味精生产工艺——发酵法

关键词：味精、谷氨酸钠、自动化

味精又称谷氨酸钠，在化学上称为Ｌ－谷氨酸单钠，是人们生活中重要的调味品之一。在比较其生产工艺之前，先更正一下多食味精对身体健康有影响的错误观点，味精在化学上称为谷氨酸钠，其前体物质之一的谷氨酸是人类食物和人体蛋白质的重要成分。在天然食品中，它比同一种蛋白质的其他氨基酸往往高出１～２０倍。成年人普通的一日三餐都需要摄入较多的谷氨酸，因为在人体各部分组织器官中，谷氨酸占的比例十分令人瞩目。例如，血液中的谷氨酸占游离氨基酸的３３%，肝脏中占１４%，在大脑神经系统的灰质蛋白质和白质蛋白质中分别占２４.９%和２６.８%。由此看来，一个机体正常的人每天在菜肴中适量放些味精，是不会有危害的，至于味精致癌、致畸或突变更是无从谈起。美国实验生物学会经过１０年的调查研究，宣布味精是一种安全的调味品，列入了“实际无毒”的行列，并指明按现行量使用，对成人的确毫无损害。

1．味精的生产工艺流程简介

味精的生产一般分为制糖、谷氨酸发酵、中和提取及精制等4个主要工序。

1.1液化和糖化

因为大米涨价，目前大多数味精厂都使用淀粉作为原材料。淀粉先要经过液化阶段。然后在与β－淀粉酶作用进入糖化阶段。首先利用α－淀粉酶将淀粉浆液化，降低淀粉粘度并将其水解成糊精和低聚糖，应为淀粉中蛋白质的含量低于原来的大米，所以经过液化的混合液可直接加入糖化酶进入糖化阶段，而不用像以大米为原材料那样液化后需经过板筐压滤机率去大量蛋白质沉淀。液化过程中除了加淀粉酶还要加氯化钙，整个液化时间约30min。一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内进一步水解为葡萄糖。淀粉浆液化后，通过冷却器降温至60℃进入糖化罐，加入糖化酶进行糖化。糖化温度控制在60℃左右，pＨ值4.5，糖化时间18~32h。糖化结束后，将糖化罐加热至80～85℃，灭酶30min。过滤得葡萄糖液，经过压滤机后进行油水分离（一冷分离，二冷分离），再经过滤后连续消毒后进入发酵罐。

1.2谷氨酸发酵发酵

   谷氨酸发酵过程消毒后的谷氨酸培养液在流量监控下进入谷氨酸发酵罐，经过罐内冷却蛇管将温度冷却至32℃，置入菌种，氯化钾、硫酸锰、消泡剂及维生素等，通入消毒空气，经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行。谷氨酸发酵是一个复杂的微生物生长过程，谷氨酸菌摄取原料的营养，并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，将反应物转化为谷氨酸产物。整个发酵过程一般要经历3个时期，即适应期、对数增长期和衰亡期。每个时期对培养液浓度、温度、pＨ值及供风量都有不同的要求。因此，在发酵过程中，必须为菌体的生长代谢提供适宜的生长环境。经过大约34小时的培养，当产酸、残糖、光密度等指标均达到一定要求时即可放罐。

1.3  谷氨酸提取与谷氨酸钠生产工艺

该过程在提取罐中进行。利用氨基酸两性的性质，谷氨酸的等电点在为pH3.0处，谷氨酸在此酸碱度时溶解度最低，可经长时间的沉淀得到谷氨酸。粗得的官司谷氨酸经过干燥后分装成袋保存。

1.4 谷氨酸钠的精制

谷氨酸钠溶液经过活性碳脱色及离子交换柱除去Ｃa2+、Ｍg2+、Ｆe2+离子，即可得到高纯度的谷氨酸钠溶液。将纯净的谷氨酸钠溶液导入结晶罐，进行减压蒸发，当波美度达到29 5时放入晶种，进入育晶阶段，根据结晶罐内溶液的饱和度和结晶情况实时控制谷氨酸钠溶液输入量及进水量。经过十几小时的蒸发结晶，当结晶形体达到一定要求、物料积累到80%高度时，将料液放至助晶槽，结晶长成后分离出味精，送去干燥和筛选。

