第九章氨基酸

第九章氨基酸第1頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氨基酸的用途(一)、在食品工業(yè)中的應(yīng)用1、強(qiáng)化食品：賴氨酸、色氨酸和蘇氨酸常用于強(qiáng)化食品，使小麥、玉米、大米等食物提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。2、作為調(diào)味劑：谷氨酸及天門冬氨酸的鈉鹽具有鮮味，特別是谷氨酸的一鈉鹽常用作鮮味劑。3、作為人工甜味劑的原料：自從發(fā)現(xiàn)L-天門冬氨酸-L-苯丙氨酸甲酯(APM)的甜味為蔗糖的150-200倍后，對(duì)天門冬氨酸肽類的甜味進(jìn)行了廣泛的研究，其中以L-天冬氨酰-氨基丙二酸蒎醇甲醇二酯具有最大的甜味，為蔗糖的22000-33200倍。第2頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(二)、在飼料中的應(yīng)用在飼料中添加賴氨酸和蛋氨酸，可加速豬等家畜的生長(zhǎng)，改良肉的質(zhì)量。蛋氨酸可以提高家禽的產(chǎn)蛋率。(三)在醫(yī)藥上的應(yīng)用幾乎所有的氨基酸和它們的鹽類在醫(yī)藥上都可作為注射劑或一般藥物，醫(yī)治各種疾病，各種氨基酸的混合液不但作為營(yíng)養(yǎng)注射劑或口服液，而且為宇航員、飛行員等的強(qiáng)化劑食品。(四)工業(yè)上的應(yīng)用聚谷氨酸樹脂的薄膜具有天然的皮革性能，可制耐季節(jié)氣候變化的人造皮革和涂料。谷氨酸還可制人造纖維。甘氨酸、半胱氨酸、丙氨酸可制表面活性劑、緩沖劑和抗氧劑等。第3頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氨基酸生產(chǎn)的歷史氨基酸生產(chǎn)首先從谷氨酸開始19l0年日本味之素公司采用提取法大量生產(chǎn)味精1936年美國(guó)從甜菜廢液中提取谷氨酸日本在1956年用糖質(zhì)原料發(fā)酵谷氨酸成功，完全取代了原來(lái)的水解法。1960年發(fā)酵法生產(chǎn)了賴氨酸，同年用合成法生產(chǎn)dl－蛋氨酸。1962年谷氨酸的合成法生產(chǎn)成功1966年采用醋酸原料生產(chǎn)谷氨酸，此后石油發(fā)酵谷氨酸、賴氨酸、酪氨酸等也獲得成功目前氨基酸幾乎都可應(yīng)用發(fā)酵法生產(chǎn)。第4頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三我國(guó)味精生產(chǎn)開始于1923年，上海天廚味精廠最先用水解法生產(chǎn)1932年沈陽(yáng)開始用脫脂豆粉水解生產(chǎn)味精1964年上海味精廠和有關(guān)科學(xué)研究單位協(xié)作，開始采用發(fā)酵法生產(chǎn)味精，現(xiàn)在全國(guó)已普遍采用目前我們除味精外，還生產(chǎn)了賴氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸等十多種氨基酸。第5頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氨基酸的生產(chǎn)方法發(fā)酵法：

直接發(fā)酵法：野生菌株發(fā)酵、營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變發(fā)酵、抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株發(fā)酵、抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株發(fā)酵和營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株發(fā)酵。

