第八章-糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸

第八章糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸糖蜜是很好的發(fā)酵原料。糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，可大幅度降低成本，節(jié)約能源，節(jié)約酸、堿，簡(jiǎn)化操作，便于實(shí)行高糖發(fā)酵工藝，有利于產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率的提高。糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸工藝，除了需要增加糖密原料的脫鈣處理，和適時(shí)、適量添加表面活性劑之類添加物，此外，發(fā)酵操作及提取操作與淀粉水解糖發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸工藝，其本相同。國(guó)外，谷氨酸發(fā)酵幾乎都是以糖蜜為發(fā)酵原料。國(guó)內(nèi)，以糖蜜為原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的較少，或很不普遍。但近幾年來，國(guó)內(nèi)的研究試驗(yàn)成果表明，在試驗(yàn)條件下，產(chǎn)酸率水平最高達(dá)10％以上，轉(zhuǎn)化率水平最高達(dá)60％。因此，可以說，經(jīng)過進(jìn)一步研究，使糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的工藝加以推廣，達(dá)到普遍工業(yè)化，必將推動(dòng)我國(guó)味精工業(yè)走上新的進(jìn)步。第一節(jié)糖蜜原料一、糖蜜原料的分類

1．糖蜜的概念發(fā)酵工業(yè)上所謂的糖蜜，主要是指制糖工業(yè)上的廢糖蜜而言的。所謂廢糖蜜，就是指不能再用以煮制糖品的廢糖蜜，有的亦稱終糖蜜或赤糖蜜。

2．糖蜜的種類根據(jù)來源的不同，糖蜜分為甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和高級(jí)糖蜜等。其中的高級(jí)糖蜜是指甘蔗榨汁(糖漿)加入適量的硫酸或用酵母的轉(zhuǎn)化酶處理，制成轉(zhuǎn)化糖，該蜜由于提高了溶解度，可使糖濃度提高到70-85％。此外，還有兩種廢糖蜜：一種是精制粗糖時(shí)所分離出的糖蜜，稱為粗糖蜜，另一種是葡萄糖工業(yè)上，不能再結(jié)晶葡萄糖的母液稱為葡萄糖蜜。二、糖蜜的產(chǎn)量及利用1．糖蜜的產(chǎn)量廢糖蜜，以含糖(總糖分）50％為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行計(jì)算。甘蔗糖蜜的產(chǎn)量為所處理甘蔗量的3％左右。甜菜糖蜜的產(chǎn)量為所處理甜菜量的3．5％左右。我國(guó)黃河以北等地區(qū)出產(chǎn)甜菜，浙、閩及兩廣等地區(qū)出產(chǎn)甘蔗。糖蜜基本是自產(chǎn)自用。

2.糖蜜的利用目前國(guó)內(nèi)用糖蜜，以工業(yè)化規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品有：酒精、丙酮丁醇、檸檬酸、谷氨酸、酵母、甘油、醋酸、乳酸、衣康酸、琥珀酸、草酸、葡萄糖酸和抗生素等。另外也用作飼料。國(guó)外，日本所用糖蜜，97％靠進(jìn)口。1984年，日本總共利用8l萬噸糖蜜。其中用于制酒精的占總糖蜜量的24．1％，用于制氨基酸和核酸的占34．3％，用于制酵母的占9％，另外，用制飼料的占34．3%。日本生產(chǎn)味精，主要使用糖蜜作碳源。三、糖蜜原料的性質(zhì)和組成糖蜜的外觀，是一種粘稠、黑褐色、呈半流動(dòng)狀的物體。PH5．5左右。相對(duì)密度1．43。糖蜜的組成，因制糖原料的種植、貯藏及加工方法等條件的不同而有差異。其一般組成見表8-1。各種糖蜜中的糖類組成也不相同。四、糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的工藝特點(diǎn)

1．糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸工藝的優(yōu)點(diǎn)糖蜜原料，是發(fā)酵工業(yè)的傳統(tǒng)的廉價(jià)原料，主要用作碳源。使用糖蜜原料，可省去淀粉糖化工序，這不僅可以降低成本，縮短周期，簡(jiǎn)化設(shè)備，而且可以節(jié)省大量的酸、堿、水，節(jié)省大量能源。

