《乳酸的生成规律.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《乳酸的生成规律.doc（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、谷氨酸发酵过程中乳酸的生成规律兰柳叶攀枝花学院生物与化学工程学院 四川 攀枝花617000摘要：谷氨酸作为食品工业重要的添加剂和鲜味剂，发酵法生产谷氨酸是目前最常使用的方法。目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌等。关键词：谷氨酸菌 乳酸 丙酮酸脱羧酶 谷氨酸发酵过程 生物素 菌体 糖酵解 葡萄糖 三羧酸循环 酮戊二酸1 菌体代谢中与乳酸生成机制有关的三个基础知识11 谷氨酸的发酵机制谷氨酸的生物合成途径主要涉及的是糖酵解(EMP)和三羧酸循环(TCA)反应等。当谷氨酸发酵时，糖的降解分为两
2、个阶段，第一阶段为EMP途径，即一分子葡萄糖生成两分子的丙酮酸，释放能量合成ATP。生成的丙酮酸可被NADH。还原成乳酸或酒精。第二阶段是在有氧存在的情况下，因NADH：被分子氧氧化，丙酮酸经过氧化脱羧作用变成乙酰辅酶A后，进入三羧酸循环。三羧酸循环过程中当生成仅一酮戊二酸时，由于谷氨酸产生菌的仪一酮戊二酸脱氢酶活力低，会造成 一酮戊二酸积累，此时在NH4+存在的情况下， 一酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的作用下，转变为谷氨酸。12 菌体细胞内丙酮酸转化成谷氨酸的过程比葡萄糖转化成丙酮酸的过程所需或放出的能量要大得多。葡萄糖的降解过程中，1分子葡萄糖进行糖酵解时只生成2分子ATP。而1分子葡萄糖彻底有
3、氧氧化时却能生成38分子ATP。所以绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获取能量。但是，由于糖的有氧氧化和三羧酸循环所涉及的酶系较多，且反应条件较为苛刻，所以一般而言，二步反应较一步反应进行的难度要大多，只有在菌种活力旺盛、条件适宜时，二步反应才得以高效进行。如果菌体内酶活力较差，二步反应受阻，菌体获得能量的方式就会由二步反应慢慢趋向于一步反应，对葡萄糖只进行初步降解而获得少量能量维持自身的生存，同时由于二步反应的减慢，导致了菌体内丙酮酸的积累。13 在化学平衡的反应动力学中，反应物与生成物的浓度决定了反应的方向。谷氨酸菌体内乳酸的生成，其根本原因和菌体内的代谢途径有关。其中丙酮酸生成乳酸的反应是
4、可逆的，丙酮酸可以通过丙酮酸脱羧酶作用，生成乳酸，乳酸也可以通过糖异生作用即在乳酸脱氢酶作用下把乳酸转变丙酮酸和葡萄糖。如果菌体内丙酮酸积累，浓度较大，则反应中生成乳酸的速率大于生成丙酮酸的速率，在生产中表现为乳酸升高；如果菌体内丙酮酸浓度降低，则反应中乳酸生成丙酮酸的速率大于丙酮酸生成乳酸的速率，在生产中表现为乳酸降低。如果发酵过程中始终保持顺畅的代谢流，使丙酮酸浓度维持在一个较低的水平，则相应乳酸的生成量也较少，葡萄糖转化成谷氨酸的代谢流便会高效进行。2 谷氨酸发酵过程中乳酸产生的类型及应对策略21 谷氨酸正常发酵过程中一般乳酸产生量较低，中间过程至发酵结束时乳酸一般维持在02以下。由于谷
5、氨酸发酵工艺普遍使用生物素亚适量控制工艺， 由于培养基配方中对生物素的限量添加，限制了一步反应的速率，使得葡萄糖至丙酮酸的反应较为平稳。另外通过对谷氨酸菌种生长控制条件的控制，如温度、风量、pH等，使得丙酮酸至谷氨酸的二步反应也较平稳，这就保证了葡萄糖最大限度的生成谷氨酸。对于正常谷氨酸发酵而言，乳酸的生成量较少，一般情况下不超过02 。22 谷氨酸发酵中前期乳酸升高，可高达08，但自中后期开始，乳酸会慢慢降低至正常范围。此种情况的出现一般可分为以下三个原因：221 谷氨酸发酵中前期溶解氧相对较低引起由于发酵中前期菌体营养成分较充分，活力较旺盛，葡萄糖降解的速度非常快，此时如果发酵液通风量或搅
