谷氨酸的发酵和提取工艺综述

综述：⾕氨酸的发酵与提取⼯艺第⼀部分⾕氨酸概述

⾕氨酸⾮⼈体所必需氨基酸，但它参与许多代谢过程，因⽽具有较⾼的营养价值，在⼈体内，⾕氨酸能与⾎氨结合⽣成⾕氨酰胺，解除组织代谢过程中所产⽣的氨毒害作⽤，可作为治疗肝病的辅助药物，⾕氨酸还参与脑蛋⽩代谢和糖代谢，对改进和维持脑功能有益。另外，众所周知的⾕氨酸钠盐即味精有很强烈的鲜味，是重要的调味品。

1996、1997、1998年味精年产量分别为55.0万吨、56.64万吨、59.03万吨。尽管如此，我国⼈均年消耗味精量还只有400g左右，⽽台湾省已达2000g。因此，中国将是世界上最⼤的潜在味精消费市场，也就是说，味精⽣产会稳步发展。这也意味着⾕氨酸的⽣产不断在扩⼤[1]。

⾕氨酸⽣产⾛到今天就⽣产技术⽽⾔已有了长⾜进步,⽆论是规模还是产能都今⾮昔⽐,与此同时各⼚家还在追求完美, 这是⾏业进步的动⼒,也是⽣存之所需。实际上⽣产⼯艺是与时俱进的,没有瑕疵的⼯艺是不存在的。如:配⽅及提取⽅法现在是多种多样,有单⼀⽤纯⽣物素的,也有⽤⽢蔗糖蜜加纯⽣物素的, 还有加⽟⽶浆⼲粉或麸⽪⽔解液及⾖粕⽔解液等等;提取⽅法有:等电-离交、等电-离交-转晶、连续等点-转晶等等[2]。

本综述简述⾕氨酸⽣产的流程及发酵机制，着重介绍⾕氨酸的提取⼯艺。第⼆部分⾕氨酸⽣产原料及其处理

⾕氨酸发酵的主要原料有淀粉、⽢蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、⼄醇、正烷烃(液体⽯蜡)等。国内多数⾕氨酸⽣产⼚家是以淀粉为原料⽣产⾕氨酸的，少数⼚家是以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸⽣产的，这些原料在使⽤前⼀般需进⾏预处理。(⼀)糖蜜的预处理

⾕氨酸⽣产糖蜜预处理的⽬的是为了降低⽣物素的含量。因为糖蜜中特别是⽢蔗糖蜜中含有过量的⽣物素，会影响⾕氨酸积累。故在以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸发酵时，常常采⽤⼀定的措施来降低⽣物素的含量，常⽤的⽅法有以下⼏种:(1)活性炭处理法; (2)⽔解活性炭处理法;（3）树脂处理法。(⼆)淀粉的糖化

绝⼤多数的⾕氨酸⽣产菌都不能直接利⽤淀粉，因此，以淀粉为原料进⾏⾕氨酸⽣产时，必须将淀粉质原料⽔解成葡萄糖后才能供使⽤。可⽤来制成淀粉⽔解糖的原料很多，主要有薯类、⽟⽶、⼩麦、⼤⽶等，我国主要以⽢薯淀粉或⼤⽶制备⽔解糖。淀粉⽔解的⽅法有三种：①酸解法；②酶解法；③酸酶(或酶酸)结合法。1．酸解法⽤酸解法⽣产⽔解糖，其⼯艺流程如下：

原料(淀粉、⽔、盐酸)调浆→糖化→冷却→中和→脱⾊→过滤除杂→糖液2．酶解法先⽤α-淀粉酶将淀粉⽔解成糊精和低聚糖，然后再⽤糖化酶将糊精和低聚糖进⼀步⽔解成葡萄糖的⽅法，称为酶解法。

与淀粉的酸解相⽐，酶解法具有以下⼀些优点：①酶解反应条件⽐较温和。细菌α-淀粉酶是在pH6.0～7.0、温度85～90℃条件下，将淀粉液化成能溶解于⽔的糊精和低聚糖；⽽糖化酶是在pH4.0～4.5、温度58—60℃条件下，完成糖化反应的。②由于酶的作⽤专⼀性强，因此⽔解过程中很少有副反应发⽣。③淀粉乳的浓度以不超过40％为宜。④⽤酶解法制成的糖液⾊泽较浅，质量⾼。第三部分⾕氨酸发酵机制[3]⼀、⾕氨酸的⽣物合成途径

