谷氨酸发酵机制
氨基酸工艺学第二章谷氨酸发酵机制
1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，谷氨酸对葡萄 糖的质量理论转化率为：
（2）在谷氨酸生成期，若 CO2固定反应完全不起作用， 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的催 化作用下，脱氢脱羧全部氧 化成乙酰CoA，通过乙醛酸 循环供给四碳二羧酸。反应 如下： 3C6H12O6 乙醛酸循环： 4乙酰CoA +4H2O 2琥珀酸+4CoASH 6丙酮酸 6乙酰CoA
能荷逐渐升高时，即细胞内的能量水平逐渐升高， 这一过程中AMP、ADP转变成ATP。 ATP的增加会抑制糖分解代谢，抑制如柠檬酸合 成酶、异柠檬酸脱氢酶等酶的活性，并激活糖类合 成的酶，加速糖原的合成。
糖酵解主要受三个酶调节：磷酸果糖激酶、己糖激酶、 丙酮酸激酶，其中磷酸果糖激酶是限速酶，己糖激酶控制 酵解的入口，丙酮酸激酶控制出口；三羧酸循环的调控由 三个酶调控，即柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和ā-酮戊 二酸脱氢酶。两者都与能荷的控制调节相关。
③异柠檬酸脱氢酶活力强，而异柠檬酸裂解酶活力不 能太强，这就有利于谷氨酸前体物α-酮戊二酸的生成， 满足合成谷氨酸的需要。 异柠檬酸脱氢酶催化的异柠檬酸脱氢脱羧生成α– 酮戊二酸的反应和谷氨酸脱氢酶催化的α-酮戊二酸还 原氨基化生成谷氨酸的反应是一对氧化还原共轭反应， 细胞内α–酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡， 当α–酮戊二酸过量时，对异柠檬脱氢酶发生反馈抑制 作用，停止合成α–酮戊二酸。
(1)能荷的调节 腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸)， 简称为ATP。 其结构简式是：A—P～ P～P，其相邻的两个磷 酸基之间的化学键非常活 跃，水解时可释放约 30.54kJ/mol的能量， 因此称为高能磷酸键。
Atkinson提出了能荷的概念。 认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量， 能荷大小可以说明生物体中ATP—ADP—AMP系统的 能量状态。能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。 能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶 分子进行变构调节来实现的。
2谷氨酸发酵机制
物的结构类似物）阻止催化该途径的一个或几个反应中的 一个或几个酶的合成，其实质是调节基因的作用，与此相 反有酶合成的诱导。
• 优先合成：对于分支途径而言，由于催化某一分支反应的酶
活性远远大于催化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活 性大的那2一、分优先支合的成终与平产衡物合。成当该终产物浓度达到一定浓度时， 就会抑制（该1酶）优，先使合代成（谢P转ref向eren合ce成d sy另nth一esi分s）支的终产物。
第二章 谷氨酸发酵机制
【教学目的与要求】理解并掌握谷氨酸的生物合成途
径及其调节机制、掌握谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
【教学重点与难点】掌握谷氨酸的生物合成途径及其
调节机制、发酵过程中谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
• 【教学内容】 2.1 谷氨酸的生物合成途径
•
2.2 谷氨酸生物合成的调节机制
•
2.3 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性控制
2.1 谷氨酸的生物合成途径
2.1.1 谷氨酸生物合成的主要酶反应 • (1)谷氨酸脱氢酶（GDH）所催化的还原氨基化反应
α-酮戊二酸+NH4++NADPH2+→ 谷氨酸+H2O+NADP+
• (2) 转氨酶（AT）催化的转氨反应
α-酮戊二酸+氨基酸 → 谷氨酸+ α-酮酸
• (3) 谷氨酸合成酶（GS）催化的反应
2.1.3影响两条代谢途径比例的主要因素
• (1)内在因素：菌种特性
• 丙酮酸羧化酶 • 苹果酸酶 • 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
• 二氧化碳固定反应酶系 看上述酶活决定是否该
氨基酸发酵机制及过程概述
葡萄糖和琥珀酸等对异柠檬酸裂解酶起着阻遏作用。
(1)以糖质为原料的谷氨酸发酵中生物素对 DCA循环的影响
在生物素亚适量条件下，琥珀酸氧化力降低， 积累的琥珀酸会反馈抑制异柠檬酸裂解酶活性，并 阻遏该酶的生成，DCA循环基本处于封闭状态， 异柠檬酸高效率地转化为α–酮戊二酸，再生成谷 氨酸。 在生物素充足的条件下，异柠檬酸裂解酶活性 增大，通过DCA循环提供能量，进行蛋白质的合 成，不仅异柠檬酸转化生成谷氨酸的反应减弱使得 谷氨酸减少，而且生成的谷氨酸在转氨酶的催化作 用下又转成其它氨基酸，也不利于谷氨酸积累。
7.醋酸或正石蜡原料发酵谷氨酸的推测途径 在醋酸发酵谷氨酸或石油发酵谷氨酸时，却只能 经乙醛酸循环供给四碳二羧酸，四碳二羧酸经草酰 乙酸又转化为柠檬酸。
