第九章氨基酸的生产工艺 氨基酸的应用 全世界AA的年需求量以10%的速度增长，年总产量120万吨以上，而其需 求量达800万吨，作为食品添加剂占40%，饲料添加剂占40%，医药保健品占20% 年产值己接近600亿美元。 氨基酸主要用于食品、医药、农业、化妆品的生产等方面。 在食品工业上的应用。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。在饲料 工业，目前作为饲料添加剂的氨基酸有蛋氨酸、赖氨酸、谷氨酸钠、甘氨酸、丙 氨酸和苏氨酸7种。其中以蛋氨酸（鸡饲料）、赖氨酸为主，近年某些国家己将 苏氨酸用作饲料添加剂，主要用于以麦类为主的饲料中。 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一谷氨酸与L一谷氨酰 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，现己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茵功能，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，聚谷氨酸用于合成人造皮革和涂料。 谷氨酸生产，最早于1866年德国的Ritthausen博士利用硫酸水解小麦面筋
第九章 氨基酸的生产工艺 氨基酸的应用 全世界 AA 的年需求量以 10%的速度增长，年总产量 120 万吨以上，而其需 求量达 800 万吨，作为食品添加剂占 40%，饲料添加剂占 40%，医药保健品占 20%。 年产值已接近 600 亿美元。 氨基酸主要用于食品、医药、农业、化妆品的生产等方面。 在食品工业上的应用。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。在饲料 工业，目前作为饲料添加剂的氨基酸有蛋氨酸、赖氨酸、谷氨酸钠、甘氨酸、丙 氨酸和苏氨酸 7 种。 其中以蛋氨酸(鸡饲料)、赖氨酸为主，近年某些国家已将 苏氨酸用作饲料添加剂，主要用于以麦类为主的饲料中。 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，聚谷氨酸用于合成人造皮革和涂料。 谷氨酸生产，最早于1866年德国的Ritthausen博士利用硫酸水解小麦面筋
分离到一种酸性氨基酸，原料取材，命名为谷氨酸。1910年日本的味之素公司 用水解法生产谷氨酸。1956年日本协和发酵公司分离到谷氨酸棒杆菌，1957年 开始发酵法生产味精。我国1958年开始研究，1965年在上海天厨味精厂投产。 目前我国味精的年产量己达100万吨，产销量占世界第一位 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。 9.1谷氨酸生物合成途径及调节机制 谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解(EWP途径)和己糖磷酸支 路(WMP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Q一酮戊二酸。α一酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有N+4存在 的条件下，生成谷氨酸。即，谷氨酸的生物合成途径包括EMP、HP、TCA循环、 DCA循环和CO2固定作用等。 谷氨酸脱氢酶 谷氨酸脱 主要的酶反应： a一酮戊二酸+NH4++NADPH?2 谷氨酸十 H20+NADP 在TCA循环中： a一酮戊二酸+NADP+CoA-SH 琥珀酰CoA+C02 CH2-COO-CoA-SH NAD NADH CHa-COO CH +C02 C-C00 glutara C-S-CoA Suceinyl-CoA AG"=-33.5 kJ/mol
分离到一种酸性氨基酸，原料取材，命名为谷氨酸。1910 年日本的味之素公司 用水解法生产谷氨酸。1956 年日本协和发酵公司分离到谷氨酸棒杆菌，1957 年 开始发酵法生产味精。我国 1958 年开始研究，1965 年在上海天厨味精厂投产。 目前我国味精的年产量已达 100 万吨，产销量占世界第一位。 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。 9.1 谷氨酸生物合成途径及调节机制 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 α－酮戊二酸。α－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。即，谷氨酸的生物合成途径包括 EMP、HMP、TCA 循环、 DCA 循环和 CO2 固定作用等。 主要的酶反应： α－酮戊二酸 + NH4+＋NADPH2 谷氨酸＋ H2O＋NADP 在 TCA 循环中： α－酮戊二酸 +NADP＋CoA-SH 琥珀酰 CoA＋CO2 谷氨酸脱 氢酶 谷氨酸脱氢酶
