谷氨酸的发酵工程

谷氨酸发酵过程控制

【摘要】谷氨酸是构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。谷氨酸的质量受到发酵的条件、菌种、温度、pH、接种量和种龄等因素的影响。如果控制不好这些因素整个发酵过程发酵液受污染、出现菌体的生长缓慢和代谢产物的积累很少、发酵周期延长甚至所得产品不是最终产品。本文通过综述发酵培养基、培养条件的控制及发酵过程温度、pH、接种量和种龄的控制，以及消泡等多方面因素，来提控制高谷氨酸发酵过程的参数来提高发酵的质量以些方法。

【关键词】谷氨酸、发酵、控制

1.谷氨酸概述

谷氨酸学名：2-氨基-5-羧基戊酸。构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。L-谷氨酸是蛋白质合成中的编码氨基酸，哺乳动物非必需氨基酸，在体内可以由葡萄糖转变而来。D-谷氨酸参与多种细菌细胞壁和某些细菌杆菌肽的组成。符号：E。

1.1谷氨酸用途

1）下游产品开发

将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N—羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。谷氨酸可生产许多重要下游产品如L—谷氨酸钠、L—苏氨酸、聚谷氨酸等。

2）食品业

谷氨酸是在食品工业中应用较多的氨基酸。谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。用于食品内，能显着提高食品的风味和有增香作用。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。

3）日用化妆品等

谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种。如：N—酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。谷氨酸作为营养药物可用于皮肤和毛发。用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养

功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。用于皮肤，对治疗皱

纹有疗效。谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。

4）医药行业

谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服

片，谷氨酸钠（钾）注射液，谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。

2.谷氨酸发酵工艺一般流程图

淀粉质原料

菌种预处理（粉碎、调浆、水解糖化、冷却、中和、脱色、过滤）活化与扩大培养发酵培养基的制备（添加氮源、无机盐、生长因子、灭菌）种子接种种子罐二级种子

谷氨酸液体深层通气发酵

谷氨酸提取（电-离子交换法）

加碱中和及除铁脱

成品谷氨酸

3.谷氨酸发酵培养基的工艺条件与技术控制

3.1原料处理

以田洪涛、高年发等人在研究谷氨酸发酵与味精生产中表明：谷氨酸生产菌一般不能直接利用淀粉或糊精，要对这些原料用酸解法进行淀粉糖化，具体步骤如下：用水调至10—20Bé浆液，添加0.6%盐酸，浆液pH1.5.在0.25-0.40MPa蒸汽压力下水解10-20min，使液中葡萄糖值达到90%以上。将酸解液冷却到60℃以下，用液碱pH 至4.5，加入0.3%-0.5%活性炭，搅拌30min，静置1-2h，取上清液压滤，滤液用碱调pH为7.0，可供发酵培养基用。

3.2发酵培养基的制备

谷氨酸发酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。配制时要根据菌种特性、发酵过程控制、产物提取等多方面因素综合考虑而定。见表1是以谷氨酸棒杆菌

AS1.299为例的培养基组成成分。

表1谷氨酸的培养基成分配方表

陈宇在研究氨基酸工艺学中表明培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有很大的影响。在一定的范围，谷氨酸产量随糖浓度增加而增加，但是糖浓度过高由于参透压增大，对菌体不利导致发酵周期周期延长，产酸不稳定。为了降低培养基中糖浓度而提高产酸水平，一般取低浓度糖的流加糖发酵工艺。

刘冬玲、张学仁等在发酵工程中表明，生物素的用量直接影响谷氨酸的合成。生物素的含量低，菌体得不到很好的生长。反之，由于生物素的含量过高，会造成菌体大量繁殖，不产或少谷氨酸。试验结果表明，当菌体内生物素从20ug/g干菌体降到0.5ug/g 干菌体，菌体就停止生长，继续发酵，在适宜条件下就大量积累谷氨酸。

3.3菌种的扩大培养

我国谷氨酸发酵的种子扩大培养普遍采用二级种子扩大培养的流程。以田洪涛、高年发等研究表明，一般采用流程即为：

斜面原种斜面活化（32℃，18～24h） 1000L三角瓶（32℃，200mL液体振荡12h即为一级种子） 50～500L种子罐（32℃，35～350L液体通风培养8～10h，即为二级种子）接种发酵罐（发酵培养基）

4.培养条件对谷氨酸发酵的影响

以熊宗贵在研究发酵工艺原理表明，当谷氨酸棒杆菌的a-酮戊二酸脱氢酶活力低，

离子的存在下，尤其当生物素缺乏时，TCA循环到生成a-酮戊二酸时，即受到阻挡。NH+

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a-酮戊二酸因高活力的谷氨酸脱氢酶作用，转变成谷氨酸。培养条件对谷氨酸发酵的影响见表2

表2谷氨酸产生菌因培养条件的代谢转换

控制因子发酵转换

氧乳酸或琥珀酸谷氨酸

（通气量不足）（通气量充足）

NH+4 a-酮戊二酸谷氨酸谷酰胺

（缺少）（适量）（过量）

pH N-乙酰谷酰酸谷氨酸

（酸性）（中性或微碱性）

磷酸结氨酸谷氨酸

（高浓度磷酸）

生物素乳酸或琥珀酸谷氨酸

（饱和）（限量）

表2表明，培养条件不同，将导致发酵产物不同。控制适量的磷酸盐浓度、生物素

离子，可以使谷氨酸发浓度、通气培养、以流加尿素的方式调加pH值和提供适量NH+

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