二、谷氨酸生物合成的代谢调节机制
分解代谢： 从环境中摄取营养物质，把它们转 微生物 的代谢
化为自身物质，以此来提供能源和 小分子中间体；
合成代谢：合成代谢将分解代谢产生的能量和
6乙酰CoA +2NH3+3O 2谷氨酸 +2CO2+6H2O 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3mol葡萄糖可以生成2mol的谷氨酸，谷氨 酸对葡萄糖的质量理论转化率为：
(3)实际转化率：处于二者之间，即54.4%～ 81.7%。 CO2固定反应、乙醛酸循环的比率等对转化率影 响较大。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。
α -酮戊二酸脱氢酶 NH4 异柠檬酸脱氢酶 乙醛酸循环中的两个关键 酶——异柠檬酸裂解酶和 苹果酸合成酶。
谷氨酸 （胞内）
转移到胞外
（二）谷氨酸合成的理想途径
生物素充足菌EMP所占比例约为62％； 在发酵产酸期，EMP所占比例更大，约为74％。
论述谷氨酸发酵的原理
论述谷氨酸发酵的原理
谷氨酸发酵是一种利用微生物如大肠杆菌（Escherichia coli）进行合成谷氨酸的生物工艺过程。
原理如下：
1. 微生物选择：在谷氨酸发酵中，经常选择大肠杆菌作为发酵菌。
大肠杆菌具有高产谷氨酸的能力，并且生长速度较快，适应性强。
2. 培养基准备：谷氨酸发酵的培养基需提供适合微生物生长和发酵所需的营养物质，如碳源、氮源、矿物盐和辅助因子等。
常用的碳源包括葡萄糖、淀粉等，氮源则可以是氨基酸、蛋白质等。
此外，还可添加特定的辅助因子如磷酸、镁离子等。
3. 发酵过程：将所选的微生物接种到预先准备好的培养基中，进行发酵过程。
在发酵过程中，微生物利用碳源和氮源进行生长和代谢，并分泌出所需的酶以转化底物产生目标产物谷氨酸。
4. 发酵控制：为了提高谷氨酸的产量和质量，发酵过程需要进行严格的控制。
这包括控制发酵温度、pH值、氧气供给和搅拌速度等。
适当调节这些因素可以提高微生物的生长速度和代谢产物的积累。
5. 谷氨酸提取和纯化：发酵结束后，需将谷氨酸从发酵液中提取出来，并进行纯化。
一般通过离心、过滤和浓缩等步骤，将目标产物分离提取。
接下来，通过
晶体化、离子交换层析等方法，进行纯化和分离，得到高纯度的谷氨酸。
总之，谷氨酸发酵的原理是利用适宜的菌种和培养基，通过微生物的生长和代谢过程，合成谷氨酸。
发酵过程需要进行严格的控制，以提高产量和质量，最终通过提取和纯化得到高纯度的谷氨酸。
谷氨酸的发酵和提取工艺综述
⾕氨酸的发酵和提取⼯艺综述综述：⾕氨酸的发酵与提取⼯艺第⼀部分⾕氨酸概述⾕氨酸⾮⼈体所必需氨基酸，但它参与许多代谢过程，因⽽具有较⾼的营养价值，在⼈体内，⾕氨酸能与⾎氨结合⽣成⾕氨酰胺，解除组织代谢过程中所产⽣的氨毒害作⽤，可作为治疗肝病的辅助药物，⾕氨酸还参与脑蛋⽩代谢和糖代谢，对改进和维持脑功能有益。
另外，众所周知的⾕氨酸钠盐即味精有很强烈的鲜味，是重要的调味品。
1996、1997、1998年味精年产量分别为55.0万吨、56.64万吨、59.03万吨。
尽管如此，我国⼈均年消耗味精量还只有400g左右，⽽台湾省已达2000g。
因此，中国将是世界上最⼤的潜在味精消费市场，也就是说，味精⽣产会稳步发展。
这也意味着⾕氨酸的⽣产不断在扩⼤[1]。
⾕氨酸⽣产⾛到今天就⽣产技术⽽⾔已有了长⾜进步,⽆论是规模还是产能都今⾮昔⽐,与此同时各⼚家还在追求完美, 这是⾏业进步的动⼒,也是⽣存之所需。
实际上⽣产⼯艺是与时俱进的,没有瑕疵的⼯艺是不存在的。
如:配⽅及提取⽅法现在是多种多样,有单⼀⽤纯⽣物素的,也有⽤⽢蔗糖蜜加纯⽣物素的, 还有加⽟⽶浆⼲粉或麸⽪⽔解液及⾖粕⽔解液等等;提取⽅法有:等电-离交、等电-离交-转晶、连续等点-转晶等等[2]。
本综述简述⾕氨酸⽣产的流程及发酵机制，着重介绍⾕氨酸的提取⼯艺。
第⼆部分⾕氨酸⽣产原料及其处理⾕氨酸发酵的主要原料有淀粉、⽢蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、⼄醇、正烷烃(液体⽯蜡)等。
国内多数⾕氨酸⽣产⼚家是以淀粉为原料⽣产⾕氨酸的，少数⼚家是以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸⽣产的，这些原料在使⽤前⼀般需进⾏预处理。
(⼀)糖蜜的预处理⾕氨酸⽣产糖蜜预处理的⽬的是为了降低⽣物素的含量。
因为糖蜜中特别是⽢蔗糖蜜中含有过量的⽣物素，会影响⾕氨酸积累。
故在以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸发酵时，常常采⽤⼀定的措施来降低⽣物素的含量，常⽤的⽅法有以下⼏种:(1)活性炭处理法; (2)⽔解活性炭处理法;（3）树脂处理法。
第二章-谷氨酸发酵机制
第三节 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性的控制
一、细胞膜的结构
谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸产生菌细胞 膜结构和功能上的特异性变化。
二、控制细胞膜渗透性的方法
根据细胞膜的结构特征，控制细胞膜通透性的 方法主要有两种类型： 一类是通过控制磷脂的合成来控制细胞膜通透性； 一类是通过控制细胞壁的合成间接控制细胞膜通 透性。
