味精生產技術

味精生產技術

(Monosodiumglutamateproductiontechnology)

第九組

系部：食品與生物工程系

專業：生物工程

班級：文生105?2

成員：王照生

李亞東

王汝春

馬成龍

一、行業簡介

味精，也稱味之素（商品名稱），學名谷氨酸鈉，是調味料的一

種，重要成分為谷氨酸鈉。谷氨酸鈉是谷氨酸的鈉鹽，是一種無色無

臭的晶體，在232°。時解體融化，吸濕性強，易溶于水。谷氨酸鈉還

具有治療慢性肝炎、肝昏迷、神經衰弱、癲癇病、胃酸缺少等病的作

用。要注意的是，假如在100℃以上的高溫中使用味精，鮮味劑谷氨

酸鈉會轉變為致癌性的焦谷氨酸鈉。假如在堿性環境中，味精會起化

學反映產生一種叫谷氨酸二鈉的物質，因此要注意使用和存放味精的

條件。

1、產品的分類和用途

我國的味精目前有四種規格，即俺具有谷氨酸鈉的純度可分為99%、

95%、90%、80%四種。除99%以外，其他三種分別加5%、10%、20%

食鹽等作填充料，有白色柱狀結晶型和白色粉木狀結晶型。市場上供

應的味精，谷氨酸鈉含量低于80%的只能稱之為調味品，所以在選購

時要看清包裝上的谷氨酸鈉含量。

2、行業的歷史

1866年，德國人H.Ritthasen博士從面筋中分離到谷氨酸，根據

原料定名為秋酸（由于面筋是從小麥里的提取出來的）。192023,日

本東京大學池田菊苗實實驗，從海帶中分離的得到L-谷氨酸結晶體,

這個晶體和從蛋白質水解得到的L-谷氨酸是同樣的物質，并且都是

有鮮味的。在1965年以前是以面筋或大豆粕為原料，通過酸水解的

方法生產味精的。這種方法消耗大，成本高，勞動強度大，對設備規

定高，需耐酸設備。隨著科學的進步及生物技術的發展，史使味精生

產發生了革命性的變化，自1965年以后我國味精廠都以糧食（玉米

淀粉、大米、小麥淀粉、甘薯淀粉）為原料，通過微生物發酵、提取、

精制得到符合國家標準的谷氨酸鈉，用了它以后使菜肴更加鮮美可

口。

3、地位和作用

隨著生產的發展以及人們消費水平的泥高，味精在人們的生活中

已經成為不可缺的鮮味物質。味精不僅能為菜肴增添鮮味，還具有豐

富的營養。谷氨酸鈉被人們食用后，可以通過胃酸的作用解離為谷氨

酸，能不久的被消化吸取，變成人體組織中必不可少的蛋白質。而谷

氨酸是一種高級營養輔助藥，在醫療上有護肝、解毒、改善神經系統

的功能，對于年少兒童還具有促進神經系統發育的作用，在平常生活

中適量地食用味精，能促進發育，增強體質。因此，味精的作用及營

養價值很重要。

二、谷氨酸發酵生產方法和生產工藝流程

1、生產方法

谷氨酸發酵涉及了谷氨酸的生物合成和積累兩個過程。

谷氨酸的生物合成途徑大體是：葡萄糖經糖酵解（EMP途徑）

和己糖磷酸支路（HMP途徑）生成丙酮酸，再氧化成。一酮戊二酸。

a—酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的催化及有NH4+存在的條件下，生成谷

氨酸。因此，谷氨酸的生物合成途徑涉及EMP、HMP、TCA循環

DCA循環和CO2固定作用等。

重要酶反映：

