谷氨酸综述

味精生产工艺及发展趋势

1866年，谷氨酸首先由德国人H. Riffhausen博士用硫酸水解面筋制得[6]。1908年，日本人池田与铃木发现谷氨酸能用蛋白质酸水解法生产，一年后味之素公司开始了味精的工业化生产。

1923年，我国开始了通过蛋白质酸解法生产味精。该工艺原料利用率低，产1t味精需30t小麦，工作环境差，劳动强度大，并且污染严重。生产发展速度缓慢，最高年产量也不超过4,000t[4]。

1956年，从自然界中分离到了一种谷氨酸产生菌，即谷氨酸棒杆菌，这是味精生产史上的重大变革。1957年开始了通过发酵法生产味精的时代。

1957年，我国组织有关高校、科研院所和企事业单位，开始了谷氨酸产生菌的选育工作，于1965年成功选育谷氨酸产生菌，当年首先在天厨厂投入生产。

40年来，由于我国味精工业在菌种选育、发酵工艺优化、提取工艺和废水处理等各方面的研究工作，使我国味精工业不断向前发展，味精产量年平均增长率为17%。与20世纪60年代相比，产酸率由50g/L提高到目前的120-140g/L；糖酸转化率由40%-50%提高到60%以上；发酵周期也有相应的缩短，由40 h缩短到30h；提取收率也由90%提高到96%以上；生产成本也大大降低；发酵罐也由50m3扩大到800m3；国内味精年产量由1957年的年产2,000t增加到目前的年产200万t左右[7]。目前，我国已成为世界味精的生产中心，占世界总产量的70%。

发酵法生产谷氨酸的成功，是整个发酵工业的伟大创举，同时也大大促进了其它发酵产品的研究与生产[2]。

1 L-谷氨酸生产菌的选育

对于工业发酵来说，决定发酵生产水平的因素主要有菌种性能、发酵工艺及下游提取工艺等。在这些因素中，菌种的产酸水平是内因，是决定发酵成败的关键。国外一般采用青霉素等强制发酵法生产谷氨酸，产酸较高(120-160g/L)[13]；而国内味精厂采用生物素亚适量方法，该方法产酸低，转化率低，原料利用率低，因此开展菌种选育工作一直味精工业发展史上的重点内容[14]。

1.1传统诱变育种技术

微生物细胞内各种代谢产物的积累，都是受到菌体自我调节机制的影响。正常情况下，菌种不会过量合成某种代谢产物，当通过育种手段解除其自我调节机制时，某种产物就会过量积累。随着谷氨酸棒杆菌各代谢途径及其调节机制的深入了解，使得通过代谢控制发酵原理进行育种更加理性化。

通过诱变育种对菌种进行定向筛选，可达到解除微生物细胞内的自我调节机制，达到过量积累目的产物的目的。常见的方法包括选育具有结构类似物抗性、营养缺陷型、目的产物分解能力缺陷型等遗传标记的突变株。诱变育种简单易行，

耗资少，并且效果明显，所以得到广泛应用。通过诱变育种能够扩大原料利用范围，提高菌株的生产能力，简化生产工艺和提取工艺[15]。近四十年来，国内外很多高校、科研机构和生产厂家纷纷应用自然选育、诱变育种和杂交育种技术对谷氨酸产生菌进行有目的定向改造，已有很多成功的例子。

1983年，Kyowa-Hakko公司利用紫外线、X射线和化学诱变剂对北京棒杆菌和乳糖发酵短杆菌进行诱变处理，获得的突变菌株能够抵抗100μg/mL寡霉素。

1985年，张克旭等以ASl·299为出发菌株，经紫外线、通电、硫酸二乙酯及LiCl等复合诱变，筛选出菌株WHT-1，突破了当时我国谷氨酸生产的10%大关[16]。

1986年，郑善良等采用NTG对菌株FM820-7菌株进行诱变处理，并筛得菌株FM84-415。该菌株产酸高达119.2g/L，转化率达到59.5%，并且该菌株能耐高糖[17]。

1993年，云逢霖与周婉冰利用用紫外线、亚硝基胍诱变以及原生质体等诱变方法对菌株T6-13进行处理，经过多次筛选，育得S9114菌株。该菌株能抗高糖(25%-30%)、抗高浓度谷氨酸(20%)，并且不分解利用谷氨酸[18]。

1995年，毛富根等以T6-13为出发菌株，采用激光对其进行辐射诱变，筛选得菌株Lsl68。该菌株具有遗传稳定性较好、能耐高糖等优点[19]。

1997年，王岁楼等采用Co-γ射线、紫外线和硫酸二乙酯等诱变育种技术对菌株T6-13进行复合处理，并经耐高温驯化，获得突变株Tz310，该菌具有琥珀酸和生物素双重营养缺陷，并且该菌能耐高温[20]。