三、氮代谢的调节
• 控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合 成能力，使合成的谷氨酸不去转化成其他氨基酸 和合成蛋白质。生物素亚适量时，几乎没有异柠 檬酸裂解酶活力，琥珀酸氧化力弱，苹果酸和草 酰乙酸脱羧反应停止，完全氧化降低，ATP量减 少，蛋白质合成停滞，在铵离子适量存在时，菌 体积累谷氨酸。 • 生物素充足时，蛋白质合成增强，谷氨酸减少， 谷氨酸通过转氨作用生成其他蛋白质。
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不同的，能 荷是对糖代谢流的调节，而生物素能够促进糖的 EMP途径、HMP途径、TCA循环。 在糖代谢中，生物素能催化脱羧和羧化反应。糖代 谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化成草酰乙 酸；苹果酸转化为丙酮酸；琥珀酸与丙酮酸的互变； 草酰琥珀酸转化为a-酮戊二酸。
第二章
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
第三篇第三章谷氨酸发酵机制
§第六章谷氨酸的发酵机制GA发酵作为重点：（1）是代谢控制发酵的重点（2）是目前代谢控制发酵中，在理论与实践上最成熟的……第一节 GA的生物合成途径一、GA 的生物合成途径主要有：Glucose的酵解，EMPGlucose的有氧氧化，HMP丙酮酸的有氧氧化，TCA循环乙醛酸循环途径，DCA循环CO2固定反应α-酮戊二酸的还原氨基化这6条途径之间是相互联系和相互制约的，如图所示：主导反应: GHDα-KGA+NH4++NADPH2 GA+H2O+NADPC6H12O6HMP 3-磷酸甘油醛乳酸丙酮酸乙酰辅酶ACO2CO2草酰乙酸柠檬酸苹果酸异柠檬酸延胡索酸NADPCO2琥珀酸 NADPHα—KGANADPHNH4+ NADP谷氨酸第二节 GA生物合成的调节机制一、优先合成与反馈调节1、优先合成1）优先合成（perference synthesis）a D→EC a酶活性远大于b酶活性GA 比Asp优先合成，GA过量后，阻遏和抑制自身的合成途径，使代谢转向Asp2、CO2固定反应的酶类受Asp的反馈抑制，GA 和Asp的反馈阻遏3、α—KGA脱氢酶在GA生产菌中先天丧失或微弱4、柠檬酸合成酶（TCA关键酶）：受能荷调节和GA的反馈阻遏和乌头酸的反馈抑制5、GDH（谷氨酸脱氢酶）受GA的反馈抑制和阻遏6、异柠檬酸脱氢酶：受α—KGA的反馈抑制。
异柠檬酸脱氢酶催化的异柠檬酸脱羧生成α—KGA和谷氨酸脱氢酶催化的α—KGA 还原氨基话生成的GA的反应是一对氧化还原共轭反应，细胞内α—KGA和异柠檬酸的量需维持平衡，当α—KGA过量时对异柠檬酸脱氢酶发生抑制作用，停止合成α—KGA由菌体的代谢可知，在正常情况下，GA并不积累。
二、GA生物合成的内在因素从上图可以看出，菌体要在葡萄糖含量10%以上的培养基上，合成5%以上的谷氨酸，是一种不正常的现象，显然GA产生菌必须具备以下条件：1.α—KGA脱氢酶酶活性微弱或丧失这是菌体生成并积累α—KGA的关键，从上图可以看出，α—KGA是菌体进行TCA循环的中间性产物，很快在α—KGA脱氢酶的作用下氧化脱羧生成琥珀酸辅酶A，在正常的微生物体内他的浓度很低，也就是说，由α—KGA进行还原氨基化生成GA的可能性很少。
谷氨酸发酵生产
谷氨酸发酵生产谷氨酸发酵一、实验目的谷氨酸(glutamic acid)是最先成功地利用发酵法进行生产的氨基酸。
谷氨酸发酵是典型的代谢调控发酵，其代谢途径相对研究得比较清楚。
因此，了解谷氨酸发酵机制，掌握其发酵工艺，将有助于对代谢调控发酵的理解，有助于对其他有氧发酵的理解和掌握，也有助于对已掌握的生化、微生物知识的融会贯通。
通过本次实验，掌握有氧发酵的一般工艺，熟练掌握通用机械搅拌罐的设备使用。
二、实验原理1、谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵是菌体异常代谢的产物，菌体正常代谢失调时，才能积累谷氨酸。
在正常的微生物代谢中，由葡萄糖生成的磷酸烯醇式丙酮酸比天冬氨酸优先合成谷氨酸。
谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力和阻遏柠檬酸合成酶的合成，使代谢转向天冬氨酸的合成。
天冬氨酸合成过量后，反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。
所以，在正常情况下，谷氨酸并不积累。
谷氨酸生产菌由葡萄糖生物合成谷氨酸的途径见图5-7。
它包括糖酵解途径(EMP途径)、磷酸己糖途径(HMP途径)，三羧酸循环(TCA循环)、乙醛酸循环，伍德-沃克曼反应(CO的固定反应等)。
2由于谷氨酸生产菌生理方面有以下共同特征，体内的代谢控制平衡被打破，使谷氨酸得以积累。
? 谷氨酸生产菌大多为生物素缺陷型。
谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行。
生物素充足时，HMP途径所占比例是38%，控制生物素亚适量的结果，发酵产酸期，HMP途径所占比例下降到约为26%，EMP途径所占的比例得以提高。
通过控制生物素亚适量，更重要的是由生物素促进的脂肪酸及磷脂合成减少，谷氨酸向膜外漏出，引起代谢失调，使谷氨酸得以积累。