2．糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸工藝的難點(diǎn)糖蜜原料中，含有過剩(對(duì)于谷氨酸發(fā)酵的亞適量言)生物素，需添加吐溫60之類，抑制生物素作用的添加物，這就比淀粉水解糖發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的工藝復(fù)雜。（1）糖蜜中生物素的含量，與糖蜜來源、生產(chǎn)批次等有關(guān)，而且其它營(yíng)養(yǎng)成分也有變動(dòng)。因此要穩(wěn)定生產(chǎn)，必須密切注意原料組成的變化。（2）糖蜜含有黑褐色色素，影響成品色澤。需注意加強(qiáng)精制脫色的操作。發(fā)酵廢液也因色度過高，造成環(huán)境污染。（3）糖蜜含有膠體物質(zhì)，粘度大，致使發(fā)酵中泡沫較多，對(duì)于提取也帶來困難。需要水解，脫除膠體物質(zhì)，或使其含量降低。（4）糖蜜中含有較多的鈣質(zhì)物質(zhì)，這對(duì)于谷氨酸的提取，及味精的精制上，要增加糖蜜原料的脫鈣操作。為此要在發(fā)酵前，進(jìn)行糖蜜脫鈣處理，以降低鈣的含量。第二節(jié)糖蜜的預(yù)處理糖蜜的預(yù)處理，包括澄清處理和脫鈣處理，以及脫除生物素的處理。一般糖蜜原料的谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)中，所說的預(yù)處理，一般是指前兩者(即澄清處理或脫鈣處理）而言的。后者的脫除生物素處理，可使生物素過剩的糖蜜原料，做淀粉水解糖一樣地用于發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。一、糖蜜的澄清處理

1．糖蜜澄清處理的目的糖蜜中由于含有大量的灰分和膠體，不但影響菌體營(yíng)養(yǎng)，也影響谷氨酸的純度，待別是膠體的存在，致使發(fā)酵中產(chǎn)生大量泡沫，也影響谷氨酸結(jié)晶提煉。因此，糖蜜在投入谷氨酸發(fā)酵之前，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)某吻逄幚怼?/p>

2.硫酸處理法糖蜜加水（1：1)，再加硫酸，PH2．0，于95-100℃加熱20Min，以使膠體分解，并促使蔗糖轉(zhuǎn)化，也可以在此時(shí)驅(qū)除可能存在的有礙于菌體的亞硝酸，然后用15%右灰乳中和處理，由于生成大量的石膏，以及鈣離子的離子置換作用，可除去大量的鉀、鈉等金屬元素，從而得到澄清糖液。

3．石灰處理法糖蜜加水(1：1)，加15％新鮮石灰乳，調(diào)節(jié)PH7．5-7．2，加熱至100℃，煮沸30min，使膠體破壞，然后以硫酸中和，靜置澄清數(shù)小時(shí)，便得到澄清透明的糖液。二、糖蜜的脫鈣處理

1．糖蜜脫鈣處理的目的糖蜜中含有較多的鈣鹽，影響谷氨酸的結(jié)晶提取，影響所提取的谷氨酸的純度，故需進(jìn)行脫鈣處理。

2．脫鈣處理的常用方法作為鈣質(zhì)的沉淀劑，通常有Na2SO3

、Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4、草酸和草酸鉀等。目前常用Na2CO3(純堿)作為鈣鹽沉淀劑進(jìn)行處理。三、糖蜜中生物素的脫除處理

1．脫除糖蜜中生物素的目的由于糖蜜中所含生物素量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了谷氨酸生產(chǎn)菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時(shí)，所需要的生物素量(亞適量)，即所謂生物素過剩。因此，糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，不能原封不動(dòng)地采用淀粉水解糖原料的發(fā)酵方法。否則，由于生物素過高，會(huì)導(dǎo)致光長(zhǎng)菌體，不生產(chǎn)谷氨酸的后果。因此，作為糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的一種方法，即糖蜜預(yù)處理法，即將糖蜜中的過剩生物素脫除，以便像淀粉水解糖原料一樣地投入谷氨酸發(fā)酵。脫除糖蜜中的生物素的方法，主要有：活性炭法、水解活性炭處理法、樹脂處理法、亞硝酸處理法，以及γ射線照射法等。2．活性炭處理法為了降低糖蜜中的生物素含量，可以用活性炭吸附除掉生物素。但此法活性炭消耗量大，多達(dá)至糖蜜的30-40％。為此，有的在用活性炭吸附之前，先加次氯酸鈉，或通入氯氣處理糖蜜，耗炭量可減至10-20％〔對(duì)全糖)。

3．水解-活性炭處理法國(guó)內(nèi)曾采用鹽酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭處理的方法，去掉生物素。經(jīng)在5000L罐上進(jìn)行多批擴(kuò)大發(fā)酵試驗(yàn)，谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)量穩(wěn)定在4％以上。

