蛋白质的工业化生产氨基酸发酵

氨基酸发酵基本工艺综述

所谓氨基酸发酵, 就是以糖类和铵盐为主要原料的培养基中培养微生物, 积累特定的氨基酸。这些方法成立的一个重要原因是使用选育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。菌株的育种起初是由从自然界中筛选有产酸能力的菌株, 并建立其培养条件开始的, 从自然界或研究室保藏种类是有限的。而后在确立突变技术和阐明氨基酸生物合成系统调节机制的基础上发展为营养缺陷变异株、抗药性菌株的育种。这样, 几乎所有的氨基酸都能生产出来。

氨基酸生产的一般工艺有：

（1）生产菌种 氨基酸发酵使用的菌种主要有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、短芽抱杆菌、教质塞来菌等。

获得这些菌种有多种途径有：

1：用野生株的方法这是从自然界获得的分离菌株进行发酵生产的一种方法。典型的例子就是谷氨酸发酵。2：用营养缺陷变异株的方法这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成某步反应阻遏的营养缺陷型变异体, 使生物合成在中途停止, 不让最终产物起控制作用。

3：类似物抗性变异株的方法在微生物体内, 具有过量氨基酸生成的调节机制。因此, 一般很难如愿获得所要的氨基酸。为此, 用一种与自己想获得的氨基酸结构相类似的化合物加入培养基内, 使其发生控制作用, 从而抑制微生物的生长。这样, 就可以得到在这种培养基中能够生长的变异株, 而这种变异株正是解除了机制的, 能够生成过量的氨基酸。利用此方法发酵的有: 苏氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、组氨酸和精氨酸。4：体内及体外

基因重组的方法基因工程包括细胞内基因重组方法和试管内的体外基因重组方法。

(2)发酵培养基 氨基酸发酵的碳源最常采用淀粉水解糖液、糖蜜等；其氮源则常采用铵盐、尿素、氨水等无机氮源，控制合理的碳氮比，不仅菌体生长和氨基酸合成需要氮，而且氮源还用来调节pH值，因此氮源的需要量比一般发酵(例如有机酸发酵)多。例如谷氨酸发酵的碳氮比为l00：15—2l，当碳氮比为100：U时才开始积累谷氨酸。在消耗的氮源中，合成菌体用的氮源仅占总氮的3％一6％，合成谷氨酸的氮源占30％一80％。在实际生产中，采用尿素或氨水为氮源时，还有一部分氮用于调节pH值，另一部分氮被分解随空气逸出，为此用量更大。在谷氨酸发酵培养基中当糖浓度为12．5％、总尿素量为3％时，碳氮比为100：28。不同的碳氮比对氨基酸生物合成产生显著的影响。一般需加入流、磷、钙、镁、钾等无机盐类。磷酸盐浓度对氨基酸发酵的影响极为显著。例如谷氨酸发酵中，磷酸盐浓度高时，抑制6—磷酸葡萄糖脱氢酶的活性，菌体生长好，谷氨酸产量低，代谢向合成额氨酸转化；磷酸盐不足时，糖代谢受抑制，糖耗慢。镁离子是己糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶等的激活剂，并能促进葡萄糖—6—磷酸脱氢酶的活力。镁含量太少会影响碳源的氧化。 钾离子是许多酶的激活剂，能促进糖代谢。氨基酸发酵需要的钾，因菌种性质、培养条件和发酵阶段等而异，例如谷氨酸发酵的产酸期需要的钾比生长期多，钾盐多时有利于产酸，钾盐少时有利于菌体生长。其他无机盐 琉、钠、锰、铁等元素都是氨基酸发酵所需要的。硫是构成细胞蛋白质的含硫氨基酸的组成成分，也是构成某些活性物质如辅酶A和谷肮甘耽等的成分。生物素影响细脑膜的通透性，其浓度对氨基酸向胞外分泌关系密切，一般以玉米浆、款皮水解液、甘蔗糖蜜作为生物素的来源