(⼀)由葡萄糖发酵⾕氨酸的理想途径如下图3-1：

图3-1 葡萄糖发酵⾕氨酸的理想途径

(⼆)由葡萄糖⽣物合成⾕氨酸的代谢途径如图3-2：

图3-2 葡萄糖⽣物合成⾕氨酸的代谢途径(三)⾕氨酸⽣物合成的调节机制

1、优先合成与反馈调节：(1)⾕氨酸⽐天冬氨酸优先合成；(2)⾕氨酸过量时，它反馈抑制⾕氨酸脱氢酶活性，阻遏柠檬酸合成酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶等，从⽽使途径转向合成天冬氨酸的⽅向；(3)天冬氨酸过量，则反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。

2、细胞渗透性的调节：通透性⾼，则可保持⾕氨酸优先合成。

3、糖代谢的调节：(1)⽣物素充⾜，糖酵解速率提⾼，菌⽣长良好；(2)⽣物素不⾜，则积累α-酮戊⼆酸，菌⽣长不好。4、氮代谢的调节。(四)⾕氨酸发酵的代谢控制1、菌种选育；

2、控制细胞膜的通透性；3、控制适宜的发酵环境条件。(五)细胞膜通透性及细胞壁合成的控制

1、限制培养基中⽣物素的浓度：亚适量(5～10µg/L)，使磷脂合成不⾜，膜通透性提⾼。

2、添加表⾯活性剂或饱和脂肪酸：可抑制脂肪酸的合成，从⽽影响磷脂合成。

3、采⽤油酸或⽢油缺陷性菌株：限制外源油酸或⽢油供应量(亚适量)，使磷酸合成不⾜。

4、采⽤温度敏感型突变株。突变株细胞膜的结构基因发⽣碱基转换或颠换，由它转换的酶在⾼温时失活导致细胞膜某些结构的改变，使细胞膜不完整。

5、添加青霉素、抗⽣素可抑制糖肽转肽酶的合成，从⽽影响细胞壁糖肽的⽣物合成，形成不完全的细胞壁，增加膜的渗透性。

(六)⾕氨酸发酵⼯艺

亚适量⼯艺、⾼⽣物素添加青霉素(表⾯活性剂)⼯艺、采⽤温度敏感突变株⼯艺。第四部分⾕氨酸的提取⼀、⾕氨酸的性质[3]

1、⼀般性质：⾕氨酸为⽆⾊正轴斜⽅系晶体，相对分⼦质量为147.13，相对密度为1.538（20℃），熔点为202～203℃，两性解离。

2、⾕氨酸的结晶特征：α型晶体为颗粒状、有光泽、颗粒⼤、易沉降、亚稳态，可⽤离⼼机分离；β型晶体为针状、⽆光泽、颗粒微细、难沉降、稳定态、表⾯积⼤，吸附分离。

3、⾕氨酸的溶解度：(1)温度降低，溶解度减⼩。(2)在不同PH条件下，溶解性会变化：①在同⼀温度下，溶解度随PH值的变化是以等电点(PI)为最低点的不对称U形曲线，PI偏酸性，溶解度增加幅度⼩；PI偏碱性，溶解度增⼤幅度⼤。②偏离PI越远，PH变化造成溶解度变化也愈⼤。③发酵液中杂质多，溶解度越⼤。

4、主要的化学反应：成盐反应；脱羧反应；茚三酮反应；⽣成焦⾕氨酸；消旋化反应。⼆、⾕氨酸提取的⽅法

常⽤的提取⾕氨酸的⽅法有以下⼏种。①低温等点⼯艺。是根据⾕氨酸的溶解度随温度降低⽽减⼩的性质制定的。通过增加制冷能⼒，将等电点提取的终点温度由原来的15～20℃降⾄0～5℃，这样可使母液中的⾕氨酸含量降低到

1.0%～1.3%，从⽽增加等电点提取的⼀次收率。②浓缩连续等电⼯艺。该⼯艺是将发酵液和硫酸同时加⼊等电点罐中，始终保持罐内PH值在3.0～3.2，低温等

电结晶后以晶体及母液作为晶种，维持温度和PH，边加新发酵液边放出已结晶的⾕氨酸，使进出料量保持⼀致[3]。③等电离交⼯艺。即将⾕氨酸发酵液降温并⽤硫酸调PH值⾄⾕氨酸等电点(PH3.0—3.2)，温度降到10℃以下沉淀、离⼼分离⾕氨酸，再将上清液⽤硫酸调pH⾄1.5上732强酸性阳离⼦交换树脂，⽤氨⽔调上清液pHl0进⾏洗脱，洗脱下来的⾼流分再⽤硫酸调pHl.0返回等电车间加⼊发酵液进⾏等电提取，离交车间的上柱后的上清液及洗柱⽔送去环保车间进⾏废⽔处理[4]。

