味精的发酵生产工艺

第五章味精生产第一节概述一、味精及其生理作用1.味精的种类按谷氨酸的含量分类：99%、95%、90%、80%四种按外观形状分类：结晶味精、粉末味精2.味精的生理作用和安全性（1）参与人体代谢活动：合成氨基酸（2）作为能源（3）解氨毒谷氨酸+NH3谷氨酰胺+水味精的毒性试验表明是安全的。第一代鲜味料第二代鲜味料第三代鲜味料二、味精的生产方法味精的生产方法：水解法、发酵法、合成法和提取法。1.水解法原理：蛋白质原料经酸水解生成谷氨酸，利用谷氨酸盐酸盐在盐酸中的溶解度最小的性质，将谷氨酸分离提取出来，再经中和处理制成味精。生产上常用的蛋白质原料——面筋、大豆及玉米等。水解中和、提取蛋白质原料谷氨酸味精2.发酵法原理：淀粉质原料水解生成葡萄糖，或直接以糖蜜或醋酸为原料，利用谷氨酸生产菌生物合成谷氨酸，然后中和、提取制得味精。淀粉质原料—→糖液—→谷氨酸发酵—→中和—→味精3.合成法4.提取法丙烯→氧化、氨化→丙烯睛→谷氨酸→味精原理：石油裂解气丙烯氧化氨化生成丙烯腈，通过羰化、氰氨化、水解等反应生成消旋谷氨酸，再经分割制成L-谷氨酸，然后制成味精。原理：以废糖蜜为原料，先将废糖蜜中的蔗糖回收，再将废液用碱法水解浓缩，提取谷氨酸，然后制得味精。水解、浓缩中和废糖蜜————→谷氨酸————→味精提取第二节淀粉水解糖液的制备一、制备方法1.酸解法原理：以无机酸或有机酸为催化剂，在高温高压下将淀粉转化为葡萄糖的方法。优点：生产方便、设备要求简单、水解时间短、设备生产能力大。缺点：要求设备耐腐蚀、耐高温、耐高压，对原料要求严格、易发生付反应、淀粉转化率低。2.酸酶法原理：先将淀粉水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶将其水解成葡萄糖。适用性：淀粉颗粒较坚硬，用酶水解需较长时间的原料。如玉米、小麦等谷物淀粉。特点：酸液化速度快，产品颜色浅、糖液质量高，但水解时间较长。3.酶解法4.双酶法原理：先将淀粉乳用α-淀粉酶液化，然后用酸将其水解成葡萄糖。适用性：适于大米或粗淀粉原料，可省去其精制过程，避免淀粉在加工过程中的流失。原理：先用淀粉酶将原料水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶将后者水解成葡萄糖。特点：水解条件温和，不要求设备耐腐蚀、耐高、耐高压，对原料要求粗放，但生产周期长。二、酸解法制糖工艺1.酸解法制糖原理以酸为催化剂，在高温条件下，淀粉发生水解反应，-1，4糖苷键和-1，6糖苷键被切断，淀粉链逐渐变短，淀粉先变为糊精、低聚糖、麦芽糖，最后生成葡萄糖。在整个水解过程中，由于受酸和热的作用，一部分葡萄糖发生复合反应和分解反应，如下所示：复合反应分解反应复合低聚糖葡萄糖有机酸、有色物↑淀粉2.淀粉酸水解工艺⑴工艺流程原料（淀粉、水、酸）→调浆→糖化→冷却→中和、脱色→滤除杂→糖液⑵水解条件在淀粉酸解过程中，必须先将淀粉原料调成粉浆，保持一定的浓度和酸度，然后将料液泵入糖化锅，在一定条件下进行水解糖化。①淀粉乳浓度的选择淀粉水解时，淀粉乳的浓度越低，水解液的葡萄糖值越高，糖液色泽越浅。淀粉乳的浓度高，易发生复合分解反应，故一般控制在10~11Be’。②酸的种类和影响常用的酸：盐酸、硫酸和草酸。催化效率：盐酸最强，其次是硫酸、草酸。催化能力强，但中和后产生氯化物，增加糖液灰分，影响结晶、分离和收率。颜色浅。催化能力较强，但用硫酸钙中和时,生成的硫酸钙在蒸发时易生成结垢，影响传热。催化能力较低，用碳酸钙中和时，生成的草酸可基本钙本除去，糖液纯度高，颜色浅。盐酸硫酸草酸酸的添加方法添加方法不同，对水解有很大影响。一般是先将1/3左右的酸用水稀释后放入锅内，其余酸放入粉浆中，再泵入糖化锅进行糖化。酸的添加量和添加法加酸量——以淀粉乳的pH值为指标，当采用10~11Be’的淀粉乳时，控制pH值在1.5左右。③压力和时间的选择糖化压力与水解反应速度成正比，压力升高，水解反应速度加快，反应时间短；反之，压力降低，反应时间加长。高温短时间是最佳的水解方法，蒸汽压力一般为245~392KPa。④糖化设备的选择糖化锅的结构对糖液质量有直接的影响。