1.2原生质体融合育种技术

国内采用基因工程技术进行菌种改造起步较晚，有关这方面的工作还不够完善。近年来，一些科研工作者致力于通过原生质体育种技术提高菌株的产酸水平[21]，已有一些成功的例子。

1991年，张克旭、陈宁等对钝齿棒杆菌B9和天津短杆菌TG-866进行原生质体融合育种，成功获得融合子F263和F288，皆具有双亲遗传性状(细胞个体大、产酸高)[22]。

1992年，张蓓等以具有遗传标记寡霉素抗性(Om r)的菌株TN63和具有氟乙酸抗性(FEA r)标记的TN115为亲株，经原生质体融合，育得了具有双亲遗传标记的融合子FTN9108 [23]。

2003年，陈宁以天津短杆菌TG961和温敏型菌株TMG0106为亲株，采用原生质体融合育种技术，筛选出产酸较高的温敏型菌株CN1021 [24]。

1.3基因工程育种技术

近年来，基因工程技术迅猛发展，在菌种选育方面得到广泛应用。尽管近年来人们尝试了通过基因工程手段改造菌种[21]，但由于工业发酵生产规模较大，需菌量多，随菌种的逐级扩大培养极易引起质粒失活甚至丢失，从而使重组基因

难以表达，因此通过分子手段进行菌种选育难度依然较大。

2L-谷氨酸的生产工艺

提高L-谷氨酸的产酸水平，一是要有优良的菌种，二是要有与之相适应的发酵工艺。性能良好的菌种是发酵的根本和前提，是决定产酸水平的内因。而发酵工艺的研究就是找到适合该菌种的最佳外部环境条件，使其良好的发酵性能得到充分的发挥。这些外部环境条件主要包括种子培养基及培养条件、发酵培养基及发酵条件。

2.1 种子培养基

种子培养的目的是为了获得大量繁殖并且活力强的菌体，提高菌体的比生长速率，使菌体尽快的适应外部环境，缩短发酵培养的延滞期，所以种子培养基要求含有丰富的氮源，足够的生物素，少量的碳源，以利于菌体生长。幼龄菌对温度变化敏感，应避免温度过高和波动过大。pH值控制不易过低，否则菌种容易衰老。培养时间不易过长，以7-8h为好。

2.2 发酵培养基

与种子培养基不同，发酵培养基不仅为菌体生长繁殖提供营养物质，而且还要合成大量的目的产物。在一定的范围内，目的产物浓度与菌体浓度成正比，所以要求发酵培养基要利于菌体的生长繁殖。同时发酵的根本目的是合成目的产物，所有又要有利于代谢产物的积累。发酵培养基组分主要包括碳源、氮源、无机盐、微量元素等。发酵培养基除了提供菌体生长所必需的氮源外，还要具有提供目的产物碳架所需的大量的碳，所以发酵培养基中的碳源物质明显高于种子培养基。发酵培养基中提供氮源和生物素的营养成分是玉米浆。对于生物素缺陷型菌来说，为了控制菌体较好的转型，必须控制生物素亚适量。无机盐成分主要包括钾盐、镁盐和磷酸盐，微量元素包括Mn和Fe等。

2.3 温度

在影响细菌生长和产酸的因素中，温度起着重要作用。为了使微生物生长最快和产酸率最高，必须根据菌种的特性选择和控制最适的温度。如果温度控制过低，菌体生长慢，酶活低，不利于菌体生长和产酸。若温度控制过高，虽能提高酶反应速率，但易引起菌种衰老，影响最终产酸。对谷氨酸发酵来说，谷氨酸脱氢酶最适反应温度较高[51]，菌体生长最适温度低于产酸最适温度，所以应采取分阶段温控方式。谷氨酸产生菌的最适生长温度为30-34℃,产生谷氨酸的最适温度为35-37℃。在谷氨酸发酵前期长菌阶段和种子培养时应满足菌体生长最适温度，若温度过高，菌体容易衰老。在产酸期，为了提高谷氨酸的合成速率，必须提高培养温度。

2.4 pH

pH对微生物的生长和代谢产物的形成都有很大影响，主要通过影响酶的活性来影响微生物发酵。谷氨酸发酵在正常情况下，为了保证足够的氮源，满足谷氨酸合成的需要，发酵前期控制pH值7.5左右，发酵中期pH7.2左右，发酵后