1、氨基酸工艺学,参考书籍：氨基酸工艺学，陈宁主编，中国轻工业出版社，2007.1,科学家已发现的存在于动物（包括人类）体内的氨基酸至少有20种，但其中，异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸这8种氨基酸是人体不能合成的，必须通过食物加以补充，属于“必需氨基酸”。除了上述20种氨基酸外，在1986年和2002年还分别发现了2种新的天然氨基酸，即第21氨基酸“硒半胱氨酸”（Selenocysteine）和第22氨基酸“焦赖氨酸”（Pyrrolysine）。西方学者认为，新发现的这2种氨基酸在基因遗传密码中扮演了重要的角色。,第一章 绪论 第二章 谷氨酸发酵机制 第三章 淀
2、粉水解糖的制备 第四章 谷氨酸生产菌的主要特征、育种及其扩大培养 第五章 谷氨酸的发酵控制 第六章 噬菌体防治 第七章 谷氨酸提取 第八章 味精的精制 第九章 赖氨酸发酵、提取和精制,第一章 绪论,第一节 氨基酸发酵的发展历程,一、发酵法生产氨基酸的起源,1820年，蛋白质被水解为氨基酸。 1850年，在实验室里，化学法合成氨基酸。 1866年，德国的H.Ritthausen博士用硫酸水解小麦面筋，得到了谷氨酸（Glu），它是一种酸性氨基酸。 1872年，Hasiwitz和Habermaan水解酪蛋白也得到了谷氨酸。 1908年，日本味之素公司的创始人池田菊苗博士，从海带浸泡液中提取了一种白色
3、针状结晶物，即谷氨酸一钠，它具有强烈的鲜味。,第二次世界大战之后，美国农业部的L.B.Lockwood在葡萄糖培养基中好气性培养荧光杆菌时，发现培养基能够积累-酮戊二酸，并发表用酶法或化学法将-酮戊二酸转化为L-谷氨酸的研究报告。,1910年，日本味之素公司以植物蛋白（小麦面筋、豆粕）为原料，用盐酸水解生产谷氨酸。这是氨基酸工业化生产的开端。,1948年，日本对-酮戊二酸进行积极研究，得到了对糖的转化率为50%60%的-酮戊二酸产生菌。 1956年开始，日本协和发酵公司筛选了由碳水化合物转化为L-谷氨酸的菌株，选育出一种谷氨酸棒状杆菌，是生物素缺陷型。 1957年，日本协和发酵公司正式工业化发
4、酵生产味精。,随后，日本味之素、三乐、旭化成工业公司等也进行了味精的发酵法生产。日本各国立大学对谷氨酸及其他氨基酸产生菌的选育。特别是将遗传、生化等的知识与技术的引入，选育出了许多人工诱发突变菌株，发表了关于赖氨酸、鸟氨酸、缬氨酸、丙氨酸、高丝氨酸、苯丙氨酸等发酵生产的研究报道，一部分氨基酸的发酵生产也相继被实现。,二、氨基酸发酵技术的发展,与微生物技术的发展紧密相关。,四千多年前的酿造技术，如酒、醋、酱油、泡菜的发酵。 1667年，荷兰人安东尼.列文虎克发明了显微镜并发现了微生物的存在。 1857年，法国人巴斯德揭示了发酵产物是由微生物产生的。,1905年，德国人科赫发明了固体培养基，获得了
5、细胞的纯培养物，是微生物发酵技术发展的第一个转折点。 随着杀菌技术的运用和简单密闭式发酵罐的发明，发酵技术逐渐进入近代化学工业的行列，可通过人工控制环境条件进行乙醇、丁醇、丙酮等厌氧发酵。,第二次世界大战，促使人们对青霉素的生产进行深入研究。 1945年，以深层培养方式进行大规模发酵生产青霉素，从而建立了深层培养技术，这是微生物发酵技术发展进程的第二个转折点。 空气除菌技术、机械搅拌通风技术的运用，推动了抗生素发酵工业的快速发展，链霉素、氯霉素、土霉素、四环素等好氧发酵的次级产物相继投产。,1928年，英国弗莱明发现了青霉素。,1956年，日本发酵法成功生产谷氨酸。,氨基酸发酵工业引进了人工诱
