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| 編輯推薦： |
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这本书是“十四五”国家重点出版物出版规划项目图书，是生物工程理论与应用前沿丛书。
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| 內容簡介： |
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《氨基酸生产技术及其应用》 分6篇共26章，主要内容包括氨基酸发酵的基础技术、发酵法生产氨基酸、 其他方法 （酶法、 化学合成法和蛋白质水解法） 生产氨基酸、 氨基酸的提取与精制、 氨基酸的应用和氨基酸工业的清洁生产。 本书对从事氨基酸工业的相关企业或业内人员是一本有益的参考书， 也可作为高等院校生物工程、 生物化工及其相关专业本科生和研究生以及科研人员的一本优秀的辅助教材。
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| 關於作者： |
张伟国，现为江南大学生物工程学院教授、博导、博士。长期从事应用微生物代谢工程及合成生物学技术构建高效微生物细胞工厂生产精细化工品的研究。近年来共发表高水平研究论文60余篇，其中SCI收录30余篇，主编和参与出版专著（或教材）5部；申请发明专利10项，授权发明专利5项；主持包括国家863项目等在内的省部级科研项目2项；获得中国轻工业联合会科技进步三等奖1项、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项和一等奖1项。现为中国生物发酵产业协会氨基酸分会理事。
徐建中，江南大学生物工程学院副教授，硕士生导师。长期从事应用微生物代谢工程及合成生物学技术构建高效微生物细胞工厂生产精细化工品的研究。近年来以第一作者和通讯作者共发表高水平SCI研究论文50余篇，共同主编和参与出版专著（或教材）2部；申请发明专利10余项；主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等在内的省部级科研项目和企业委托科研项目8项；获得中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖1项（2017，5/8）。现为国际期刊《Scientific Reports》编委和国内核心期刊《食品与发酵工业》和《轻工学报》特邀审稿专家。
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| 目錄：
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绪 论
第一节氨基酸的种类及物化性质
第二节第二节 氨基酸生产方法概论
第三节 氨基酸工业生产概况和发展趋势
第四节 中国氨基酸工业存在的问题
参考文献
第一篇 氨基酸发酵的基础技术
第一章 淀粉水解糖的生产
第一节 淀粉的组成与特性
第二节 玉米淀粉的生产工艺
第三节 淀粉水解糖的生产方法
第四节 双酶法制糖工艺
第五节 糖液浓缩工艺
第六节 制糖工艺存在的问题及其发展方向
参考文献
第二章 培养基制备技术
第一节 培养基的营养成分与来源
第二节 培养基的选择与配制
第三节 糖蜜的性质及其预处理方法
参考文献
第三章 培养基灭菌技术
第一节 消毒与灭菌的意义和方法
第二节 湿热灭菌的原理及影响因素
第三节 培养基灭菌工艺与灭菌时间计算
参考文献
第四章 空气除菌技术
第一节 空气中的微生物与除菌方法
第二节 介质过滤除菌
第三节 空气除菌的工艺流程
参考文献
第五章 氨基酸产生菌的分离复壮、 保藏与扩大培养
