生物化工工艺实例

　　自然界中有二十多种氨基酸，这些氨基酸 构成了所有生物所需的各种各样的蛋白质。 氨基酸是构成蛋白质的基本单位，它参与生 物体的各种代谢，有各种生理功能。人类要 维持生命活动，就必须获得各种氨基酸。但 是有八种氨基酸人类自身不能合成，必须从 食物中摄取。

　　按氨基酸在人体内是否能被合成，分为： （1）必需氨基酸 指人体内不能合成或合 成的速度不能满足机体需要的氨基酸。异亮氨 酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏 氨酸、色氨酸和缬氨酸为必需氨基酸。 （2）非必需氨基酸 除上述八种必需氨基 酸外，其它均属非必需氨基酸。

　　过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取 的，1956年，日本人首先利用发酵法生产谷氨 酸后，氨基酸的发酵生产发展很快，目前绝大 多数氨基酸已能用发酵法或酶法生产。 见表6-1

　　 我国起始于1923（上海天厨），1932沈阳味精 厂，当时年产量200-300T（提取法）。  我国发酵法生产味精起始于1964年，2000年80 万T ，2005年接近100万T。  中国现有氨基酸企业以谷氨酸生产为主，其次 是赖氨酸，其它有几种生产规模较小的工业化 产品。

　　（1）食品工业 是最早应用氨基酸的领域， 消费量占总量的60％，主要用于强化食品，调 味调香、抗氧化剂、消除异味，防止食品色香 味的变化，提高食品风味及营养价值。如苯丙 氨酸和天冬氨酸制成的甜味肽，其甜味是蔗糖 的200倍。

　　 生活实例：新型甜味剂阿斯巴甜 又名蛋白糖，是天冬氨酸和苯丙氨酸合成的二 肽甜味剂，是一种相当蔗糖甜度200倍的低热 值高甜度的新型甜味剂。它具有安全、易吸收、 不致龋齿等优点，可供糖尿病患者及忌糖者的 婴幼儿食用，是老年营养食品和保健食品的优 良甜味剂；可以制成新型糖的替代品直接加入 饮料或食品中；大量用于饮料，果酱、口香糖、 乳制品、罐头、蜜饯婴幼儿食品等多种食品中， 至今已有3000多种食品使用阿斯巴甜。

　　（2）医药工业 氨基酸是构成蛋白质的基本单位，参与体内 代谢和各种生理活动，因此可用于治疗各种 疾病。可制成有治疗作用的药物及各种氨基 酸营养制剂。--大输液和治疗药物。

　　（3）饲料工业 及无公害农药 在饲料中加入赖氨酸、苏氨酸和 DL- 蛋氨酸，能 提高饲料中蛋白质利用率，校正配合饲料中氨基 酸不全或配比失衡，增加饲料营养价值。 合成氨基酸衍生物可作为锄草剂和无毒农药。 （4）化工 用谷氨酸可制成无刺激性能洗涤 剂——十二烷基谷氨酸钠肥皂，能保持皮肤湿润 的润肤剂——焦谷氨酸钠和质量接近天然皮革的 聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料。丝氨酸 用于雪花膏等。

　　谷氨酸可用用蛋白质水解法和合成法制取，但 目前主要采用发酵法。  1．淀粉水解糖的制备  发酵法生产谷氨酸的原料是薯类、玉米、木 薯淀粉、椰子树淀粉等淀粉的水解糖或糖蜜。  生产菌为短杆菌，北京棒杆菌等。  淀粉--需要用酶法水解转化为葡萄糖

　　2、生物合成机制  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，一部分氧化成 乙酰辅酶A（乙酰COA），一部分固定CO2生成草 酰乙酸。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NH4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。

　　 谷氨酸发酵受环境条件影响很大，氧、铵、 pH、生物素等若控制不当，往往会发生发酵 转换现象。  利用此原理可以人为地控制环境使发酵发生 转换。

　　C/N＝100：1521，实际高达100：28 因为：1）用于调整pH。 2）分解产生的NH3从发酵液中逸出。 产酸阶段： NH4不足：使-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。 NH4过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。

