1、发酵工程简介参考资料发酵工程简介参考资料2011年05月22 日谷氨酸发酵 目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌等。 谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，再氧化成乙酰辅酶A（乙酰COA），然后进入三羧酸循环，生成酮戊二酸。酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH+4存在的条件下，生成谷氨酸（图5-7）。在谷氨酸发酵过程中，影响菌种代谢途径的 因素 见表5-2，并且谷氨酸产生菌需要生长因子生物素。当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物
2、素过量时，则转为乳酸发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。 因素 代谢途径 pH 谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺谷氨酸 NH4+ a一酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺 氧 乳酸琥珀酸谷氨酸 磷酸盐 缬氨酸谷氨酸 在谷氨酸发酵中，如果能够改变细胞膜的通透性，使谷氨酸不断地排到细胞外面，就会大量生成谷氨酸。研究表明，影响细胞膜通透性的主要 因素 是细胞膜中的磷脂含量。因此，对谷氨酸产生菌的选育，往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受损伤入手，如生物素缺陷型菌种的选育。生物素是不饱和脂肪酸合成过程中所需的乙酰CoA的辅酶。生物素缺陷型菌种因不能合成生物素，从而抑制了不饱和脂肪酸的合成。而不饱和脂
3、肪酸是磷脂的组成成分之一。因此，磷脂的合成量也相应减少，这就会导致细胞膜结构不完整，提高细胞膜对谷氨酸的通透性。 在发酵过程中，氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制如下：氧。谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。温度。菌种生长的最适温度为3032。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到3437。pH。谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.08.0。但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用，放出氨，p
4、H会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。 谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射液等。我国的谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较大的提高，但与国外先进水平相比还存在一定差距。主要表现在：设备陈旧，规模小，自控水平、转化率和提取率低，易受噬菌体污染，废水污染问题尚未完全解决等。 菌种的选育 根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经试验出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、 诱变 育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。下面着重介绍
5、自然选育和 诱变 育种。 自然选育 在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程，叫做自然选育。菌种的自发突变往往存在两种可能性：一种是菌种衰退，生产性能下降；另一种是代谢更加旺盛，生产性能提高。具有实践经验和善于观察的工作人员，就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化，选育出优良菌种。例如，在谷氨酸发酵过程中，人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。又如，在抗生素发酵生产中，从某一批次高产的发酵液取样进行分离，往往能够得到较稳定的高产菌株。但自发突变的频率较低，出现优良性状的可能较小，需坚持相当长的时间才能收到效果。 诱变 育种 诱变 育种是指用人工的
6、方法处理微生物，使它们发生突变，再从中筛选出符合要求的突变菌株，供生产和科学实验用。 诱变 育种与其他育种方法相比，具有操作简便、速度快和收效大的优点，至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。 诱变 育种包括出发菌种选择、 诱变 处理和筛选突变株三个部分。 出发菌种是指用于 诱变 的原始菌种。出发菌种可以是从自然界的土样或水样中分离出来的野生型菌种；也可以是生产中正在使用的菌种；还可以从菌种保藏机构中购买。选择的原则是菌种要对诱变剂的敏感性强、变异幅度大、产量高。 为了使菌体与诱变剂均匀接触，通常要将出发菌种制成细胞（或孢子）悬浮液，再进行 诱变 处理。诱变剂有 物理 诱变剂（如紫外线、
