中國味精工業100年綜述

黃繼紅 ，蔡鳳英 ，關丹，盧濤，杜麗平，侯銀臣，廖愛美 ，魏兆軍

(1.河南工業大學 生物工程學院/化學化工與環境工程學院,鄭州 450053；2.中國生物發酵產業協會，北京 100833；3.天津科技大學 生物工程學院，天津 300222；4.河南科譜特醫藥科技研究院，河南 洛陽 471000；5.合肥工業大學食品與生物工程學院，合肥 230009)

味精的學名是谷氨酸鈉，最初是1866年德國人從植物蛋白質中提煉過，1908年由日本東京大學池田菊苗教授在海帶中發現并提取的。我國的味精產業起始于我國著名愛國實業家吳蘊初在抵制日貨高潮中成功制造了國產味精，1919年吳蘊初在上海灘看到日商“味の素”的廣告，思考為何中國不能制造，他仔細研究發現“味の素”就是谷氨酸鈉，他開始從蛋白質中提煉谷氨酸，在醬園老板張崇新和前清舉人張逸云的支持下，1921年春，首批產品(味精)問世，并于1923年8月成立天廚味精廠，產量達3000噸，冠以“天廚”商標，遠銷南洋一帶，獲北洋政府農商部發明獎[1]。味精的規模化發展始于20世紀80年代中期[2]。進入20世紀90年代以后，由于味精產品價格和利潤較高，加之國家政策上的扶植，我國味精行業產能迅速增長。自1992年以后，我國的味精年產量一直穩居世界第一[3]。但是，隨著行業規模的擴大，環保壓力、行業內市場競爭及國家政策調控，使整體利潤率越來越低。隨后，味精行業的集中度和行業格局發生了深刻變化。而2012年以后，國內味精產能和消費量均保持上升趨勢。本文主要綜述了創新驅動使味精行業從一個高能耗、高糧耗、高污染的行業邁向成熟的循環經濟和清潔生產，實現了綠色生產[4]。

1 國內味精工業100年來進步情況

1.1 生產規模擴大

圖1 企業數量與生產商品味精產量的關系Fig.1 The relationship between the quantity of enterprises and the production of monosodium glutamate

圖2 主要企業生產商品味精的情況

中國的味精作為廣泛應用于食品生產與制作過程中的調味劑，已走過近百年的發展歷程。吳蘊初先生采用水解提取法在上海生產，當時30噸小麥或大豆可生產1噸味精，1965年由蛋白質水解法轉化為以淀粉為原料的發酵法，發展非常迅速，1986年已經超過日本，居世界首位。近年來，我國味精行業改變了低水平重復的局面，產業結構也趨于合理，由過去的200多家減少到1997年的80家，到2000年能進行行業交流的只有31家(其中萬噸以上的有16家)[5]，2018年統計只有10家(見圖1)，前三家企業占國內總產量的90%以上,已成為高度集成的行業(見圖2)。

1.2 谷氨酸的生產方法及菌種進化

1.2.1 谷氨酸的生產方法

谷氨酸的制備方法有多種，蛋白質水解法提取法、合成法和發酵法，發酵法是國內外普遍采用的方法。提取法將蛋白質原料用酸水解，然后從水解液中提取氨基酸，該法因消耗太高而被淘汰。合成法一般用丙烯腈作為原料，因其生產過程高壓(約20 MPa)、高溫(120 ℃以上)，投資高，工藝復雜，國內很少采用。發酵法又可分為添加前體的發酵法與直接發酵法。添加前體的發酵法原料稀少且昂貴而被淘汰[6]。直接發酵法一般借助于微生物自身合成氨基酸的能力，及人工有目的的誘變處理，選育的突變株解除了代謝中的反饋抑制和反饋阻遏，達到過量積累某種氨基酸的目的。發酵法生產的產品為左旋谷氨酸，即L-谷氨酸。目前，全世界L-谷氨酸均采用直接發酵法生產。微生物發酵法生產L-谷氨酸的研究具有重要的意義[7]。