　　磷酸盐对发酵有显著影响。 不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。 过多：a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。 b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩 合生成缬氨酸的前体物——－乙醛乳酸， 使缬氨酸在发酵液中蓄积。

　　尿素 0.6 水解糖 0.5～0.6 MgSO4•7H2O 0.1～0.2 pH 7.0 ②培养条件：一级种子培养条件 在1000ml三角烧瓶中，装入 一级种子培养基180～200ml，以8层纱布覆盖瓶口，并用细绳 扎紧，瓶口外再用牛皮纸裹紧，同样用细绳扎牢。将三角烧瓶 放在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌后接种，然后置摇床上，在 30～32℃振荡培养10～12小时。

　　2.提取方法 谷氨酸的提取方法有水解等电点法、低温等电点 法、离子交换法、等电点离子交换法、盐酸盐法、 锌盐法、钙盐法、电渗析法等方法。其中以等电点 法和离子交换法较普遍。

　　①等电点法 谷氨酸的等电点为pI=3.22故将发酵 液用盐酸调节到pH=3.22，谷氨酸就可分离析出。此 法操作方便，设备简单，一次收率达70％左右；缺 点是周期长，占地面积大。下图表示等电点法提取 谷氨酸的工艺流程。

　　１．谷氨酸的中和 味精是谷氨酸单钠盐 谷氨酸的饱和溶液加碱进行中和，中和反应的pH 值应控制在第二等电点pH=6.96。当pH值太高时， 生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。 。

　　 ２．中和液的除铁、除锌  由于生产原料不纯、生产设备腐蚀及生产工艺 等原因，使中和液中铁、锌离子超标，必须将 其除去。目前除铁、锌离子的方法主要有硫化 钠和树脂法两种。  硫化钠法是利用硫化钠可与Fe2、Zn2反 应生成硫化盐沉淀而除去铁、锌杂质。  树脂法是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸 附铁或锌得以将其除去。这种方法不但解决了 硫化法引起的环境污染问题，改善了操作条件， 而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁 方法

　　一般谷氨酸中和液都具有深浅不同的褐色色素，必须 在结晶前将其脱除，常用的脱色方法有活性炭脱色法和离 子交换树脂法两种。 活性脱色主要是粉末状的药用炭和GH-15颗粒活性炭 两种。粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱 色后除去铁，另一种方法是中和液洗涤除铁，用谷氨回调 pH=6.2～6.4蒸汽加热60℃，使谷氨酸全部溶解，再加入 适量的活性炭脱色。经粉末活性炭脱色后，往往透光率达 不到要求，需进入GH-15活性炭进行最后一步脱色工序。

　　离子交换树脂的脱色主要靠树脂的多孔表 面对色素进行吸附，主要是树脂的基团与色 素的某些基团形成共价健，因而对杂质起到 吸附与交换作用，一般选用弱碱性阳离子交 换树脂。

　　析出结晶，必须除去大量的水，使溶液达到饱和状 态。工业上为了避免温度太高，谷氨酸钠脱水变成 焦谷氨酸钠，都采用减压蒸性发法来进行中和液的 浓缩和结晶，线℃。为了使味精结晶颗粒整齐，一般采用投晶种

　　结晶法，完成结晶后，经离心机分离，振动床干燥、 筛分，再经过包装，即成成品味精。

　　1、生物化学的研究显示，味精中的谷氨酸是 生物体内氨基酸和碳水化合物代谢的重要桥 梁。 2 、美国 Reeds 博士的最新研究发现，饮食中 的谷氨酸进入消化道时，提供消化道表面细 胞代谢所需的大部分能量，也提供其合成必 需氨基酸所需的材料。 3 、 Schiffman 教授的研究证实，食物中添加 味精可以增加正常老人和患病老人的摄食量， 也显著地改善营养状况和身体免疫力。