? 谷氨酸生产菌的CO固定反应酶系活力强，可通过羧化作用(更多地2供应固定CO生成苹果酸或草酰乙酸转化成柠檬酸。
2? 谷氨酸生产菌的异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，使进入谷氨酸生成期后的乙醛酸循环弱，使异柠檬酸更多地转化成α-酮戊二酸。
第3章 3 谷氨酸发酵机制
谷氨酸理论转化率
• 1 如果四碳二羧酸全部由乙酰辅酶A通过 乙醛酸循环供给.则有: • 3C6H12O6→6丙酮酸→6乙酸+6CO2
• 6乙酸+2NH3+3O2→2C5H9O4N+2CO2+6H2O • 理论转化率=2×147/(3×180) ×100%=54.4%
谷氨酸理论转化率
• 如果四碳二羧酸全部由CO2固定获得,则1 摩尔葡萄糖生成1摩尔的谷氨酸. C6H12O6+NH3+1.5O2→C5H9O4+CO2+3H2O 理论转化率=147/180=81.7%
谷氨酸发酵强制控制工艺
• 为了稳产,克服培养基原料中某些成分不易控制 带来的影响,在谷氨酸发酵时可采取“强制控制” 的方法,如:“高生物素 高土温”或“高生物素 高青霉素”的方法. • 控制方法:在发酵培养基中预先配加一定量(过 量)的纯生物素,大大地削弱每批原料中生物素 含量变化的影响,高生物素 大接种量能促进菌 体迅速增殖.再在菌体倍增的早期加入相对高的 吐温或青霉素,形成产酸型细胞.固定其它条件, 确保高产稳产.
发酵工艺控制实例
• 某厂使用天津轻工学院选育的WTH-1菌株,以甜 菜糖蜜为原料,采用“高生物素 高土温”工艺, 发酵培养基中预先配加100µg/L纯生物素,削弱 原料中生物素含量不易掌握的影响,同时高生物 素和4%的大接种量,在对数生长期的早期(5小 时左右),加入0.2%的吐温,形成产酸型细胞. • 结果(平均水平):15.7%的初糖,4%接种量,发酵4 小时55分, △OD为0.12,净增湿菌体重0.1353,加 入0.2%吐温60后,再度增殖,总△OD为0.23 净增 湿菌体0.1408之后,OD值稳定,结果产酸10.11%, 转化率63.1%,总尿素7.7%.
谷氨酸发酵机制以及杂菌噬菌体防治
2、利用生物素过量的糖蜜原料进行谷氨酸发酵时， 添加表面活性剂或饱和脂肪酸。
在生物素过量的条件下，添加表面活性剂或饱和脂肪酸 仍能进行谷氨酸发酵，其原因在于这些物质对生物素起拮抗 作用，抑制不饱和脂肪酸的合成，导致油酸合成量减少，磷 脂合成不足，使得细胞膜不完整，提高了细胞膜对谷氨酸的 通透性。常用的表面活性剂有吐温-60、吐温-40等。常用的 饱和脂肪酸有十七烷酸、硬脂酸等。
α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经
还原氨基化反应生成谷氨酸
谷氨酸生物合成 调节机制
CO2 乙酰-coA
Glc
CO2 丙酮酸 羧化酶 草酰乙酸 天冬氨酸 （Asp）
合成酶 柠檬酸 优先合成
反 馈 阻 遏
顺乌头酸 异柠檬酸 异柠檬酸 谷氨酸 Glu 脱氢酶 脱氢酶 α-酮戊二酸
反 馈 抑 制
α-酮戊二酸 脱氢酶
（一）空气的净化：
减少过滤前空气的尘 埃、贾少过滤前空气 的油水含量、保证压 缩空气的温度、妥善 填装过滤介质、选用 高效的过滤器材、保 证一定的气流速度
（二）培养基和设备的灭菌：合理的调配培养基、保证
灭菌温度和时间、保证设备无积污和渗漏、保证流动蒸汽质量、 尽量减少泡沫、正确的进行空气保压。
（三）发酵设备的安装：防
一种脂肪酸。 分子式C18H34O2
4、利用甘油缺陷型菌株进行谷氨酸发酵，限制发 酵培养基甘油的浓度。
甘油缺陷型菌株不能自身合成 α–磷酸甘油和磷脂，外界供给 甘油才能使其生长，因此可以通 过控制甘油添加量来控制细胞膜 对谷氨酸的通透性。 当甘油添加量过多时，磷脂正 常合成，菌体正常生长，不产酸 或产酸低； 当甘油添加量过少时，菌体生 长不好，产酸低，所以控制甘油 亚适量是控制的关键。
谷氨酸摇瓶发酵
谷氨酸摇瓶发酵生物工程xxx xxx xxxxxxxxx摘要根据谷氨酸的发酵机理，本实验通过摇瓶补料发酵生产谷氨酸，并对发酵过程中产谷氨酸量、发酵液OD值、残糖量进行连续的测定。
试验结果表明：四瓶发酵培养基中，只有添加有玉米浆的发酵培养基产谷氨酸，另外3瓶以酵母膏代替玉米浆成分的发酵液都不产谷氨酸。
关键词：谷氨酸发酵摇瓶培养前言1.1 谷氨酸发酵机制在谷氨酸发酵中，生成谷氨酸的主要酶反应有三种：（1）谷氨酸脱氢酶（GHD）所催化的还原氨基化反应；（2）转氨酶（AT）催化的转氨反应；（3）谷氨酸合成酶（GS）催化的反应。
谷氨酸的合成主要途径是α—酮戊二酸的还原性氨基化，是通过谷氨酸脱氢酶完成的。
α—酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体，它来源于三羧酸循环，是三羧酸循环的一个中间代谢产物。
由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径如下图1所示，至少有16步酶促反应。
图1 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。
因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。