6、拌转速过低造成溶氧较差，则菌体内糖的有氧氧化与糖酵解同时高效进行，当丙酮酸含量升高时，部分丙酮酸被还原为乳酸。但随着发酵的进行，生物素的逐步消耗，糖酵解速率会逐步降低，丙酮酸含量逐步降低，此时过高的乳酸会通过可逆反应逐步向丙酮酸转化，最终降到正常水平，谷氨酸发酵水平不受影响。此种情况发生时可以通过提高发酵液通风比和搅拌转速来解决，如果同时伴随糖耗偏高现象，可以通过降低培养基中的生物素含量使糖酵解速率得到抑制。222 液中前期流加速度过快引起。由于流加糖液内含有较多的生物素，这些生物素伴随糖液加入发酵液内，如果中前期流加速度过快，则短时间内糖酵解和CO 固定反应速率会急剧增加。从而造成丙酮酸积累
7、，乳酸升高。如果及时调整流加速度，使糖液流加速度平稳，则丙酮酸浓度会逐渐降低，乳酸逐步生成丙酮酸，一、二步反应趋于平衡，乳酸慢慢降至正常水平。一般糖液流加时机应控制在菌体大部分转型后开始流加，并且注意控制流速，使发酵残糖量逐步下降，避免乳酸短时升高。223 发酵中前期pH控制过低所致。发酵前期幼龄菌种细胞对pH较为敏感，如果发酵中前pH控制过低，则菌体生长旺盛，营养成分消耗大，期糖酵解和CO 的固定反应均加快，菌体趋向于菌体自我繁殖的正常代谢途径，而由丙酮酸向谷氨酸的二步反应则相对减慢，发酵偏向于只长菌不产酸的状态，由于丙酮酸的浓度增加，相应乳酸生成增加。此种情况因为菌体的活力没有收到影响，所
8、以如果及时调整pH，使一、二步反应趋于平衡，乳酸会慢慢下降，一般不会对发酵造成较大影响，但长时间控制低PH，会造成糖酸转化率的降低。23 发酵过程中乳酸自中前期开始便逐步升高，一直到发酵结束乳酸生成量可高达15以上。此种情况一般可由以下三个原因所致：2.3.1 培养基中生物素含量过高所致。生物素作为丙酮酸羧化酶的辅酶，参与三羧酸的循环中CO 固定反应。生物素在溶液中含量超过100ugL以上，则CO。的固定反应可提高30。过多的生物素加速了糖酵解的速率，使一步反应始终大于二步反应，导致丙酮酸大量积累，从而造成乳酸不断生成。另外，过多的生物素使得谷氨酸菌种细胞膜致密，生成的谷氨酸不易分泌出，所以细
9、胞内过高含量的谷氨酸又产生阻遏反应，减慢了由丙酮酸向谷氨酸的正向反应，进一步造成丙酮酸积累，多种原因导致乳酸自中前期开始便逐步升高，一直到发酵结束，乳酸生成量可达15以上。此种原因导致的乳酸上升，一般伴随的现象还有菌体转型差、产酸低等现象。应对此种现象的策略是严格控制培养基中生物素含量，一般控制在在5ugL10txgL之内。2.3.2 培养基中含有或产生了有害于菌体的有毒物质所致。因多种原因如发酵罐、种子罐连、实消时温度过高或高温维持时间过长，则会使培养基中的葡萄糖遇高温而产生焦糖，焦糖不仅不会被菌体利用，而且还会严重影响菌体的活力。另外如果培养基本身含有某些有毒物质如发霉的玉米产生的毒素、糖
10、液酸败产生的代谢产物都会严重影响菌体的活力。菌体活力的影响实质是影响了菌体内部各种酶系的活性与数量。对谷氨酸菌种而言，由于一步反应所需的酶系较二步反应酶系要少得多，所以葡萄糖在菌体内部一般进行到糖酵解过程后，便由丙酮酸为起点，生成了更迅速提供自身能量的乳酸或乙醇，对于我们所需要的代谢产物谷氨酸则生成很少。如果培养基中含有的有害物质无法去除，在恶劣环境很难改变的情况下，这种发酵水平极差，乳酸含量会直线上升，产酸水平严重低于正常水平。2.3.3 发酵中前期菌种遇高温所致。如因操作失误或其他原因导致菌体在发酵中前期培养温度偏高，且持续时间较长，则短时间内会出现产酸速率和乳酸生成量同时加快的现象，这是
11、因为温度的升高会提高菌体内所有生化反应的速度，促进各种代谢产物的提前生成。此种情况在夏季发酵降温困难时经常发生，不少发酵厂家只能靠短时停止供风来抑制发酵放热，勉强把温度控制在要求范围内，菌体受到高温和缺氧的双重因素，更加导致了乳酸的大量生成。由于酶的实质是蛋白质，过高的温度很容易使蛋白质变性，降低了酶的活性和寿命。最终使菌体后期活力大大降低，菌体寿命明显缩短。由于菌体后期活力的降低，使二步反应速率明显受到影响，生成的乳酸会越来越离，产酸明显降低。避免此种情况的发生除了搞好设备配套以外，还可以通过降低培养基中的生物素和提高初糖来控制生物发酵热的集中产生。2.4 发酵过程巾，巾前期乳酸生成量正常，
