氨基酸发酵工艺学解析.ppt

第一节、氨基酸概论 1、氨基酸简介 构成蛋白质的基本分子单元。 α 碳原子分别以共价键连接氢原子、羧基和氨基及侧链。侧链不同，氨基酸的性质不同。 目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。 2、氨基酸的用途 （1）食品工业： 强化食品：赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦中 增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸 苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂(α-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。 3、氨基酸的生产方法 发酵法： 直接发酵法：野生菌株发酵、营养缺陷型突变发酵、抗氨基酸结构类似物突变株发酵、抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型菌株发酵和营养缺陷型回复突变株发酵。包括添加前体发酵法：如用邻氨基苯甲酸，生产L-色氨酸；甘氨酸生产L-丝氨酸。 酶法：利用微生物细胞或产生的酶来制造氨基酸。延胡索酸和铵盐为原料，经天冬氨酸酶催化生产L-天冬氨酸。 提取法：常用毛发、血粉等蛋白质原料水解，从中提取。如胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸 合成法：合成法获得DL-蛋氨酸、不对称合成法获得L-氨基酸。如丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。 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。 第二节、氨基酸发酵菌株的育种 发酵工程要求微生物大量地合成特定的代谢产物，这一目的只有当微生物的部分代谢调控机制遭到破坏时才能达到。用人工诱变的方法有目的地改变微生物固有的调节机制，使合成产物的途径畅通无阻，最大限度地积累特定产物，这种发酵称为代谢控制发酵。 1、　用野生菌株的方法 分离的野生菌株具备积累产物的特性，可用于直接发酵（产率低）。如谷氨酸发酵。 通过转换发酵，可延伸获得其它产物。主要采用改变培养条件。如谷氨酸发酵中改变铵离子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰胺和缬氨酸发酵。 2.　用营养缺陷变异株的方法 通过诱变出菌体内氨基酸生物合成某步反应阻遏的营养缺陷型变异体，使生物合成在中途停止，不让最终产物起调控作用。 如用高丝氨酸缺陷株的赖氨酸发酵，谷氨酸缺陷株的鸟氨酸发酵，异亮氨酸缺陷菌株的脯氨酸发酵。 3.　类似物抗性变异株的方法 用一种与自己想获得的氨基酸结构相类似的化合物加入培养基内，使其发生控制作用，从而抑制微生物的生长。这样，就可以得到在这种培养基中能够生长的变异株，而这种变异株正是解除了调控机制的，能够生成过量的氨基酸。 利用此方法发酵的有:苏氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、组氨酸和精氨酸。 例如，在黄色短杆菌的赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸生物合成中（图5-16所示），选育抗苏氨酸结构类似物2-氨基-3-羟基戊酸（AHVr）突变株，得到了具有反馈抑制抗性，高丝氨酸脱氢酶活性提高1300倍，能积累14g/L苏氨酸的突变株。 4. 体内及体外基因重组的方法 基因工程包括细胞内基因重组方法和试管内的体外基因重组方法。 体内基因重组在应用上又称为杂交育种，主要方法包括：转化、转染、接合转移、转导和细胞融合等，这都是在细胞内暂时地产生染色体的局部二倍体，在两条DNA链之间引起两次以上的交叉，是遗传性重组现象。 细胞内基因重组技术的缺点是，现在只在同种或有近缘关系的微生物之间进行并较难成功。 代谢工程 在阐明代谢途径及其调控规律的基础上，应用重组DNA技术可以改变代谢途径分支点上的流量或引入新的代谢步骤与构建新的代谢网络。 其主要步骤为: 鉴定目标代谢途径涉及的酶(特别是限速酶); 取得酶基因，必要时可用蛋白质工程技术，如定点诱变，基因剪接等，使蛋白具有新的特点(增强活性或稳定性、解除反馈抑制等); 将一种或多种异源的或改造后的酶基因与调节元件一起克隆进目标生物; 使调节元件的作用及培育条件最优化。 5.1载体-受体系统及克隆表达的研究 受体的获得 目前使用的氨基酸工程菌受体主要是大肠杆菌K-12及棒状杆菌家族，通常是通过诱变选育出的基础产率较高的菌株。 大肠杆菌遗传背景研究得清楚，载体系统完善，利于工程菌的构建，但它含有内毒素且不能将蛋白产物分泌至胞外，为应用带来困难。 棒状杆菌能克服这两个缺点，但载体受体系统研究较晚且有限制修饰系统的障碍，所以获得利于外源基因导入及表达且能稳定遗传的受体菌是尚待解决的问题。 5.3　基因转移手段 通常采用的方法有:原生质体转化、转导，电转化，接合转移。 原生质体转化的方法是较早采用的方法，由于受到原生质体再生条件的局限，效率不高; 电转化方法由于高效，快速被广泛使用，目前它的转化效率可达到原生质体转化法的100-1000倍。 接合转移可用于基因在亲缘关系远的物种之间的转移，并且可将外源基因整合于染色体上，易于稳定遗传。 第三节 氨基酸发酵的代谢控制 控制发酵的条件 控制细胞渗透性