谷氨酸发酵工艺流程
目录
一、谷氨酸简介 (2)
二、谷氨酸发酵的工艺流程 (2)
2.1谷氨酸生产菌种 (3)
2.2生产原料 (3)
2.3培养基制备 (3)
2.3.1碳源 (3)
2.3.2氮源 (3)
2.3.3生物素 (4)
2.4种子扩大培养 (4)
2.5谷氨酸发酵 (4)
三、谷氨酸发酵的工艺控制 (4)
3.1环境控制 (4)
3.1.1pH (4)
3.1.2温度 (4)
3.1.3通风量 (5)
3.1.4泡沫 (5)
3.1.5无菌 (5)
3.2.细胞膜渗透性控制 (5)
四、小结 (5)
五、参考文献 (6)
谷氨酸发酵工艺
山东农业大学生命科学学院08级生物工程2班邢若枫
摘要：众所周知，日常所用调味料味精就是L一谷氨酸单钠盐(monosodiuo gluamate，MsG)。自1909年日本发明并工业化生产味情以来，几经变迁，已发展成为以谷氨酸发酵为主体的世界性氨基酸发酵工业。1956年从日本开始，以后先后由面二筋豆粕和废糖蜜浓缩物水解的方向，转向以糖质为原料的细菌发酵法。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、谷氨酸发酵机制和研究动向等方面，说明谷氨酸发酵的发展。[1]
关键词：谷氨酸；发酵；工艺；研究；发展
一、谷氨酸简介
谷氨酸一种酸性氨基酸，分子内含两个羧基，化学名称为α-氨基戊二酸。为无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸溶液，等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。分子式C5H9NO4、分子量147.13076。
谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。谷氨酸可生产许多重要下游产品如L—谷氨酸钠、L—苏氨酸、聚谷氨酸等。氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。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。脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。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。在工业上，聚谷氨酸可降解塑料，是环境友好材料。[2]
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。
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]
二、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。（流程见图表1）
图表1谷氨酸发酵工艺流程
2.1谷氨酸生产菌种
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。
在已报道的谷氨酸生产菌中，除芽孢杆菌外，它们都有一些共同特点：革兰氏阳性，菌体为球形、短杆至棒状，不形成芽孢，没有鞭毛，不能运动，需要生物素作为生长因子，在通气条件下才能产生谷氨酸。
2.2生产原料
玉米、小麦、甘薯、大米等。其中甘薯和淀粉最为常用，大米进行浸泡磨浆，再调成15Bx，调pH6.0，加细菌α-淀粉酶进行液化，85℃30min，加糖化酶60℃糖化24h，过滤后可供配置培养基。甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。糖蜜原料因含丰富的生物素，不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源。预处理方法为，活性碳或树脂吸附法和亚硝酸法吸附或破坏生物素。也可以再发酵液中加入表面活性剂或添加青霉素。
2.3.培养基制备
谷氨酸发酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。
2.3.1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、果糖等，有些菌种还能利用醋酸、正烷烃等做碳源。
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，由于渗透压过大，则对菌体的生长很不利，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。
2.3.2氮源
常见无机氮源：尿素，液氨，碳酸氢铵。常见有机碳源：玉米浆，豆浓，糖蜜。当氮源
的浓度过低时会使菌体细胞营养过度贫乏形成“生理饥饿”，影响菌体增殖和代谢，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使代谢合成磷脂增多，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。
2.3.3生物素
含硫水溶性维生素，是B族维生素的一种，又叫做维生素H或辅酶R。广布于动物及植物组织，已从肝提取物和蛋黄中分离，是多种羧化酶辅基的成分。生物素的作用主要影响谷氨酸生产菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。生物素对发酵的影响是全面的，在发酵过程中要严格控制其浓度。（具体可看控制膜渗透性）
2.4种子扩大培养