1.2 谷氨酸生产菌种的选择目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。
我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌、天津短杆菌等。
为革兰氏阳性菌，菌体为球形、短杆状和棒状，不同形状芽孢，没有鞭毛，不能运动，需要生物素作为生长因子，在通气条件下才能生产谷氨酸。
本实验选择天津短杆菌来摇瓶发酵生产谷氨酸。
1.3谷氨酸发酵过程控制谷氨酸发酵过程中，产生菌种的特性、生物素、发酵温度、pH值、通风和发酵产生的泡沫都是影响谷氨酸积累的主要因素。
在实际生产中只有针对存在的问题，严格控制工艺条件，才能达到稳产、高产的目的。
发酵初期，菌体生长迟滞，约2～4h后即进入对数生长期，代谢旺盛，糖耗快，这时必须流加尿素以供给氮源并调节培养液的pH 值至7.5～8.0，同时保持温度为30～32℃。
第四章谷氨酸发酵机制
1.1.2 转氨基作用
1.2谷氨酸的生物合成途径
①EMP途径 ②HMP途径 ③TCA ④ CO2暗固定 ⑤乙醛酸循环
2.与谷氨酸发酵有关的因子及控制要点
2.1 谷氨酸发酵的主要生化特点 2.2 环境条件的调节(外在因素)
3.生物素对谷氨酸生物合成途径影响
3.1 生物素对糖酵解途径的影响 3.2 生物素对CO2暗固定途径的影响 3.3 生物素对乙醛酸途径的影响
第四章 谷氨酸发酵机制
1.谷氨酸的生物合成途径 2.与谷氨酸发酵有关的因子及控制要点 3.生物素对谷氨酸生物合成途径影响 4细胞膜透性调节 5.利用温度敏感型突变株进行谷氨酸发酵的机 制
1.谷氨酸的生物合成途径
• 1.1 谷氨酸的生物合成方式 • 1.1.1 还原氨基化
• 异柠檬酸脱氢酶和谷氨酸脱氢酶的偶联反应
4. 细胞膜透性调节
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 生物素对细胞膜透性调节 实验事实 油酸对细胞膜透性的影响 甘油对细胞膜透性的影响 青霉素对细胞膜透性的影响
5.利用温度敏感型突变株进行谷氨酸 发酵的机制
• 温度敏感型突变株(temperature sensitive mutant，
用Ts表示) 。
谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理
谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理谷氨酸是一种重要的氨基酸，在生物体内具有多种生理功能。
谷氨酸可以通过微生物发酵来进行生产，其原理涉及谷氨酸合成途径、微生物的选择和培养条件等方面。
谷氨酸的合成途径主要有六个步骤：1.氨基酸途径：谷氨酸的合成通常从谷氨酸和丙氨酸开始，通过谷氨酰酶催化谷氨酰胺的形成。
谷氨酰胺再通过转氨酶催化生成谷氨酸。
2.置换途径：谷氨酸可以通过谷氨酰胺一==缩素酶催化转化为谷氨酰胺乙酯，然后通过转移氨基团的方式产生谷氨酸。
3.酸碱反应途径：谷氨酰胺可以通过半酮酸和异烟酸一氧化酶的作用生成谷氨酸和甲酰胺。
4.脱羧途径：谷氨酰胺通过谷氨酰胺脱羧酶作用生成一氨基戊二酸。
一氨基戊二酸通过戊二酰胺酶的作用生成谷氨酸。
5.氨基化途径： 6.缩合途径：在微生物世界中，产谷氨酸的微生物种类较为丰富，常用的包括大肠杆菌、枯草杆菌、澳〜芽黴菌等。
这些微生物在制备谷氨酸过程中,通常以批次发酵或者连续发酵的方式进行。
在微生物的选种上，常规方法是在自然界中选择产谷氨酸的微生物株，并通过筛选和改良来提高其产谷氨酸的能力。
此外，还可以通过对遗传物质的改造来提高谷氨酸的产量。
例如，通过筛选产谷氨酸能力强的菌株，并通过杂交、基因重组等手段获取高产菌株。
还可以通过诱变技术来提高菌株的遗传稳定性和谷氨酸生产能力。
除了选择合适的菌株，培养条件对谷氨酸的产量也有很大的影响。
常用的培养基包括碳源、氮源、无机盐、维生素和培养基的pH等。
碳源主要是葡萄糖和淀粉，它们为微生物提供能量和生长的基础；氮源则是微生物合成氨基酸的必要条件，常用的氮源包括氨盐、尿素和蛋白质等；无机盐则是微生物生长和代谢的必需物质，对于提高谷氨酸产量也有重要的影响；维生素也是微生物生长过程中必不可少的物质，它们参与微生物的代谢反应，提高酶的活性和产酶能力；培养基的pH值也对微生物的生长和代谢有很大的影响。
除了基本的培养要素外，还需要采用适当的发酵技术和方法来进行谷氨酸的生产。
《谷氨酸发酵机制》课件
谷氨酸发酵的重要性
谷氨酸是一种重要的氨基酸，被广泛应用于食品添加剂、保健品和生物制药。 通过发酵的方式生产谷氨酸可以提高产量、降低成本，并减少对环境的负面 影响。
谷氨酸发酵的步骤和机制
1
底物预处理
通过酸、碱或酶法对底物进行处理，提高底物的稳定性和可溶性。
2
发酵菌种的选取
选择耐受酸碱环境和高温菌株，以提高发酵的效率。
高效产量、低成本、环境友好、可持续发展。
2 挑战
产物纯度、酸碱环境要求、底物来源等方面仍存在一些挑战，需要继续研究和改进。
结论和展望
谷氨酸发酵作为一种重要的生物制造技术，具有广泛的应用前景。未来的研 究和发展将围绕提高发酵产量、改进底物处理和优化发酵条件等方面展开。
谷氨酸发酵的应用领域
食品工业
谷氨酸在多种食品中被用 作增味剂和调味料，例如 速溶面、方便面和火锅底 料。
医药工业
谷氨酸可以作为药物的原 料，用于制造钙镁谷氨酸 功能性化合物，如生物降 解塑料和动物饲料添加剂。
谷氨酸发酵的优势和挑战
1 优势
《谷氨酸发酵机制》PPT 课件