简单介绍了常⽤的提取⾕氨酸⼯艺的原理后，因不同的⾕氨酸⽣产家所采取的提取⼯艺是不尽相同的，下⾯将根据所查阅的资料来重点介绍⾕氨酸提取的⼯艺流程。⽬前，国内味精⾏业⾕氨酸提取体现着两条⼯艺主线：⼀是以众多⼚家为应⽤的等电加离交⼯艺，⼆是以莲花为代表的浓缩⾼温连续等电加转晶⼯艺[5]。另外，利⽤膜技术对⾕氨酸发酵液进⾏过滤后再通过浓缩连续等电点法提取超滤液的⼯艺已在中试规模取得较好的效果[6]。(⼀)低温等电⼯艺(冷冻等电⼯艺)[3]

低温等点法提取⾕氨酸的⼯艺流程见下图4-1：

发酵液边冷却边加硫酸调节PH4.0～4.5 加晶种育晶2h 边冷却边加硫酸母液

调⾄PH3.0～3.2 冷却降温搅拌16h 4℃静置4h 离⼼分离⾕氨酸晶体

图4-1低温等点法提取⾕氨酸的⼯艺流程图

以上流程可总结为五个步骤：①加酸、降温(⼀步调酸)。要缓慢加酸并搅拌②起晶、育晶。③加酸⾄等电点(⼆步加酸)。加酸时要缓慢。④快速搅拌16h

降温⾄0～5℃。⑤沉降分离。该⼯艺操作简便，设备简单，废⽔量减少，节约酸、碱⽤量，成本较低，提取收率可达75%～80%。

(⼆)浓缩连续等电⼯艺(以河南莲花味精股份有限公司为例)[5]

⾕氨酸提取也称粗制，它是发酵液浓缩，⾼温连续等电，转晶，多级分离，⾕氨酸中和，⾼温带压连续⽔解的有机组合，产品为中和液。其⼯艺流程如下图：

图4-2 浓缩连续等电⼯艺流程图(以河南莲花味精股份有限公司为例) 该法的特点如下：①低消耗、低污染。取消离交⼯艺，采⽤浓缩⾼温连续等电⼯艺。没有液氨消耗，硫酸消耗减半，⾼浓度废液减少60％，减轻了环保压⼒。改变了原有⾏业⾼消耗、⾼污染的定论。②降低料液粘度不易糊罐，利于⾕氨酸结晶。采⽤⾼温连续等电，降低了料液的粘度，避开了蛋⽩质的结晶点，底

料采⽤周期长，保持pH3．2 的介稳区。提⾼了⾕氨酸的质量。③提⾼了⾕氨酸纯度。采⽤三级分离经过⽔洗，有效除去杂质，⾕氨酸纯度达到了98％以上。

④为提⾼精制收率奠定基础。采⽤全晶中和液，收率可达124％以上。⑤能有效提⾼设备利⽤率。莲花提取设备只有原离交⼯艺的1/3，精制使⽤转晶中和液，易脱⾊、好过滤，结晶周期由原来的16~17h 缩短为11~12h，强度提⾼。⑥降低精制⽣产成本。由于转晶过程中，可⼤量使⽤精制母液，不再有⽩⾕氨酸。

⑦料液中焦⾕氨酸回收率⾼。采⽤⾼温带压连续⽔解，焦⾕氨酸回收率≥98％。(三)等电离交⼯艺Glu 初馏分

发酵液低温等电提取母液阳离⼦交换吸附洗脱⾼馏分回收低温等电提取后馏分洗脱

对于PH值为5.5 3%Glu母液，阳离⼦交换柱采⽤H+离交柱，母液上柱后⾸先要⽤⽔对柱⼦进⾏反洗，后⽤60℃热⽔预热树脂，60℃ 4%～5%NaOH进⾏洗脱。对于PH值为1.5 3%Glu母液，阳离⼦交换柱则采⽤NH+离交柱，母液上柱后⽤⽔冲洗柱⼦，然后⽤5%NH3·H2