7、X射线、射线、快中子）、化学诱变剂（如亚硝酸、硫酸二乙酯、氮芥）等。在生产实践上，选用哪种诱变剂、剂量大小、处理时间等，都要视具体的情况和条件，并经过预备实验后才能确定。 菌种经 诱变 处理后，会产生各种各样的突变类型。如何从中挑选出所需要的突变类型呢？一般要经过初筛和复筛两个阶段。下面以青霉素产生菌高产突变菌种的筛选为例说明。将经 诱变 处理的菌液按一定浓度稀释后，涂布在平板培养基上。培养后，将单个菌落挑到斜面培养基上，经培养后，再将斜面上的菌落逐个接种到摇瓶中，振荡培养后测它们的抗生素效价。这就是初筛。初筛中所得到的超过对照效价10%以上的菌种，再进行复筛。复筛的过程与初筛基本相同，不同的
8、是一般将斜面上的单个菌落接种到三个摇瓶中，得出平均效价。复筛可进行13次。由此筛选出的高产稳定菌种还要经过小型甚至中型试验，才能用到发酵生产中。 影响发酵过程的 因素 影响发酵过程的 因素 主要有以下几个方面。 温度 温度对微生物的影响是多方面的。首先，温度影响酶的活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，产量降低。温度也能影响生物合成的途径。例如，金色链霉菌在30以下时，合成金霉素的能力较强，但当温度超过35时，则只合成四环素而不合成金霉素。此外，温度还会影响发酵液的 物理 性质
9、，以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此，要保证正常的发酵过程，就需维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。如灰色链霉菌的最适生长温度是37，但产生抗生素的最适温度是28 。通常，必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度，采取分段控制。 pH pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化，膜的透性也会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外，pH还会影响培养基中营养物质的分解等。因此，应控制发酵液的pH。但不同菌种生长阶段和合成产物阶段的最适pH往往不同，需要分别加以控制。 在发酵过程中，随着菌体对营养物质的利用和
10、代谢产物的积累，发酵液的pH必然会发生变化。如当尿素被分解时，发酵液中的NH+4浓度就会上升，pH也随之上升。在工业生产上，常采用在发酵液中添加维持pH的缓冲系统，或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵或碳酸钙来控制pH。目前，国内已研制出检测发酵过程的pH电极，用于连续测定和记录pH变化，并由pH控制器调节酸、碱的加入量。 溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键 因素 。从葡萄糖氧化的需氧量来看，1mol的葡萄糖彻底氧化分解，需6mol的氧；当糖用于合成代谢产物时，1mol葡萄糖约需1.9mol的氧。因此，好氧型微生物对氧的需要量是很大的，但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧，然而氧很难
11、溶于水。在101.32 kPa、25时，氧在水中的溶解度为0.26 mmol/L。在同样条件下，氧在发酵液中的溶解度仅为0.20mmol/L，而且随着温度的升高，溶解度还会下降。因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解。 泡沫 在发酵过程中，通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象，但过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常，因而必须消除泡沫。常用的消泡沫措施有两类：一类是安装消泡沫挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫
12、破裂；另一类是使用消泡沫剂。 营养物质的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在谷氨酸发酵中，NH+4浓度的变化，会影响代谢途径（见谷氨酸发酵）。因此，在发酵过程中，也应根据具体情况进行控制。 离子交换法 离子交换法是根据发酵产物的酸碱度、极性和分子大小而进行的分离纯化技术。目前，常用的离子交换剂是离子交换树脂，它上面有许多孔隙。离子交换树脂可分为两个组成部分：一部分是不能移动的高分子基团，构成了树脂的骨架；另一部分是可移动的离子，构成了树脂的活性基团，离子能够在骨架中进出。大多数发酵产物都具有酸性或碱性的功能团，并且在培