本课件将介绍谷氨酸发酵的机制，探讨其背景和重要性，并深入解析其步骤 和影响因素。同时，我们将探讨谷氨酸发酵的应用领域，以及该过程的优势 和挑战。最后，我们会进行结论和展望。
发酵的定义和背景
发酵是一种生物化学过程，通过在无氧条件下，利用微生物转化有机物质， 例如糖类和氨基酸，生产活性化合物。发酵广泛应用于食品、医药和化工工 业。
3
发酵条件的调控
管理发酵容器的温度、pH值和氧气含量，以优化菌株的生长和代谢过程。
发酵条件和影响因素
• 温度：合适的温度可以促进菌株的生长和酶活性。 • pH值：控制pH值可以影响底物的离解度和菌株的代谢途径。 • 氧气含量：调节氧气含量可以影响发酵产物的产量和质量。 • 营养条件：提供适当的营养物质可以促进菌株的生长和代谢。
2谷氨酸发酵机制
2.2.1 优先合成与反馈调节
黄色短杆菌的谷氨酸代谢调节机制如图 2-3所示，以它为例说明以葡萄糖为原料生物 合成谷氨酸主要存在的代谢调节方式。
图2-3 黄色短杆菌谷氨酸的代谢调节机制
1-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶；2-柠檬酸合成酶；3-异柠檬酸脱氢酶； 4-α-酮戊二酸脱氢酶；5-谷氨酸脱氢酶
(1)优先合成
(2)谷氨酸脱氢酶活性强
谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶活性都很 强。该酶以NADP+为专一性辅酶，谷氨酸发酵 的氨同化过程，是通过连接NADP+的L-谷氨酸 脱氢酶催化完成的。沿着由柠檬酸至α-酮戊二 酸的氧化途径，谷氨酸产生菌有两种NADP+专 性脱氢酶，即异柠檬酸脱氢酶和L-谷氨酸脱氢 酶。
在谷氨酸生物合成中必须有谷氨酸脱氢
由于1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，因此理 论糖酸转化率为81.7%(147/180×100%=81.7%)。
上式中四碳二羧酸(草酰乙酸)100%通过CO2 固定反应供给。
2.1.3 谷氨酸发酵的代谢途径
葡萄糖生成丙酮酸后，一部分氧化脱 羧生成乙酰CoA，一部分固定CO2生成草 酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在 柠檬酸合成酶催化下缩合成柠檬酸，再经 氧化还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。
当以葡萄糖为碳源时，CO2固定反应与 乙醛酸循环的比率对谷氨酸产率有显著影 响，乙醛酸循环活性越高，谷氨酸生成收 率越低。因此，在糖质原料发酵生产谷氨 酸时，应尽量通过CO2固定反应供给四碳二 羧酸，减弱乙醛酸循环。
2.2 谷氨酸生物合成的调节机制
谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型，谷 氨酸发酵时通常控制生物素亚适量，引起代 谢失调，使谷氨酸得以积累。
谷氨酸的分泌可降低细胞内产物的浓度， 消除了谷氨酸转化成其它代谢物的可能，减低 了对谷氨酸脱氢酶的抑制，并使谷氨酸的生成 途径畅通。由生物素亚适量可造成细胞膜对产 物的高通透性。生物素改变细胞膜通透性的机 制与影响细胞膜磷脂的含量及成分有关。还可 通过添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸或青霉 素等控制细胞膜对谷氨酸的通透性。通过选育 温度敏感突变株、油酸缺陷型或甘油缺陷型等 突变株也可控制细胞膜对谷氨酸的通透性 。
微生物工程工艺原理第五章氨基酸发酵机制422170
第二篇 发酵机制
（一）EMP途径、HMP途径 谷氨酸生产菌存在着两种代谢途径：EMP、 HMP ；EMP/HMP=90/10。
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
（二）TCA、DCA和CO2固定作用 1.TCA环（三羧酸循环） P69表5-2：谷氨酸是通过三羧酸循环途径 合成的；为此： α-酮戊二酸之前的代谢必须畅通； α-酮戊二酸脱氢酶活性丧失或很小；
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
（2）分解代谢产物阻遏 细胞内同时有两种分解底物（如碳源）或其 分解产物存在时，被菌体迅速利用的那种分 解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的 现象。
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的 底物本身直接作用的结果，而是通过其分解过 程中所产生的中间代谢物所引起。即：代谢反 应链中，某些中间代谢物或末端代谢物的过量 累积而阻遏代谢途径中一些酶的合成。如葡萄 糖效应。
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
第二节 微生物代谢调节及代谢工程
微生物的代谢产物可分为：
初级代谢产物：微生物通过代谢活动所产生 的、自身生长和繁殖所必需的物质。 特征：不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的，与菌 体的生长呈平行关系。
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
