谷氨酸的发酵和提取工艺综述

1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2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31、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4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16h4℃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5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5.53%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1.53%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·H2O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61：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7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