谷氨酸发酵

谷氨酸发酵工艺和发展运用
摘要生产味精谷氨酸之类氨基酸的发酵，区别于传统的酿酒和
抗菌素发游，是一种改变微生物代谢的代谢控制发酵。

本文则就
谷氨酸发酵生产过程、谷氨酸发酵机制，说明谷氨酸发酵的发展。

关键词：谷氨酸；发酵；工艺；研究；发展
前言
谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵。

谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径的特异，而是菌体代谢调节控制和细胞膜通透性的特异调节以及发酵条件的适合【1】。

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【2】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。

【3】
1.谷氨酸发酵的工艺流程
菌种的选育，培养基配制，斜面培养，一级种子培养，二级种子培养，发酵（发酵过程参数控制通风量、pH、温度、泡沫），发酵液。

1.1 菌种棒状杆菌属谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)：生物素缺陷型、温度敏感型；北京棒杆菌、钝齿棒杆菌；短杆菌属：黄色短杆菌、天津短杆菌。

1.2培养基
1.2.1.保藏斜面培养基：
牛肉膏l％，蛋白胨l％，氯化钠0.5％，琼脂2％，pH7.0。

1.2..2活化斜面培养基：
葡萄糖0.1％，牛肉膏l％，蛋白胨l％，氯化钠0.5％，琼脂2％，pH7.0。

1.2..3一级种子培养基：
葡萄糖2.5％，玉米浆3.1％；，尿素0.55％，磷酸氢二钾0．12％，硫酸镁0.06％，pH7.0。

1.2.4摇瓶初筛发酵培养基：
葡萄糖12％，玉米浆0.8％，磷酸二氢钾0.2％，硫酸镁O.04％，pH7.0。

1.2.5摇瓶复筛发酵培养基：
葡萄糖18％，玉米浆0.5％，甘蔗糖蜜0.15％，磷酸二氢钾0.2％，硫酸镁0.04％．pH7.0。

1.3 斜面培养斜面菌种：32～33℃培养，22h。

1.4 一级种子培养 32—33℃培养，往复式摇床，冲程76mm，转速100r／min，9h。

1.5 发酵培养往复式摇床，冲程80mm。

装量：20ml／500ml三角瓶。

接种量：5％。

转速：前期100r／min，第一次加尿后125rJmin。

温度：前期32～33℃，后期34～350C。

转速：前期100r／min，后期125dmin。

pH：40％尿素控制。

2.菌种的保藏
2.1 菌种保藏的重要意义
微生物的世代时期一般是很短的，在传代过程中易发生变异甚至死亡，因此常常造成工业生产菌种的退化，并有可能使优良菌种丢失,菌种是从事微生物学以及生命科学研究的基本材料，特别是利用微生物进行生产。

所以菌种保藏是入行微生物研究和微生物育种工作的重要组成部分。

其任务首先是使菌种不死亡。

2.2菌种的保藏方法
液氮超低温保藏法此法是适用范围最广的微生物保藏法。

尤其是不产孢子的菌丝体用其他保存方法不当可用此法保存效果较好保存期最长。

用液氮能长期保存菌种，这是因为液氮的温度可达-196℃，远遥低于其新陈代谢温度（-130℃），所以此时菌种的代谢活动已停止，化学作用亦随之消失。

液氮超低温保藏法简便易行，关键是要有液氮灌、冰箱设备。

该法要点是：将要保藏的菌种置于10%甘油中，密封与安剖内，先将菌液降至0℃，再以每分钟降低1℃的速度，一直将至-35℃，然后将安剖放入液氮罐中保存。

3谷氨酸发酵
3.1在发酵罐中进行。

适应期，尿素分解氨使pH上升。

糖不利用。

2-4h。

接种量和发酵条件控制使改期缩短。

对数生长期，糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形，不产酸，12h。

采取流加尿素办法及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH在7.5-8.0，维持温度30-32℃。

菌体生长停止期，谷氨酸合成，糖和尿素分解产生α-酮戊二酸和氨用于合成谷氨酸。

及时流加尿素以提供足够的氨并使pH维持在7.2-7.4。

大量通气，控制温度34-37℃。

发酵后期，菌体衰老糖耗慢，残糖低【7】。

营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。

不同的谷氨酸生产菌其发酵时间有所差异。

低糖（10%~12%）发酵，其发酵时间为36~38h，中糖（14%）发酵，其发酵时间为45h。

发酵后期菌体衰老，糖耗慢，残糖低。

当营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。

一般发酵周期为30h。

【4】
3.2谷氨酸发酵的工艺控制
3.2.1pH
谷氨酸生产菌的最适pH一般是中型或微碱性pH7.0～8.0条件下累计谷氨酸，发酵前期的pH值以7.5左右为宜，中后期以7.2左右对提高谷氨酸产量有利。