　　1.不要在滚烫的锅中加入，而要在菜肴快出锅时 加入。因为谷氨酸钠在温度高于120℃时，会变 为焦点谷氨酸钠，食后对人体有害，且难以排出 体外。 2.不宜在酸性食物中添加味精，如糖醋鱼、糖醋 里脊等。味精呈碱性，在酸性食物中添加会引起 化学反应，使菜肴走味。 3.在含有碱性的原料中不宜使用味精，味精遇碱 会化合成谷氨酸二钠，会产生氨水臭味, 使鲜味 降低，甚至失去其鲜味。

　　4.注意咸淡程度。如果太咸，味精就可能吃不出 鲜味，食盐与味精的比例在3：1或4：1范围内， 即可达到圆润柔和的口味，作凉拌菜时宜先溶解 后再加入。因为味精的溶解温度为85℃，低于此 温度，味精难以分解。 5.高汤、鸡肉、鸡蛋、水产制出的菜肴中不用再 放味精。

　　有机酸发酵工业是生物工程领域中的一个重 要且较为成熟的分支,在世界经济发展中,占有一 定的地位。有机酸在传统发酵食品中早已得到广 泛应用 , 以微生物发酵法生产且达到工业生产规 模的产品已有十几种。

　　用微生物发酵法生产有机酸,以代替从水果和蔬菜等 植物中提取有机酸,是近年来由于社会及市场的需要而开 发出的方法。由于食品、医药、化学合成等工业的发展， 有机酸需求骤增，发酵法生产有机酸逐渐发展成为近代 重要的工业领域。

　　• 从消费量上来看，美国人均消费150g/年. 人；日本为30g，中国仅有3~5g，随着生活 水平的提高，无醇饮料、碳酸饮料、果汁 饮料的大幅增长，有机酸的用量将明显增 加。

　　• 柠檬酸是水果中含量极为丰富的一种重要的有 机酸，为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结 晶性粉末，常含一分子结晶水，无臭，有很强 的酸味。由于其结构的特殊，使他具有酸性、 缓冲、络合等多种功能。柠檬酸是天然可再生 的绿色产品，主要用于食品、制药、化工和水 处理、无毒电镀、造纸、皮革、洗涤剂以及水 泥缓凝剂等。世界各国都在利用微生物发酵法 生产柠檬酸。

　　• 我国是农业大国，生产柠檬酸的原料来源 丰富，2003年45万吨，其中80%的柠檬酸销 售国际市场，是世界上最大的柠檬酸生产 和出口国。我国柠檬酸生产基地主要集中 在安徽、江苏、山东等玉米和薯类资源丰 富的地区，其中安徽丰原集团是亚洲最大 的柠檬酸生产基地，规模列世界第五位

　　• 菌种：黑曲霉—存在着三羧酸循环的酶系 • 机理：经过EMP途径、丙酮酸羧化和三羧 酸循环。是菌体代谢失调的结果。 • 原料：国内大多采用薯干为原料直接进行 液体深层发酵。

　　加入培养基其它成分，泵入连消塔升温灭菌，进入维 持罐，最后喷淋冷却，进入发酵。由于黑曲酶能够产 生糖化酶，因而后续的糖化是由发酵菌种（黑曲霉） 自动完成的。液化法是我国柠檬酸生产工艺的特色方

　　发酵中多数采用种子预培养工艺。种子罐培养基冷 却到33±1℃左右接菌种，在33±1℃左右通风培养20～ 30小时,由无菌压缩空气(经接种)通入发酵罐中,发酵培 养基也冷却至33±1℃左右左右接种,发酵在34±1℃左 右进行。通风搅拌培养4天，发酵度不再上升，残糖降 到2g/L以下时，立即泵送到储罐中，及时进行提取。

　　①去除菌丝和其它固形物得到滤液； ②用各种物理和化学方法处理滤液，得到初步 纯化的柠檬酸溶液； ③初步纯化的柠檬酸溶液经精制后浓缩得到结 晶柠檬酸。

　　酒精（alcohol）是重要的溶剂和化工原 料，在轻工、医药、食品、化学工业中有 非常广泛的应用。  酒精生产可以用合成法也可以采用发酵法。 如可以用乙烯水合、乙醛还原或CO2加氢 等石油路线进行合成，但合成酒精往往夹 杂异构化高级醇类，对于人的中枢神经有 麻痹作用，不适宜作饮料、食品、医药及 香料等