若糖化锅的体积太大，进出料的时间长，使淀粉水解时间差别大，部分先水解的生成的葡萄糖易发生复合分解反应。因此，一般味精厂采用的糖化锅径高比为1：1.5~2.5。⑶水解糖液的中和、脱色和除杂在淀粉水解的同时，淀粉原料中的其它物质，如蛋白质、脂肪、纤维素、无机盐等也发生变化，所生成的物质影响糖液的纯度。如氨基酸能与葡萄糖的分解产物反应，形成色素，使糖液色泽加深。故水解糖液必须加以中和、脱色和除杂。①中和淀粉水解糖化后，糖化液温度很高（140~150℃），经冷却后才能中和。中和的目的是降低糖化液酸度，调节pH值。生产中常用的中和剂有纯碱、氢氧化钠溶液，中和温度控制在80℃，终点pH控制在4.0~5.0。②脱色和除杂水解糖液中的杂质不仅对谷氨酸发酵不利，而且影响谷氨酸的提纯。糖液脱色方法活性炭吸附法离子交换树脂脱色法。活性炭的用量为0.2%~0.8%，脱色温度为70~80℃。在脱色过程中要保证一定时间的搅拌，使活性炭充分起作用。三、双酶法制糖工艺双酶法制糖工艺主要包括淀粉的液化和糖化两个步骤。1.淀粉的液化在-淀粉酶的作用将淀粉水解生成糊精和低聚糖。⑴升温液化法将淀粉乳（30%~40%）调整pH为6.0~6.5，加入CaCl2，使Ca2+达到0.01mol/l，加入定量的液化酶，在保持剧烈的搅拌下，加热到80~90℃，保持30min左右，达到所需的液化程度，然后升温至100℃，灭酶10min。淀粉液化的方法升温液化法、高温液化法、喷射液化法和分段液化法。2.糖化⑵高温液化法将淀粉调整好pH和Ca2+浓度，加入所需的液化酶，用泵将其打入液化桶（桶内有90℃的热水），淀粉受热糊化、液化。由桶低流入保温桶，90℃保温40min,达到所需的液化程度。糖化温度和pH取决于所用糖化剂的性质，若用曲霉糖化剂，温度控制在60℃，pH为4.0~4.5；若用根霉糖化剂，温度控制在55℃，pH为5.0以下。在实际生产中，根据酶的特性，尽量选用较高的糖化温度，这样可以加快糖化速度，减少杂菌污染的机会。第三节谷氨酸发酵菌⑵短杆菌属细胞为短的不分支的直杆菌，大多数不运动，革兰氏染色阳性。一、谷氨酸发酵菌的特征和分类谷氨酸发酵菌分属于棒杆菌属、短杆菌属、小节菌属和节杆菌属中的细菌。⑴棒杆菌属细胞为直或微弯的杆菌，常呈一端膨大的棒状，不运动，革兰氏染色阳性。例如，AS.1.299，AS.1.542等。⑷节杆菌属主要特点是在培养过程中出现细胞形态由球菌变杆菌，由杆菌变球菌。一般不运动。⑶小节菌属为杆状菌，形状和排列都和棒杆菌相似，有时呈球杆菌状。我国谷氨酸发酵生产中使用的菌株主要有北京棒杆菌AS.1.299钝齿棒杆菌AS.1.542、HU7251、672等。二、谷氨酸菌种的扩大培养培养基成分AS.1.299AS1.542HU7251或B9672蛋白胨（%）1111牛肉膏（%）10.511氯化钠（%）0.50.50.50.5葡萄糖（%）—0.10.1—琼脂（%）222.72pH7.0~7.27.07.0~7.27.0普遍采用二级种子培养流程:即斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→发酵罐1.菌种的扩大培养⑴斜面菌种培养：32℃培养18~24h⑵一级种子的培养⑶二级种子的培养将培养好的培养基分装于1000ml三角瓶中，每瓶装200~250ml液体培养基，瓶口用6层纱布加一层绒布包扎，在0.1MPa的蒸汽压下灭菌30min。每只斜面菌种接种3只一级种子三角瓶。接种后，32℃振荡培养12h。培养好的一级种子放在4℃冰箱备用。通常使用种子罐培养，种子罐的大小是根据发酵罐的容积配套确定的。二级种子的数量是发酵培养液体积的1%。二级种子的培养温度为32℃，时间为7~10h。2.、种子的质量要求⑴镜检菌体健壮，排列整齐，大小均匀，呈单个或八字形排列。革兰氏染色阳性。⑵二级种子的活菌浓度要求达到108~109个/ml。⑶要求二级种子活力旺盛，对数期种子的呼吸强度（QO2）大于1000lO2/ml·h。⑷平板检查，菌落蛋黄色，中间隆起，表面湿润，有光泽，边缘整齐，呈半透明状。⑸小摇瓶发酵试验，产酸稳定，并在高峰。