由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式为： C6H.0。+NH3+02→CH,0N+C03+3H,0 谷氨酸对糖的重量理论转化率为81.T%。实际生产上由于菌体生长、副产物生成 和生物合成的耗能等消耗部分糖，实际转化率低于81.7%。因此，必须合理地控 制发酵，使糖最大限度地用于合成谷氨酸。 葡萄！ 葡萄糖-6鳞酸 →6-酸葡萄糖酸 戊楷一3磷酸 丙糖3磷酸 丙酸 +乙酰CM ,草酰乙酸 节果酸 乙酰CaA柠酸 乙酷酸环 延胡索酸 乙醛酸」 顺乌头酸 ←异柠檬酸 我珀酸 线珀酸 a酮成二酸 N 透过细胞膜 一谷氨酸 图5-7谷氨的生物合成途径 EP途径和HMP途径 谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌和黄色短杆菌中，均存在这两条途径。 TCA循环 顺乌头酸和ATP对柠檬酸合成酶有抑制作用草酰乙酸和乙酰-CoA分别对其 抑制有拮抗作用：异柠檬酸脱氢酶受乙醛酸和草酰乙酸的协同反馈抑制：氟乙酸 是乌头酸酶的专一抑制剂：ā一酮戊二酸脱氢酶的活力很弱，使糖代谢流进入
由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式为： 谷氨酸对糖的重量理论转化率为 81.7%。实际生产上由于菌体生长、副产物生成 和生物合成的耗能等消耗部分糖，实际转化率低于 81.7%。因此，必须合理地控 制发酵，使糖最大限度地用于合成谷氨酸。 EMP 途径和 HMP 途径 谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌和黄色短杆菌中，均存在这两条途径。 TCA 循环 顺乌头酸和 ATP 对柠檬酸合成酶有抑制作用草酰乙酸和乙酰-CoA 分别对其 抑制有拮抗作用；异柠檬酸脱氢酶受乙醛酸和草酰乙酸的协同反馈抑制；氟乙酸 是乌头酸酶的专一抑制剂；α－酮戊二酸脱氢酶的活力很弱，使糖代谢流进入 C6H12O6 NH3 O2 C5H9O4N CO2 3H2O 2 3 + + → + +
TCA循环后受阻在a一酮戊二酸处，在有NH4十存在下，由谷氨酸脱氢酶催化还 原氨基化生成谷氨酸。 DCA循环 在谷氨酸发酵中，DCA循环一方面可以作为TCA循环有缺陷是C4二羧酸的 补充，另一方面会使谷氨酸对糖转化率减少。TCA循环的中间产物比抑制异柠 檬酸脱氢酶更强烈的抑制异柠檬酸裂解酶：当菌体内异柠檬酸浓度低时，异柠檬 酸代谢进入TCA循环比进入DCA循环更容易。 C02固定 草酰乙酸的补充是通过C02固定反应来完成的。固定反应酶：磷酸烯醇式丙 酮酸羧化酶和苹果酸酶。 NH4+的导入 有三种方式：①α一酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸：②由天冬氨酸或丙氨酸 通过氨基转移作用将氨基转给α一酮戊二酸而生成：③谷氨酸合成酶途径。但是 谷氨酸产生菌中天冬氨酸转氨酶(G0T)和丙氨酸转氨酶(GPT)活力很低，转氨途径 并不重要。 异柠檬酸脱氢酶不仅催化α一酮戊二酸的生成，提供合成谷氨酸的前体物，并为 谷氨酸脱氢酶提供了所必需的辅酶NADPH十H+ 谷氨酸合成酶对N4十的亲和力比谷氨酸脱氢酶强得多，当环境中N4+浓度很 低时，可由谷氨酸合成酶途径合成谷氨酸。细胞内谷氨酸浓度很高时，反馈抑制 谷氨酸脱氢酶活性，但不抑制谷氨酸合成酶，所以该酶在谷氨酸发酵中的作用值 得重视。 谷氨酸生产菌及种子扩大培养 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。 菌种的共同特征为： 细胞形态为棒杆、短杆 3 G+,无芽孢，无鞭毛，不能运动 都是需氧型