添加前體法第6頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三酶法：利用微生物細(xì)胞或微生物產(chǎn)生的酶來(lái)制造氨基酸。提取法：蛋白質(zhì)水解，從水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。傳統(tǒng)的提取法、酶法和化學(xué)合成法由于前體物的成本高,工藝復(fù)雜,難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。第7頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生產(chǎn)氨基酸的大國(guó)為日本和德國(guó)。日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國(guó)的德固沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基酸,可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。日本在美國(guó)、法國(guó)等建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家,生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。第8頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氨基酸的廠家主要是天津氨基酸公司,湖北八峰氨基酸公司,但目前無(wú)論生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量還難于與國(guó)外抗衡.在80年代中后期,我國(guó)從日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵以技貿(mào)合作的方式引進(jìn)輸液制劑的制造技術(shù)和仿造產(chǎn)品,1991年銷售量為二千萬(wàn)瓶,1996年達(dá)六千萬(wàn)瓶,主要廠家有無(wú)錫華瑞,北京費(fèi)森尤斯,昆明康普萊特,但生產(chǎn)原料都依賴進(jìn)口。2000年,世界氨基酸產(chǎn)值可達(dá)45億美元,占生物技術(shù)市場(chǎng)的7%,國(guó)內(nèi)的氨基酸產(chǎn)值可達(dá)40億元,占全國(guó)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的12%。第9頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)谷氨酸發(fā)酵一、概述二、谷氨酸的生產(chǎn)菌種三、谷氨酸的生物合成途徑及谷氨酸積累的條件四、生物素對(duì)谷氨酸的生物合成的影響五、如何克服生物素過(guò)量帶來(lái)的問(wèn)題六、其它環(huán)境條件對(duì)谷氨酸合成的影響七、谷氨酸的提取第10頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、概述水解法(如鹽酸水解面筋蛋白質(zhì)、大豆蛋白質(zhì)、玉米蛋白質(zhì)等)從廢液中提取法(如甜菜廢糖蜜中含游離谷氨酸3.5％)60年代試制過(guò)合成法(如以石油裂解氣丙烯為原料合成谷氨酸)天然氨基酸都為L(zhǎng)-型，化學(xué)合成法一般產(chǎn)品中除L-谷氨酸外，還有D-谷氨酸DL-谷氨酸。這些D-型的谷氨酸需用微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使成為L(zhǎng)-谷氨酸第11頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工業(yè)化生產(chǎn)開始于由水解小麥面筋或大豆蛋白質(zhì)而制取。1957年，日本率先采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)，并投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這是被譽(yù)為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的重大創(chuàng)舉，使發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入調(diào)節(jié)代謝的調(diào)控階段。目前世界產(chǎn)谷氨酸鈉30萬(wàn)噸/年，占氨基酸總量的2/3。我國(guó)現(xiàn)已有200余家生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)15萬(wàn)噸，居世界首位。第12頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

二、谷氨酸的生產(chǎn)菌種很久以來(lái)人們就知道在微生物的培養(yǎng)濾液中有多種氨基酸存在，有人測(cè)試了幾千個(gè)微生物菌株的氨基酸形成的情況，發(fā)現(xiàn)大部分菌株在一定條件下能夠向基質(zhì)中分泌氨基酸，其中有些菌株產(chǎn)生谷氨酸較高，隨后進(jìn)行大量的篩選工作，發(fā)掘的菌種逐漸增多，目前工業(yè)應(yīng)用的谷氨酸產(chǎn)生菌，有下列幾種：第13頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacteriumglutamicum）乳糖發(fā)酵短桿菌（Brevibacteriumlactofermentum）散枝短桿菌（Brevibacteriumdivaricatum）黃色短桿菌（Brevibacteriumflavum）硫殖短桿菌（Brevibacteriumthiogenitalis）嗜氨小桿菌（Microbacteriumammoniaphilum）