1.2.2 谷氨酸生產菌種的進化

我國自主選育谷氨酸棒狀桿菌起始于20世紀70年代，上海市工業微生物研究所首先起步，主要是從南京動物園云雀糞便、寧波動物園鳥類糞便、南京紫金山樹林土壤中培養、分離、純化得到，產酸率在5%左右；原南通生化廠味精車間種子組，在此基礎上采用紫外線誘變后，產酸率達5.8%；自20世紀80年代，菌種經優化、誘變、進化、代謝調控等手段，使生產菌種有了較大進步，華南理工大學、原天津工業學院、原無錫輕工業學院、復旦大學等院校相繼采取多種措施，使國內谷氨酸產酸率提高到8%～10%；2000年前后，蓮花味精集團持巨資引進日本味之素的溫敏型菌種，產酸率大幅度提升，但是該菌種在第三代后就退化。由于中國政府的高技術引導，2003年黃繼紅承擔國家863項目“FM00-187高產酸菌種選育”，是原生質體融合協同輻照技術培育，再經融合、突變與再生獲得的谷氨酸高產菌株，目前的產酸率達到22.0%，提高產率100%以上。目前產谷氨酸的菌種，從中國微生物菌種查詢自主菌種保藏298株，中國工業微生物菌種保藏管理中心101株，有些民營生物技術研究院200多株；主要是黃色短桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、散枝短桿菌、噬氨短桿菌、乳糖發酵短桿菌等。我國常用的菌種有北京棒狀桿菌、純齒棒狀桿菌等。發酵企業正使用的菌株有：FM8209、FM-415、CMTC6282、S9114、TS-187、FM-415、FM98-198、FM00-187，均屬于棒狀桿菌。

1.2.3 主要營養(碳源)對谷氨酸菌種的代謝調控

在谷氨酸菌種方面，關于谷氨酸誘變育種方面的研究較多；在谷氨酸生物合成方面，主要是對谷氨酸發酵細胞膜滲透性的控制，目前，通過微量元素調節，即生物素亞適量，達到控制磷脂、細胞膜的形成或阻礙細胞壁正常的生物合成，提高細胞膜的通透性；物理控制法，僅控制溫度就能實現谷氨酸生產的方法。依托中國政府支持的國家863項目，選育的FM00-187菌株主要是通過碳源(葡萄糖)的調控達到高產的目的。因為谷氨酸代謝中葡萄糖的作用有以下三個方面[8]：

a.提供谷氨酸菌生命活動所需能量(ATP)，即細胞呼吸所需要的能量，反應式為：

菌呼吸：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2813 kJ。

b.葡萄糖是菌體生長過程形成細胞骨架的主要物質，反應式為：

c.葡萄糖參與化學反應提供代謝產物谷氨酸分子中碳源，反應式為：

谷氨酸反復發酵過程是放熱反應，一部分轉化為ATP，供微生物的生長、代謝；而且在微生物細胞的干物質中，碳占了50%左右。因此，影響谷氨酸代謝途徑因素表里應該有葡萄糖的主要貢獻。在微生物的各種營養需求中，對碳的需要量最大。

從反應式中得出，每形成1單位的谷氨酸，必須供葡萄糖1.224單位的理論值(即122.4%)；以谷氨酸棒狀桿菌FM00-187為研究對象，分別供碳源葡萄糖在亞營養(葡萄糖轉化谷氨酸的理論值)、適量營養(理論值1.20～1.25)，和過量營養(理論值的1.5%～1.8%)發酵試驗，數理統計結果是亞營養狀態下相關性最好。達到營養調控、節約能源的目的。

1.2.4 菌株在不同底物濃度下細胞膜磷脂形成

在谷氨酸發酵過程中，原則是有利于代謝產物從胞內分泌到胞外，避免代謝產物的反饋抑制，有利于提高發酵產量。以葡萄糖為原料，利用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸時，谷氨酸生產菌為α-酮戊二酸脫氫酶，缺失，突變株，當谷氨酸的合成達到50 mg/g(干細胞)時，由于反饋調節作用，谷氨酸的合成終止。如果改變細胞膜的通透性，使胞內代謝產物谷氨酸滲透到胞外，產率就會提高[9,10]。

另外，代謝控制還包括控制支路代謝，消除終產物的反饋抑制和反饋阻遏等。如誘導酶合成的誘導劑(有些需外源加入，而有些是菌體代謝過程中自身產生的)起誘導作用，會引起反饋調節包括反饋阻遏和反饋抑制。

谷氨酸發酵過程中，葡萄糖濃度超過一定的范圍時，可能向主方向代謝的同時，也代謝乳酸、甘油、肌醇、甘露醇等；甘油、肌醇、甘露醇這些副產物存在，就形成細胞膜磷脂，形成完整的細胞膜，表現出的檢測結果是磷脂含量較高，見表1。

表1 葡萄糖濃度與細胞膜磷脂形成關系表Table 1 Relationship between glucose concentration and phospholipid formation of cell membrane