6、变育种和代谢控制发酵的新技术，极大地推动了氨基酸发酵工业的发展，至今大部分氨基酸可通过发酵法进行生产。代谢控制发酵技术以动态生物化学和微生物遗传学为基础，通过人工诱变获取适合生产某种产物的突变株，此突变株在人工控制的条件下培养，能够选择性的大量生产人们所需的产品。代谢控制发酵技术的建立是微生物发酵技术发展进程的第三个转折点。,发酵动力学的建立和计算机自动控制的应用使发酵过程控制趋于优化。 生物反应器的不断改进，使发酵过程中的传质、传热更加高效。 新材料不断被研制成功及其技术的应用，如膜技术在空气除菌、产物提取中的应用，新型离子交换剂在产物提取中的应用，不断提高生产效率和产品质量。 1973年第
7、一个目的基因重组成功，奠定了基因工程理论及其实际应用的基础，成为微生物发酵技术发展进程的第四个转折点。,此后，新理论、新技术、新工艺、新设备的不断出现，原料范围和产品种类日益扩大，产率也逐渐提高。,编码卡那霉素抗性基因的大肠杆菌R6-5质粒DNA，和编码有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒pSC101混合后，加入核酸内切限制酶EcoR,对DNA进行切割，而后再用T4连接酶将他们连接成重组的DNA分子。用此混合物转化大肠杆菌，发现某些转化子菌落出现了既抗卡那霉素又抗四环素的双重抗性特征。这标志着基因工程的正式问世。,1973年，美国分子生物学家科恩（加利福尼亚大学）、美国生物化学家博耶（斯坦福大
8、学）合作完成了将两种不同基因拼接的复合基因引入细菌的实验，并申报了第一个基因重组技术专利。,在大肠杆菌载体-受体系统的基础上，对棒状杆菌的载体-受体系统进行深入研究，进行基因重组，利用PCR技术扩增目标基因，构建氨基酸基因工程菌，大幅度的提高了氨基酸发酵效率。同时，在调控研究中，运用定点突变、插入失活及计算机分子空间构象模型等手段，解开了许多关键酶受反馈抑制的机制，为代谢控制注入新的活力，为获得高产、优质且易于自动化生产的菌株打下基础。,三、氨基酸发酵行业的现状与趋势,1.发酵法生产氨基酸的种类20种氨基酸基本上都已被开发成商品上市；谷氨酸一钠、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等产量很大。某些
9、商品已成为国际医药、保健品市场上的热销品种，如在国外已开发上市的“非常规氨基酸”产品中，瓜氨酸、鸟氨酸，茶氨酸、卡尼丁和牛磺酸等产品已形成一定的市场规模。,2.发酵法生产氨基酸的产量,总产量超过220万吨，其中味精年产量超过120万吨。,我国氨基酸类原料药2006年的出口额同比增长率为55.96%，仅次于胰岛素居第二位。同时，西方统计资料也显示，2003年以来，世界氨基酸产品市场总规模保持在570亿590亿美元，且发展势头十分强劲。 全国药用级（L-型氨基酸）的总产量现已超过4000吨,年出口氨基酸原料药在10万吨以上。,3.氨基酸的主要生产国家,有日本、中国、美国、德国、法国、印尼、泰国、韩