a—酮戊二酸+NH4++NADPH2—谷氨酸+H2O+NADP

由葡萄糖生成的谷氨酸鈉的總反映式為：

C6HQ+NH3+3/2O?Y5HoN+3Hoec）2

谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌的代謝均存在EMP途徑和HMP

途徑。經這兩條途徑發酵至丙酮酸后，一部分經氧化脫竣生成乙酰輔

酶A,一部分通過炭化固定CO2生成草酰乙酸或蘋果酸，草酰乙酸與

乙酰輔酶A在檸檬酸合酶催化作用下，縮合成檸檬酸，再經TCA循

環中的部分環節生成a—酮戊二酸，經轉氨反映生成谷氨酸。

2、發酵工藝流程

3、重要工藝參數

⑴溶解氧對谷氨酸產生菌種的種子培養影響很大。溶解氧過低，

菌體呼吸取到克制，從而克制生長，引起乳酸等副產物的積累；但是

并非溶解氧越高越好，當溶解氧滿足菌的需氧量后繼續升高，不僅會

導致浪費還會由于高氧水平克制菌體生長和谷氨酸的生成。

⑵溫度谷氨酸發酵0-12h為長菌期，菌種生長最適溫度30-32℃o

當菌體生長到穩定期，進入產酸期，控制溫度為34?36℃。

⑶pH為了維持發酵的最佳條件，根據谷氨酸產生菌發酵的最適pH

在7.0-8.0之間，采用提高通風量、控制流加氮源的方法來調節谷氨

酸的發酵。

⑷磷酸鹽是谷氨酸發酵過程中必需的，但濃度不能過高，否如會

轉向綴氨酸發酵；但磷濃度過低，則菌體生長不好，不利于產酸c發

酵結束后，常用離子互換樹脂法等進行提取。

三、技術參數

1、菌種方面

目前在谷氨酸發酵生產中所使用的菌種重要如下：

棒狀桿菌屬：谷氨酸棒狀桿菌、北京棒狀桿菌、鈍齒棒狀桿菌。

短桿桿菌：黃色短桿菌、天津短桿菌。

這些菌種具有以下共同的特性：細胞形態為棒狀、斷桿；革蘭氏

陽性菌，無芽包，無鞭毛，不能運動；都是需氧型；都是生物素缺陷

型；版酶強陽性；不分解淀粉；谷氨酸脫氫酶活力強；不分解谷氨酸,

并能耐高濃度谷氨酸；發酵中菌體發生明顯的形態變化，同時細胞膜

滲透性發生變化；二氧化碳固定反映酶系活力強；乙醛酸循環弱；a

-酮戊二酸氧化缺失或薄弱。

菌種的選育

根據各個軍中的特性，選擇合適的菌種作為培養的對象很重要，

英雌在生產實踐中，育種思緒可以從以下兒個方面考慮。一是可通過

誘變選育L-谷氨酸的結構類似物抗性突變株和營養缺陷型的回復突

變株，以解除自身的反饋克制和反饋阻遏，增大L-谷氨酸積累量。

二是選育強化能量代謝的突變株。三是選育不能以L.谷氨酸作為唯

一碳源生長的突變株。

(1)北京棒狀菌AS1.99(Corynebaxteriumpekinensen.sp.AS1.99)

細胞呈短桿或棒狀，有時略呈彎曲狀，兩端鈍圓，排列為單個、成對

或V字形。革蘭染色陽性。無芽抱，無鞭毛，不運動。

普通肉汁平皿培養，菌落圓形，中間隆起，表面光滑濕潤，邊沿整齊,

菌落顏色開始呈白色，直徑1mm,隨培養時間延長變為淡黃色，直

徑增大至6mm,不產水溶性色素。普通肉汁液體培養，稍餛飩，有

時表面呈微環狀，管底有粒狀沉淀。

⑵鈍齒棒狀菌AS1.542(Corynebacteriumcrenatumn.sp.AS1.542)

