生物化学反应的方向和速度，以达到预期的生产目的。 1.温度的控制 各种微生物在一定的条件下都有一个最适生长温度范围。所谓 最适生长温度 是生物化学反应速度最高，酶蛋白的钝化最低的协 调平衡温度。微生物种类不同，所要求的温度范围不同；同一种 微生物，在不同培养条件下其最适温度也往往不同。 谷氨酸菌的最适生长温度与产物生成所需温度不同。其最 适生长温度为 30 32C，谷氨酸形成的最适温度为 34 37C。在 谷氨酸发酵前期，若温度过高，菌种易衰老，耗糖慢，谷氨酸 产量低。因此，前期温度上升要缓慢。在发酵中期，温度上升要 快，后期逐渐缓和。在发酵中、后期，若发酵温度太低，则发酵 周期长，且利于产酸。所以，在生产上可根据菌种特点，采用二 级或三级管理温度，即发酵前期长菌体阶段控制在 30 32 ，发 酵中、后期为 34 37 。 2.发酵过程中 pH的控制 谷氨酸发酵在中性和微碱性条件下可积累谷氨酸，而在酸性条 件下则容易形成谷酰胺和 N 乙酰谷酰胺。发酵过程中，培养液 中的糖分被利用，氧化成中间产物有机酸， pH下降。有机氮被利 用，释放氨，则 pH升高。因此，由于菌种的新陈代谢，培养液成 分不断变化， pH有时升高，有时降低。 pH的变化： 发酵前期 pH低，菌体生长旺盛，只长菌不产酸。 发酵前期 pH过高 (8 0以上 )，则对菌体生长不利，糖代谢缓 慢，发酵时间延长。但在发酵前期 pH稍高些，对抑制杂菌生 长有利。因此发酵前期应控制 pH为 7 5左右。发酵中、后期 控制 pH7 2左右，因为谷氨酸脱氢酶的最适作用 pH为 7 0 7 2，氨基转移酶的最适作用 pH为 7 2 7 4。若发酵后期 pH较高 (7 5 8 0)，菌体自溶，谷氨酸转成谷氨酰胺。通 常采用氨水流加法和尿素流加法调节 pH。 3.菌龄及接种量的控制 菌龄是指种子的培养时间。微生物的生长大致可分为适 应期、对数期、稳定期、衰老期。所接的菌种处于哪个生 长阶段对适应期的长短有很大影响，若用处于活力旺盛的 对数期的谷氨酸菌种为种子，可缩短适应期。若菌龄过长，则 菌种活力降低，代谢产物增多。 种龄： 一级种子菌龄控制在 11 12h，二级种子菌龄为 7 8h。 种量： 指接入发酵罐内种子的量占发酵罐内发酵培养基量的百 分比。接种量的多少对适应期的延续时间也有很大的影响。接 种量一般以 1 为好。种量过多，使菌体生长速度过快，菌体 娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸不高；如果接种量过 少，则菌体增长缓慢，会导致发酵时间延长，容易染菌。 4.通风量与搅拌速度的控制 谷氨酸产生菌是兼性好氧菌，它进行呼吸和合成细胞物质时需 要氧气。因此，在进行谷氨酸发酵时，需要大量供给菌体生长及 发酵所需的氧。谷氨酸菌只能利用溶解氧，而氧是难溶于水的气 体，所以在发酵过程中，需要不断补充无菌空气。不同的种龄、 接种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐，要求通风量不同。 菌体生长繁殖期： 要求溶氧系数 Kd为 (46) 10-7molO2 (mLminatm)； 谷氨酸形成阶段： 溶氧系数为 (1.5 1.8) 106mol02 (mLminatm)。 在长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量下，抑制菌体生长， 表现为耗糖慢，长菌慢， pH偏高，且不易下降。在发酵产酸阶 段，需要大量供氧，如通气量不足，往往表现出 pH低，耗糖快， 长菌不产酸，而积累乳酸和琥珀酸。而这时通气量过大，也不 利于 r酮戊二酸进一步还原氨基化，而大量积累 -酮戊二酸。