赖氨酸发酵工艺学

赖氨酸发酵

第一节、赖氨酸简介 化学名称：2,6-二氨基己酸 分子式：C6H14O2N2 分子量：146 结构式：有D型和L型两种消旋体COOH H2N-C-H (CH2)3 CH2NH2

赖氨酸广泛存在于动植物蛋白中，以 干酪素中含量最高。 1889年，Drechsel得到赖氨酸和精氨酸 的混合物。 1891年，Fisher和Drechsel分别得到纯 的赖氨酸化合物。并并命名为赖氨酸。 1902年， Fisher确定了赖氨酸的组成。

随后，赖氨酸的生产一直采用提取法， 由于工艺复杂，成本较高，限制了赖氨 酸的使用。 1960年，发酵法在日本诞生，使其产量 大幅度上升。 1977年，化学合成与酶法结合生产赖氨 酸在日本诞生。

赖氨酸在食品添加剂和营养补剂中是最 重要的一种氨基酸。– 赖氨酸是人体必需的八种氨基酸之一(Lys、 Met、Ile、Lue、Thr、Val、Phe、Trp)。 – 赖氨酸是唯一的只有L型光学异构体才能被 有效利用的氨基酸。 – 在谷类蛋白中，赖氨酸是第一限制氨基酸。

第二节 赖氨酸的代谢机制 一、赖氨酸的代谢途径

– 二氨基庚二酸途径，主要存在于细菌、 绿藻、原生虫、高等植物中。 –α-氨基已二酸途径，主要存在于酵 母、霉菌中。

细菌合成赖氨酸的二氨基庚二酸途径草酰乙酸

天冬氨酸①

天冬氨酰磷酸②

天冬氨酸-β-半醛(ASA)③

2,3 -二氢吡啶-2,6-二羧酸(DDP)

① 天冬氨酸激酶(AK) ②ASA脱氢酶 ③DDP合酶 ④DDP还原酶 ⑤二氨基庚二酸脱羧酶

④ Δ-呱啶-2,6-二羧酸

L,L – α, ε –二氨基庚二酸⑤

L-赖氨酸

第二节 赖氨酸的代谢机制

3C6H12O6+4NH3+4O2→2C6H14O2N2+6CO2+10H2O 180 146 2×146/(3×180)×100%=54.1% 赖氨酸产品一般以盐酸盐的形式存在，因此赖氨 酸盐酸盐对糖的理论收率为67.6%。

第二节 赖氨酸的代谢机制

二 代谢调解机制 微生物体内的赖氨酸代谢调解机制具有 多样性的特征。 大肠杆菌、枯草杆菌等的赖氨酸调解十 分复杂。 黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵 短杆菌等的赖氨酸调解机制相对简单。

第二节 赖氨酸的代谢机制 1、黄色短杆菌的赖氨酸调解机制 – 赖氨酸在天冬氨酸系氨基酸中不是优先合 成，菌体完成蛋氨酸、异亮氨酸、苏氨酸 的合成后才会合成赖氨酸。 – AK受到来自苏氨酸和赖氨酸的协同反馈 抑制。

2、乳糖发酵短杆菌的赖氨酸调解机制 – 非优先合成 – AK受到Lys和Thr的单独的反馈抑制。 – 存在代谢互锁，其DDP合成酶的合成受到Lue、 Cys、Ala的阻遏。 – 代谢互锁(Metabolic interlock):某一种氨基酸的 生物合成途径受到其他一种完全无关的氨基酸 的控制。一般在很高的浓

度下才能显示部分抑 制或阻遏作用。 代谢机制的改变： – 优先合成的转换或者切断代谢支路，并解除苏 氨酸和赖氨酸的反馈抑制。

第二节 赖氨酸的代谢机制 3、选育赖氨酸产生菌 ①黄色短杆菌高丝氨酸渗漏缺陷型– 降低高丝氨酸脱氢酶的活性，使代谢流转向优先 合成赖氨酸。当高丝氨酸脱氢酶活力低，所合成 的苏氨酸少，不足以与赖氨酸共同对天冬氨酸激 酶产生协同反馈抑制作用。 – 实例：黄色短杆菌No.2247,其高丝氨酸脱氢酶 的活力仅为野生菌的1/30,可积累赖氨酸25g/L。

缺点：培养基中Thr和Met浓度稍高就会对菌 体生长造成抑制。

第二节 赖氨酸的代谢机制

②黄色短杆菌高丝氨酸缺陷型– 使高丝氨酸脱氢酶缺失，切断通向苏氨酸 和蛋氨酸的代谢流。通过控制培养液中的 高丝氨酸(或苏氨酸+蛋氨酸)亚适量， 控制苏氨酸浓度，解除协同反馈抑制。 – 实例：黄色短杆菌H1013,积累赖氨酸达 42g/L – 缺点：生产不稳定。

第二节 赖氨酸的代谢机制 ③黄色短杆菌抗AEC突变株 AEC:S-(2-氨基乙基)-L-半胱氨酸，为赖 氨酸的结构类似物– 通过诱变使天冬氨酸激酶编码的结构基因突变， 使天冬氨酸激酶对赖氨酸或其类似物不敏感，即 – 实例：黄色短杆菌FA-I-23,可积累赖氨酸32g/L

使在过量存在苏氨酸时，该酶的活性也不受影响。

注意：单纯抗性菌产量一般不高，而兼有营 养缺陷型的菌株，产量会大幅提高。

不同赖氨酸产生菌产酸能力比较菌种 谷氨酸棒杆菌 黄色短杆菌 遗传特性 Hse– Thrs +Mets 赖氨酸产量 13g/L 25g/L

黄色短杆菌乳糖发酵短杆菌 黄色短杆菌 钝齿棒杆菌

AECrAECr AECr+ Hse– AECr+ Hse–

32g/L29g/L 55g/L 50g/L

第二节 赖氨酸的代谢机制

④解除代谢互锁 在乳糖发酵短杆菌中，赖氨酸合成与亮 氨酸之间存在代谢互锁，由丙酮酸向赖 氨酸的代谢受阻，导致代谢转向丙氨酸、 缬氨酸。– 选育亮氨酸缺陷型菌株，如(AECr+ +Leu–, 赖氨酸积累量可达41g/L) – 选育抗亮氨酸结构类似物突变株，如抗 AEC+丙氨酸缺陷型+抗2-噻唑丙氨酸，赖 氨酸积累量可达110g/L