菌株特點(diǎn)：革蘭氏陽(yáng)性不形成芽胞沒(méi)有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)需要生物素作為生長(zhǎng)因子在通氣條件下才能產(chǎn)生谷氨酸。第14頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、谷氨酸的生物合成途徑及谷氨酸積累的條件由葡萄糖生物合成檸檬酸的代謝途徑葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙氨酸乙酰CoAHMP乳酸CO2第15頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三草酰乙酸檸檬酸CO2CO23-磷酸甘油醛丙酮酸乙酰CoA第16頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三草酰乙酸檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸蘋果酸乙酰CoA乙醛酸乙酸乙酰CoA谷氨酸NH+4L-谷氨酸脫氫酶第17頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①一定的糖酵解速度，不能走向乳酸等合成。②生成丙酮酸后，一部分氧化脫羧生成乙酰CoA，一部分固定CO2生成草酰乙酸。③生成的乙酰CoA不向脂肪酸合成途徑轉(zhuǎn)化，全部趨于合成檸檬酸。④α-酮戊二酸不轉(zhuǎn)化為琥珀酸。⑤異檸檬酸裂解酶活性弱，即不形成乙醛酸環(huán)。⑥異檸檬酸脫氫酶活性強(qiáng)。⑦L-谷氨酸脫氫酶活性強(qiáng)。谷氨酸積累的理想條件第18頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于正常生理的微生物，通過(guò)自身的代謝調(diào)節(jié)，谷氨酸是不能大量在細(xì)胞內(nèi)積累的。細(xì)胞膜透性大，生成的谷氨酸分泌于細(xì)胞外，以克服終產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)。

第19頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黃色短桿菌中谷氨酸的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制如下圖所示

第20頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.切斷或減弱支路代謝2.解除自身的反饋抑制3.增加前體物的合成4.提高細(xì)胞膜的滲透性5.強(qiáng)化能量代謝6.利用基因工程技術(shù)構(gòu)建谷氨酸工程菌株谷氨酸生產(chǎn)菌的具體育種思路

第21頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、生物素對(duì)谷氨酸的生物合成的影響1、生物素影響糖酵解的速度2、生物素影響異檸檬酸裂解酶的活性3、生物素是羧化酶的輔基4、生物素影響細(xì)胞膜的透性作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合在，進(jìn)而影響磷酯的合成。當(dāng)磷酯含量減少到正常時(shí)的一半左右時(shí)，細(xì)胞發(fā)生變形，谷氨酸能夠從胞內(nèi)滲出，積累于發(fā)酵液中。生物素過(guò)量，則發(fā)酵過(guò)程菌體大量繁殖，不產(chǎn)或少產(chǎn)谷氨酸，代謝產(chǎn)物中乳酸和琥珀酸明顯增多。第22頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CH3COSCoA+ATP+CO2HOOCCH2COSCoA+ADP+Pi乙酰CoA丙二酰CoA乙酰CoA羧化酶生物素Mg2+生物素量少，脂肪酸的合成減少，進(jìn)而影響細(xì)胞膜的合成，造成細(xì)胞膜透性大第23頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、如何克服生物素過(guò)量帶來(lái)的問(wèn)題1、選育油酸缺陷型2、選育甘油缺陷型3、加入表面活性劑或高級(jí)飽和脂肪酸4、加入青霉素或頭孢菌素C第24頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三六、其它環(huán)境條件對(duì)谷氨酸合成的影響1、通氣：加大通氣有利于谷氨酸的合成，通氣不足轉(zhuǎn)向乳酸的合成。2、溫度：適當(dāng)提高溫度有利于谷氨酸的合成。3、氨：C∶N=100∶0.5－2

合成菌體

C∶N=100∶11

以上合成谷氨酸缺乏氨：積累α-酮戊二酸氨濃度高：谷氨酸進(jìn)一步生成谷氨酰胺4、磷酸鹽：不能太高，否則合成纈氨酸5、pH:最適為7.2-7.4。第25頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三七、谷氨酸合成的提?。ㄒ唬┑入婞c(diǎn)法：谷氨酸等電點(diǎn)為3.2工藝如下：發(fā)酵液調(diào)酸至pH4.5繼續(xù)調(diào)酸至pH3.0－3.2攪拌20小時(shí)靜置沉降6小時(shí)離心分離母液谷氨酸離子交換操作簡(jiǎn)單，收率60％。周期長(zhǎng)，占地面積大。第26頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