細胞呈短桿或棒狀，兩端鈍圓，排列為單個、成對或V字形。革蘭

染色陽性。無芽泡，無鞭毛，不運動。

細胞內次極端有異染顆粒并存在數個橫隔。普通肉汁固體平皿培養，

菌落扁平，呈草黃色，表面濕潤無光澤，邊沿較薄呈鈍齒狀，不產水

溶性色素，直徑3-5.普通肉汁液體培養渾濁，表面有薄菌膜，管底

有較多沉淀。

2、工藝上

①材料準備谷氨酸常用材料有玉米、小麥、甘薯、大米等。谷氨竣生

產時發酵原料具有一定的選擇原則。一方面要考慮菌體生長繁殖的營

養，是否有助于谷氨酸的大量積累，還要考慮原料是否豐富、價格便

宜，發酵周期是否短，產品是否易提取等因素。

②菌種制備菌種制備的重要目的是盡也許地培養出高活性、能滿足

大規模發酵需要的純種，重要方式為：分離純化和擴大培養。分離純

化一般兩個月左右就應當分離純化一次，分兩步進行。第一步是用平

板稀釋法分離出單細胞菌落，具體方法是把待分離的菌株用無菌生理

鹽水制成菌懸液，并在裝有玻璃珠的三角瓶中充足震蕩，運用玻璃珠

的滾動使菌體細胞分散，然后將菌懸液稀釋成一定的濃度，分別做平

板培養，使被分離的單細胞長成單菌落；第二步是挑取若干單細胞菌

落接種于試管斜面培養基上，然后把這些菌株分別用三角瓶進行搖瓶

發酵實驗，比較各菌株產酸的高低，選擇產酸的菌株供生產用。擴大

培養室菌種制備的重要手段，其培養順序為：斜面菌種、一級種子、

二級種子。

③工藝操作要點

a制備淀粉水解唐

b發酵發酵過程分為：斜面活化一二級搖瓶種子一二級罐種子一

發酵

c谷氨酸提取大本分工廠提取谷氨酸采用等電點法。將發酵液的pH

調至3.22,谷氨酸就處在過飽和狀態呈結晶析出。

d中和脫色谷氨酸與碳酸鈉中和制成谷氨酸鈉，才具有強力鮮味。

中和溫度為60-65℃,中和液的濃度為22B,pH為6.9-7.0。106g的t

碳酸鈉可中和294g的谷氨酸。中和完畢后，需將中和液脫色。先用

谷氨酸將中和液pH調回至6.3,加熱至60℃,使谷氨酸鈉充足溶解

加入粉末活性炭進行脫色，攪拌30min后，即可讓其自然沉淀或進行

過濾。

e濃縮結晶將脫色液放入真空濃縮鍋內，真空度保持8000Pa以

上，溫度控在60℃以下，當鍋內液體濃度達成32B時，即開攪拌機,

關掉蒸汽，用真空吸入晶種，進行起晶，然后將所得晶液在離心機內

進行離心分離。

f干燥過篩將結晶味精于80℃干燥，然后過篩。大片的可打壞成

粉攪拌入食鹽，作為粉狀味精；過細的作為小結晶味精或當晶種使用。

g成品包裝、標志、運送和存儲產品的外包裝按照《包裝儲運圖

示標志》(GB/T191-2023)的規定，外包裝物應有明顯的標志。產品在

運送過程中應輕拿輕放，嚴防污染、雨淋和曝曬。產品儲存在陰涼、

干燥、通風無污染的的環境下，不應露天堆放。

3、產物的分離和提取

a、使用碳酸鈉對谷氨酸鈉進行中和，pH一般控制在6.7-7.0得

到的是谷氨酸一鈉I(有鮮味)。在實際操作中，由于谷氨酸在水中的

溶解度較小，中和反映的體系應當控制在60℃左右，應先將谷氨酸

加入到熱水中，在逐步加入碳酸鈉，完畢中和。

b、脫色常用的活性炭脫色法，溫度一般控制在50-60C。

c、根據實際操作所使用設備的材質，此環節選做。

d、濃縮和結晶涉及三個過程：形成過飽和溶液一晶核形成一晶

體成長

e、用抽濾裝置將味精晶體分離，再放入干燥箱干燥，干燥溫度