　　从长远意义来看，石油的不可再生性及生 物资源的可再生性，决定了发酵法生产酒 精具有更为广阔的前景和战略意义。  发酵法生产酒精以糖质原料（糖蜜）或淀 粉质原料（甘薯、玉米）为主。纤维质原 料也有一定的应用。

　　许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵， 但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是 酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的 酒母在分类上叫啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵母属 的一种单细胞微生物。该种酵母菌繁殖速 度快，发酵能力即产酒精能力强，并具有 较强的耐酒精能力。

　　（1）发酵机制 酵母活细胞含有丰富的蔗糖水解酶和酒 化酶，能将糖蜜中的蔗糖水解为单糖，单 糖透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶作用 下生成酒精与CO2，然后透过细胞膜将这 些产物排出体外。 酒化酶：参与发酵的多种酶的总称，包括己 糖磷酸化酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱 羧酶及磷酸酶等。

　　其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶 段己糖通过糖酵解途径(EMP途径)分解成丙 酮酸。第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成 乙醛和二氧化碳，乙醛进一步被还原成乙 醇，整个过程由图所示。葡萄糖发酵成乙 醇的总反应式为： C6H12O6→2C2H5OH2CO2能量

　　发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的 其他副产物，包括甘油、有机酸（主要是琥珀 酸）、杂醇油（高级醇）、醛类、酯类等。 理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇；即180克 葡萄糖产生92克乙醇，的率为51.5%，可是实 际得率没有这么高。因酵母菌体的积累约需2% 的葡萄糖，另外2%的葡萄糖用于形成甘油， 0.5%用于形成有机酸，0.2%用于形成杂醇油。 因此实际上只有约47％的葡萄糖转化成乙醇。 乙醇发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中，所 释放的226kJ自由能中除67kJ(29％)用于形成 ATP外，其余能量以热的形式散发

　　 （2）发酵工艺 糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒 母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。前 处理包括的内容有：将糖蜜稀释至糖浓度 为20~25Bx（依不同的发酵工艺而异)。糖 蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添 加一些氮源、营养盐(如硫酸铵、硫酸镁、 磷酸盐等)以及生长素(如酵母菌自溶物)等。 调节pH值到4-4.5，防止杂菌污染

　　乙酵发酵所用工艺主要是间歇法和连续法， 国内外大型糖蜜酒精厂都采用连续法。糖 蜜经上述前处理后，接入酒母，于30～ 35℃发酵，成熟醪酒精度为6%～9%(V/V)。  连续发酵由一组（9-10个）串联的发酵罐 组成，发酵的每个阶段在各个不同容器中 进行，每个容器的醪液浓度等相对固定， 使酵母更快的适应环境且便于连续生产。

　　发酵成熟醪中除含酒精外，还含其他杂质， 需要进行蒸馏及精馏才能得到酒精成品。 经过蒸馏可得到粗酒精和酒精，所用设备 为醪塔，又称蒸馏塔、粗馏塔，粗酒精再 经精馏即可得到各级成品酒精和杂醇油等 副产物，所用设备为精馏塔

　　发酵成熟醪的成分随原料的种类、加式方 示、菌种性能不同而不同，分成不挥发性 成分和挥发性成分两大类。  不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、 脂肪酸、无机盐、酵母菌体、不发酵性及 未发酵完完的糖、皮壳、纤维等。这些成 分易与酒精等挥发性成分分离，在精馏中 它们和大部分水一起进入精馏塔。挥发性 杂质共有 50 多种，分成醇类、醛类、酸类 和酯类等四大类。

　　在精馏中，沸点比酒精低的杂质先被蒸馏 出，称为中间杂质，包括乙醛、乙酸乙酯 和甲酸甲酯等；有些杂质沸点高的杂质出 现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为 尾级杂质，又称杂醇油  酒精蒸馏有单塔、两塔、三塔和多塔蒸馏 等多种蒸馏工艺。

　　淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原 料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙 醇发酵和蒸馏等工艺，工艺流程如下图.