4．樹脂處理法甜菜糖蜜可用非離子化脫色樹脂，脫除生物素。處理時(shí)，將糖蜜加水及鹽酸，沖淡至11．0％的糖濃度(PH2．5)，120℃，滅菌20min，再加NaoH調(diào)PH4．0，通入脫色樹脂(樹脂容積與糖重量比例為1：0．67)交換柱，然后，將所得溶液調(diào)PH7．0，用于調(diào)制培養(yǎng)基。經(jīng)乳糖發(fā)酵短桿菌發(fā)酵后，谷氨酸對(duì)糖的轉(zhuǎn)化率為51．8％。而用不處理的糖蜜發(fā)酵時(shí)，谷氨酸對(duì)糖的轉(zhuǎn)化率只有10．3％。

5．亞硝酸處理法用亞硝酸處理糖蜜，可以破壞生物素。處理時(shí)先將糖蜜稀釋至含糖10-30％，再加亞硝酸鹽，添加量依原料中的氨基氮、氨態(tài)氮和生物素濃度而定，一般為溶液中糖分的0．5-1．0％。

6．γ射線法在γ射線殺菌的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以降低生物素的含量。例如用2．0Mrad的劑量的射線照射生物素溶液，可以降低86％的生物素。第三節(jié)添加青霉素的谷氨酸發(fā)酵法

1.添加青霉素法的基本原理要利用生物素過剩的糖蜜原料，發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，可以采用在谷氨酸生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)初期，添加青霉素(青霉索G)的方法來進(jìn)行。這種添加青霉素法的原理，一般是因?yàn)榍嗝顾刈饔糜谏L(zhǎng)細(xì)胞的細(xì)胞壁，使之合成不完全，從而降低其作為細(xì)胞保護(hù)壁的功能。其結(jié)果造成細(xì)胞質(zhì)膜的二次損傷，使谷氨酸流出細(xì)胞外。也可以說是由于青霉素阻止細(xì)胞壁的合成，因而控制了菌體增殖。同時(shí)也清除了代謝產(chǎn)物的通透性障礙物的緣故。青霉素添加法谷氨酸發(fā)酵，不僅適用于糖蜜原料的發(fā)酵，也可以應(yīng)用醋酸原科、或正石蠟作碳源的谷氨酸發(fā)酵，以及用作非生物素缺陷型菌株發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。

2．實(shí)施青霉素添加法的要點(diǎn)（1）在生物素過剩培養(yǎng)基中添加青霉素的谷氨酸發(fā)酵，開始時(shí)，與通常的谷氨酸發(fā)酵完全一樣，只是在培養(yǎng)開始數(shù)小時(shí)后，即在菌體生長(zhǎng)階段的適當(dāng)時(shí)期，添加青霉索G(數(shù)單價(jià)／mL)。這時(shí)菌體的生長(zhǎng)，就不像原來生物素過剩培養(yǎng)基中那樣過度地生長(zhǎng)，而是被抑制在與生物素欠缺培養(yǎng)基中的同等程度，而發(fā)酵卻能正常進(jìn)行，并蓄積大量的谷氨酸。（2）青霉素必須在細(xì)胞處于生長(zhǎng)的狀態(tài)下添加，否則，對(duì)靜止細(xì)胞添加是無效的。生長(zhǎng)細(xì)胞在添加青霉素之后，大都變得形態(tài)膨潤(rùn)伸長(zhǎng)，細(xì)胞壁合成不完全，但對(duì)細(xì)胞的谷氨酸生物合成性幾乎沒有影響，可以跟不加青霉素時(shí)同樣地進(jìn)行呼吸、降解糖和同化氨。但是因?yàn)榫w的增殖受抑制，結(jié)果，使呼吸和解糖速度下降到與生物素欠缺條件時(shí)的呈度相同，而同化氨的速度卻顯著上升。總之，青霉素添加法操作，首先要注意青霉素的添加時(shí)間和添加量。根據(jù)培養(yǎng)基，糖蜜組成等條件的不同，青霉素添加時(shí)間可在2-3h左右，青霉素添加量可在4-8PPm左右。其次，實(shí)施青霉素添加法，需要適當(dāng)加大發(fā)酵接種量，接種最高可達(dá)40%，這樣，有利于提高產(chǎn)酸率。第四節(jié)添加表面活性劑法一、添加表面活性劑法的基本原理