第一节 氨基酸产生菌的分离复壮
第二节 氨基酸产生菌的保藏技术
第三节 氨基酸产生菌的扩大培养
参考文献
第六章 氨基酸发酵中杂菌与噬菌体的防治
第一节 氨基酸发酵中杂菌污染与防治
第二节 氨基酸发酵中噬菌体的污染与防治
参考文献
第二篇 发酵法生产氨基酸
第七章 氨基酸生物合成途径及其调节机制和模式
第一节 氨基酸生物合成途径
第二节 氨基酸生物合成的调节机制
第三节 氨基酸生物合成的调节模式
参考文献
第八章 氨基酸产生菌的选育
第一节 氨基酸的主要产生菌
第二节 氨基酸产生菌的选育策略
第三节 氨基酸产生菌的常规育种方法
第四节 氨基酸产生菌的新型育种方法
参考文献
第九章 氨基酸发酵过程控制技术
第一节 发酵工艺概述
第二节 溶氧的控制
第三节 温度的控制
第四节 ｐＨ 的控制
第五节 泡沫的消除
第六节 补料的控制
第七节 衡量发酵水平的主要指标
参考文献
第十章 Ｌ－谷氨酸 （味精） 发酵
第一节 谷氨酸发酵工艺概述
第二节 淀粉水解糖生物素亚适量工艺
第三节 糖蜜原料生物素过量工艺
第四节 淀粉水解糖温度敏感型工艺
参考文献
第十一章 Ｌ－赖氨酸发酵
第一节 大肠杆菌 Ｌ－赖氨酸发酵工艺
第二节 谷氨酸棒杆菌 Ｌ－赖氨酸发酵工艺
参考文献
第十二章 Ｌ－苏氨酸发酵
第一节 菌种和培养基
第二节 Ｌ－苏氨酸发酵调控
参考文献
第三篇 其他方法生产氨基酸
第十三章 酶法生产氨基酸
第一节 Ｌ－氨基酸
第二节 Ｄ－氨基酸
参考文献
第十四章 化学合成法生产氨基酸
第一节 化学合成法概述
第二节 甘氨酸和 ＤＬ－丙氨酸
第三节 ＤＬ－甲硫氨酸
第四节 ＤＬ－丝氨酸和 ＤＬ－苏氨酸
第五节 ＤＬ－苯丙氨酸和 ＤＬ－色氨酸
第六节 ＤＬ－氨基酸的光学拆分
参考文献
第十五章 蛋白质水解法生产氨基酸
第一节 Ｌ－胱氨酸
第二节 Ｌ－组氨酸盐酸盐
第三节 Ｌ－精氨酸盐酸盐
第四节 Ｌ－亮氨酸
第五节 Ｌ－酪氨酸
第六节 Ｌ－丝氨酸
第七节 蛋白质水解法存在的问题及其改进措施
参考文献
第四篇 氨基酸的提取与精制
第十六章 发酵液的预处理
第一节 氨基酸发酵液的特征
第二节 高价无机离子的去除方法
第三节 杂蛋白质的去除方法
第四节 凝聚和絮凝技术
参考文献
第十七章 发酵液的液－固分离
第一节 影响液－固分离的因素
第二节 改善过滤性能的方法
第三节 液－固分离方法
参考文献
第十八章 氨基酸的提取
第一节 离子交换法
第二节 沉淀法
第三节 吸附法
第四节 溶剂萃取法
第五节 电渗析法
参考文献
第十九章 氨基酸的精制
第一节 常见的浓缩方法及原理
第二节 脱色和去热原
第三节 结晶基本原理及其工艺
第四节 干燥工艺
参考文献
第二十章 氨基酸提取、 精制实例
第一节 谷氨酸提取、 精制工艺
第二节 赖氨酸提取、 精制工艺
第三节 苏氨酸提取、 精制工艺
第四节 支链氨基酸提取、 精制工艺
第五节 芳香族氨基酸提取、 精制工艺
参考文献
第五篇 氨基酸的应用
第二十一章 氨基酸在医药工业中的应用
第一节 营养剂
第二节 治疗药剂
第三节 短肽药物
第四节 药品的合成原料
参考文献
第二十二章 氨基酸在食品工业中的应用
第一节 营养与食品强化
第二节 风味和调味
第三节 增香与除臭
第四节 抗氧化与保质
第五节 防腐与保鲜
参考文献
第二十三章 氨基酸在饲料工业中的应用
第一节 氨基酸饲料添加剂的基本原理
第二节 氨基酸饲料添加剂的功效
第三节 必需氨基酸及其衍生物在饲料工业中的应用
第四节 非必需氨基酸单体及其衍生物
参考文献
第二十四章 氨基酸在化学工业中的应用
第一节 氨基酸型表面活性剂的合成与应用
第二节 氨基酸在高分子合成领域的应用
第三节 氨基酸在化妆品中的应用
第四节 氨基酸衍生物的开发与应用
参考文献
第二十五章 氨基酸在农业中的应用
第一节 氨基酸类农药的种类与应用
第二节 氨基酸在植物生长中的应用