（4）增效反馈抑制：代谢途径中任何一种 末端产物过量时，仅部分抑制共同途径中的 第一个酶活性，但两个末端产物同时过量时， 其抑制作用可超过各产物存在的抑制能力的 总和。
第五章 氨基酸发酵机制
第二篇 发酵机制
（5）顺序反馈抑制：每个分支末端产物抑 制分支后的第一个酶，产生部分抑制作用。 通过逐步有顺序的方式达到的调节。
第二章 谷氨酸发酵
第二章 谷氨酸发酵机制 3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性 控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (3) 油酸缺陷型 油酸缺陷型突变株阻断了油酸的合成，丧失了脂肪酸生物合成的能力。 (4) 甘油缺陷型 甘油缺陷型菌株的遗传阻碍是丧失α-磷酸甘油脱氢酶，自身不能合成α-磷酸甘 油和磷脂。 (5) 温度敏感突变株 其突变位置发生在与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜的结构基因上，发生碱基 的转换或颠换，这样为基因所指导释出的酶，在高温时失活，导致细胞膜某些 结构的改变。
第二章 谷氨酸发酵机制 乙醛酸循环的作用 (1) 菌体生长期 由于三羧酸循环的缺陷——α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力微 弱，为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，需走乙醛酸循环途径。 乙醛酸循环产生的苹果酸仍可返回三羧酸循环。 (2) 谷氨酸生成期 封闭乙醛酸循环。 (3) 如果CO2固定反应完全不起作用，丙酮酸完全氧化成乙酰CoA，，则 3C6H12O6 2C5H9O4N 此时，理论糖酸转化率为54.4%. 实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物等，消耗一部分糖，实际糖 酸转化率处于54.4%和81.7%之间。
α-酮酸
第二章 谷氨酸发酵机制 1 谷氨酸的生物合成途径
1.1 生成谷氨酸的主要酶反应 (3)谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
COOH CHNH2 CH2 CH2 COOH
α-酮戊二酸
COOH
COOH
+
CHNH2 CH2 CH2 COOH
谷氨酰胺
+ NADPH + H+
谷氨酸合成酶
CHNH2
2 CH
第二章 谷氨酸发酵机制 3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性 控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (1) 生物素缺陷型 生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶， 参与了脂肪酸的合成，进而影响磷脂的合成。限制发酵培养基中生物素的浓度 控制脂肪酸生物合成，从而控制控制磷脂的合成。当磷脂减少到正常值的一半 时，细胞变性，谷氨酸向膜外渗出，积累于发酵液中。 (2) 添加表面活性剂 在不饱和脂肪酸的合成过程中，吐温-60或饱和脂肪酸等抑制脂肪酸的合成。
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• (3)谷氨酸合成酶(Gs)催化的反应
α-酮戊二酸 + 谷氨酰胺
NADPH2 NADP GS
2谷氨酸
二、谷氨酸生物合成的理想途径
• 由葡萄糖发酵谷氨酸的理想途径
※第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、优先合成与反馈调节
1、优先合成 2、反馈调节
二、糖代谢的调节 三、氮代谢的调节 四、其它调节
一、优先合成与反馈调节
④ -酮戊二酸脱氢酶在谷氨酸产生菌中 先天性地丧失或微弱。
⑤磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节。磷酸
烯醇式丙酮酸羧化酶受天冬氨酸的反馈抑制， 受谷氨酸和天冬氨酸的反馈阻遏。
磷酸烯醇式丙酮酸 ④ 丙酮酸
葡萄糖
①柠檬酸合成酶 ②磷酸烯醇式
丙酮酸羧化酶 ③丙酮酸羧化酶 ④丙酮酸激酶CO2来自③ ②草酰乙酸 Asp
苹果酸
乙酰CoA
①
柠檬酸
乙酰CoA
⑥
乙醛酸
异柠檬酸
延胡索酸
α-酮戊二酸
琥珀酸
谷氨酸
谷氨酸生产菌的育种思路
在菌体的代谢中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成。 谷氨酸合成过量后，谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活 力和阻遏柠檬合成酶的合成。使代谢转向天冬氨酸 的合成；天冬氨酸合成过量后，反馈抑制磷酸烯醇 式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。所 以在正常情况下，谷氨酸并不积累。
(1) 、优先合成
在菌体的代谢中，谷氨酸比天冬 氨酸优先合成。谷氨酸合成过量后， 谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力和阻 遏柠檬合成酶的合成。使代谢转向天 冬氨酸的合成；天冬氨酸合成过量后， 反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的 活力，停止草酰乙酸的合成。所以在 正常情况下，谷氨酸并不积累。