13、养液中以离子状态存在。 用离子交换树脂进行分离纯化的大致过程是：当离子交换树脂浸泡在培养液中时，其中的代谢产物首先被吸附或扩散到离子交换树脂表面，然后，从离子交换树脂的表面扩散到内部，并与内部的离子互相交换。被交换出来的离子逐步从离子交换树脂的内部扩散到培养液中去。碱性的代谢产物，通常用酸性的离子交换树脂；酸性的代谢产物，则用碱性的离子交换树脂。交换完毕，再用少量的洗脱剂将代谢产物洗下来。 在发酵工业中，蛋白质、氨基酸、核酸、酶及抗生素常用离子交换树脂法进行分离提纯。这种方法具有成本低、操作方便、提取率高、设备简单等优点。 氨基酸的应用 氨基酸主要用于食品、医药、农业、化妆品的生产等方面。 在
14、食品工业上的应用 甘氨酸、丙氨酸具有甜味，天冬氨酸、谷氨酸具有酸味，谷氨酸钠、天冬氨酸钠具有鲜味，它们都可用作食品添加剂。如甘氨酸用于清凉饮料、肉汤、酱菜等的加工，不仅能增加甜味，还能缓和苦味。赖氨酸、蛋氨酸等人体必需的氨基酸常作为食品添加剂，用以提高食品的营养价值。 在医药工业上的应用 氨基酸在医药上的应用很广。例如，氨基酸的混合液可供病人注射用，氨基酸的混合粉剂可作宇航员、飞行员的补品。又如，精氨酸药物用于治疗由氨中毒造成的肝昏迷；丝氨酸药物用作疲劳回复剂；蛋氨酸、胱氨酸用于治疗脂肪肝；甘氨酸、谷氨酸用于调节胃液；L?谷氨酸与L?谷氨酰胺用于治疗脑出血后的记忆力障碍等。 在化妆品生产中的应
15、用 氨基酸及其衍生物与皮肤的成分相似，具有调节皮肤pH和保护皮肤的功能，现已广泛用于配制各种化妆品。例如，胱氨酸用于护发素中，丝氨酸用于面霜中。又如，谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸与脂肪酸形成的表面活性剂，具有清洗、抗菌等功能，用于护肤品、洗发剂中。 在农业上的应用一些氨基酸在体外并无杀菌功能，但它们能干扰植物与病原菌之间的生化关系，使植物的代谢及抗病能力发生变化，从而达到杀菌的目的。例如，苯丙氨酸和丙氨酸可用于治疗苹果疮痂病。又如，美国一家公司用甘氨酸制成了除草剂。这类农药易被微生物分解，不会造成环境污染。赖氨酸、蛋氨酸添加在饲料中，能加速家畜、家禽的生长，改善肉的质量。 氨基酸也用于其他方面。例如
16、，聚谷氨酸用于合成人造皮革和涂料。 单细胞蛋白 单细胞蛋白又叫微生物蛋白、菌体蛋白。按生产原料不同，可以分为石油蛋白、甲醇蛋白、甲烷蛋白等；按产生菌的种类不同，又可以分为细菌蛋白、真菌蛋白等。1967年在第一次全世界单细胞蛋白会议上，将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白。 单细胞蛋白所含的营养物质极为丰富。其中，蛋白质含量高达40%80%，比大豆高10%20%，比肉、鱼、奶酪高20%以上；氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。一般成年人每天食用1015g干酵母，就能满足对氨基酸的需要量。单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和
17、生物活性物质，如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等。 单细胞蛋白具有以下优点：第一，生产效率高，比动植物高成千上万倍，这主要是因为微生物的生长繁殖速率快。第二，生产原料来源广，一般有以下几类：农业废物、废水，如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含纤维素的废料及农林产品的加工废水；工业废物、废水，如食品、发酵工业中排出的含糖有机废水、亚硫酸纸浆废液等；石油、天然气及相关产品，如原油、柴油、甲烷、乙醇等；H2、CO2等废气。第三，可以工业化生产，它不仅需要的劳动力少，不受地区、季节和气候的限制，而且产量高，质量好。 用于生产单细胞蛋白的微生物种类很多，包括细菌、放线菌、酵母菌、霉菌以及某些原生生物。这些
18、微生物通常要具备下列条件：所生产的蛋白质等营养物质含量高，对人体无致病作用，味道好并且易消化吸收，对培养条件要求简单，生长繁殖迅速等。单细胞蛋白的生产过程也比较简单：在培养液配制及灭菌完成以后，将它们和菌种投放到发酵罐中，控制好发酵条件，菌种就会迅速繁殖；发酵完毕，用离心、沉淀等方法收集菌体，最后经过干燥处理，就制成了单细胞蛋白成品。 20世纪80年代中期，全世界的单细胞蛋白年产量已达2.0106t，广泛用于食品加工和饲料中。单细胞蛋白不仅能制成“人造肉”，供人们直接食用，还常作为食品添加剂，用以补充蛋白质或维生素、矿物质等。由于某些单细胞蛋白具有抗氧化能力，使食物不容易变质，因而常用于婴儿粉
19、及汤料、作料中。干酵母的含热量低，常作为减肥食品的添加剂。此外，单细胞蛋白还能提高食品的某些 物理 性能，如意大利烘饼中加入活性酵母，可以提高饼的延薄性能。酵母的浓缩蛋白具有显著的鲜味，已广泛用作食品的增鲜剂。单细胞蛋白作为饲料蛋白，也在世界范围内得到了广泛应用。 任何一种新型食品原料的问世，都会产生可接受性、安全性等问题。单细胞蛋白也不例外。例如，单细胞蛋白的核酸含量在4%18%，食用过多的核酸可能会引起痛风等疾病。此外，单细胞蛋白作为一种食物，人们在习惯上一时也难以接受。但经过微生物学家的努力，这些问题会得到圆满解决。 特别声明： 1：资料来源于互联网，版权归属原作者 2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关 3：如有侵权，请告知，立即删除。