3.2.2温度
谷氨酸发酵前期应采取菌体生长最适温度为30～32℃。

对数生长期维持温度30-32℃。

谷氨酸合成的最适温度为34～37℃。

催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在32-36°C左右，在发酵中、后期需要维持最适的产酸温度，以利谷氨酸合成。

3.2.3通风量
谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，有氧、无氧的条件下都能生长，只是代谢产物不同。

谷氨酸发酵过程中，通风必须适度，过大菌体生长慢，过小产物由谷氨酸变为乳酸。

应在长菌期间低风量，产酸期间高风量，发酵成熟期低风量。

其中，谷氨酸发酵罐现均采用气一液分散较理想的圆盘涡轮式多层叶轮搅拌器【5】。

3.2.4泡沫
谷氨酸发酵时好气性发酵，因通风和搅拌和菌体代谢产生的CO2，使培养液产生泡沫是正常的，但泡沫过多不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸代谢，也会影响正常代谢以及染菌。

因此，要控制好泡沫是关键。

消泡方法有机械消泡（靶式、离心式、刮板式、蝶式消泡器）和化学消泡（天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂）两种方法。

4.提取工艺
谷氨酸提取的基本方法有：等电点结晶法，特殊沉淀法，离子交换法，溶剂萃取法.在提取工艺中，需要完成：谷氨酸铵→谷氨酸→谷氨酸一钠的产品转化过程。

而此转化过程需要消耗大量的酸碱，产生大量环境污染，提高生产成本。

生产工艺直接等电点方法（少数锌盐法）→等电离交方法→浓缩连续等电点法（少数厂家采用）。

等电点法还能分成常温、中低温、一次低温（盐酸、硫酸），带菌体浓液一次等电点法【6】。

发酵液-----浓缩-----用盐酸水解-----过滤-----滤液脱色-----浓缩-----用碱液中和浓缩液，控制PH值-----低温放置，析出晶体【8】。

5 谷氨酸用途
5.1食品业：
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。

5.2日用化妆品：
谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。

用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。

用于皮肤，对治疗皱纹有疗效
5.3医药业：
谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。

谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均
有一定疗效。

用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠（钾）注射液，谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。

6 我国发展趋势
我国谷氨酸目前总发酵能力已接近160万吨，约占全球谷氨酸产能的75％；而日本的谷氨酸产能，即包括日本味之素株式会社在本土和海外分公司产能在内的合计只有不到60万吨；韩国的谷氨酸发酵能力在20万－25万吨。

再加上我国台湾地区的谷氨酸发酵能力，可以认为，亚洲谷氨酸厂商基本上主宰了国际谷氨酸市场。

与此同时，我国也已取代日本成为全球最大的味精（谷氨酸钠）出口国。

而西方国家逐渐改变对味精使用的观念，估计对今后的谷氨酸市场将是一大利好。

7.结语
当前对其发酵过程的控制还需要不断深入，如高产菌种的选育、微生物代谢过程的本质、产物积累、发酵过程动力学模型的建立及应用等还需进一步探讨，自动化的加入，让工业生产在效益上大大提高的同时改善生产环境，减少人员的工作强度。

针对氨基酸行业发酵生产现状，控制发酵过程，自动化技术的提升，相信谷氨酸发酵控制技术也会得到不断提升。

参考文献：
[1] 陈宁．氨基酸工艺学[M]．北京：中国轻工业出版社，2007．
[2] 谭平. L-谷氨酸合成新工艺研究[D]. 湖南：湖南大学，2006.
[3] 刘森芝.谷氨酸发酵生产菌的研究与开发[J].《发酵科技通讯》.2009(04):30-31
[4] 张刚.《乳酸细菌——基础、技术和应用》[M].北京：生物·医药出版分社，2007.1
[5] 王帅. L-谷氨酸发酵高产菌选育及其发酵优化的研究[D]. 江苏：江南大学，2008.
[6] 王东阳. 谷氨酸高产菌的原生质体诱变育种及其发酵条件研究
[D]. 天津：天津科技大学，2005.
[7] 刁立兰. 谷氨酸发酵中生物素的测定及控制[D]. 山东：山东轻工业学院，2008.
[8] 陈景勇. 谷氨酸萃取与沉淀分离研究[D]. 江苏：江南大学，2008.。