2．工艺比较

2.1 液化和糖化

与大米相比，淀粉中的蛋白的含量较低，所以在液化完成后混合液不用经过板筐压滤机而直接进入糖化阶段。糖化单元中，糖化罐是由原来分批罐经改装后串连而成的，使混合液经过串连罐的时间恰好为48小时。如用自动化设备对液化糖化过程进行控制则主要控制回路有调浆罐温度及pＨ值控制、一次喷射温度控制、糖化温度控制。调浆罐定容可采用流量或液位测量方式;调浆罐温度用进入盘管的蒸汽量控制在30℃;ｐＨ值用纯碱溶液控制在6.4。这些系统均采用单回路PID控制，只要控制器参数调整适宜，都能满足控制要求。淀粉浆在一次喷射液化过程中要设置喷射液化器出口温度控制系统，严格控制蒸汽喷射器出口物料的液化温度，将其最大动态偏差在工艺允许的范围内(通常为设定值±0.2℃)。制糖过程的另一个重要控制系统是糖化罐的温度控制，要在整个糖化时间内保持稳定的温度，以利于液化淀粉转换成葡萄糖。作者认为，因为液化及糖化属于原料处理阶段，所以卫生及自动化要求可以相对低一些。在加上近几年味精产业不景气，规模小的厂家可以降低对原料预处理阶段自动化的要求。

2.2 菌种及无菌空气的处理

众所周知，在生物化工中菌种的优良直接影响到发酵产物的质量和产量。厂家有专门的菌种培养和保藏设备，在微生物学上利用自然选育来防止菌种退化。在生产之前，技术人员经过挑选将发酵菌种从保藏菌种中取出，经过摇瓶培养后投入种子罐进行扩大生产，最后在将菌种加入到发酵罐发酵。空气纯化罐利用多层填充料对罐内填充，去处空气中存在的各种微生物，包括细菌和噬菌体。空气纯化罐也是发酵前过程中的一个重要环节，谷氨酸菌的生长必须在有氧的环境下进行，根据不同的生长时期改变通风量，其中在对数增长期，由于菌体生存于发酵液中，发酵液中的溶解氧(ＤＯ值)对菌体极为重要。如果纯化罐失效，而使进入发酵罐的空气中存在杂菌及有害噬菌体，这样会导致发酵过程被污染，从而影响发酵过程。所以做好纯化罐的定期检修工作是非常重要的。此两个工序前者因工作强度小而不需要机器自动化的介入，而后者因设备简单也不需要自动化。两者的共同点都是要防止微生物污染。

2.3 谷氨酸发酵过程的控制

　  谷氨酸发酵是一个较为复杂的生化过程，要使菌体生长迅速、代谢正常、多出产物，必须为其提供良好的生长环境。一般主要控制参数有通风量或溶解氧、发酵液ｐＨ值、发酵温度、罐压等。因为发酵过程中菌体生长及次级代谢产物的合成都非常复杂，再加上发酵的规模较大，对各种影响因素灵敏，所以发酵过程比较适合运用自动化对生产进行相应的控制。在生产过程中，溶解氧(通风量)的控制通过空气分配器的小孔将空气打入发酵罐底部，鼓泡而上，再经过充分的搅拌，对Ｏ2向液相扩散起到重要的作用。因此，生物供氧不能简单停留在按发酵阶段调整通风量的设定值上，可以采用溶解氧在线分析器、排气CO2和O2浓度分析器组成了多变量的先进控制系统，计算机根据发酵液中实际氧含量及菌体生长代谢情况调节通风量控制系统的设定值和搅拌电机转速，对改善溶解氧的浓度起到了良好的作用。pＨ值控制的控制采用了具有多种约束的非线性PID控制方法，以获得优良的控制效果。温度控制根据发酵进行的时间和工艺要求设计一个最优发酵温度设定函数。然后通过计算机根据此函数自动控制温度变化。罐压控制通常控制在0.05～0.1ＭPa，以防止外界的不洁空气进入造成染菌，罐压过高将增大阻力与能耗。罐压可以采用单回路PID控制。此外，自动补料及消沫控制程序通过监测过程糖液浓度降低计算初适时补糖的时机。通常采用在一定的时间内，将一定量的糖液均匀流加到罐内的批量控制方法。消沫可以采用带缓冲区的位式控制。