O洗脱，洗脱后可收集。采⽤此⽅法⾕氨酸提取收率可达90%～95%。

(四)⾕氨酸其他提取新⼯艺简介

1、絮凝除菌和提取⼯艺套⽤，⼯艺流程优化如下图4-3[7]：

图4-3 絮凝除菌和提取⼯艺套⽤的⼯艺流程

该提取⽅法特点：①⽬前⼤多数⼚家已具备或部分具备此⼯艺设备，只需稍加改进后即可实现⽣产。②选择对上清液絮凝更有利于⼯艺配套和收率提⾼。③固体絮凝剂配制时，⽤上清液可避免⽔进⼊系统，增⼤离交负荷，同时菌浓5%的上清液完全可以配成絮凝剂。④因冷冻后的上清液温度低，加热⾄絮凝温度能耗⼤，⽽⽤⾼温发酵液降温。⑤滤渣含酸在⼀定程度上影响提取收率，所以应尽量减少滤渣含⽔量。⑥滤清液含量为2%～3%左右，正适合离交上柱，由于已经除去⼤部分菌体，所以离交收率可以最⼤限度提⾼。

2、⽤有机微滤膜和超滤膜连续过滤预处理与浓缩连续等电点法结合[6]有机微滤膜和超滤膜连续过滤预处理流程如下图4-4：

微滤⼀超滤连续过滤没备由储料罐、泵、微滤及超滤膜组件、压⼒表及流最计组成(图4-4)。储料罐中的⾕氨艘发酵液经泵加压后⾸先进⼊微滤膜组件，除

1：泵；2：压⼒表；3：微滤膜；4：超滤膜；5：流量计图4-4 微滤⼀超滤连续过滤流程

菌体及部分⼤分⼦蛋⽩等杂质，然后微滤透过液进⼊超滤系统，经流量计进⼊透过液储料罐中，进⼀步去除⼩分⼦蛋⽩及⾊素等。原⾕氨酸发酵液在储料罐中不断被浓缩，可加⽔继续进⾏微滤，或者将浓缩液离⼼后对其上清液直接进⾏超滤。有机膜在每个运⾏周期结束后都错要清洗，清洗后微滤膜的通量恢复率均超过97％，超滤膜的通量恢复率也在96％以上，可有效减少酸碱⽤量。采⽤有机微滤膜和超滤膜连续过滤⾕氨酸发酵液，菌体去除率为100％，可溶性蛋⽩、⾊素去除率分别达到86.7％和63.2％，⾕氨酸的损失率为0.6％，可有效减轻后续上艺的处理负荷，降低后续处理难度。预处理后利⽤浓缩连续等电点法提取超滤液，收率可提⾼⾄95％以上，产品纯度⾼达99％，简化后续⼯艺中的转晶过程，不仅减少了⾕氨酸的损失，还节约了⼤量的能量。

此外，还有采⽤反调pH值提取⾕氨酸的⽅法[8]，但还处在研究阶段，主要是根据等电点法提取⾕氨酸的理论，⾕氨酸在溶液中具有两性电离的性质，在不同的pH溶液中能以4种不同的离⼦状态存在。此法可使等电罐⾥的pH值始终低于3.22，越过蛋⽩质的等电点，不让蛋⽩质晶析出来影响⾕氨酸结晶。⼯艺流程如下：

图4-5 反调pH值提取⾕氨酸⼯艺流程图

⼩结：本次我通过查阅相关的⽂献资料，再结合课堂所学到的内容进⾏综述。由于在课堂上我对于⾕氨酸的提取⽅⾯的知识不是很能理解，所以在本综述中主要针对提取⽅⾯进⾏总结。在查阅资料的过程中，我的疑惑得到了很好的解决，并加深了对⾕氨酸提取⼯艺的理解以及学会了将所学到的知识在实践⽣产上的应⽤。在⾕氨酸提取⽅⾯，⽣产上除了⽤到在课堂上所提到的⼏种⽅法外，很多⼚家还在这些⼯艺的基础上进⾏改进，因此提⾼了⾕氨酸的提取收率，节省了许多资源及⽣产费⽤。通过这次学习，我学到了关于⽣产实践上应注意的许多问题，对于今后的⼯作将有很⼤的帮助，在此感谢⽼师的教导。参考⽂献：

[1]王凯军等.发酵⼯业废⽔处理.北京：化学⼯业出版社，2000：383[2]周跃.对⾕氨酸⽣产的⼏点看法.发酵科技通讯，2010(1)：32[3]陈宁.氨基酸⼯艺学.北京：中国轻⼯业出版社，2007[4]刘建明.⾕氨酸提取⼯艺.专利技术，2009，16(3)：66

[5]郭明等.⾕氨酸提取⼯艺探讨.发酵科技通讯，2009，38(2)：27～28[6]陈宁等.有机膜在⾕氨酸发酵液分离中的应⽤研究.⽣物技术通讯，2009，20(2)：205～207

[7]杨平⼦.⾕氨酸提取⼯艺优化.发酵科技通讯，2005，34(3)[8]晏承富.反调pH值提取⾕氨酸探讨.发酵科技通讯，2003，32(4)