谷氨酸生产菌代谢机理及研究现状

题目谷氨酸生产菌的代谢机理和研究现状

谷氨酸(Glutamic acid)，是人体非必须氨基酸。里索逊于1856年发现谷氨酸，至今已成为世界上氨基酸产量最大的品种。其用途非常广泛，尤其是其下游产品的开发应用。食品行业主要用于味精，增鲜剂的生产，还可与其他氨基酸并用增强功能；医药行业，多用于预防和治疗肝性昏迷，保护肝脏，是肝病患者的辅助药物。而谷氨酸在改善儿童智力发育，维持大脑机能，治疗脑震荡或神经损伤等都有一定疗效；在日常用品中，洗发水、生发剂、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等都可以见到谷氨酸的踪影；农业，谷氨酸还可以用于柑桔增甜剂、微肥的载体、杀菌剂（氨基酸铜）。

1 谷氨酸发酵生产及现状

谷氨酸是第一个成功用于发酵生产的氨基酸。氨基酸的制取始于1820年，而直到1866年德国化学家里豪森才从小麦面筋里水解物里提取到一种碱性氨基酸-谷氨酸。1957年，日本率先用微生物发酵法生产谷氨酸，从而结束了由水解或化学合成法而制取谷氨酸的时代[1]。利用发酵法生产，有原料成本低，反应条件温和，可大规模生产等优点，是目前氨基酸生产的主要方法。我国虽然发酵法生产谷氨酸稍晚，但现已成为世界产量和消费最大的国家。

以味精生产为例，其主要生产流程如下：

目前，我国的味精相关产品发展迅速，产量高居世界首位。据调查，2000-2006年味精行业平均每年增长17%。我国味精年需求量为119万t，味精年人均占有量为769g，而台湾和港澳地区人均占有量为2500g，两者相差甚远。农村味精市场发展较快，各类小食品、食品加工业冷藏盐渍食品和方便食品等不断增加，味精出口逐年扩大，销路日旺。据调查预测，未来10年，中国味精相关产品产量将达到160万t。味精市场空间较大，很有发展前景。

2 谷氨酸生产菌发酵机理

2.1 谷氨酸生物合成途径

谷氨酸代谢途径包括糖酵解途径(EMP)、磷酸己糖途径(HMP)、三羧酸循环(TCA循环)、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应(CO

2

固定反应)等。

葡萄糖经糖EMP（主要）和HMP途径，其中一部分生成丙酮酸，再被氧化成乙酰辅酶A（乙

酰CoA），然后进入三羧酸循环生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及NH

4

+

的存在条件下，经还原氨基化反应生成谷氨酸；另一部分固定CO

2

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，所合成的柠檬酸，再经过氧化还原共扼的氨基化反应生成谷氨酸[2]。

微生物在生长之后，理想的发酵按如下反应进行:

C

6H

12

O

6

+NH

3

+1.5O

2

──C

5

H

9

O

4

N+CO

2

+3H

2

O

理论收率为81.7%，四碳二羧酸是100%通过CO

2

固定反应供给。若通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸，则理论收率仅为54.4%，而实际收率处于中间值。

2.2 谷氨酸代谢机理

自发现谷氨酸到大规模发酵生产，虽已有时日，但起生物合成途径中有一些机理尚不明确，有待研究。

在生物代谢途径中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后，其生物合成受其自身的反馈抑制和反阻遏，代谢转向合成天冬氨酸。天冬氨酸合成过量时，可反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化成草酰乙酸途径中的PC酶活力，则代谢又转向谷氨酸的合成。所以正常生理条件下，微生物并不积累谷氨酸。

谷氨酸合成途径中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化CO

2

固定的关键酶，受谷氨酸的反馈抑制。而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。同时谷氨酸脱氢酶受谷氨酸的反馈抑制和阻遏。

而乙醛酸循环在谷氨酸生物合成中的作用机理少见报道。现有研究显示，在添加生物素亚适量时，菌体细胞更加需要乙醛酸循环的回补功能[3]。

生物素的影响：生物素主要通过作用于生物合成途径和细胞膜通透性两方面来影响谷氨酸合成。生物素是乙酰CoA 羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸的生物合成，继而可以影响磷脂的合成。当生物素控制在亚适量时，脂肪酸合成的不完全使磷脂合成也不完全。由于细胞膜是磷脂双分子层组成的，当磷脂含量减少到正常量的一半时，细胞发生变形，谷氨酸就从胞内渗出，在发酵液中积累。当生物素过量时，由于细胞内有大量的磷脂质，使细胞壁、细胞膜增厚，从而不利于谷氨酸的分泌，使细胞内谷氨酸大量积累，由于其自身反馈阻遏作用使谷氨酸合成量下降，造成产酸率下降，影响发酵生产的经济效益[4]。另一方面，在限量生物素时，异柠檬酸裂解酶几乎没有活力，琥珀酸氧化能力弱，苹果酸和草酰乙酸脱羧反应停滞。同时由于完全氧化降低的结果，使ATP的形成减少，蛋白质合成活动停滞。在铵离子适量条件下，开始生成并积累谷氨酸，且生成的谷氨酸也不会通过转氨作用生成其他氨基酸。在生物素充足条件下，异柠檬酸裂解酶活力、琥珀酸氧化力、丙酮酸氧化力、蛋白质合成、乙醛酸循环比例、草酰乙酸和苹果酸脱羧反应都不断加大，导致谷氨酸合成量减少，通过转氨作用生成的其他氨基酸量也同时增加。

NH

4+ 为谷氨酸合成提供氮源，并且还可以抑制Glu生成的逆反应。当有NH

4

+存在时，葡萄

糖的消耗速度很快，Glu的生成很高；但是当生物素充足时，NH

4

+几乎不影响糖代谢。

有研究表明稀土元素氯化亚铈对谷氨酸棒杆菌S9114的生长及形态有一定影响。结果显示，生长前期，低浓度氯化亚铈对谷氯酸棒杆菌S9114的生长有轻微的促进作用，菌落和细胞大小略有增加；而随着处理浓度的提高和时间的延长，菌体的生长繁殖受到抑制[5]。

近期有报道显示，琥珀酸对异柠檬酸裂解酶的活性具有一定的抑制作用。琥珀酸的增加对谷氨酸的合成有促进作用，而添加苹果酸则降低了谷氨酸的产量[6]。而又有研究表明，添加适量苹果酸能使关键节点发生代谢流迁移，提高了L-谷氨酸合成中心代谢途径的代谢流量[7]。