不超過60C,即得到味精原晶體。

4、重要生產設備

試管；三角瓶；高壓滅菌鍋；搖床；培養箱；顯微鏡；膜組件；板塊

過濾器；旋轉蒸發器；發酵罐:GUJS?5O?5OO型,種子罐50L,發酵罐

500Lo

四、技術進展

(一).菌種方面

為了證實在谷氨酸棒桿菌中，運用H+-ATPase基因失活構建高產谷氨

酸基因工程菌的應用可行性，通過重組PCR技術部分缺失H+-ATPase

Y亞基基因序列，采用插入失活方法構建H+-ATPase失活的谷氨酸棒

桿菌。考察了其谷氨酸產生能力及對生長速率的影響。實驗結果表白，

H+-ATPase失活的谷氨酸棒桿菌在具有l()()g/L的葡萄糖培養基中搖瓶

發酵，其谷氨酸最大累積量為51.6g/L,比野生菌株提高了42.9%o

生長速率研究結果表白，H+-ATPase失活的谷氨酸棒桿菌生長速率略

低于野生谷氨酸棒桿菌。證實了H+-ATPase基因失活對提高谷氨酸產

量的作用，為運用H+-ATPase基因構建高產谷氨酸基因工程菌株提供

了科學依據。

(二)?工藝上

1選育優良菌種高產、純正、優良的菌種是保證發酵成功的前提，因

此優良生產菌種的選育一直是谷氨酸發酵的重要研究課題。谷氨酸發

酵一般采用黃色短桿菌(BrevibacteriumfLavum)為出發菌株，根據

代謝控制發酵原理進行人工誘變，定向選育高產率的菌種。如陳寧等

人以黃色短桿菌T1為出發菌株，運用紫外線、硫酸二乙酯進行誘變,

定向選育出具有寡霉素抗性、谷氨酸氧后酸鹽抗性的溫度敏感型突

變株TM106。然后，以TM106和產酸率高(10.5%以上)的天津短桿

菌TG961為親株，通過原生質體融合技術，成功地選育出了產酸率高

的融合子CM021,并且該菌株系溫度敏感型菌株，可用于谷氨酸強制

發酵。在最佳條件下，谷氨酸產酸率達13.6%,糖酸轉化率達60%以

上在菌種的保藏和培養過程中，與一切生物發酵生產同樣，菌種是發

酵生產成敗的內因，生產選用高產、純正、優良的菌種，必須做好5

個方面的控制：①嚴格保藏溫度和干燥的環境，滿足菌種不變異、不

退化、不污染的條件。保藏菌種要經分離、純化、篩選，要有專門的

冷藏設備，周邊的環境要清潔無污染，對于細菌的保藏可采用?80℃

冰箱保藏液體菌種的方法。②生產使用的菌種要盡量減少傳代次數，

斜面菌種一般以2代?3代可用于生產的為佳。③嚴格菌種培養的原材

料，試劑原料通過搖瓶和生產實驗后，要基本固定規格和生產廠家。

有機原料更換批號要做搖瓶實驗，每批都要留樣做下批實驗的對照。

④一級種子的培養要嚴格搖瓶培養間的溫度、無菌等級，有條件的情

況下搖瓶間可送無菌風。要保證搖床的轉速和振幅，經常檢查搖床的

皮帶或齒輪是否松動。⑤控制好一級種子下瓶的時機，除進行OD（光

密度）的檢測外還可進行濕菌體或用血球計數器計數檢測，鏡檢菌體

的形態和同步性，同時要盡量縮短一級種子的冷凍時間，為下一步的

擴大再培養提供活力強、同步性好、數量多、無污染的一級菌和、

2流加糖的控制

流加糖工藝的關鍵技術在于開始流加的時磯的選擇、流加過程中的流

加速度、流加期間殘糖的含量及流加糖量占總投糖的比例。根據菌種

的耗糖能力、生物素，在采用適量法的工藝條件下，總投糖含量為18%

左右的轉化率較高，投糖超過20%的轉化率就有低于58.()%的危險(轉

化率低于58.0%對淀粉的單耗和成本導致升高的影響)，投糖量過低雖