谷氨酸脫氫酶最適pH為7.0-7.2

轉(zhuǎn)氨酶最適pH7.2-7.4。

在發(fā)酵中后期，保持pH不變。過(guò)高轉(zhuǎn)為谷氨酰胺，過(guò)低氨離子不足。第27頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）離子交換法：用強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂吸附后，用4％的NaOH洗脫，然后樹脂用5.4％的HCl再生。第28頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（三）鹽酸鹽法：發(fā)酵液中除含谷氨酸外，尚有一定量的谷氨酰胺及焦谷氨酸，用等電點(diǎn)及離子交換提取均無(wú)法回收，可用鹽酸水解來(lái)提高收率。鹽酸水解時(shí)也使菌體蛋白水解成氨基酸并可使碳水比合物破壞，生成腐殖質(zhì)而被除去，提高水解液質(zhì)量。利用谷氨酸鹽在濃鹽酸中溶解度低而將谷氨酸與其它雜質(zhì)分離。第29頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三HCl(%)谷氨酸鹽酸鹽(%)5.3610.7313.4116.0918.1122.3023.8225.7528.6130.5516.147.204.383.322.441.361.100.900.750.71谷氨酸鹽酸鹽的溶解度（20℃）第30頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（四）鋅鹽法：利用谷氨酸鋅在水溶液中的溶解度低的原理，加入硫酸鋅，當(dāng)溶液中pH為6.3時(shí)，生成谷氨酸鋅沉淀，然后加熱，調(diào)pH至2.4－2.6，分離出谷氨酸。第31頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三谷氨酸中和沉淀脫色過(guò)濾脫色過(guò)濾濃縮結(jié)晶離心分離小結(jié)晶母液結(jié)晶味精干燥拌鹽粉碎粉狀味精水(或渣水)碳酸鈉活性炭硫化堿谷氨酸回調(diào)pH活性炭脫色活性炭二次脫色硫化堿晶種流加母液蒸餾水GH15顆粒活性炭脫色干燥過(guò)篩粉狀味精活性炭硫化堿谷氨酸制味精的工藝流程第32頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)賴氨酸發(fā)酵一、賴氨酸的生產(chǎn)方法二、賴氨酸的生物合成途徑三、二氨基庚二酸途徑的調(diào)節(jié)四、賴氨酸的菌種選育五、賴氨酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝六、賴氨酸的提取第33頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、賴氨酸的生產(chǎn)方法（一）、提取法自乳酪素或血粉中提取，乳酪素或血粉經(jīng)鹽酸或硫酸水解、濃縮等工序后，在pHl.8-2.0時(shí)以強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂吸附、氨水洗脫，或苦味酸沉淀等方法獲得賴氨酸結(jié)晶。（二）、合成法化學(xué)法合成-賴氨酸的工藝很多，用于工業(yè)化的生產(chǎn)方法有荷蘭DSM法和日本東麗法兩種。DSM法是以己內(nèi)酰胺為原料，東麗法以環(huán)己烯(環(huán)己烷光硝化過(guò)程的副產(chǎn)物)為原料，兩者都是先生成-氨基己內(nèi)酰胺，再經(jīng)水解生成DL-賴氨酸，以后再用酶法進(jìn)行分割，制成L-賴氨酸。第34頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三酶法分割將乙酰-DL-賴氨酸通過(guò)?；傅淖饔?，使具生物活性的L-賴氨酸分離出。?；钢荒茏饔糜谝阴?L-賴氨酸，而對(duì)乙酰-D-賴氨酸不起反應(yīng)，酰化酶作用后，得到L-賴氨酸和乙酰-D-賴氨酸，提取L-賴氨酸。乙酰-D-賴氨酸再用化學(xué)消旋法消旋生成乙酰-DL-賴氨酸。第35頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)過(guò)程如下：DL-賴氨酸乙酰-DL-賴氨酸L-賴氨酸乙酰-D-賴氨酸?；杆庖阴；瘜W(xué)法消旋第36頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（三）、酶法合成利用隱球酵母產(chǎn)生的L-氨基己內(nèi)酰胺水解酶將L-氨基己內(nèi)酰胺水解，生成L-賴氨酸。這種酶只能水解L-型的，而對(duì)D-型則無(wú)能為力。D-氨基己內(nèi)酰胺需通過(guò)無(wú)色桿菌產(chǎn)生的D-氨基己內(nèi)酰胺消旋酶將其消旋化，生成L-氨基己內(nèi)酰胺。如將以上兩種菌混合培養(yǎng)，則可使DL-氨基己內(nèi)酰胺直接轉(zhuǎn)化，全部生成L-賴氨酸。（四）、發(fā)酵法以谷氨酸棒桿菌或黃色短桿菌發(fā)酵生產(chǎn)。第37頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、賴氨酸的生物合成途徑微生物生物合成賴氨酸有兩條途徑：細(xì)菌類的二氨基庚二酸(DAP)途徑，除細(xì)菌外，也存在于綠藻，原生動(dòng)物和高等植物之中。霉菌、酵母的-氨基己二酸途徑，這是一條循環(huán)途徑。