(3)发酵条件控制 主要控制的条件是pH、温度、溶解氧和泡沫等。 pH值对氨基酸发酵的影响和其他发酵一样，主要是影响酶的活性和菌的代谢，例如谷氨酸发酵、在中性和微碱性条件下(pH7．0～8．0)积累谷氨酸，在酸性条件下(pH5．0～5．8)，则易形成谷氨酰胺和N乙酰谷氨酰胺，发酵前期pH值偏高对生长不利，糖耗慢、发酵周期延长；

反之，pH值偏低则菌体生长旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。但是，前期pH值偏高(pH7．5～8．0)对抑制杂菌有利，故控制发酵前期的pH值以7．5左右为宜。由于谷氨酸脱氢酶的最适pH值为7．0～7．2，氨基转移酶的最适pH值为7．2～7．4，因此控制发酵中后期PH为7.2左右。pH是通过流加尿素或氨水来控制。氨基酸发酵的最适温度因菌种性质和所生产的氨基酸种类不同而异。从发酵动力学来看，氨基酸发酵一般属于Gaden分类的Ⅱ型发酵，及生长部分耦联型，菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸，因此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度是不同的。例如谷氨酸发酵，菌体生长最适温度为30～32℃，谷氨酸合成的最适温度为34～37℃。菌体生长阶段温度过高，则菌体易衰老，pH值高、糖耗慢、周期长，酸产量低。如遇这种情况，除维持最适生长温度外还需适当减少风量，并采取少量多次流加尿素等措施，以促进菌体生长。在发酵中、后期，菌体生长已基本停止，需要维持最适的产酸温度，以利谷氨酸合成。在氨基酸发酵中要求糖的菌体得率与氨基酸得率(转化率)均达到最大。在菌体生长期如PI(溶氧分压)(4)氨基酸分离纯化 首先氨基酸成熟发酵液经预处理后，采用离心机或板框过滤机进行因—液分离，清液一般采用等电点法提取氨基酸；然后用活性炭脱色，过滤除去活性炭；最后用离子交换法或重结晶法进行精制，获得符合要求的氨基酸产品。氨基酸发酵液的成分以及提取、精制方法从发酵液中提取、精制的氨基酸应达到标准的纯度， 纯度要求较低的饲料用的氨基酸为98.5％；而医药用的氨基酸达99．8％以上，实质达到100％。相对于纯氨基酸来说，氨基酸的发酵液中除含有目的氨基酸以外，还含有微生物菌体、培养基成分以及微生物代谢副产物等多种不纯物。以来源于培养基成分的不纯物为例，就有多种无机盐类、微生物没利用的残糖、氮源（氨离子、氨基酸、蛋白质）以及由这些成分反应

生成的色素。微生物代谢生成的副产物有氨基酸、核酸、肽、蛋白质、有机酸等。利用这些不纯物与目的氨基酸在物理、化学性质的差异进行提取精制。例如作为不溶性不纯物的代表———菌体， 采用重力或压力等力学的力量进行离心或过滤将其分离。另外，在发酵液中对可溶解的不纯物的分离时， 是利用目的氨基酸和不纯物的分子大小、溶解度、固液或气液之间的平衡状态的差异，最后采用组合提取、精制的单元操作，精制成最终的产品。

氨基酸是构成蛋白质的基本单位, 广泛应用于医药、食品及其调味剂、动物饲料、化妆品的制造。例如多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调; 谷氨酸钠和甘氨酸可用做调味剂。目前, 国内虽有不少生产氨基酸的厂家, 但由于工艺技术滞后, 产品质量及其成本都难以参与国际竞争。随着对氨基酸需求量的大大增加, 国内的氨基酸生产水平远远不能满足要求。传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本高, 工艺复杂, 难以达到工业化生产的目的。我国的谷氨酸钠( 味精) 产量居世界首位,赖氨酸产量也居世界前列。我们有理由相信氨基酸发酵未来将有更广阔的前景。