斜面培养，谷氨酸生产菌适用于糖质原料，需氧，以生物素为生长因子，32°C培养18-24h。一级种子在摇瓶机上振荡培养，培养基1000ml装200-250ml振荡，32°C，培养12h。二级种子用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的1%，用水解糖代替葡萄糖于32°C进行通气搅拌7-10h。二级种子培养过程中，pH的变化有一定规律，从pH6.8上升到pH8左右，然后逐步下降。二级种子培养结束时，无杂菌或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列，活菌数为108-109/ml，活力旺盛处于对数生长期。各条件均逐步接近发酵条件（培养基成分见培养基配制）。
2.5谷氨酸发酵
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°C。
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°C。
发酵后期，菌体衰老糖耗慢，残糖低。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。从发酵液中提取谷氨酸的方法，一般有等电点法、离子交换法、金属盐沉淀法、盐酸盐法和电渗析法。[4]
三、谷氨酸发酵的工艺控制
谷氨酸生产菌是营养缺陷型，对生长繁殖、代谢产物的影响非常明显。
3.1环境控制
3.1.1pH
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。
3.1.2温度
谷氨酸发酵前期应采取菌体生长最适温度为30～32°C。对数生长期维持温度30-32°C。谷氨酸合成的最适温度为34～37°C。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。
3.1.3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。
3.1.4泡沫
，使培养液产生泡沫是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CO
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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。3.1.5无菌
谷氨酸生产菌对杂菌及噬菌体的抵抗力差。一旦染菌，就会造成减产或无产现象的发生，预示着谷氨酸发酵生产的失败，这使厂家造成不同程度的损失。所以预防及挽救很重要的。常见杂菌有芽孢杆菌、阴性杆菌、葡萄球菌和霉菌。针对芽孢杆菌，打料时，检查板式换热器和维持管压力是否高出正常水平。如果堵塞，容易造成灭菌不透。板式换热器要及时清洗或拆换。维持罐要打开检查管路是否有泄漏或短路。阀门和法兰是否损坏。针对阴性杆菌，对照放罐体积，看是否异常。如果高于正常体积，可能是排灌泄漏，对接触冷却水的管路和阀门等处进行检查。针对葡萄球菌，流加糖罐和空气过滤器要进行无菌检查，如果染菌要统一杀菌处理。针对霉菌，加大对环境消毒力度，对环境死角进行清理。[5]
噬菌体不耐高温，一般升温至8O℃噬菌体就会死亡。在发酵2h-10h污染噬菌体，判断正确后，把发酵液加热至45°C10min把谷氨酸菌杀灭。[6]在发酵10h～14h污染噬菌体，仍是把发酵加热至45℃10min，压出发酵罐，进行分罐处理，一般可分成两罐来处理。发酵18h后出现OD下跌，此时残糖在3％左右，出现耗糖缓慢或停止。镜检没有发现菌体碎片，可能是溶源菌或发酵前期出现高温现象，造成菌体自溶。处理方法补入4u-5u单位纯生物素，压入相对同期的发酵液10％的量，继续发酵。发酵结果比同期发酵结果略差。[7]
3.2细胞膜渗透性控制
3.2.1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。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。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。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。
3.2.2控制细胞壁的合成
细胞壁合成不完全，细胞膜容易造成机械损伤和经不起内部渗透压的压力，造成膜的破坏，加大通透性。对数生长期早期，添加青霉素或头孢霉素C。青霉素抑制细胞壁的后期合成。
四、小结
谷氨酸发酵是一个复杂的过程，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。影响谷氨酸发酵的因素很多，随着生物技术、计算机自控技术的提升，相信谷氨酸发酵控制技术也会得到不断提升。针对氨基酸行业发酵生产现状，应采用代谢工程等方法，
优化生产菌种和发酵工艺，使得菌种发酵的综合技术不断提高，对谷氨酸产业提高国际竞争力具有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1] 王选良.谷氨酸发酵[J].《中国酿造》.1986(05):12-20
[2] 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
[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] 廉立伟，谭玉晶，刘巍，文强．细菌鉴定在谷氨酸发酵生产中的应用[J].《发酵科技通讯》.2004(04):22-23
[6] 吕阳爱.谷氨酸发酵过程污染噬菌体的处理[J].《发酵科技通讯》.2009(04):25-26
[7] 邱炜炜，林有波，谢天阳，预防噬菌体污染的有效方法[J].《发酵科技通
讯》.2000(01):38-39