因 此，只有在适量通气条件下，才有可能大量积累谷氨酸。 溶解氧的控制： 大小是由 通风 与 搅拌 两方面决定的，与搅 拌器的型式、直径大小、搅拌转速、搅拌器在发酵罐内的相对 位置因素等有关。一般搅拌器直径大，转速快，溶氧系数大。 所以，增大搅拌转速比增加通风量对溶氧系数提高更为显著。 具体操作： 发酵前期，以低通风量为宜； 发酵中、后期，以高通风量为好。 当培养基浓度高、营养丰富、生物素用量大时，应采用高通 风量。当菌体生长缓慢、 pH偏高时，应减少通风量，或停止搅拌， 以利于长菌。当菌体生长快、耗糖快时，应提高通风量，以抑制 生长和满足合成谷氨酸所必须的足够能量。 5.泡沫的控制 在好气发酵中，由于通风和搅拌产生一定量的小气泡，泡沫 过多会带来一系列的问题，影响发酵的正常进行。所以，需要 控制泡沫的产生。 消除泡沫的方法： 一是机械消泡 即借助机械力将泡沫打破，或借压力变化使泡 沫破裂。它的优点是不用在发酵液中加其他物质，节省原料 (消泡 剂 )，减少污染机会。但此法不能从根本上消除引起泡沫的因素， 消泡效果不如化学消泡好。 二是化学消泡剂消泡 利用消泡剂进行消泡，其作用机理是当 消泡剂与气泡膜面接触时，使泡膜局部的表面张力降低，力的平 衡受破坏，气泡破裂，产生气泡合并，最后导致泡沫破灭。 常用的消泡剂 ： 植物油 (豆油、花生油等 )、矿物油 (石蜡油 )、 合成消泡剂 (泡敌 )。该法的优点是消泡效果好，作用迅速，用量 少。缺点是消泡剂选择不当会影响菌体生长繁殖或影响代谢产物 的积累，操作上增加染菌的机会。 四、提高谷氨酸发酵产率的措施 1.选育高产菌种 选育高产菌种是提高谷氨酸发酵产率的主要途径。国内外都很 重视菌种的选育工作。高产菌株的选育可通过菌种自发突变过程 中挑选出来；也可利用物理或化学诱变剂处理微生物细胞群，促 使其突变，然后采用快速、高效的筛选方法，挑选出符合育种目 的的突变株；还可采用体外 DNA重组、原生质体融合等技术 “ 创造 ” 出高产菌。例如，近年来在棒状杆菌中已检出若干种质粒，如 pAM4286， pAM330， pAMl519等。用重组 DNA技术提高短杆菌和棒 杆菌的谷氨酸产量已获得成功。所得的转化子比供体菌提高一倍。 此外，通过原生质体融合技术也获得比亲株谷氨酸产量有所提高 的融合子。 高产谷氨酸菌株应具备以下特征： 丧失 -酮戊二酸脱氢酶的氧化能力； 谷氨酸脱氢酶活力强； 氧化还原氨基化反应强； C02固定反应强； 异柠檬酸脱氢酶活力强； 不分解和利用谷氨酸； 耐高糖、高浓度谷氨酸。 2.根据菌种特性控制最适宜的发酵条件 控制最适宜的环境条件是提高发酵产率的重要条件。在谷氨酸 发酵中，应根据菌种特性，控制好 生物素、磷、 N源、 pH、氧传递 速率、排气中 CO2和 02含量、氧化还原电位以及温度 等，从而 控制好菌体繁殖及产物形成、能量代谢与产物合成，副产物与主 产物合成等关系，使底物最大限度地被用来合成主产物。为了实 现发酵过程工艺条件最佳化，国外利用电子计算机进行资料收集， 数据解析、程序控制，从而准确地取样、检测，并及时处理数据， 使操作条件最佳化。 3.追加糖液法 追加糖液的发酵法是谷氨酸发酵法普遍采用的一种方法。即采 用 较低的初糖浓度和大接种量 ，以利于菌体迅速繁殖，获得生产 需要的足够强壮的菌体。然后创造有利条件，使菌体从长菌阶段 转入产酸阶段，缩短发酵时间。当菌体处在生长对数期的末期， 追加糖液，维持一定的糖浓度，继续发酵，则产酸率和转化率会 大为提高。 另外，还有添加青霉素流加糖法，以甜菜、糖蜜为原 料添加吐温法等。 