2.4 提取过程

提取过程要最大限度的获得发酵液中的谷氨酸，按照等电点分离的原理，可设计温度程序设定控制及ｐＨ程序设定控制。在等电点中和控制过程中，ｐＨ控制精度要求较高、难度较大，这是由于中和过程开始时系统具有较大的灵敏度，使得初始加酸量难以控制适当，ｐＨ值极易出现超调，进而引起中和初期ｐＨ值的大幅度波动。而在中和后期，随着ｐＨ值的降低，系统反应灵敏度减弱，若控制器仍按原来的规律和强度调节，达到中和终点的时间就会延长，因此，有必要引入控制器参数的自调整或非线性控制策略。在中和过程中，温度和ｐＨ值必须同时按设定的参考轨迹同步变化，对温度和ｐＨ的变化速率也有严格的要求，ｐＨ与温度两个控制回路之间具有一定相关性。在二次中和过程中，要将ｐＨ值从3 .2调整到5.6，随着中和点的接近，系统静态放大系数逐渐增大，导致系统稳定性下降。因此，二次中和过程与等电点中和具有相反的控制特性，这一工序必须设计两套不同的中和控制系统，以保证生产的需要。

2.5 精制过程控制

味精结晶过程要经过形成过饱和溶液、晶核形成及晶体成长3个阶段。结晶的生长通常需要投入一定的晶核，这样可以使晶体生长速度加快。这时必须严格控制结晶罐内的过饱和度，使之在增加晶种后，不产生新晶核，也不溶化晶种，即令结晶操作工作在介稳区，有利于晶核的稳定增长。结晶操作的原则是要争取最大的结晶速度与收率，并获得均匀整齐的晶型。为了满足上述要求，可通过自动化对真空度控制、料液浓度(过饱和度)、结晶罐的温度控制及液位等加以控制。

3、讨论

    随着计算机及自动化技术的不断发展，现代自动化技术在工业生产中的应用越来越广。自动化的加入，让工业生产在效益大大提高的同时改善生产环境，减少人员的工作强度。当然，对于我国处于发展中，国内一些味精企业规模较小的情况来说，实行大规模自动化无论在资金上还是人员上在短期都是比较困难的，所以笔者认为，在生产流程的主要阶段实行自动化控制还是具有可行性的。

参考文献

1．于信令主编.味精工业手册,北京:中国轻工业出版社,1995

2．姜长洪等.谷氨酸发酵过程先进控制，化工自动化及仪表, 2004:31(2) 28-30

3．姜楠，姜长洪. 味精生产全过程自动控制，食品与发酵工业2003:29(9)-91-94

4. 王尚健，以淀粉料原料添加青霉素流加糖工艺是我国味精生产发展的方向，杭州食品科技1999(3) 26-28

5. 张宁.味精生产企业的技术改造探讨，闽西科技1994(1)-24-25

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            味精生产流程框图：

            　　淀粉、水 → 调浆（加NaCO3、和淀粉酶）→ 喷射液化 → 保温灭菌 → 过滤 → 层流罐 → 贮罐 → 冷却 → 

            糖化（先调pH再加糖化酶）→ 灭酶 → 离心过滤 → 得葡萄糖液 → 冷却 → 发酵罐发酵 → 冷却 → 等电点中和 → 谷氨酸晶体 → 

            加水溶解 → 二次中和 → 得谷氨酸钠溶液 → 活性炭脱色 → 过滤 → 离子交换脱金属离子 → 浓缩 → 蒸发结晶 → 分离出湿味精 

            → 干燥 → 得晶体味精 → 筛选 → 分装

            主要参数：

            产量：5吨/天

            糊化糖化工序：            糊化工序：

            　　调浆时淀粉浓度为35%，调浆罐进入盘管的蒸气温度控制在30℃，用NaCO3调pH6.4。料液经泵输送和蒸汽一起进行喷射液化，也就是糊化过程，蒸汽的温度为120℃，喷射液化器出口温度为100～105℃，喷射液化时间为1h。液化好的料液经管道过滤除去大的颗粒后进入缓冲罐，缓冲罐的温度为95～100℃。这一工序中包括流体输送，传热，过滤，特别说明管道过滤不用计算只是增加阻力。

            糖化工序：

            　　经高温糊化的淀粉糊有离心泵泵至层流罐，层流罐的温度为95～100℃。进入糊化罐前料液要求冷却到60℃，用HCl调节pH值至4.0～4.4，采取酶解法糖化，糊化温度60℃，时间48h。糖化率为90%，即1克淀粉生成0.9克葡萄糖。糊化好的料液经蒸汽灭酶，灭酶温度为80～85℃，然后离心过滤除去滤渣，得到糖化液。这一工序中包括流体输送，传热（三次），过滤。 