然可以提高轉化率，但產酸低、影響設備運用率和能源的消耗。

2.1初糖濃度

一般情況下，大罐初糖12%?14%、菌種10h左右達成平衡，初糖

15%~16%、菌種12h左右達成平衡，12h的轉化率為55.0%左右；初糖

16.0%以上菌種要在14h左右達成平衡，12h的轉化率一般為52%左右。

總之，初糖含量的設計要考慮對菌種生長和轉化率的影響也要考慮到

發酵培養基的平衡，在發酵周期3()h左右、流加糖含量為36.0%左右的

條件下，初糖設計含量為14%?16%是比較適當

的。假如流加糖含量提高至50.0%以上，初糖質量分數設計在

13%?14%即可。

2.2流加時間

選擇適當的時機是相稱重要的，對發酵的產量有很大影響。補糖的時

機不能單純以培養時間作為依據，要根據糖的耗用速度、值變化、殘

糖的高低、菌體活力、菌體形態是否轉型等因素判斷比較符合實際。

補糖的時間原則是控制微生物的中間代謝：使之向有助于產物積累的

方向發展。能控制菌體量的增長、糖的消耗速度與發酵單位增長三者

之間的關系，就可獲得更長的生物合成期，以利于谷氨酸的積累,其

控制要點是谷氨酸生產菌轉型期和乳酸峰值期相結合進行糖流加。開

始流加時機應以殘糖量、耗糖速度、菌體的活力和轉型情況為依據，

通過耗氧及需氧情況的計算顯示，發酵殘糖在5.0%?2.0%時是流加糖

的最佳時機。在流加過程中流加速度重要根據殘糖量控制，根據生產

經驗殘糖控制量為2.0%?1.0%、流加糖占總投糖的60%?70%時產酸和

轉化率較為抱負。糖液質量直接影響谷氨酸發酵生長、耗糖速度，進

而影響產量和酸糖轉化率，控制好糖液的質量是發酵成功的基礎，糖

液的質量應當是具有高DE值（97%以上）和高DX值（95.0%以上），

復合二糖3.0以下，三糖、四糖以上的糖含量不超過

2.3流加方式

連續流加比間歇流加控制效果好，這樣可以避免一次性大量流加而引

起菌體的代謝受到環境忽然改變的影響。如此在恒定狀態下微生物所

處的環境條件，如培養物濃度、產物濃度、pH值以及微生物細胞的

濃度、生長速率等可以始終維持不變，以達成產生大量代謝產物的目

的。對谷氨酸發酵而言，其控制要點有以下3個方面：①流加糖質量

分數在45%?50%之間，糖色澤不增長，糖不被分解，蒸發過程中損

失盡量減小，蒸發溫度不宜過高，時間不宜過長，避免產生焦糖和色

素，濃縮前后的糖DE值（或DX值）與透光率差距不能過大；②流加

糖消毒滅菌溫度不宜過高，并且要迅速降溫至3（）℃?45℃,保壓備用；

③流加過程中殘糖控制量不宜忽高忽低，宜根據糖耗速率控制流加數

量，保持殘糖含量穩定。

3生物素的控制

在生物素用量的控制中不僅要考慮到培養基中原料（涉及玉米漿、糖

蜜純生物素）的生物素總量，同時還要考慮到糖液因玉米淀粉和生產

工藝的變化導致的營養素（生物素和維生素）的變化，適時地根據發

酵耗糖、產酸及發醉的容氧情況調整培養基中生物素配比，控制生物

素用量，充足滿足生長、耗糖、合成谷氨酸的需要，并且不能出現負

面的影響。在采用生物素適量法工藝控制中，發酵培養基的總生物量

控制在10.0ug/L以上,與生物素用量相配套的二級種子到大罐的接種

量達成10.0%以上，濕菌體量控制1.0mL/10mL以上；大貓初糖采用

14%~16%的中高糖發酵，大罐前期(對數生長、轉型期、發酵期)