第五节 噬菌体与杂菌的防治 一、谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治 噬菌体对发酵的危害 在谷氨酸发酵过程中，若菌体受到噬 菌体的侵染，一般会发生溶菌、发酵迟缓或停止等现象，结果造 成不再积累谷氨酸，严重的会引起倒罐，甚至连续倒罐。为防止 噬菌体的侵染，首先要了解谷氨酸噬菌体的特性，从而加以防治， 确保谷氨酸发酵顺利进行。 (一 )谷氨酸噬菌体的主要特征 1具有非常专一的寄生性。 2不耐热性 (在 70C， 5min均死亡 )。 3 pH的稳定性。 pH7 9时，稳定；低于 6或高于 10时，失活； 小于 4时完全失活。 4嗜氧性。在低溶氧情况下，抑制生长。 5对干燥的稳定性。环境越干燥，噬菌体越不易死。在潮湿情 况下，易死亡。 6不耐药性。在甲醛 0 5、苯酚 0 5、漂白粉 1 5、石 灰水 1下均可杀死噬菌体。 (二 )谷氨酸发酵污染噬菌体后的异常现象 1发酵液光密度在初期开始上升，而后又下降或不上升。 2发酵液 pH逐渐上升， 4 8h内可达 8 0以上，且不下降， 3不耗糖或耗糖缓慢。 4泡沫大、黏度大、有时呈胶状；可拔丝。 5发酵周期长，产酸低或不产酸。 6镜检时，菌体减少，缺少八字排列，菌体变胖，革兰氏染 色呈红色片状。严重时呈网状或鱼翅状，几乎看不到完整的细胞 7发酵中后期，周期稍有延长，温度缓慢上升，谷氨酸产 量有所提高 (菌体破裂释放出谷氨酸 )。 8平板检查时，有噬菌斑。摇瓶发酵，发酵液稀而清。 9发酵液残糖高、颜色浑、发灰、发红、有刺激性臭味，黏 度大，泡沫多，难中和，过滤困难。 (三 )防治噬菌体污染的主要措施 1.严格控制活菌体的排放 摇瓶液、取样液、废弃菌液或发酵液均应先灭菌，后排放。已 经污染了噬菌体的发酵液或种子液应先灭菌 (80C， 5min)，再进行 提取或排放。提取的母液不能乱扔，应经密闭阴沟或远离空压机房 和发酵车间，才可排放。 必须建立工厂环境清洁卫生制度，要定期使用药剂冲刷地面。 2.严防噬菌体进入种子罐或发酵罐 种子室要远离发酵车间，严防种子带人噬菌体，制定检查噬菌 体的制度。各级种子的制备要严格灭菌。轮换使用菌种或使用抗 噬菌体的菌株均可防止噬菌体污染。还可进行药物防治或选育抗 链霉素突变株。进行药物防治可添加金属螯合剂 (抑制噬菌体的吸 附或 DNA的注入 )、表面活性剂 (作用于细菌表面，抑制噬菌体的吸 附 )、抗生素 (抑制噬菌体蛋白质合成 )等。 3发酵罐中污染噬菌体后的抢救 谷氨酸发酵前期感染了噬 菌体后，可以采用一系列抢救措施，以减少损失。 (1)抗性菌法。 发现噬菌体后，应停止搅拌，小通风，降低 pH， 立即培养抗性种子，然后接人发酵液中；并补加 1 3的不调 pH 的玉米浆。 (2)轮换菌种法。 发现噬菌体后，停止搅拌，小通风，降低 pH， 轮换使用菌种，如 672换 Asl.299、 Asl.299换 Asl.542、 Asl.542 换 Asl.299。不加初尿，并补充 30 40的玉米浆 (不调 pH)， 适当加磷、镁 (为正常量的 1 3)。若 pH仍偏高，可停止搅拌，适 当通风，至 pH正常， OD值增长后再开始搅拌。 (3)灭噬菌体法。 发现污染噬菌体后，停搅拌，小通风，降低 pH，在罐内用夹层 (或冷却管 )加热至 70 8012，并自顶盖通人 蒸人 2的种子，继续发酵。汽，自排汽口排出。因噬菌体不耐 热，加热可杀死发酵液内的噬菌体，通蒸汽可杀死发酵罐空间 及管道内的噬菌体。冷却后，若 pH过高，停止搅拌，小通风， 降低 pH，接大二倍量的原菌种，至 pH正常后开始搅拌。 (4)放罐重消毒。 发现噬菌体后，放罐，调 pH，补加 1 2的玉 米浆和 1 3的水解糖，重新灭菌，适当降低温度，不加初料，然 后接入 2%的种子，继续发酵。 