谷氨酸

谷氨酸发酵综述

谷氨酸（glutamic acid）化学式为C5H9O4N，是一种酸性氨基酸，化学名称为α-氨基戊二酸，是20种常见α-氨基酸之一。谷氨酸为无色晶体，结晶状态是稳定的，微溶于水但溶于盐酸溶液，密度为1.538（kg/m3），等电点为3.22，谷氨酸有左旋体，右旋体，和外消旋体。谷氨酸的解离常数：pK’1(COOH)为2.19，pK’2(NH3+)为4.25(γ-COOH),pK’3为9.67（NH3+）。谷氨酸是非必需氨基酸的一种，大量存在与谷类中，谷氨酸有鲜味，谷氨酸钠是味精的主要成分，用于增加食物的鲜味。

正文：

一：谷氨酸发酵

在谷氨酸发酵中，改变细胞膜的通透性，使谷氨酸不断地排到细胞外面，就会大量生成谷氨酸。研究表明，影响细胞膜通透性的主要因素是细胞膜中的磷脂含量。因此，对谷氨酸产生菌的选育，往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受损伤入手，如生物素缺陷型菌种的选育。生物素是不饱和脂肪酸合成过程中所需的乙酰CoA的辅酶。生物素缺陷型菌种因不能合成生物素，从而抑制了不饱和脂肪酸的合成。而不饱和脂肪酸是磷脂的组成成分之一。因此，磷脂的合成量也相应减少，这就会导致细胞膜结构不完整，提高细胞膜对谷氨酸的通透性。

1，谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵，环境条件对谷氨酸发酵具有重要的影响，控制最适宜的环境条件是提高发酵产率的重

要条件。

（1）碳源

目前使用的谷氨酸生产菌均不能利用淀粉只能利用葡萄糖和果糖等。在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压力大对菌体生长很不利，谷氨酸对糖的转化率降低。国内谷氨酸发酵糖浓度为125—150g/L，但一般采用流加糖工艺。

（2）氮源

常见无机氮源：尿素，液氮，碳酸氢铵。常见有机氮源：玉米浆，豆浓，糖蜜。当氮源的浓度过低时回事菌体细胞营养过度贫乏，形成“生理饥饿”，影响菌体繁殖和代谢，导致产酸率低。随着玉米浆的浓度增高，菌体大量增殖使谷氨酸非积累型细胞增多，同时又因生物素过量是代谢合成磷脂增多，导致细胞膜增厚不利于谷氨酸的分泌造成谷氨酸产量下降。

碳氮比一般控制在100:15—30。

（3）磷

当磷浓度过高时，很容易发生发酵转换，转向合成缬氨酸；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于高产酸。

（4）生物素

随着生物素的添加量的不断增加，发酵产酸先增大后减小。（5）溶氧

谷氨酸发酵是典型的好氧发酵，溶解氧对谷氨酸产生菌种子培

养影响很大。溶解氧过低，菌体呼吸受到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是并非溶氧越高越好，当溶氧满足菌的需氧量后继续升高，不但会造成浪费还会由于高氧水平抑制菌体生长和谷氨酸生成。

（6）pH值

在谷氨酸发酵过程中，随着谷氨酸的不断生成，发酵液的pH值不断的减小，对谷氨酸产生抑制，为了维持发酵的最佳条件，采用流加尿素和液氮的方法。发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，在氨过量存在的情况下以谷氨酸铵的形式存在，所以从发酵罐出来的是谷氨酸铵，而不是谷氨酸。

（7）温度

在整个流加发酵中，并非一定要控制恒温培养，因为菌体最适生长温度不一定是菌体积累代谢终产物的最佳温度。谷氨酸菌体最适生长温度为30—32℃，谷氨酸最适合成温度为34—37℃；发酵初期温度提高可以缩短细胞生长时间，减少发酵总时间；发酵中后期的菌体活力较强，适当提高发酵温度有利于细胞膜渗透性和产酸，故温度应控制稍高一些。

2，代谢途径

谷氨酸产生菌中谷氨酸的生物合成途径：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，二氧化碳固定反应等。葡萄糖经过EMP和HMP途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰辅酶A进入TCA循环，

另一部分固定二氧化碳生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，在经过还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。

在谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行，生物素充足，菌HMP所占的比例是38%，控制生物素亚适量的结果，发酵产酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占的比例约为26%。

由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径中的主要过程至少有16步酶促反应。在糖质原料发酵法生产谷氨酸时，应尽量控制通过二氧化碳固定反应供给四碳二羧酸，在谷氨酸发酵的菌体生长期，需要异柠檬酸裂解反应，走乙醛酸循环途径。菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封闭乙醛酸循环。

乙醛酸循环的作用：若二氧化碳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，脱氢羧酸全部氧化成乙酰辅酶A，通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸。当以葡萄糖为碳源时，二氧化碳固定反应与乙醛酸循环的比率对谷氨酸产率有影响，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，应尽量控制通过二氧化碳固定反应供给四碳二羧酸。

在生长之后，理想的发酵铵如下反应进行：

C6H12O6+NH3+1.5O2—C6H9O4N+CO2+3H2O

理论收率为81.7%。四碳二羧酸是100%通过二氧化碳固定反应供

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%，实际收率处于中间值。

在谷氨酸棒状杆菌中谷氨酸的生物合成主要遵循EMP，PP途径和TCA循环，从中取得产物合成所需的前体和NADH。然后，这种细菌显示出特殊的对TCA循环的回补反应，由于谷氨酸是直接从α-酮戊二酸衍生，因此，对TCA循环的大力回补是谷氨酸高产的先决条件。原来以为只有PEP羧化酶在回补反应中起作用。其实13C-示踪研究和代谢流分析表明，必须有另外的羧化反应。研究有关的酶活的结果表明谷氨酸棒状杆菌具有丙酮酸脱氢酶，能把乙酰辅酶a投入TCA循环，同时拥有PEP羧化酶和丙酮酸羧化酶，现已成功的将这两个基因克隆，对其突变株的研究表明，这两种羧化酶可以相互替换，确保葡萄糖衍生的3C单元转化为草酰乙酸。这就使得谷氨酸棒状杆菌拥有更大的灵活性来补充TCA循环的中间体。

谷氨酸脱氢酶催化α-酮戊二酸还原性的氨化，生成谷氨酸。此酶是一种多聚体，经各亚单位的相对分子质量为49100。它具有高的比活，且谷氨酸在胞内的浓度达到150m mol／L,而一般的氨基酸在胞内的浓度低于10 m mol／L。这是因为除了直接供应细胞的合成谷氨酸还要提供各类转氨反应所需的氨基。估计大约有70％的氨基源自谷氨酸。

3，关键酶

α-酮戊二酸脱氢酶，谷氨酸脱氢酶