黄色短杆菌中，谷氨酸、天冬氨酸生物合 成的调节机制
1、谷氨酸发酵中的生物素问题
… … 发酵通讯科技第32卷第1期2003年2月
2、谷氨酸发酵中生物素含量的测定
… … 发酵通讯科技第32卷第2期2003年2月
3、谷氨酸的代谢控制发酵育种
… … 发酵通讯科技第32卷第2期2003年2月
(3)生物素对乙醛酸循环的影响 乙醛酸循环中关键酶是异柠檬酸裂解酶 和苹果酸合成酶。
①异柠檬酸裂解酶催化的反应
• ②苹果酸合成酶催化的反应
乙醛酸循环的关键酶异柠檬酸裂解酶受葡萄糖、 琥珀酸阻遏，为醋酸所诱导。以葡萄糖为原料 发酵生产谷氨酸时，通过控制生物素亚适量， 几乎看不到异柠檬酸裂解酶的活性。
第二章 谷氨酸发酵机制
• 第一节 谷氨酸的生物合成途径
• 谷氨酸的生物合成包括酵解途径(EMP)、磷酸 戊糖途径(HMP途径)、三羧酸循环(TCA循环)、 乙醛酸循环、伍德－沃克曼反应(CO2固定反应 等)。
一、生成谷氨酸的主要酶促反应
• （1）谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原 氨基化反应
α-酮戊二酸＋NH4+ ＋NADPH2 GHD 谷氨酸＋H2O+NADP
原因：①丙酮酸氧化能力下降，醋酸的生成速 度慢，所以为醋酸所诱导形成的异柠檬酸裂解 酶就很少。②由于该酶受琥珀酸阻遏，在生物 素亚适量条件下，因琥珀酸氧化能力降低而积 累的琥珀酸就会反馈抑制该酶的活性，并阻遏 该酶的生成，乙醛酸循环基本上是封闭的。这 样就使代谢流向异柠檬酸 －酮戊二酸谷氨 酸的方向高效率地移动。
• ②生物素充足时，异柠檬酸裂解酶的活性增强，琥珀
酸氧化力增强，丙酮酸氧化力加强，乙醛酸循环的比例 增加。草酰乙酸、苹果酸脱羧反应增强，蛋白质合成增 强，谷氨酸减少，合成的谷氨酸通过转氨作用生成的其 它氨基酸量增加。
生物素充足条件下
生物素缺乏条件下
在生物素充足与缺乏条件下异柠檬酸代谢途径
四、其它调节
(2)转氨酶(AT)催化的转氨反应
• 这一反应是利用已存在的其他氨基酸， 经过转氨酶的作用，将其它氨基酸与酮戊二酸生成L－谷氨酸。
COOH C=O CH2 CH2 COOH
COOH
+ CHNH2
R
转氨酶
COOH CHNH2 CH2 CH2 COOH
COOH
+ C=O
R
α酮戊二酸
氨基酸
谷氨酸
α-酮酸
除了上述调节机制外，发现在以醋酸或石 蜡为碳源时，铜离子对谷氨酸的生物合成 具有调节作用。
在以醋酸为碳源，利用一种短杆菌D248 进行谷氨酸发酵时，添加低浓度的铜离子， 可以促进谷氨酸的积累。
利用石蜡节杆菌KY4303菌株以石蜡为 碳源，在青霉素存在下培养，则铜离子可 促进海藻糖和谷氨酸的生物合成。
• (2)生物素对CO 2固定反应的影响
①由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化的 反应
• ②由丙酮酸羧化酶催化的反应
• ③先由苹果酸酶所催化，进行还原羧化作用， 生成苹果酸。然后再生成草酰乙酸：
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，
参与CO2的固定反应。据有关 资树报道，生物素大过量
(100g／L以上)， CO2固定反 应可提高30％。
(2) 、反馈调节
①谷氨酸脱氢酶(GDH)的调节 谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在 着反馈抑制和反馈阻遏。
②柠檬酸合成酶的调节 柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶， 除受能荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏和乌头酸的反馈抑 制。
③异柠檬酸脱氢酶的调节 异柠檬酸脱氢酶催化的异柠檬酸脱 氢脱羧生成-酮戊二酸的反应和谷氨酸脱氢酶催化的-酮戊 二酸还原氨基化生成谷氨酸的反应是一对氧化还原共轭反应， 细胞内 -酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡。当 -酮 戊二酸过量时对异柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用，停止合 成。
• 1、能荷控制(细胞内的能量水平)
二、 糖 代 谢 的 调 节
能量生成代谢系的调节
➢2．生物素对糖代谢的调节
➢(1)生物素对糖代谢速度的影响
➢ 生物素对糖代谢的影响主要是影响糖解 速度。
➢ 在生物素充足条件下，由于糖降解速度显著提
高，打破了糖降解速度与丙酮酸氧化速度之间 的平衡，丙酮酸趋于生成乳酸，因而会引起乳 酸的溢出。
• 三、氮代谢的调节
• 控制谷氨酸发酵的另外一个关键因素就是降 低蛋白质的合成能力，使合成的谷氨酸不去
转化成其它氨基酸和参与蛋白质的合成。
• ①生物素亚适量时，几乎没有异柠檬酸裂解酶，琥珀
酸氧化力弱，苹果酸和草酰乙酸脱羧反应停滞，同时又 由于完全氧化降低的结果，使ATP形成量减少，导致蛋 白质合成活动停滞，在铵离子适量存在下，积累谷氨酸。 生成的谷氨酸也不通过转氨作用生成其它氨基酸和合成 蛋白质。