二、谷氨酸发酵中杂菌的污染与防治 谷氨酸发酵要求纯种培养，若遭受了杂菌的污染，轻者影响 产量或质量，重者可能导致倒罐，甚至停产。因此，在谷氨酸发 酵中，杂菌污染的检查与防治是十分重要的。 (一 )检查杂菌的方法 所谓染菌，是指在发酵培养基中侵入了阻碍生产的其他微生 物。检查杂菌的方法要求准确、快速、尽早发现、及时采取措施。 1.显微镜检查 用革兰氏染色法染色、镜检。若发现有芽孢菌、 革兰氏阴性菌、长杆菌、球菌、菌体碎片等情况，说明发酵液已经 染菌，应及时采取措施。 2.培养皿画线检查 平板检查时，先将灭菌后的培养基倒人培 养皿内，冷却，接种，于 37C下培养 24h，镜检。 3.肉汤培养检查法 此法主要用于检查空气系统及培养基是否 带菌。具体做法是将培养液装在吸气瓶中，灭菌 30min，在 37C下 培养 24h，如无混浊，说明无杂菌污染；如 呈现混浊，说明染菌。 (二 )杂菌污染的防治 要防止杂菌污染，先要弄清楚造成染菌的原因，然后进行防治。 1杂菌污染的主要原因分析 种子带菌。 若发酵前期染菌，可能是种子带菌所致或发酵 罐本身染菌所致。为了避免种子染菌，在斜面种子、摇瓶种子制 备过程中都必须严格操作，确保无杂菌污染。 罐体与管件渗漏所引起的染菌。 若罐体或管件有极其微小的 漏孔时，易引起染菌。有时漏孔用肉眼直接察觉不到，需要通过 一定的试漏方法才能发现。 死角。 罐或管路连接处的死角，在灭菌时其中的杂菌不易被 杀死，易造成连续染菌，影响生产。 空气系统染菌。 好气性发酵需连续不断地通人大量无菌空气。 空气系统所有的设备要定时打开排液阀排液，避免设备内积液太 多，而带人空气中去，造成染菌。 环境污秽造成染菌。 车间、环境卫生差，易引起染菌。为堵 绝杂菌的来源和繁殖机会，必须加强车间和环境的清洁卫生工作。 2杂菌污染的防治与挽救 污染了杂菌后，要根据具体情况， 及时采取措施加以挽救。具体措施为： (1)一级种子经平板检查确认无菌后，方可接大二级种子中。 (2)二级种子冷却，小于 10C 保压 12 16h，平板检验确认无杂 菌后，再接入发酵罐。 (3)发酵 06h后，大幅度染菌，镜检发现球菌，应放罐重消毒， 消毒温度适当降低。 (4)发酵 12h后，发现污染有少量芽孢或杆菌，但光密度尚正常， pH仍有升降，耗糖一般，谷氨酸产量在 0.2以上，则可加大通 风量，按常规发酵到底。 (5)发酵后期确认染球菌，则可加热至 70 80C放罐。 (6)发现染菌的罐，下次空罐消毒加入甲醛后，再用蒸汽熏蒸 0.120.17L m3。 (7)加强车间卫生管理，防止活菌体飞扬。 (8)选用抗药性菌种。 第六节 谷氨酸的提取 一、概述 (一 )谷氨酸发酵液的性质 在发酵液中，除含有谷氨酸外，还存在着菌体、残糖、色素、 胶体物质及其他发酵副产物。谷氨酸发酵结束后，发酵液的温 度在 34 36 ， pH6.0 7.5，接近中性。整个发酵液外观呈浅 黄色浆状，表面浮有少许泡沫。 正常谷氨酸发酵液的组分如下： 1.L-型谷氨酸，一般以谷氨酸铵盐 (C5H8O4NNH4)形式存在。 2.无机盐 (K+、 Na+、 NH+、 Mg2+、 Ca2+、 SO42-等 )、残糖、 色素、尿素以及消泡用的花生油、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 2 5。 4.少量发酵副产物，如乳酸、 r酮戊二酸和琥珀酸、天冬氨酸、 丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺等， 各种氨基酸的含量为 10。 5 0.6 0.8的铵离子、 1的残糖。 6 核苷酸类物质及其降解产物，如发酵液中含腺嘌呤 0.02 0.05，尿嘧啶约占发酵液的 0.01 0.03。 (二 )谷氨酸的提取方法 分离提纯原理： 利用它的两性电解质性质、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。 提取方法 ：等电点法、离子交换法、锌盐法等。为了提高提取 收率，还可采用等电点 锌盐法，等电点 离子交换提取工艺 提取新技术 ： 电渗析和反渗透法、浓缩等电点法、离子硅藻土 过滤等电点法等。 二、等电点法提取谷氨酸 此法操作简便、设备简单，但操作时间长，占地面积多。 (一 )等电点法提取谷氨酸的原理 谷氨酸分子中含有两个酸性羧基和一个碱性氨基，其解离方式 取决于溶液的 pH，在不同 pH的溶液中，以 阳离子、两性离子和阴 离子 等几种不同的离子状态存在。 当 pH 3 22， -羧基的解离受到抑制，谷氨酸主要以阳离子 形式存在，带正电荷； 当 pH 3 22时，谷氨酸主要以两种不同的阴离子形式存在， 带负电荷； 当 pH 3 22时，谷氨酸呈电中性，绝大部分以偶极离子存在， 其分子内部正负电荷相等，溶液中的总静电荷等于零。 谷氨酸分子之间相互碰撞，并通过静电引力的作用结合成较大 的聚合体而沉淀，此时溶液的 pH，称谷氨酸的等电点，习惯上 以 pI表示。在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。味精生产中正 是利用了这一特性提取谷氨酸。 1.谷氨酸结晶的性质 谷氨酸结晶属斜方晶系离子晶体， 具有多晶型性质。在不同的条件下，可以得到 -型谷氨酸结 晶和 -型谷氨酸结晶。 -型结晶的晶轴长短接近，晶体粗 壮，呈颗粒状，且颗粒大，质量高，易沉淀分离，是一种理 想的结晶。 -型谷氨酸结晶晶轴长短不一，呈针状或鳞片状， 晶粒微细、纯度低、质量轻、不易沉淀析出。因此，在操作 中要控制结晶条件，以利于形成 -型结晶。 2.影响晶型的因素 影响谷氨酸晶体晶型的因素有发酵液中 谷氨酸的含量、结晶析出温度、残糖浓度等。在室温自然冷却条 件下，随谷氨酸含量的升高， -型谷氨酸结晶增多，水分增多， 分离困难。 当结晶析出的温度超过 30 时， -型谷氨酸结晶增加。因此， 在采用等电点法提取谷氨酸时，必须把发酵液温度降到 30 以下， 避免形成 -型结晶。发酵液中残糖浓度高， -型结晶增加，残 糖越低，则有利于形成 -型结晶。 3.影响谷氨酸结晶析出的主要因素 谷氨酸含量。 用等电点法提取谷氨酸时，要求谷氨酸含量 在 4以上，否则，可先浓缩或加晶种后，再用等电点法提取谷 氨酸。若谷氨酸含量大于 8，易形成 -型结晶。 温度及降温速度。 谷氨酸的溶解度随温度的降低而变小， 使谷氨酸从发酵液中结晶析出。为了有利于形成 -型结晶，结 晶温度要低于 30 。且降温要缓慢，以形成较大的结晶颗粒。 投晶种与育晶。 在晶核形成以前，适时投放一定量的晶种， 有利于收率的提高。生产上根据发酵液中谷氨酸的含量和 pH来 确定投种时间，一般谷氨酸含量在 5左右、 pH4.0 4.5时投晶 种；谷氨酸含量在 3.5 4.0、 pH为 3.54.0时投晶种。投种 量一般为发酵液的 0.2 0.3。 加酸。 加酸的主要目的是调节发酵液的 pH，使其达到谷氨 酸的等电点。加酸速度的快慢对晶体的大小影响很大。在生产 上，一般要求前期加酸稍快，中期 (晶核形成前 )加酸要缓，后 期加酸要慢，使 pH缓慢降到等电点为止。 搅拌。 适当搅拌有利于晶体长大，使菌体大小均匀一致。搅 拌还可以减少结晶粒子的互相黏接，避免晶簇的形成。搅拌转速 与设备直径和搅拌浆叶大小有关，一般以 2030r min为宜。 (二 )等电点提取工艺的操作要点 1.加酸调等电点 将发酵液排入等电桶后，测量温度、 pH和 谷氨酸含量，然后搅拌冷却，待液温降至 30C时，加盐酸调 pH。 