10、国等。其中日本味之素公司能够控制全球氨基酸市场的60%的份额。在国际上，氨基酸原料药生产主要集中在少数几家西方大公司，如日本味之素、协和发酵、德国Degussa、巴斯夫和美国ADM等。,4.我国氨基酸工业发展历程简介,1958年，开始筛选谷氨酸产生菌，并积极开展谷氨酸发酵的基础性研究，1964年在上海投入工业化生产试验。,随后，在北京、天津、广州等地相继选育出谷氨酸高产菌株，全国各地纷纷建厂采用发酵法生产谷氨酸。到2004年底，国内年产味精超过90万吨，产量超过日本，居世界第一。,近年来，我国赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸的发酵生产发展迅速，由于技术交流广泛，使得这些氨基酸的生产规模与生产技术水平的起
11、点都比较高。,首先，国内氨基酸原料药生产厂家普遍规模较小，有些厂家年产量仅为几百公斤，而且产品单一，能耗、物耗偏高； 其次，产品结构不合理，某些厂家的氨基酸产品雷同,精氨酸、组氨酸、丝氨酸、色氨酸等品种的生产依然是我国氨基酸产业的瓶颈； 第三，技术投入少，因而生产水平低下，产品缺乏国际市场竞争力。 第四，对生产废液的综合利用和治理能力偏低，环境污染严重。,差距：,5.氨基酸工业发展趋势,（1）作为调味添加剂的L-谷氨酸一钠仍有增长的空间。 （2）作为饲料添加剂的氨基酸如L-赖氨酸、L-苏氨酸、L-蛋氨酸、L-色氨酸等，将是未来氨基酸产业发展的一个热点。 （3）氨基酸及其衍生物作为合成活性药物的
12、重要原料，是氨基酸工业发展的另一个热点；它的应用领域还正在向化工、化妆品方面拓展。氨基酸的生产也将是21世纪氨基酸工业的发展趋势之一。,第二节 氨基酸的应用,一、在食品工业中的应用,1.调味的作用 L-谷氨酸一钠是重要的鲜味剂； 甘氨酸：甜味剂，如调制酒类、清凉饮料、速食食品等； 天冬氨酸甲酯（简称甜味素，AMP）：由L-天冬氨酸和苯丙氨酸缩合而成，甜度是蔗糖的150倍，几乎不增加热量，可作为糖尿病、肥胖症等的疗效食品的甜味剂，防龋齿食品的甜味剂。,2.增香与除臭的作用,烘烤面包时，添加脯氨酸可强化面包的香气；添加赖氨酸或丙氨酸使烘烤后具有蜂蜜般香味；添加缬氨酸使烘烤后具有芝麻般香味；利用L-
13、半胱氨酸的美拉德反应，可以调制出牛肉、猪肉般的“肉香”。,羊肉、鱼、大豆等由于含有中级脂肪酸、挥发性胺或正己醛而具有特殊的异臭味或腥味，用以丙氨酸为主的矫味剂可除去。,利用L-赖氨酸6-位氨基的活泼性，也可以消除食品加工中产生的异臭味。,3.保质与保鲜的作用,作为抗氧化剂，有效地延长食品的保质期。如胱氨酸、亮氨酸、色氨酸等适合用于油脂贮存过程中的抗氧化；脯氨酸、蛋氨酸与维E制成的复合抗氧化剂可防止虾、蟹的褪色和变黑；半胱氨酸盐酸盐可以作为天然果汁的抗氧化剂。,甘氨酸能抑制枯草杆菌、大肠杆菌的生长；赖氨酸可以用于水果及罐头制品的保鲜与保色。,4.营养的作用,8种必需氨基酸必需由食物供给。在植物食
14、品中添加一些必需氨基酸进行强化，使其营养价值接近动物蛋白的水平。如赖氨酸强化谷物食品，对婴幼儿而言，赖氨酸能促进钙的吸收，加速骨骼生长，对婴幼儿的生长发育十分有益。,二、在医药工业中的应用,1.作为营养性输液 当病患者在不能由口腔摄取食物时，要通过输入氨基酸制剂改善患者的应用状况。成分包括8种必需氨基酸在内的多种氨基酸。,2.治疗的作用,氨基酸及其衍生物可以作为药物使用。,3.起载体与连接的作用,聚氨基酸：是同一氨基酸单体通过化学法或微生物法合成的一类高分子聚合物。,性质：具有抗腐蚀性、耐热性、组织的相容性与消化吸收性，可作为药物的缓释、靶向载体和外用药物的载体，也适用于外科及手术用的粘胶剂、