第38頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、二氨基庚二酸途徑的調(diào)節(jié)二氨基庚二酸途徑廣泛存在于細(xì)菌之中，但其代謝控制卻是多種多樣的，即使是親緣關(guān)系很近的菌株之間也不一樣。這條途徑以天門冬氨酸作為起始物質(zhì)，在這條途徑中合成的還有蘇氨酸、蛋氨酸和異亮氨酸。第39頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三天門冬氨酸天門冬氨酰磷酸天門冬氨酸--半醛二氫吡啶二羧酸四氫吡啶二羧酸二氨基庚二酸賴氨酸高絲氨酸胱硫醚磷酸高絲氨酸高半胱氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸天門冬氨酸激酶高絲氨酸脫氫酶第40頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三天門冬氨酸天門冬氨酰磷酸天門冬氨酸--半醛二氫吡啶二羧酸四氫吡啶二羧酸二氨基庚二酸賴氨酸高絲氨酸胱硫醚磷酸高絲氨酸高半胱氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸天門冬氨酸激酶高絲氨酸脫氫酶第41頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、賴氨酸的菌種選育（一）、切斷支路代謝以谷氨酸棒桿菌為出發(fā)菌株，選育高絲氨酸缺陷型切斷蘇氨酸和蛋氨酸的分支途徑，是積累賴氨酸的有效措施。（二）、增加前體物質(zhì)的合成為了提高賴氨酸產(chǎn)率，應(yīng)設(shè)法增加前體物—天門冬氨酸的濃度，如：選育丙氨酸缺陷型，丙酮酸和天門冬氨酸是賴氨酸和丙氨酸生物合成的共同前體。丙氨酸可由丙酮酸與L-氨基酸通過(guò)轉(zhuǎn)氨酶作用而生成，亦可在-酮戊二酸和亮氨酸存在時(shí)，由天門冬氨酸--脫烴酶所催化，直接從天門冬氨酸脫烴形成。選育丙氨酸缺陷型，增強(qiáng)生物合成天門冬氨酸的代謝流，能提高賴氨酸產(chǎn)量。第42頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（三）、增大谷氨酸的反饋抑制增大谷氨酸的反饋控制，能增強(qiáng)生物合成天門冬氨酸的代謝流。與谷氨酸發(fā)酵相比，生物素豐富(30-50g/l)，是提高產(chǎn)賴氨酸的關(guān)鍵。

第43頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三丙酮酸草酰乙酸檸檬酸-酮戊二酸谷氨酸天門冬氨酸第44頁(yè)，共48頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（四）、解除代謝互鎖賴氨酸與亮氨酸生物合成之間存在代謝互鎖，即二