            发酵工序：

            　　过滤的滤液冷却到32℃，进入发酵罐发酵，用冷却水调温，每隔12小时升温1～2℃，当发酵时间接近34h时，温度升至37℃。加水使糖化液浓度为14%，发酵时间为34h，发酵菌种的产酸量与葡萄糖量之比为50％。发酵完的料液进行离心分离后进入谷氨酸提取工序。这一工序中包括传热，离心分离。

            谷氨酸提取工序

            　　发酵液进入等电点中和罐，进入罐前使温度降为22℃。谷氨酸的等电点为pH3.2。加硫酸调节pH值，该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸与搅拌1.5h，保证晶体增长。然后继续缓慢加酸调整，直至pH降为3.2，温度冷却至8℃，使之达到等电点，停止中和及搅拌。谷氨酸沉淀后用离心泵送到离心分离机进行分离，得到谷氨酸的凝称物。然后进入二次中和罐加水加纯碱中和成谷氨酸钠，加水溶解温度为40～60℃，碳酸钠调pH5.6，中和温度控制在70℃以内。得到谷氨酸钠的溶液再进入精制工序。这一工序中包括流体输送，传热，离心分离等

            谷氨酸钠精制工序

            　　提取工序后得到的谷氨酸钠盐溶液进入活性炭脱色器脱色，分离，再进入离子交换柱除去Ca2+、Fe2+、Mg2+等金属离子。脱色液进入结晶罐进行浓缩结晶，当波美度达到29.5时加入晶种，蒸发结晶到80％时放入助晶槽。结晶槽内真空度为0.075～0.085Mpa，温度为70℃，最终浓缩液浓度波美度为33～36，结晶时间10～14h。晶体经过板框过滤机分离，得到湿晶体。这一工序中包括流体输送，非均相物系得分离，蒸发等。 

            干燥工序

            湿晶体经过流化床干燥器干燥，细小粉尘经旋风分离回收。得到的大小不一的晶体进行筛分分级，小颗粒克做为晶种添加，大颗粒进行分装，得成品。这一工序中包括流体输送，板框过滤，旋风分离等。

我国味精生产的历史

1925年，吴蕴初将自己的生产工艺公开，以做好向欧美行销的准备。1926～1927年吴蕴初还将“佛手牌”味精的配方、生产技术等，向英、美、法等化学工业发达国家申请专利，并获批准。这也是中国历史上，中国的化学产品第一次在国外申请专利。1926年，佛手牌味精获得美国费城世界博览会金奖。1930年，1933年，吴蕴初的味精继续在世界博览会上连续获得奖项，佛手牌味精打入了欧洲等海外市场。日本“味之素”在东南亚的市场也被中国产品取代。

　　按照北洋的专利法，吴蕴初的味精专利可以享有5年的专利保护。1926年，吴蕴初宣布，放弃味精的国内的专利，希望全国各地大量仿造生产。此后，国内各地先后出现了十几个味精品牌，国货味精市场极大繁荣，日本的“味之素”除了在日本关东军占领的我国东北地区外，在中国的其他地区再也难见踪影。

　　一九二五年，因有了声势浩大的五卅运动相助，日货更受抵制，本来无力与味精竞争的味の素更趋颓萎，连南洋的华侨也弃日货味の素，改用了国货味精，进入了“天厨”。佛手牌味精不但打入了南洋各国市场，而且很快就成了该市场的紧俏商品。

　　获得多次世博会大奖

　　1926年，“佛手”味精由中国选送至美国费城和宾州世界博览会参展，即以纯正的中国制造和典型的东方艺术色彩的包装赢得了参观者的青睐。经过评审，大会评审团“以天厨味精厂对食品改善的贡献”授予中国调味品制造商以大奖证书。

　　1926年佛手牌味精参加在西班牙举办的国际博览会上，获得金奖。

　　1930年，“佛手”味精赴比利时列日产业科学世界博览会，又获大奖。

　　1933年，美国芝加哥世博会，主题为“一个世纪的进步”。吴蕴初紧扣主题制作了“百年中国调味品也之进步”的宣传手册，以及红木的展示台。由于产品品质优异，加上宣传到位，“佛手”味精再获大奖。

本文来源于 响石潭 http://chinadoctor.org