第四节谷氨酸发酵机制及工艺控制一、谷氨酸生物合成途径谷氨酸发酵是糖的需氧氧化和氨同化的生物化学过程，包括糖解途径（EMP途径），磷酸己糖途径（HMP途径），三羧酸循环途径（TCA循环），乙醛酸循环，CO2固定反应等。在谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行。生物素充足菌——HMP途径所占的比例是38%生物素亚适量——EMP途径所占的比例更大74%。HMP途径所占比例约为26％。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径见下图。由葡萄糖生物合成谷氨酸二、谷氨酸生产原料包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。发酵原料的选择原则首先考虑菌体生长繁殖的营养；考虑到有利于谷氨酸的大量积累；还要考虑原料丰富，价格便宜；发酵周期短，产品易提取等因素。1.碳源它是构成微生物细胞和合成谷氨酸的碳架及能量的营养物质。谷氨酸产生菌是异养型微生物，只能从有机化合物中取得碳素，并以氧化分解有机化合物产生的能量供给细胞生长需要。碳源的种类很多，常用的有糖类、脂肪、有机酸、某些醇类和烃类。2.氮源一般的发酵工业碳氮比为100：0.2～2，谷氨酸发酵的碳氮比为100：0.5～2.0，当碳氮比为100：0.5～2.0时，只能合成菌体，而不产谷氨酸。碳氮比在100：11l以上时，才开始积累谷氨酸。氮源种类：无机氮和有机氮。无机氮有氨水、尿素、硫酸铵、碳酸铵、氯化铵；硝酸铵等。菌体利用无机氮源较有机氮源迅速，铵氮、尿素氮比硝基氮优越，目前生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，其初尿用量是根据菌种的脲酶的强弱及耐尿程度决定。注：尿素流加时温度不宜过高(不超过45℃)，否则游离氨过多，使初pH过高，抑制菌体生长。发酵初尿流加应在培养液冷却至室温后加入，以防止温度高，尿素分解，pH升高，生成不溶性磷酸铵镁盐。3.无机盐微生物所需要的无机盐有硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含钾、钠、镁、铁的化合物等。有的还需要微量元素，如铁、锰、锌、铜、钴、硼等。工业生产上常用的无机磷有K2HP04·3H20或Na2HP04·12H20。镁是很多酶促反应中的无机激活剂。硫是构成蛋白质和某些酶的活性基。钠在培养基中起着调节渗透压的作用。锰是许多酶的激活剂，其需要量极少，一般培养基中使用MnS04·4H20其浓度为2mg/kg。4.生长因子微生物生长所不可缺少的微量的有机物称为生长因子，包括氨基酸、嘌呤、维生素等，一般谷氨酸产生菌绝大多数为生物素缺陷型，以生物素为生长因子。三、谷氨酸发酵条件的控制谷氨酸发酵条件包括温度、pH、菌龄及接种量、通风及搅拌、氧的传递、泡沫的控制等。用发酵条件来控制发酵过程中各种化学及生物化学反应的方向和速度，以达到预期的生产目的。1.温度的控制各种微生物在一定的条件下都有一个最适生长温度范围。所谓最适生长温度是生物化学反应速度最高，酶蛋白的钝化最低的协调平衡温度。微生物种类不同，所要求的温度范围不同；同一种微生物，在不同培养条件下其最适温度也往往不同。谷氨酸菌的最适生长温度与产物生成所需温度不同。其最适生长温度为30～32C，谷氨酸形成的最适温度为34～37C。在谷氨酸发酵前期，若温度过高，菌种易衰老，耗糖慢，谷氨酸产量低。因此，前期温度上升要缓慢。在发酵中期，温度上升要快，后期逐渐缓和。在发酵中、后期，若发酵温度太低，则发酵周期长，且利于产酸。所以，在生产上可根据菌种特点，采用二级或三级管理温度，即发酵前期长菌体阶段控制在30—32℃，发酵中、后期为34～37℃。2.发酵过程中pH的控制谷氨酸发酵在中性和微碱性条件下可积累谷氨酸，而在酸性条件下则容易形成谷酰胺和N—乙酰谷酰胺。发酵过程中，培养液中的糖分被利用，氧化成中间产物有机酸，pH下降。有机氮被利用，释放氨，则pH升高。因此，由于菌种的新陈代谢，培养液成分不断变化，pH有时升高，有时降低。pH的变化：发酵前期pH低，菌体生长旺盛，只长菌不产酸。发酵前期