1．添加表面活性劑的糖蜜原料谷氨酸發(fā)酵1962年，山田及宇田川等人發(fā)現(xiàn)各種非離子系、陽離子系、陰離子系、及兩性系表面活性劑，能夠增加谷氨酸發(fā)酵的對(duì)糖收率。宇田川等人還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在生物素過剩培養(yǎng)基中，可因添加陰離子系表面活性劑CTAB，而蓄積大量谷氨酸。并且指出，在這種情況下，如果培養(yǎng)基中的生物素濃度增加時(shí)，必須相應(yīng)地提高表面活性劑的添加量，才能奏效。2．糖蜜原料添加表面活性劑發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的基本原理糖蜜原料添加表面活性劑，之所以能發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，究其原理，一般認(rèn)為，主要是c16-c18的飽和脂肪酸，對(duì)生物素有拮抗作用。這類飽和脂肪酸的親水性衍生物(吐溫60，吐溫40等），遠(yuǎn)較其游離態(tài)易溶于水，而且在結(jié)構(gòu)上，這類飽和脂肪酸比其它脂肪酸，更能拮抗油酸或生物素、故其效果為最顯著。從順形成異常的細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，膜磷脂含量降低，遂導(dǎo)致谷氨酸流出。二、糖蜜原料谷氨酸發(fā)酵中常用的

表面活性劑和添加物1.非離子系表面活性劑非離子系表面活性劑有青霉素一樣的效果。并且指出，有效果的表面活性劑，是吐溫60和吐溫40，而吐溫20卻沒有效果。由此看來，決定這些表面活性劑是否有效果，其主要因素，是構(gòu)成表面活性劑的脂肪酸種類。2．其他的有效添加劑親水性多價(jià)醇的飽和脂肪酸酯，有超過游離飽和脂肪酸的效果。其他，各種醇類，特別是在培養(yǎng)5h時(shí)，添加異丁醇1.0-1．25％，對(duì)于糖蜜原料谷氨酸發(fā)酵也有明顯效果。實(shí)際研究中常使用酒精發(fā)酵液蒸餾副產(chǎn)物雜醇油。三、表面活性劑添加法操作要點(diǎn)第五節(jié)追加糖蜜法一、追加糖蜜法的特點(diǎn)追加糖蜜法，不用加任何添加劑去抑制過剩生物素的作用，只靠追加糖蜜，發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。本法操作時(shí)，先用缺乏生物素的葡萄糖培養(yǎng)基，培養(yǎng)谷氨酸生產(chǎn)菌(擴(kuò)展短桿菌），當(dāng)菌體生長(zhǎng)大體達(dá)到最大生長(zhǎng)量時(shí)，連續(xù)補(bǔ)加甘蔗糖蜜(未經(jīng)結(jié)晶提煉蔗糖)，從而發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。第六節(jié)采用非生物素缺陷型

突變菌株法選育出不要求生物素的谷氨酸生產(chǎn)菌，即采用非生物素缺陷型突變菌株法，系從遺傳上解除生物素對(duì)谷氨酸積累的控制。因此，采用這種突變菌珠，進(jìn)行糖蜜原料的谷氨酸發(fā)酵，就不再受過剩生物素的影響。第七節(jié)糖蜜原料谷氨酸發(fā)酵

工藝的改進(jìn)日本協(xié)和株式會(huì)社及味之素株式會(huì)社等，均以糖蜜為原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。其發(fā)酵產(chǎn)酸率在8-10％，轉(zhuǎn)化率在50-55％。我國(guó)雖自1965年由上海味精廠和上海市工業(yè)微生物研究所等，作了糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的研究。但是由于原材料來源等問題，我國(guó)谷氨酸發(fā)酵的主要原料，并沒有采用糖蜜，而是主要采用淀粉水解糖。其產(chǎn)酸率一直僅在5-6％，(轉(zhuǎn)化率45％左右)。進(jìn)入80年代以來，沈陽味精廠、黑龍江省輕工業(yè)研究所以及馮星如、張克旭、蔚占明等先后開展了提高糖蜜原料谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸率的研究。并且在高產(chǎn)菌株選育、及發(fā)酵工藝改進(jìn)等方面，取得了一定的效果。一、高產(chǎn)菌株的選育國(guó)外，從短桿菌和棒桿菌出發(fā)，通過常規(guī)誘變的方法，選育出一些能在生物素過剩培養(yǎng)基中，生產(chǎn)谷氨酸的突變菌株。例如：所謂的維生素P衍生物抗性株，對(duì)透過性抑制劑維生素P衍生物具有抗性，所以該菌株谷氨酸透過性改善，培養(yǎng)在生物素過剩培養(yǎng)基中，即使不添加高級(jí)飽和脂肪酸或青霉素之類添加物，也能蓄積谷氨酸。近幾年來，國(guó)內(nèi)選育高產(chǎn)谷氨酸生產(chǎn)菌的研究相當(dāng)活躍。有的突變菌株已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。以下，簡(jiǎn)要說明選育