前期加酸稍快， 1h左右将发酵液的 pH调至 5.0。中期加酸要缓慢， 约经 2h，发酵液的 pH接近 4.0-4.5时，观察晶核形成情况。当 菌体。 发酵液中残存菌体的大小及多少，因菌种的不同而 异。 AS.l.542菌的菌体大，数量少，质量轻，相对地说，容易 同谷氨酸结晶分离。 发酵液若染噬菌体，色泽深灰甚至发红，黏度增大，泡沫 多谷氨酸的纯度和收率较低。 能目视发现晶核时，要停止加酸，育晶 1 2h，使晶核壮大。此 后加酸速度要慢，直到 pH为 3.0-3.2时，停止加酸，继续搅拌 20h 结束。整个中和温度要缓慢下降，不能回升。 最终温度越低越好。 2.沉降分离 将中和好的发酵液静置沉淀 4 6h，放出上清液， 然后将谷氨酸结，晶沉淀层表面的少量菌体细麸酸清除，放另一 缸中回收利用，底部的谷氨酸结晶取出后，离心分离。 第七节 由谷氨酸制成味精 一、谷氨酸的中和、脱色和除铁 （一） 谷氨酸的中和 1.谷氨酸一钠的等电点 谷氨酸中和反应的 pH应控制在谷氨酸第二等电点 pH6.96。当 pH 高时，生成的谷氨 酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。将谷氨酸 溶于水中，加热、加碱进行中和。随着碱的不断加入，溶液的 pH 逐步升高，谷氨酸的电离平衡发生移动，当绝大多数的谷氨酸都 变成阴离子形式时，即为中和生成谷氨酸一钠的等电点。 2.操作 中和剂： 在味精生产中，中和谷氨酸可用 氢氧化钠 ，也可用 纯碱 (Na2C03)，一般不用液碱，因为液碱甲含杂质氯化钠较多， 最后会影响结晶味精成品的质量。 谷氨酸中和时，先把谷氨酸加入水中，制成饱和溶液，然后加 碱中和。注意加碱速度要缓慢，用 pH试纸测其 pH。边加碱边搅拌。 中和温度控制在 65 左右。 在中和时，要控制投料比适当，即湿谷氨酸与水之比为 1： 2， 湿谷氨酸与纯碱之比为 1： 0.3 0.4。中和温度夏天为 60C，冷天 为 65C。中和液浓度为 2123Be。中和反应控制 pH为 6.7 7.0。若 超过 7.0以上，溶液中谷氨酸二价阴离子逐渐增多，易生成谷氨 酸二钠。 (二 )中和液的除铁 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 中的铁、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 硫化钠可与 Fe2+、 Zn2+反应生成硫化铁和硫化锌沉淀而除去。 其总反应式为： Na2S + Fe2+ FeS + 2Na+ Na2S + Zn2+ ZnS + 2Na+ 使用的硫化钠要求呈橙黄色或微黄色，杂质少。硫化钠的用量 要适当，并且在使用前应先配成 13 15Be溶液。 树脂法 树脂除铁是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸附铁或锌得以除 去。用此法除铁 (或锌 )，不但解决了硫化钠除铁引起的环境污 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。 (三 )中和液的脱色 在味精生产过程中，由于各种成分的化学变化产生了一些有 色物质，如焦糖、氨基糖、单宁铁等。因此，中和液需进行脱色 处理。脱色方法有 物理吸附 和 化学脱色 两种方法。 1.物理吸附 即采用活性炭脱色。用活性炭脱色时，温度控制在 50-60 ， pH保持在 6.4以上，脱色时间为 30min。为了加快吸附过程的进行， 可适当搅拌中和液。 活性炭的用量 ：根据活性炭脱色能力的强弱及中和液色泽的深 浅等情况决定，一般为中和液的 2 3。