　　中的混杂的小铁钉、泥块、杂草、 石块等杂质除去然后粉碎，粉碎的目 的主要是增加原料受热面积。

　　（2）蒸煮  淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，可 以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、 液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为 进一步的淀粉转化为糖创造良好的条件； 其次蒸料还有灭菌的作用。

　　蒸煮工艺看，20世纪50年代前期我国酒精 厂大多采用整粒原料间歇蒸煮工艺。为了 提高蒸煮醪质量和减轻劳动强度，目前我 国各酒精厂广泛采用连续蒸煮的工艺，方 法有多种，常用有罐式(锅式)连续蒸煮、 管道式连续蒸煮、塔式(柱式)连续蒸煮等 三种方法。  罐式连续蒸煮工艺流程简图如图所示，

　　糖化曲分成固体曲和液体曲两种，用麸皮为 主要原料制成的固体曲叫麸曲，采用液体深 层通风培养的称为液体曲。  制曲常用霉菌。

　　制曲过程实际上是将糖化菌扩大培养，并 让糖化菌产生高活力的、质量合格的各种 淀粉酶等酶类的过程。为此，需要提供让 糖化菌生长和产酶的合适原料、水分、温 度和通气条件等。

　　如：液体曲生产工艺过程包括种子制备、 液体曲发酵和无菌空气制备三部分，其工 艺流程如下图所示。  种子罐接种糖化菌孢子悬浮液后，32℃通 风培养 36h 左右接入培养罐，在培养罐内 培养48h左右即得成熟液体曲。

　　糖化方法分成间歇糖化和连续糖化两类。 目前我国大多数酒精厂采用后者。 间歇糖化工艺 间歇糖化在糖化锅内进行。蒸煮醪 放入并冷却到61～62℃时，加入糖化剂， 搅拌均匀后静止糖化30min，再冷却至 30℃后供发酵用。

　　连续糖化工艺 根据蒸煮醪冷却 ( 前冷 却 ) 和糖化醪液冷却 ( 后冷却 ) 的方法不同， 可将连续糖化工艺分成混合冷却连续糖化、 真空冷却连续糖化和三级真空冷却连续糖 化三大类，所控制的工艺参数与间歇糖化 工艺的相似。  糖化温度60°C，时间约30分钟

　　糖化醪送入发酵罐，接入酒母后，即可 始乙醇发酵。发酵工艺有间歇发酵、半 连续式发酵和连续式发酵三类。乙醇发 酵过程可分为前发酵期、主发酵期和后 发酵期三个阶段。前发酵期一般为前10h 左右，在酒母与糖化醪加入发酵罐后， 醪液中的酵母开始数量还不多，由于醪 液中的酵母开始数量还不进行繁殖。

　　在前发酵期阶段，发酵作用不强，酒精和 二氧化碳产生得少，糖分消耗得比较慢， 发酵醪表面显得比较平静。前发酵期一般 控制发酵温度不超过30℃。主发酵期为前 发酵期之后的12h左右，在此阶段酵母细胞 已大体形成，每毫升醪液中酵母数可达1亿 以上，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行 乙醇发酵作用。使糖分迅速下降，酒精量 逐渐增多，醪液中产生大量的二氧化碳， 有很强的二氧化碳泡沫响声。

　　此期间发酵醪温度上升也快，生产上应加 强温度控制，最好将温度控制在 30～34℃。 经主发酵期，醪液的糖分大部分已被耗掉， 发酵进入后发酵期。在后发酵期阶段，发 酵作用弱，产生热量也省，发酵醪温度逐 渐下降，应控制发酵温度在 30 ～ 32℃。后 发酵一般需要约 40h 才能完成，总发酵时 间一般控制60～72h。一般工艺工厂糖化醪 浓度为16～18Bx，发酵成熟醪的乙醇含量 为6%～10%(V/V) 