的通風量已達成0.35m3/s?0.45m3/s,大罐最大濕菌體量達成

().9mL/l()mL?L()mL/l()mL；在低糖(36.0%左右)流加的情況下周期

縮短到28h?30h,產酸可達成12.0%左右，轉化率達成59.0%以上。適

量法成功的經驗說明，生物素量的設計不是孤立的一個條件，要與其

他的工藝條件相配合。

4發酵環境條件控制

4.1溫度控制

發酵罐溫度根據發酵時間進程，在不同階段按最適宜的微生物生長環

境設定溫度值。

4.2pH值控制

發酵罐pH值過程控制根據生產實踐長期摸索的規律，擬定一條優化

設定曲線，采用液氨流加，控制發酵液的pH值。考慮到pH值過程的

非線性特性，為了提高控制效果，采用了有約束力的非線性補償控制

方法，pH值的跟蹤性能與抗干擾性能都較強，最大穩態誤差pH值不

超過0.1。

4.3壓力控制

發酵罐壓力的穩定不僅可以有效地防止染菌，減小供風阻力的波動，

也有助于氣液兩相氧氣分壓的平衡和DO值的穩定。該系統與空氣流

量控制系統雖然有明顯的關聯性，但通過調整控制器的有關參數，可

以將這2個變量分另L控制穩定。

4.4溶解氧控制

在發酵過程中恰當控制溶解氧，改變代謝分布，可以增大谷氨酸產率,

減少雜酸的生成。溶解氧最優控制水平為10%左右。在一般情況下，

當發酵罐內有富余的空氣且攪拌電機轉速適中時，通過對攪拌電機轉

速控制可以得到良好的溶解氧動態過程，而在空氣量局限性或攪拌電

機達成一定轉速后，DO變化受到限制，這時可以通過溶解氧和風量

調回路得到繼續改善

（三）.產物的分離和提取

L1濃縮等電工藝流程

濃縮等電工藝源自日本味之素公司糖蜜發酵谷氨酸的提取技術，國內

最早由河南蓮花味精集團將其嫁接于淀粉糖原料發酵工藝上（圖2）,該

工藝沒有采用/離交技術0,優點是硫酸、液氨消耗低，排放高濃度廢水

總量僅占發酵液體積的50%左右。

I笈孵滋I——-I宓效濃縮1■電紓“1川----一網心分閡——T等電，次潤

海泊I

吟嘏水I

211清潔工藝流程

“清潔工藝”是由江南大學和山東菱花集團合作開發并于2023年成功

產業化的開環式清潔工藝（圖3）。通過絮凝除菌、多效蒸發濃縮、脫

硫酸鍍和造粒干燥等工序，從離交尾液中回收菌體蛋白、無機和有機

肥，蒸發冷凝水回用,既尢廢水乂尢廢氣。

7

|寓交尾液11絮廢除菌H多效叱縮|-濃縮脫41|脫鹽母液|—1選粒烘I!―“一合肥|

?

?菌體蛋.??冷凝水??—?

圖三

3無廢低耗工藝的構建與關鍵技術研究

311無廢低耗工藝的構建

吸取上述提取技術及高濃廢水治理技術的優點而摒棄其缺陷,實現高

收率、高質量、低物耗及資源綜合運用等優勢的集成,是構建谷氨酸

提取無廢低耗工藝的目的。基于此目的構建的谷氨酸提取無廢低耗生

產工藝（以下簡稱無廢低耗工藝）如圖5所示。無廢低耗工藝采用新型

的具有/細晶消除功能的等電結晶工藝，以減少等電母液中殘留谷氨酸

濃度,提高一步等電結晶的收率;同時以等電母液中殘留谷氨酸的二次

結晶技術替代現有的離子互換技術，以減少硫酸、液氨等輔料的消耗;

將谷氨酸二次結晶和清潔工藝的蒸發濃縮巧妙結合，在不增長蒸氣消

耗的前提下，有效地解決高濃廢水污染問題。工藝目的:谷氨酸提取總

收率\93%,接近等電離交工藝;不再消耗離子互換所需的硫酸和液氨，

也無額外產生的工藝廢水。要實現圖5無廢低耗工藝，必須解決2個技術

關鍵點:連續間歇耦聯等電結晶技術（簡稱半連續結晶）和二次結晶技

術。該工藝在山東菱花味精有限公司進行了中試，半連續結晶罐規模

為5m3,二次結晶罐規模為3.4m3。

圖五

312半連續等電結晶工藝研究

常規等電結晶母液中存在大量微小晶體,微晶數量多少直接影響提取

收率和晶體質量。半連續結晶內含“微晶自動消除技術”，目的是消

除結晶母液中存在的微小晶體，使等電母液中殘留谷氨酸的濃度由離

交工藝的2.3%降至1.8%以下,將一步等電結晶收率提高到85%;另一方

面，谷氨酸晶體顆粒直徑大幅度提高，純度提高到98%以上。微晶消除

后谷氨酸結晶顆粒粗壯，容易分離且夾帶母液少，因而收率和純度都

高。

313二次結晶工藝研究

二次結晶技術的關鍵是獲得晶形良好的Q-晶體，以保證二次結晶收率

達成60%以上,且工藝上容易實現分離操作。等電母液中硫酸鉉等雜質

濃度是谷氨酸的4倍以上，二次結晶困難，采用常規濃縮結晶，得到的是

小顆粒泥狀結晶（圖6）,分離困難且純度低。采用變溫連續濃縮結晶，可

獲得圖7所示晶型良好的a