第三节 氨基酸在农药合成中的应用
第四节 我国氨基酸农药的研究进展
参考文献
第六篇 氨基酸工业的清洁生产
第二十六章 氨基酸工业的清洁生产
第一节 清洁生产概述
第二节 氨基酸清洁生产现状
第三节 氨基酸清洁生产技术
参考文献
附 录
附录 １ ＧＢ／ Ｔ ３２６８７—２０１６ 《氨基酸产品分类导则》
附录 ２ ＧＢ／ Ｔ ３２６８９—２０１６ 《发酵法氨基酸良好生产规范》
附录 ３ Ｔ／ ＣＢＦＩＡ ０４００１—２０１９ 《食品加工用氨基酸》
附录 ４ 氨基酸常用数据表
参考文献
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| 內容試閱：
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氨基酸是含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称，作为生命有机体的重要组成部分， 是生命机体营养、 生存和发展极为重要的物质， 在生命体内物质代谢调控、信息传递方面扮演着重要角色。 氨基酸作为人类营养强化剂、 调味剂、饲料添加剂、 植物生长促进剂等，在食品工业、农业、畜牧业及人类健康、保健等诸方面有着广泛应用。 氨基酸工业自20世纪 50 年代以来，已逐渐形成一个朝气蓬勃的新兴工业体系，生产方法有发酵法、酶法、化学合成法和蛋白质水解提取法等，已发展成为一个品种繁多、 门类齐全的庞大产业群，是国家重要的支柱产业之一。 经过几十年的发展，氨基酸的品种和应用领域都有很大拓展， 种类已从最初 50 种左右， 发展到目前的 1000多种， 其中大多数氨基酸通过发酵法生产。 据不完全统计，2021 年中国氨基酸行业总体运行情况良好， 氨基酸产品总产量约625 万吨， 主导产品味精、赖氨酸、甲硫氨酸、 苏氨酸、 缬氨酸、 色氨酸和甘氨酸等生产状态基本稳定， 其中味精238 万吨、 赖氨酸 220 万吨、 苏氨酸 84.7万吨、甲硫氨酸36.5万吨、 缬氨酸2.9 万吨、 色氨酸 2.6万吨， 其他氨基酸约40 万吨 （其中甘氨酸29.9 万吨）。由此可见，目前我国生产的氨基酸在国际上占有举足轻重的地位， 尤其是大宗氨基酸产量居全球第一。 但是我国氨基酸的产品主要还是集中在大宗氨基酸， 如谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸和甘氨酸，高附加值氨基酸品种偏少， 有些氨基酸及衍生物由于生产技术水平存在瓶颈，生产效率低下， 缺乏竞争力。 氨基酸工业作为我国重要支柱产业之一，如何提升大宗氨基酸生产的技术水平，同时大力开发小品种高附加值氨基酸及衍生物生产工艺，提升氨基酸生产过程控制和产品分离提纯工艺，具有重要的经济和社会意义。
本书旨在详细阐述氨基酸生产技术及其在各领域中的应用。绪论部分： 概述了氨基酸的种类及物化性质、 氨基酸的生产方法、 生产概况和发展趋势， 以及中国氨基酸工业存在的问题； 第1篇： 氨基酸发酵的基础技术， 内容包括淀粉水解糖的生产， 培养基制备和灭菌技术、 空气除菌技术， 氨基酸产生菌的分离复壮、 保藏与扩大培养以及氨基酸发酵中杂菌与噬菌体的防治； 第二篇： 发酵法生产氨基酸， 内容包括氨基酸生物合成途径及其调节机制和模式，氨基酸产生菌的选育， 氨基酸发酵过程控制技术， Ｌ－谷氨酸、 Ｌ－赖氨酸和Ｌ－苏氨酸发酵； 第三篇： 其他方法生产氨基酸， 内容包括酶法、 化学合成法、 蛋白质水解提取法生产氨基酸； 第四篇： 氨基酸的提取与精制， 内容包括发酵液的预处理和液－固分离、 氨基酸的提取与精制及实例； 第五篇： 氨基酸的应用， 内容包括氨基酸在医药、 食品、 饲料、 化学工业和农业等领域的应用； 第六篇： 氨基酸工业的清洁生产； 最后是附录， 详细罗列了相关氨基酸生产所涉及的重要数据。 本书内容新颖、 翔实， 反映了本学科的最新研究方法和成果， 可以说是目前为止市面上最为全面的氨基酸生产技术及应用书籍， 极具阅读参考价值。 可作为从事氨基酸工业的相关企业或业内人员的一本有益参考书， 也可作为高等院校生物工程、 生物化工及其相关专业本科生和研究生以及科研人员的一本优秀的辅助教材。