15、止血剂及密封剂。,如聚谷氨酸作为紫杉醇的载体，制成了抗肿瘤药物-聚谷氨酸紫杉醇。,三、在饲料工业中的应用,在氨基酸饲料学中，根据必需氨基酸的缺乏程度，把必需氨基酸分为第一、第二、第三限制氨基酸。原因是：饲料中大部分是植物蛋白，与动物蛋白的氨基酸组成不一致，单纯的增加饲料中蛋白质的数量时，氨基酸的比例不协调，不能完全被动物所利用。,不同品种的动物，所用的饲料不同，限制性氨基酸的含义也不同。 如用玉米和大豆粕饲养小猪时，赖氨酸是第一限制性氨基酸，色氨酸是第二限制性氨基酸；使用无鱼粉日粮饲养鸡时，蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸和色氨酸分别是第一、第二、第三和第四限制性氨基酸。,饲料中添加氨基酸的作用：促进动
16、物生长发育，改善肉质，提高产奶、产蛋，使饲料得到充分利用，节省饲料用量，降低成本。,例如：在猪的饲料中添加0.04%0.22%的L-赖氨酸，猪可增重20%35%；在饲料中添加0.1%的蛋氨酸，可使饲料中蛋白质的利用率提高3%左右，有效的提高禽类的产蛋率或猪的瘦肉率。,四、在农业中的应用,1.氨基酸及其金属盐类、聚合物、衍生物等可作为杀虫剂。,甘氨酸乙酯的二硫代磷酸盐杀灭蚜虫或螨虫，效果可提高30-40倍；甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、高精氨酸等有抑菌作用，其铜盐络合物效果更佳。,2.氨基酸可作为引诱剂起作用，达到聚而歼之的目的。,如：谷氨酸是地中海蝇的性引诱剂； 赖氨酸是蚊子的性引诱剂。,
17、3.氨基酸及其衍生物作为新型除草剂,化学除草剂的毒害大，残留期长。,N-3，4-二氮丙氨酸乙酯是除野燕麦的优良除草剂，硫代氨基酸酯是广谱性除草剂。,4.氨基酸及其衍生物可作为植物生长的促进剂，对植物生长具有一定的促进作用。,如，谷氨酸可促进大豆增产；半胱氨酸刺激玉米的生长发育；蛋氨酸盐是黄瓜、菜豆、苹果、橙树的生长刺激剂。,五、在化学工业中的应用,1.在化妆品中的应用,甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等可组合成皮肤的保湿因子；半胱氨酸及其衍生物可作为冷烫发中的还原剂，也是去头屑洗发液的重要成分；添加天冬氨酸及其衍生物，可防止皮肤的老化。,2.在日用品中的应用,将亲油性基团导入氨基上，可得具有阴
18、离子表面活性作用的化合物；将亲油性基团导入羟基，可得具有阳离子表面活性作用的化合物。例如酰基谷氨酸钠是优良的阴离子表面活性剂，具有极好的洗净力、起泡力、乳化力，可直接用于制造固体洗涤剂，也可作为洗发剂、洗涤剂、化妆品的原料。,月桂酰-L-精氨酸乙酸盐酸是一种具有极强抗菌性且毒性很低的阳离子表面活性剂，可作为优良食品或化妆品的防腐剂。,3.聚氨基酸在化工中的作用,作为固体皮膜及微孔性材料，其水蒸气透过性能良好。,利用生物可降解性，制造“绿色塑料”，可用于食品包装、一次性餐具等。,利用其具有极强的保湿性，制取化妆液。,聚氨基酸衍生物具有明显的压电效应，作为带电防止剂添加到高分子材料中，降低制品的易带电性质。,