活性炭分为粉末状 的药用炭和 GH-15颗粒活性炭两种。 用粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱色后除 铁，另一种方法是将中和液先除铁，用谷氨酸回调 pH6.2 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 活性炭柱进行最后一步脱色工序。 2.化学脱色 有离子交换树脂脱色法。离子交换树脂的脱色主要靠树脂的 多孔隙表面对色素进行吸附，即树脂的基团与色素的基团形成 共价键，因而对杂质起到吸附与交换作用。一般选用 弱碱性阴 离子交换树脂 。 中和液中的杂质，有些分子量较大，在交换过程中扩散速度 慢。因此，脱色时流速要 适当慢些。温度控制在 40-50 条件下 进行脱色较合适。 二、中和液的浓缩和结晶 (一 )中和液的浓缩 谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想生成大量的结晶必须除去 大量的水分使溶液达到过饱和状态而析出结晶。 浓缩方法： 一是降低溶液的温度，使溶质的溶解度减小，达到 过饱和状态；二是在温度不变的条件下，蒸发掉溶液中的一部分 水，使溶液的浓度升高，达到过饱和状态。 中和液的浓缩不宜在高温下进行，因为谷氨酸一钠在高温下容 易环化，生成焦谷氨酸钠。 设备： 味精生产的浓缩过程普遍采用减压浓缩工艺，主要设备 有减压蒸发式结晶罐。浓缩时的工艺条件，一般控制真空度在 80kPa以上，料液的温度控制在 70 以下。浓缩时，真空度愈高， 料液的沸点就越低，这样既可加快浓缩，又可避免谷氨酸一钠的 脱水环化形成焦谷氨酸钠。总之，中和液的浓缩以 真空度高 、 料 液温度低 ， 操作时间短 较为宜。 (二 )谷氨酸一钠的结晶析出 结晶操作的基本过程可分为浓缩、起晶、整晶、育晶、放 罐等几个阶段。 结晶味精的晶体要求颗粒大小均匀、透明、光洁。制作结 晶味精所用的中和液要求杂质含量少，透光度在 90以上。 具体操作： 1.起晶 当浓缩液的浓度达到 30 30.5Be(70) 时，投入 晶种，进行起晶。起晶时溶液微混浊，经过一定时间晶种的晶 粒稍有长大，并出现细小的新晶核 (称假晶 )。当料液浓度增加， 晶粒长大速度反而比晶核长大速度小时，需要整晶。 2.整晶 所谓整晶就是加入一定量的、与料液温度接近的温 水，使晶核全部溶解掉。加水量不宜过多，以溶掉新形成的小晶 核为止，防止晶种溶化。整晶后继续浓缩，若再次出现新晶核就 要多次进行整晶。 3.育晶 在结晶过程中，需根据料液浓度，补加稀释的脱色液 (加热 )，以保持锅内浓度维持在较低的过饱和状态，保证晶体不 断成长，又较少生成新的晶核。通过补料而促使晶粒长大的过程 称为育晶。补料结束后，待晶粒长成所要求的大小时，准备出料。 出料前预先加入同温度的温水，使浓度降低到 29-39.5Be。出料 后放在贮精槽内，立即进行离心分离。离心后的母液中仍含有大 量的谷氨酸一钠，可将其并入下批中和液中一起进行处理。 三、干燥、包装和成品的质量标准 经过离心分离后的晶体必须进行干燥处理。目前，采用的干 燥方法有 箱式烘房干燥，真空箱式干燥、气流干燥、传送带式干 燥、振动床式干燥 。 结晶味精要求颗粒大小均匀，因此干燥好的晶体要经过振动 筛分，除去过大或过小的晶粒，使晶粒大小更加均匀。筛分时能 通过 10目而不通过 24目的晶粒称为粗晶，能通过 14目而不通过 28 目的晶粒称为细晶。味精的包装在大部分工厂均为手工操作，生 产效率低。因此机械化包装将逐步取代手工包装。 思考题 1.淀粉水解糖液的制备方法有哪些？ 2.谷氨酸生物合成包括哪些途径？ 3.影响谷氨酸发酵的因素有哪些？ 在生产中如何控制？ 4.味精的提取方法有哪些