3氨基酸生产(4).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,25,氨基酸发酵工艺,25.1,概述,25.2,氨基酸发酵的代谢控制,25.3,氨基酸发酵的工艺控制,25.4,谷氨酸生产工艺,25.5,赖氨酸生产工艺简介,25.1,概述,近,40,多年来，国内外在研究、开发和应用氨基酸方面均取得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已由,20,世纪,60,年代,50,种左右，发展到,20,世纪,80,年代的,400,种，目前已达,1000,多种。其中用于药物的氨基酸及氨基酸衍生物的品种达,100,多种。,氨基酸分为两大类，即蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸。,氨基酸中有,8,种氨基酸人体本身不能合成，只能从食物的蛋白质中摄取，称为必需氨基酸，它们是,L-,赖氨酸、,L-,色氨酸、,L-,苏氨酸、,L-,缬氨酸、,L-,亮氨酸、,L-,异亮氨酸、,L-,苯丙氨酸和,L-,蛋氨酸。,还有两种半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。,25.1,概述,25.1.1,氨基酸的应用,1,、食品工业：营养强化剂；鲜味剂；甜味剂。,2,、饲料工业：营养强化剂。,3,、医药工业：氨基酸输液；氨基酸衍生物；氨基酸盐。,4,、化学工业：洗涤剂；护肤品；人造革。,5,、农业：无公害农药。,25.1,概述,氨基酸的应用,食品工业：,强化食品,：谷物中缺赖氨酸，苏氨酸，色氨酸、蛋氨酸。,增鲜剂：,谷氨酸单钠和天冬氨酸。,甜味剂,：苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂,(-,天冬酰苯丙氨酸甲酯,),此产品,1981,年获,FDA,批准,现在每年产量已达数万吨。,25.1,概述,氨基酸的应用,食品工业：,大豆蛋白的氨基酸组成影响其营养效价。,25.1,概述,氨基酸的应用,医药工业：,多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调,苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨髓肿瘤治疗有效,且副作用低。,25.1,概述,氨基酸的应用,饲料工业,：,不可缺少的营养性添加剂，一般生长期添加赖氨酸，产蛋期添加蛋氨酸，饲料配制时必需计算氨基酸平衡。,25.1,概述,氨基酸的应用,化学工业,十二烷基谷氨酸钠肥皂,-,无皮肤刺激洗涤剂,焦谷氨酸钠,-,润肤剂,聚谷氨酸人造革、人造纤维和涂料,25.1,概述,氨基酸的应用,农业,特殊的氨基酸农药如,N-,月桂酰,-L-,异戊氨酸，能防治稻瘟病，又能提高稻米的蛋白质含量。氨基酸烷基酯及,N-,长链酰基氨基酸能提高农作物对病害的抵抗力，具有和一般杀虫剂一样的效果。,25.1,概述,25.1.2,氨基酸的生产方法,1,、发酵法,（,1,）直接发酵,第一类用野生菌株,直接由糖和铵盐发酵生产氨基酸，如谷氨酸、丙氨酸和缬氨酸。,第二类用营养缺陷型突变株,直接由糖和铵盐发酵生产氨基酸，如谷氨酸棒状杆菌的高丝氨酸缺陷型生产赖氨酸；酪氨酸缺陷型生产苯丙氨酸苯丙氨酸缺陷型生产亮氨酸；亮氨酸缺陷型生产缬氨酸。,25.1,概述,氨基酸的生产方法,第三类用抗氨基酸结构类似物突变株,，,如利用乳糖发酵短杆菌 的,S-(2-,氨基乙基）,-L-,半胱氨酸（,AEC,赖氨酸结构类食物）抗性菌株生产赖氨酸。利用黄色短杆菌的,5-,甲基色氨酸（,5-MT,，酪氨酸结构类似物）抗性菌株生产酪氨酸。,第四类抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型菌株，,如利用乳糖发酵短杆菌的抗,AEC,腺嘌呤、鸟嘌呤缺陷型生产赖氨酸。,营养缺陷型回复突变株发酵。,（,2,）添加前体的发酵：通过添加氨基酸的前体或中间产物，以避免生物合成途径中的反馈抑制，如以吲哚为前体，利用麦角菌生产色氨酸。,25.1,概述,氨基酸的生产方法,2,、酶法：利用酶来制造氨基酸。应用完整菌体或从微生物细胞抽提的酶类合成氨基酸。天冬氨酸已于,1973,年应用完整菌体固定化进行生产，这是世界上最早应用固定化菌体的例子。赖氨酸、色氨酸、丙氨酸也可以生产。,25.1,概述,3,、提取法：蛋白质水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸。,4,、合成法：,DL-,蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸，蛋氨酸和甘氨酸现在仍大量应用合成法。,传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本高,工艺复杂,难以达到工业化生产的目的。近年来，由于微生物代谢调控理论的研究，使得大部分氨基酸得以发酵生产。