12、自中后期开始，乳酸会慢慢升高，一直持续到发酵结束，乳酸生成量达10左右此种情况一般町分为以下4个原因：241 发酵过程中污染杂菌所致。染菌是导致发酵中后期乳酸上升、产酸下降的最常见原因。 氨酸发酵是纯种培养，如污染杂菌后，杂菌不仪与生产菌争夺营养，其代谢产物还会严重影响菌种活力。使菌体在发酵中后期活力明显下降，由于菌体活力下降主要表现为菌体内各种酶活力的下降，虽然菌体活力下降也会影响一步反应中酶的活力，但=I于参与二步反应的酶系种类及数量较多，所以菌体活力下降会严币” 1 导二步反应的速率，相对而言，此时一步反应速率大于二步反应速率。二步反应减慢，不 反映到产酸速率下降，而且由于二步反应减 会
13、造成丙酮酸积累，也就加剧了乳酸的生成 应对此种情况产生的唯一途径就是清洁生产，杜绝染菌2-42 培养基中生物素含量过低所致。生物素对谷氨酸发酵而言具有双重性，培养基中浓度过低亦会引起乳酸升高，但其作用机理和生物素过量略有小同，生物素浓度过低，菌体生长分裂时体内生物素降解较快，菌体转型较早，菌体细胞拉长较明显，产酸提前。但是毕竟谷氨酸细胞转型后已变为畸形细胞，细胞膜合成不完全，细胞生存能力差，发酵进行到中后期时菌体活力便明显变差。由于生物素的不足，使某些与细胞本身营养供给和谷氨酸生成有关的酶系活力降低，过早导致了二步反应速度的减慢，从而使发酵巾后期乳酸便开始升高并且不再逆转。生物素含量过高还是过
14、低的鉴别主要参考菌体的转型和耗糖速率。菌体转型早，瘦弱，中后期耗糖慢，产酸低，耗糖产酸成比例，一般为生物素含量过低所致；菌体很少转型，两头尖，中后期耗糖一般，耗糖产酸明显不成比例，一般为生物素含量过高所致；243 发酵中后期pH控制过低所致。中后期发酵pH控制过低，虽对于菌体而言生长旺盛，有利于提高菌体活力，但如果因为pH过低导致仅一酮戊二酸缺氨离子而不能还原氨基化，就不能保证谷氨酸进一生成，从而造成仅一酮戊二酸积累。一酮戊二酸的积累会使丙酮酸向谷氨酸的二步反应减慢，造成丙酮酸积累，相应乳酸生成增加。此种情况如果如果发生在发酵后期， 由于菌体活力已经下降，乳酸一般很少再转化，所以发酵后期应注意
15、PH不要控制过低。2.4.4发酵中后期菌种遇高温所致。如果发酵中后期温度控制偏高，短时间内乳酸和产酸生成速度均有加快的现象，但是发酵后期菌体内的酶很容易遇高温失活，菌体活力会突然明显下降，不仅生成的乳酸不会转化，而且由于二步反应的突然减速，更会加剧乳酸的生成。发酵中后期温度控制得当，并且控制较低的残糖，随时提防发酵的突然中止是防止上述情况发生的关键。2.4.5发酵中后期糖液流加速度过快造成。由于糖液中含有大量的生物素，当在中后期流加速度过快时，会引起一步反应加速，此时由于已近发酵末期，菌体活力毕竟会有所下降，所以生成的乳酸再次转化的可能性降低，造成乳酸逐步升高，因为流加的糖液中含有新鲜生物素，
16、能起到维持菌体活力的作用，所以虽然乳酸在发酵中后期逐渐升高，但是一般不会影响产酸。发生此种现象要注意避免后期糖液流加过快，并且根据菌体活力适可而止，这是降低糖耗、提高糖酸转化率的关键所在。综上所述，谷氨酸发酵过程中乳酸的升高原因是多方面的，当我们在生产过程中遇到乳酸升高的情况时，不要一味的全认为是溶氧不足导致的，一定要从现象着手，判断分析各种可能原因，搞好谷氨酸发酵生产。参考文献 1吴瑞武，谷氨酸发酵中物料生物转换的探讨，发酵科技通讯，2000，29(4):31-32 2冯容保，发酵谷氨酸生产中液氨及硫酸的用量 3李金菊，液氨用于谷氨酸发酵工艺控制的探讨，发酵科技通讯，1992，21(1):40-41 4汪家政，范 明蛋白质技术手册M北京：科学出版社，2000771015杨革细菌聚 谷氨酸的研究D无锡：江南大学，2001
