谷氨酸生产工艺

生物工程专业综合实训

（2016 年 11 月

谷氨酸生产工艺

摘要：

谷氨酸做为一种人体所必须的氨基酸，在生命的生理活动周期中具有很大的作用。不仅参与各种蛋白质的合成，组成人体结构，还做为味精可以给我们带来味蕾上的享受。现代生产谷氨酸的工艺主要是利用微生物发酵提取而来。不同的发酵方法和不同的发酵条件会造成产量的很大不同。本次谷氨酸的生产工艺，主要是掌握发酵方法和发酵条件的控制，还有各种仪器的使用方法。通过测得的数据来观察菌种的生长变化，同时谷氨酸发酵工艺各个工段的原理和使用方法。关键词：谷氨酸；发酵；工艺；等电点。

引言

谷氨酸是一种酸性氨基酸，是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。不论在食品、化妆品还是医药行业，谷氨酸都有很大的用途。

谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育。食品工业上，味精是常用的仪器增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。过去生产味精主要用小麦面筋（谷蛋白）水解法进行，现改用微生物发酵法来进行大规模生产。不论在食品、化妆品还是医药行业，谷氨酸都有很大的用途。

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，有增香作用。甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显着提高食品的风味。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。

一、谷氨酸简介

谷氨酸一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为α-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的，为无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸溶液，等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育。食品工业上，味精是常用的仪器增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。过去生产味精主要用小麦面筋（谷蛋白）水解法进行，现改用微生物发酵法来进行大规模生产。

谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。L －谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，谷氨酸盐在自然界普遍存在的。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐，它即是蛋白质或肽的结构氨基酸之一，又是游离氨基酸，L型氨基酸美味较浓。

L－谷氨酸又名“麸酸”或写作“夫酸”，发酵制造L－谷氨酸是以糖质为原料经微生物发酵，采用“等电点提取”加上“离子交换树脂”分离的方法而制得。

谷氨酸产生菌主要是棒状类细菌，这类细菌中含质粒较少，而且大多数是隐蔽性质粒，难以直接作为克隆载体，而且此类菌的遗传背景、质粒稳定尚不清楚，在此类细菌这种构建合适的载体困难较多。需要对它们进行改建将棒状类细菌质粒与已知的质粒进行重组，构建成杂合质粒。受体菌选用短杆菌属和棒杆菌属的野生菌或变异株，特别是选用谷氨酸缺陷型变异株为受体，便于从转化后的杂交克隆中筛选产谷氨酸的个体，用谷氨酸产量高的野生菌或变异菌作为受体效果更好。供体菌株选择短杆菌及棒杆菌属的野生菌或变异株，只要具有产谷氨酸能力都可选用, 但选择谷氨酸产量高的菌株作为供体效果最好。这样就可以较容易地在棒状类细菌中开展各项分子生物学研究。有了合适的载体及其转化系统后，就可通过DNA体外重组技术进行谷氨酸产生菌的改造。这对以后谷氨酸发酵的低成本、大规模、高质量有较大的发展空间。

二、实训内容

菌种的培养、种子扩培、发酵、提取、脱色结晶干燥、谷氨酸成品

三、实验材料

（一）菌种：天津棒杆菌

（二）药品：胰蛋白胨、酵母提取物、NaCl、NaOH、葡萄糖、尿素、硫酸镁、磷酸二氢钾、D-生物素、硫酸亚铁、硫酸锰、消泡剂、氨水、

1mol/LHCl、蒸馏水、1mol/LNaOH、无水乙醇

（三）设备：恒温培养箱、高压蒸汽灭菌锅、发酵罐、721分光光度计、离心机、磁力搅拌器、天平、恒温振荡摇床

四、实验方法

（一）斜面菌种制备

无菌条件下，从冷藏的天津棒杆菌的斜面上，挑取适量菌体涂在LB培养

基的斜面上，然后置37℃的恒温箱培养20—24h。我们采用LB培养基制

作固体试管斜面，它是一种常用培养基，LB培养基灭菌条件：在高压蒸

汽灭菌锅内保持121℃，0.14Mpa下，20min即可，分装试管，每试管约5—10ml（视试管大小而定）。

（二）种子培养基的制备与灭菌

表2 一级种子培养基配方表（400mL）

成分配比

葡萄糖 2.5%(10g)

尿素0.5%(2g)

硫酸镁0.04%(0.16g)

磷酸二氢钾0.1%(0.4g)

D-生物素(2.5-3.5)2.8mg/L

2⨯106-g/L

硫酸亚铁

2⨯106-g/L

硫酸锰

调pH值7.0，121℃,0.14Mpa下，灭菌20min即可。

一级扩培：32℃,180—200r/min，培养10—12h。

(三)发酵培养基配方表

表3 发酵培养基配方表（2L）

成分浓度

葡萄糖125-150g/L（250g-300g）

20g/L(40g)

尿素

1-1.5g/L(2.5g)

磷酸二氢钾

0.25-1.0g/L(1.1g)

硫酸镁

2⨯106-g/L

硫酸亚铁

2⨯106-g/L

硫酸锰

D-生物素(0.4—0.8)0.6mg/L

按发酵培养基成分配比，配制培养基，调节pH值至6.5，进行灭菌。

灭菌条件：在高压蒸汽灭菌锅内保持121℃，0.14Mpa下，灭菌20min即可。四、发酵过程

发酵液2.0L装入发酵罐，离座灭菌。接入电源，将已灭菌的发酵培养基通入无菌空气，调整好发酵罐的各类初始参数：温度为32℃、pH7.5、搅拌180r/min、泡沫和消泡剂（豆油）自动调节等。12h后观察是否生长杂菌，再将无水乙醇倒入接种口的环槽中，点燃后，进行无菌接种操作，接种量一般为10%。通气量为0.8—1.0m /h，搅拌速率为60r/min，全程用消泡剂消泡，发酵过程通氨，当接种后发酵pH低于6.5时就可以开始通氨，通氨量的多少参考pH值，温度采用变温控制，具体过程见表4。谷氨酸的发酵周期约为30h，每隔2h测一次天津棒杆菌的菌丝浓度，采用721分光光度计在620nm下测发酵液OD值，同时测定pH 值。在菌体接近衰亡期前放罐，得到谷氨酸发酵液。

表4 发酵过程工艺控制

时间/h 温度/℃pH 搅拌速度/min1-

0—6 32 7.5 250

6—10 32 7.2 300

10—23 34 7.2 300