控制培養基中的葡萄糖，形成因磷脂合成不足的不完整細胞膜，表現出的檢測結果是磷脂含量較低。呈現這種代謝的原因可能是菌群受到營養競爭的環境刺激，激活了某種酶，或促使某個基因突變，阻遏了支路副產物(乳酸、磷脂)的代謝途徑，進行了不完整細胞發酵，法國科學家路易·巴斯德早在18世紀末和19世紀初，和德國科學家愛德華·比希納于1897年所做的一系列實驗最終證明發酵過程并不需要完整的活細胞存在。對菌株(S9114)在不同底物濃度下發酵結束時細胞壁磷脂含量做定量測定，結果表明亞適量濃度下，磷脂含量較低。

1.3 谷氨酸發酵工藝改進

1.3.1 淀粉液化工藝進步

葡萄糖是作為谷氨酸發酵工業的碳源，其質量直接決定發酵產物提取的難易，經過近一個世紀的驗證，淀粉制備葡萄糖的酸法、酸酶法、酶酸法等都是因為葡萄糖的純度低、色素重而被淘汰。雙酶法因其淀粉轉化率高、復合分解反應少、條件溫和而獨占中國制糖行業的鰲頭[11]，見表2。

表2 谷氨酸發酵工藝改進Table 2 Improvement of glutamic acid fermentation process

1.3.2 發酵底物濃度的幾度調整

從谷氨酸發酵幾十年的生產歷史可以看出，生產企業供糖量過高，轉化率反而低是由于其基質過濃，而導致抑制作用，出現菌體比生長速率下降的趨勢。谷氨酸發酵過程中因一次投糖(直接培養基中加14%～18%的葡萄糖)，對細胞滲透性有影響而淘汰；谷氨酸發酵工藝最大的進步是底物葡萄糖濃度在10%～12%，待其消耗時再流加一定濃度的葡萄糖，優點是大大提高了產酸率，但是由于流加糖濃度低，使發酵液體積增大，不能無限制流加。后來優化為流加高濃度的葡萄糖，為解決此難題，目前國內普遍采用的是低初糖流加高糖工藝。通過國家863項目培育的FM00-187溫敏型菌株，初糖濃度4%，勻速流加糖的濃度70%，發酵液中底物濃度始終保持在4%～5%，糖酸(葡萄糖轉化為谷氨酸)轉化率為72%。該菌種及工藝國內自主品牌企業全部使用[12,13]。

1.3.3 谷氨酸提取

將谷氨酸形成一個新“相”，從發酵液多成分共存的液相系統中“游離”出來，分離谷氨酸，依據溶解度不同有冷凍等電點法；兩性電解質，因帶電情況的不同有離子交換法；發展到等電-離子交換法，因等電離交相結合的方法，雖然提高了收率，但工藝過程產生較多的廢水而被濃縮連續等電工藝取代。該工藝由國內60%的自主品牌企業使用。該方法可節省育晶時間，提高設備利用率[14，15]，該工藝的缺點是谷氨酸晶體中有雜質，需要進一步純化。

1.3.4 精制方面

味精精制經歷了間歇單效濃縮結晶到連續濃縮結晶， 也是順應了國內外味精消費方式的變化，因為味精作為終端家庭和餐飲業消費只占30%，食品加工業和復合調味料占70%。連續濃縮結晶因節能降耗而有明顯的優勢[16]。味精的濃縮結晶經歷了夾套式濃縮結晶、列管式內加熱結晶、外循環式連續濃縮結晶；外循環式連續濃縮結晶使用后，味精結晶時間從過去的24 h縮短到4 h，大大提高了生產效率[17]。

1.3.5 從末端治理到循環經濟

味精生產是高污染行業，尤其是廢水在20世紀80年代無序排放，在國家環境要求的壓力下，以蓮花為代表的企業投入大量人力、物力，開始大規模的末端治理，把高濃度有機廢水濃縮成肥料；隨著國家清潔生產政策的頒布，味精企業分別在原料用量及質量，生產工藝用水、電、氣，冷卻水重復利用率等方面開展節能降耗運動，按照環境保護部門“清潔生產審核暫行辦法”的要求進行了清潔生產審核，并全部實施了無、低費方案[18，19]。