本书主要由张伟国教授编写并定稿， 徐建中副教授编写了第八章， 并进行了全书校对工作。 作者所指导的研究生参与了本书部分图表的绘制工作。 在本书编写过程中得到了江南大学领导和专家的大力支持。 另外， 本书在编写过程中参考了同行专家、 学者的大量研究成果或著作， 在此一并表示衷心感谢。
由于本书编写者的知识有限， 难免出现疏漏、 不当乃至错误之处， 敬请专家及广大读者不吝指正。
张伟国
2022 年 8 月
于江南大学
第二节 氨基酸生产方法概论
最早的氨基酸产品是谷氨酸， 是以面筋或大豆蛋白为原料利用蛋白质水解提取法制得的。 １９５６ 年， 日本协和发酵公司成功地建立了微生物发酵法， 以糖蜜等为原料直接发酵生产谷氨酸， 开创了氨基酸工业生产的新纪元。 在过去的 ６０ 多年中， 氨基酸生产技术吸收众多学科成就之长， 出现了一种氨基酸可以用若干种方法生产， 彼此竞争使生产技术不断提高与完善的兴旺局面， 终于发展成为一门各种氨基酸品种齐全、 生产方法多元化的新产业。
目前， 氨基酸的生产方法有 ４ 种： ①发酵法； ②酶法； ③化学合成法； ④蛋白质水解提取法。 现在， 除个别氨基酸如酪氨酸等采用蛋白质水解提取法生产外， 大多数氨基酸都采用发酵法生产， 但也有几种氨基酸采用酶法 （如天冬氨酸和丙氨酸） 和化学合成法（如甲硫氨酸和甘氨酸） 生产。
一、 发酵法
发酵法是借助于微生物具有合成自身所需氨基酸的能力， 通过对微生物菌株进行常规诱变处理， 选育出各种营养缺陷型或／ 和氨基酸结构类似物抗性突变株， 以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏， 达到过量合成某种氨基酸的目的。
应用发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸， 其次是赖氨酸； 应用该法生产的品种还有苏氨酸、 色氨酸、 缬氨酸、 脯氨酸、 精氨酸、 亮氨酸、 异亮氨酸、 苯丙氨酸、 谷氨酰胺、 组氨酸、 羟脯氨酸、 鸟氨酸、 瓜氨酸和丙氨酸等。
氨基酸高产菌的获得是实现发酵法生产氨基酸的前提， 在氨基酸发酵的建立和改进中起着非常重要的作用。 最初， 将野生型菌株直接用于氨基酸发酵如谷氨酸发酵， 但由于活细胞内反馈调节机制对氨基酸生物合成的严格控制， 一般不可能积累过量氨基酸。 因此，必须获得解除反馈调节、 能过量合成氨基酸的各种遗传变异株。 这主要通过诱变、 筛选各种营养缺陷变异株和改变遗传性状的调节突变株来进行。 体内 （如细胞融合、 转导） 和体外 （如 ＤＮＡ 重组） 遗传操作等最新技术已应用于新型氨基酸生产菌的选育。 诱变法可获得具有营养缺陷型、 氨基酸结构类似物抗性等新遗传特性的菌株， 细胞融合和转导技术则使所需要的遗传特性重组， 而 ＤＮＡ 重组技术可使氨基酸生物合成途径中关键酶基因的拷贝数放大， 从而增加关键酶的酶活力； 基因敲除技术可敲除氨基酸生物合成途径中催化合成副产物的酶的基因， 从而降低副产物浓度， 增加目的产物的产量。
根据氨基酸产生菌的遗传性状， 可将其分为 ５ 类： 第一类为直接使用野生型菌株由糖和铵盐发酵生产氨基酸， 如谷氨酸； 第二类为营养缺陷型变异株； 第三类为氨基酸结构类似物抗性变异株； 第四类为营养缺陷型 （或渗漏型） 兼结构类似物抗性变异株； 第五类为基因改造菌种。
二、 酶法
