谷氨酸发酵

预备知识2　谷氨酸发酵

一、谷氨酸简介

氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生产各种氨基酸的现代工业。谷氨酸是最先成功地利用发酵法进行生产的氨基酸，是典型的代谢调控发酵。谷氨酸发酵受菌种生理特征和环境条件的影响，必须严格控制菌体的生长环境，否则很难积累谷氨酸。

谷氨酸是一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为α－氨基戊二酸，分子式为C₅H₉NO₄，相对分子质量147．13。谷氨酸是无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸，等电点为3．22。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上，谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育。食品工业上，味精是常用的增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。

目前，国内谷氨酸生产大都以淀粉质材料为原料，先将其水解成葡萄糖，并以此为碳源，以液氨为氮源，发酵而成。在发酵工艺上，由原先的中糖一次性发酵普遍发展为高糖流加发酵，平均发酵水平为10%～11%，糖酸转化率在55%左右。

由于发酵所产生的产物氨基酸都是微生物的中间代谢产物，它的积累建立在对微生物正常代谢的控制上，因此，谷氨酸发酵的关键取决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。了解谷氨酸的发酵机制，掌握其发酵工艺，将有助于对代谢调控发酵理论的理解，有助于对其他有氧发酵的理解和掌握，也有助于对整个生物与化学知识的融会贯通。

二、谷氨酸发酵原理

谷氨酸发酵包括了谷氨酸的生物合成和产物积累两个过程。

谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，再氧化成乙酰辅酶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有NH＋₄存在的条件下，生成谷氨酸。因此，谷氨酸的生物合成途径包括EMP、HMP、TCA循环、DCA循环和CO₂固定作用等。

主要酶反应：

由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式为

谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌的代谢均存在EMP途径和HMP途径。经这两条途径发酵至丙酮酸后，一部分经氧化脱羧生成乙酰CoA，一部分通过羧化固定CO₂生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合酶催化作用下，缩合成柠檬酸，再经TCA循环中的部分步骤生成α－酮戊二酸，经转氨反应生成谷氨酸。

三、谷氨酸发酵用途

谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射液等。我国的谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较大的提高，但与国外先进水平相比还存在一定差距，主要表现在：设备陈旧，规模小，自控水平、转化率和提取率低，易受噬菌体污染，废水污染问题尚未完全解决等。