通過建立FM00-187菌株生產谷氨酸物料代謝平衡模型，開發代謝主流節支減排技術，徹底解決了谷氨酸發酵行業高污染的重大技術難題。谷氨酸發酵廢水具有COD高、BOD高、菌體含量高、硫酸根含量高、氨氮含量高及pH值低的“五高一低”特征，開發了代謝主流節支減排技術。開發了“濃縮等電-母液二次濃縮-硫酸銨結晶-脫鹽液綜合利用”的技術，減少發酵高濃度廢水90%，濃硫酸消耗下降53%，液氨消耗下降39%，剩余10%發酵高濃度廢水通過三段式廢水強制外循環濃縮轉化為氨基酸肥料，實現了發酵高濃度有機廢水零排放，以菱花味精為代表的企業被認定為國家級循環經濟和清潔生產示范企業，并推廣到國內60%的谷氨酸生產企業[20]。

表3 味精生產循環經濟前后數據比較Table 3 Comparison of data before and after the recycling economy of MSG production

1.4 技術裝備趨向大型化

谷氨酸發酵產量和規模不斷擴大。發酵罐逐步向大型化的方向發展。從20世紀80年代的200 m3大型發酵罐，到1997年出現660 m3大型發酵罐，甘肅武威隨后投產1000 m3發酵罐。現代生物技術的應用提高了設計水平[21-23]，見表4。

表4 味精生產技術裝備的比較Table 4 Comparison of technical equipment for MSG production

2 國內味精行業發展方向

國內味精行業的演變大致會經歷四個階段：第一個階段是比拼生產規模。這個階段品牌效應沒有形成，只要有生產規模，就可以占有國內市場，有行業中的競爭優勢。蓮花味精的崛起是典型的代表。第二個階段是比拼銷售價格。這個階段，市場上產品同質化嚴重，價格成為影響消費者選擇的首要因素。企業開始著力壓縮產品成本，降低售價。誰的價格低，誰就可以占據更多的市場份額，而生產成本高的企業將逐漸被擠出市場，南方(如西湖味精)一大批味精產能基本被消滅。第三個階段是比拼產品創新。單純地追求低成本、低價格使企業愈發困難。企業意識到提高產品附加值才是獲取利潤的有效途徑。山東阜豐，菱花味精的崛起成為這個時代的寵兒，中國的第一個味精廠上海天廚消失。第四個階段是比拼企業資本，這是企業間競爭的最高階段。寧夏伊品、中糧味精等憑借自身的資本優勢，影響甚至掌握整個行業的走勢。中國味精行業目前的競爭態勢處于第四階段。未來中國味精行業應以“食品安全”為核心，朝著“技術創新、產業升級、節能減排、綠色環保”的方向發展[24]，有以下幾點建議。

2.1 核心技術持續創新

味精生產的核心技術在于擁有性能優良的發酵菌種，如運用細胞中的經濟學原理，研究微生物細胞活性能，通過谷氨酸棒桿菌CRISPR/Cas9基因組編輯，谷氨酸棒桿菌基因組規模代謝網絡研究，谷氨酸棒桿菌關鍵基因詮釋等手段提高產率，是提高原料利用率、降低成本的根本。利用固定化微生物生產谷氨酸：微生物固定化有表面吸附、多孔性載體包埋、細胞局域化、細胞自聚集等[25]；計算機控制強制發酵和連續發酵等[26]。

2.2 可持續性原則，綠色智能制造

目前我國的味精綠色生產基本停留在對生產過程的事后處理上而大多尚未落實在生產過程中。綠色R & D較薄弱，綠色技術人員缺乏。綠色生產需大量資金投入，國家工信部每年用上億元的資金支持企業進行綠色化改造，部分企業已經實施。深度挖掘味精生產鏈各環節的價值也是味精生產企業有潛力的利潤增長點，節能降耗，注重產業升級，符合產業演變規律。通過全生命周期控制谷氨酸的生產，達到經濟效益和生態效益相統一[27]。

2.3 專業與多元化發展

中國的味精企業要想實現突破，必須要走“深挖味精本身價值，開拓味精相關產業”的發展道路。味精的功能定位不能僅僅局限于增鮮調味[28]。如醫學上谷氨酸主要用于治療肝性昏迷，還用于改善兒童智力發育等，技術已經成熟。科技工作者有責任和義務開展谷氨酸及味精治療一些疾病，主要用于治療肝病、消化道疾病、腦病、心血管病、呼吸道疾病以及用于提高肌肉活力、兒科營養和解毒等[29]。因此，那些率先在味精產品的功能、用途、用法上實現創新，樹立味精及谷氨酸產品健康、營養、時尚的新形象，并且通過有效的市場宣傳手段扭轉人們對味精產品誤解的企業，將會引領味精行業的變革性發展。