酶法与发酵法紧密相连， 是发酵工业发展的产物， 但发酵法与酶法之间又有区别。 发酵法是利用微生物的生命活动过程， 将简单的碳源、 氮源， 通过复杂的微生物代谢活动生物合成天然产品， 在品种上有其局限性； 而酶法是利用微生物中特定的酶作为催化剂， 使底物经过酶催化生成所需的产品。 因底物选择的多样性， ?不限于制?天然产物。 借助于酶的生物催化， 可使许多本来难以发酵法或合成法生产的光学活性氨基酸有工业生产的可能。
虽然酶法生产氨基酸具有工艺简单、 专一性强、 浓度高、 周期短、 耗能少、 收率高等优点， 但要将它们应用于工业化生产， 还需要进一步研究。 如何获得廉价的底物和酶源是这一方法能否成功的关键。 近年来， 随着基因重组技术的进步， 有关酶的酶活力显著提高， 加之生物反应器研究成果的配合， 使酶法生产氨基酸技术具有更光明的前景。目前， 能用酶法生产的氨基酸有近 １０ 种， 例如， 以反丁烯二酸 （延胡索酸） 和氨为原料， 经天冬氨酸酶催化生产 Ｌ－天冬氨酸； 以 Ｌ－天冬氨酸为原料， 在天冬氨酸－β－脱羧酶作用下生产 Ｌ－丙氨酸； 在精氨酸脱亚胺酶催化下， 使 Ｌ－精氨酸转变为 Ｌ－瓜氨酸； 以甘氨酸和甲醇为原料， 在丝氨酸转羟甲基酶催化下合成 Ｌ－丝氨酸。
三、 化学合成法
化学合成法是利用有机合成和化学工程相结合的技术生产或制备氨基酸的方法， 其最大优点是在氨基酸品种上不受限制， 除生产天然氨基酸外， 还可用于生产各种特殊结构的非天然氨基酸， 但这并不意味着都具有工业生产价值。 由于合成得到的氨基酸都是 ＤＬ－外消旋体 （甘氨酸除外）， 因此必须经过拆分才能得到人体能够利用的 Ｌ－氨基酸。 故用化学合成法生产氨基酸时， 除需考虑合成工艺外， 还要考虑异构体的拆分与 Ｄ－异构体的消旋利用， 三者缺一势必会影响其生产成本和应用。氨基酸的化学合成法可归纳为一般合成法和不对称合成法两大类。 前者产物均为 ＤＬ－氨基酸混合物， 后者产物为 Ｌ－氨基酸。 一般合成法包括卤代酸水解法、 氰胺水解法、 乙酰氨基丙二酸二乙酯法、 异氰酸酯 （盐） 合成法及醛缩合法等。 不对称合成法包括直接合成、 α－酮酸反应及不对称催化加氢等方法。
四、 蛋白质水解提取法
以毛发、 血粉以及废蚕丝等蛋白质为原料， 通过酸、 碱或酶水解成多种氨基酸混合物， 再经过分离纯化获得各种氨基酸的方法称为蛋白质水解提取法。
１.酸水解法
蛋白质原料用 ６～１０ｍｏｌ ／ Ｌ ＨＣｌ 或 ８ｍｏｌ ／ Ｌ Ｈ２ ＳＯ４ 于 １１０～１２０℃水解 １２～２４ｈ， 除酸后即得多种氨基酸混合物， 再经过离子交换分离提取得到各种氨基酸。 此法的优点是水解迅速
而彻底， 产物全部为 Ｌ 型氨基酸， 无消旋作用； 缺点是色氨酸全部被破坏， 丝氨酸及酪氨酸部分被破坏， 生产环境恶劣， 产生大量废酸液污染环境。 目前采用此法生产的氨基酸只有酪氨酸、 部分亮氨酸等。
２.碱水解法
蛋白质原料经 ４～６ｍｏｌ ／ Ｌ ＮａＯＨ 于 １００℃ 水解 ６ｈ， 即得多种氨基酸混合物， 再经过离子交换分离提取得到各种氨基酸。 该法水解迅速而彻底， 其优点是色氨酸不被破坏， 但含羟基、 巯基的氨基酸全部被破坏， 且水解过程中产生消旋作用， 故工业上多不应用， 常用于测定蛋白质中色氨酸的含量。
３.酶水解法
蛋白质原料在一定 ｐＨ 和温度下经蛋白水解酶作用分解成氨基酸和小肽的过程称为酶水解法。 此法优点为反应条件温和， 无需特殊的设备， 氨基酸不被破坏， 无消旋作用； 缺点是水解不彻底， 产物中除氨基酸外， 尚含有较多肽类。 此法主要用于生产水解蛋白及蛋白胨， 而很少用于生产氨基酸。
随着氨基酸生产技术的进步， 由蛋白质水解法提取氨基酸这一古老的生产方法受到很大的冲击， 传统的水解法生产谷氨酸早已失去其存在的价值。 半胱氨酸的生产也面临酶法的激烈竞争， 目前， 只有酪氨酸、 少量亮氨酸等采用蛋白质水解法生产。
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