TCA 循环后受阻在α－酮戊二酸处，在有 NH4＋存在下，由谷氨酸脱氢酶催化还 原氨基化生成谷氨酸。 DCA 循环 在谷氨酸发酵中， DCA 循环一方面可以作为 TCA 循环有缺陷是 C4 二羧酸的 补充，另一方面会使谷氨酸对糖转化率减少。 TCA 循环的中间产物比抑制异柠 檬酸脱氢酶更强烈的抑制异柠檬酸裂解酶；当菌体内异柠檬酸浓度低时，异柠檬 酸代谢进入 TCA 循环比进入 DCA 循环更容易。 CO2 固定 草酰乙酸的补充是通过 CO2 固定反应来完成的。固定反应酶：磷酸烯醇式丙 酮酸羧化酶和苹果酸酶。 NH4＋的导入 有三种方式：① α－酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸；②由天冬氨酸或丙氨酸 通过氨基转移作用将氨基转给α－酮戊二酸而生成；③谷氨酸合成酶途径。但是 谷氨酸产生菌中天冬氨酸转氨酶(GOT)和丙氨酸转氨酶(GPT)活力很低，转氨途径 并不重要。 异柠檬酸脱氢酶不仅催化α－酮戊二酸的生成，提供合成谷氨酸的前体物，并为 谷氨酸脱氢酶提供了所必需的辅酶 NADPH＋H＋ 谷氨酸合成酶对 NH4＋的亲和力比谷氨酸脱氢酶强得多，当环境中 NH4＋浓度很 低时，可由谷氨酸合成酶途径合成谷氨酸。细胞内谷氨酸浓度很高时，反馈抑制 谷氨酸脱氢酶活性，但不抑制谷氨酸合成酶，所以该酶在谷氨酸发酵中的作用值 得重视。 谷氨酸生产菌及种子扩大培养 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。 菌种的共同特征为： 1) 细胞形态为棒杆、短杆 2) G+，无芽孢，无鞭毛，不能运动 3) 都是需氧型
生物素缺陷型 可 脲酶强阳性 不分解淀粉 7) 发酵中菌体发生明显的形态变化，同时细胞膜渗透性的变化。 中 C02固定反应酶系活力强 乙醛酸循环弱 10) ā-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱 11) 谷氨酸脱氢酶活力强 乡 不分解谷氨酸，并能耐高浓度谷氨酸 北京棒杆菌AS1.299 形态特征： 普通光学显微镜观察在普通肉汁斜面上培养6、12、24及48小时的染色培养物， 细胞通常为短杆至小棒状，有时微呈弯曲状，两端钝圆，不分枝，呈多种形态， 即培养6小时细胞有延长现象：细胞呈单个、成对及V字型排列：细胞大小为 0.7-0.9×1.0-2.5μm 培养特征： 普通肉汁琼脂斜面中间划直线培养，呈中度生长，菌苔线状，24h为白色， 48h后稍呈淡黄色，随培养时间的延长颜色稍增深，表面湿润，光滑，有光泽， 无粘性，不产生水溶性色素。 普通肉汁琼脂平板菌落圆形，培养24h菌落为白色，直径约1mm,48h为2.5 mm,延长培养至一周可达4.5-6.5m,淡黄色，中央隆起，表面湿润，光滑且有 光泽，边缘整齐并呈半透明状，无粘性，不产生水溶性色素。 种子扩大培养： 1） 斜面：肉膏培养基，1824h,32℃ 2) 一级种子：三角瓶200ml/1000ml△，瓶口八层纱布包扎，碳 源为葡萄糖。摇床性能介绍（往复，96rpm,76mm振幅：旋转，偏心距5cm,220rpm), 瓶口八层纱布包扎，碳源为葡萄糖 二级种子：种子罐500升，培养基为水解糖 一级种子质量要求：
4) 生物素缺陷型 5) 脲酶强阳性 6) 不分解淀粉 7) 发酵中菌体发生明显的形态变化，同时细胞膜渗透性的变化。 8) CO2 固定反应酶系活力强 9) 乙醛酸循环弱 10) α-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱 11) 谷氨酸脱氢酶活力强 12) 不分解谷氨酸，并能耐高浓度谷氨酸 北京棒杆菌 AS1.299 形态特征： 普通光学显微镜观察在普通肉汁斜面上培养 6、12、24 及 48 小时的染色培养物， 细胞通常为短杆至小棒状，有时微呈弯曲状，两端钝圆，不分枝，呈多种形态， 即培养 6 小时细胞有延长现象；细胞呈单个、成对及 V 字型排列；细胞大小为 0.7-0.9×1.0-2.5μm。 培养特征： 普通肉汁琼脂斜面 中间划直线培养，呈中度生长，菌苔线状，24 h 为白色， 48 h 后稍呈淡黄色，随培养时间的延长颜色稍增深，表面湿润，光滑，有光泽， 无粘性，不产生水溶性色素。 普通肉汁琼脂平板 菌落圆形，培养 24h 菌落为白色，直径约 1mm，48 h 为 2.5 mm，延长培养至一周可达 4.5-6.5mm，淡黄色，中央隆起，表面湿润，光滑且有 光泽，边缘整齐并呈半透明状，无粘性，不产生水溶性色素。 种子扩大培养： 1) 斜面：肉膏培养基，18~24h，32℃ 2) 一级种子：三角瓶 200ml/1000ml△，瓶口八层纱布包扎，碳 源为葡萄糖。摇床性能介绍（往复，96rpm,76mm 振幅；旋转，偏心距 5cm，220 rpm）， 瓶口八层纱布包扎，碳源为葡萄糖 3) 二级种子：种子罐 500 升，培养基为水解糖 一级种子质量要求：