,25.1,概述,25.1.3,氨基酸的国内外生产概况,日本和德国为世界主要氨基酸生产国。日本的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸，可直接用于输液制剂的生产。日本在美国、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家，生产氨基酸和天冬甜精等衍生物。,25.1,概述,氨基酸的国内外生产概况,国内生产主要氨基酸生产厂：,天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司,生产规模及产品质量与国外大厂有较大差距。,在,80,年代中后期,我国从日本的味之素、协和发酵以技贸合作的方式引进输液制剂的制造技术，,1991,年销售量为二千万瓶，,1996,年达六千万瓶，主要厂家有无锡华瑞，北京费森尤斯，昆明康普莱特，但生产原料都依赖进口。,反馈调节作用,1,、终产物反馈阻遏和反馈抑制,野生型菌株,“,A,”,氨基酸合成操纵子模型,AR,P,O,A,结构基因,无活性,repressor,A,RNA,聚合酶,反馈阻遏,活性,A,合成酶系（,E1,E2,）,A,反馈抑制,超过生理需要量,野生型菌株酶合成水平的反馈阻遏,25.2 氨基酸发酵的代谢控制,与育种,野生型菌株酶活性水平的反馈抑制,过量,A,作用效应物位点，酶构型变化，影响酶活性中心而失活,Gene,编码酶,效应物位点 过量,A,酶活中心,反馈阻遏与反馈抑制比较,反馈阻遏,反馈抑制,控制对象,酶合成,酶活性,控制量,终产物浓度,终产物浓度,控制水平,转录水平,酶构象变化,控制装置,终产物与阻遏蛋白亲和,终产物与控制酶构象的部位亲和,控制装置的动作,阻遏蛋白与操纵子基因结合,不转录,mRNA,酶构型变化，活性中心失活,形成控制,开关控制,酶活性大小,控制反应,迟缓，粗控制,迅速，精控制,细胞经济,超高效益,高效益,2,、解除反馈阻遏、反馈抑制突变株的选育,野生型菌株,诱变,解除反馈调节突变株,AR,-,或,AO,-,AR,-,AO,-,酶基因突变,解除反馈调节突变株可以大量积累末端产物,筛选方法：,解除,Lys,反馈调节突变株筛选,野生型菌株,诱变,菌细胞,正常反馈调节型,解除反馈调节突变型,25.2.1,氨基酸生物合成的调节机制,25.2.11,反馈抑制与优先合成,A,B,C,D,E,反馈抑制,反馈阻遏,氨基酸生物合成调节机制的基本模式,25.2 氨基酸发酵的代谢控制,与育种,25.2.1,氨基酸生物合成的调节机制,氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈控制和在合成途径分支点处的优先合成。,反馈控制机制,如上图，催化合成途径最初反应,A,B,的初始酶受终产物,E,的反馈抑制，同时，合成途径上各种酶的合成受终产物,E,的阻遏。,25.2.1,氨基酸生物合成的调节机制,在途径分支点处优先合成的调节机制如下图，在分支点后，其中的一个终产物,E,优先合成，优先合成的关键酶，即催化,C,D,反应的酶受,E,的反馈控制，催化,AB,共用酶受第二个终产物,G,的反馈控制。首先，,E,比,G,优先合成，,E,过剩时，反馈抑制,CD,反应的酶，转换为合成,G,。,G,过剩时，催化,AB,反应的酶，就会为,G,所控制。假如人为让特定氨基酸如,G,过剩，就会因,E,的合成不足而影响细菌生长。,A,B,C,D,E,F,G,优先合成,反馈抑制,在合成途径分枝点处的优先合成,25.2.1.1,其他特殊的控制机制,1.,多终产物控制,催化分支合成途径共同部分的初始酶，在仅一种氨基酸终产物过剩时，完全不受或微弱或部分地反馈抑制（或阻遏），只是在多数终产物共存下才强烈地控制。有以下几种情况：,协同（或多价）反馈抑制,：协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式,合作（或增效）反馈抑制：,系指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。,同功酶控制：,同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同存于一个个体或同一组织中，但在生理、免疫和理化特性上却存在着差别。,同功酶的主要功能在于其代谢调节。在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用而不致过剩,积累反馈抑制：,每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。,2,、顺序反馈抑制,：当E过多时，可抑制CD，这时由于C的浓度过大而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增高。由于G过多就抑制了CF，结果造成C的浓度进一步增高。C过多又对AB间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调节，称为顺序反馈抑制,