谷氨酸综述

味精生产工艺及发展趋势1866年，谷氨酸首先由德国人H. Riffhausen博士用硫酸水解面筋制得[6]。

1908年，日本人池田与铃木发现谷氨酸能用蛋白质酸水解法生产，一年后味之素公司开始了味精的工业化生产。

1923年，我国开始了通过蛋白质酸解法生产味精。

该工艺原料利用率低，产1t味精需30t小麦，工作环境差，劳动强度大，并且污染严重。

生产发展速度缓慢，最高年产量也不超过4,000t[4]。

1956年，从自然界中分离到了一种谷氨酸产生菌，即谷氨酸棒杆菌，这是味精生产史上的重大变革。

1957年开始了通过发酵法生产味精的时代。

1957年，我国组织有关高校、科研院所和企事业单位，开始了谷氨酸产生菌的选育工作，于1965年成功选育谷氨酸产生菌，当年首先在天厨厂投入生产。

40年来，由于我国味精工业在菌种选育、发酵工艺优化、提取工艺和废水处理等各方面的研究工作，使我国味精工业不断向前发展，味精产量年平均增长率为17%。

与20世纪60年代相比，产酸率由50g/L提高到目前的120-140g/L；糖酸转化率由40%-50%提高到60%以上；发酵周期也有相应的缩短，由40 h缩短到30h；提取收率也由90%提高到96%以上；生产成本也大大降低；发酵罐也由50m3扩大到800m3；国内味精年产量由1957年的年产2,000t增加到目前的年产200万t左右[7]。

目前，我国已成为世界味精的生产中心，占世界总产量的70%。

发酵法生产谷氨酸的成功，是整个发酵工业的伟大创举，同时也大大促进了其它发酵产品的研究与生产[2]。

1 L-谷氨酸生产菌的选育对于工业发酵来说，决定发酵生产水平的因素主要有菌种性能、发酵工艺及下游提取工艺等。

在这些因素中，菌种的产酸水平是内因，是决定发酵成败的关键。

国外一般采用青霉素等强制发酵法生产谷氨酸，产酸较高(120-160g/L)[13]；而国内味精厂采用生物素亚适量方法，该方法产酸低，转化率低，原料利用率低，因此开展菌种选育工作一直味精工业发展史上的重点内容[14]。

1.1传统诱变育种技术微生物细胞内各种代谢产物的积累，都是受到菌体自我调节机制的影响。

正常情况下，菌种不会过量合成某种代谢产物，当通过育种手段解除其自我调节机制时，某种产物就会过量积累。

随着谷氨酸棒杆菌各代谢途径及其调节机制的深入了解，使得通过代谢控制发酵原理进行育种更加理性化。

通过诱变育种对菌种进行定向筛选，可达到解除微生物细胞内的自我调节机制，达到过量积累目的产物的目的。

常见的方法包括选育具有结构类似物抗性、营养缺陷型、目的产物分解能力缺陷型等遗传标记的突变株。

诱变育种简单易行，耗资少，并且效果明显，所以得到广泛应用。

通过诱变育种能够扩大原料利用范围，提高菌株的生产能力，简化生产工艺和提取工艺[15]。

近四十年来，国内外很多高校、科研机构和生产厂家纷纷应用自然选育、诱变育种和杂交育种技术对谷氨酸产生菌进行有目的定向改造，已有很多成功的例子。

1983年，Kyowa-Hakko公司利用紫外线、X射线和化学诱变剂对北京棒杆菌和乳糖发酵短杆菌进行诱变处理，获得的突变菌株能够抵抗100μg/mL寡霉素。

1985年，张克旭等以ASl·299为出发菌株，经紫外线、通电、硫酸二乙酯及LiCl等复合诱变，筛选出菌株WHT-1，突破了当时我国谷氨酸生产的10%大关[16]。

1986年，郑善良等采用NTG对菌株FM820-7菌株进行诱变处理，并筛得菌株FM84-415。

该菌株产酸高达119.2g/L，转化率达到59.5%，并且该菌株能耐高糖[17]。

1993年，云逢霖与周婉冰利用用紫外线、亚硝基胍诱变以及原生质体等诱变方法对菌株T6-13进行处理，经过多次筛选，育得S9114菌株。

该菌株能抗高糖(25%-30%)、抗高浓度谷氨酸(20%)，并且不分解利用谷氨酸[18]。

1995年，毛富根等以T6-13为出发菌株，采用激光对其进行辐射诱变，筛选得菌株Lsl68。

该菌株具有遗传稳定性较好、能耐高糖等优点[19]。

1997年，王岁楼等采用Co-γ射线、紫外线和硫酸二乙酯等诱变育种技术对菌株T6-13进行复合处理，并经耐高温驯化，获得突变株Tz310，该菌具有琥珀酸和生物素双重营养缺陷，并且该菌能耐高温[20]。

1.2原生质体融合育种技术国内采用基因工程技术进行菌种改造起步较晚，有关这方面的工作还不够完善。

近年来，一些科研工作者致力于通过原生质体育种技术提高菌株的产酸水平[21]，已有一些成功的例子。

1991年，张克旭、陈宁等对钝齿棒杆菌B9和天津短杆菌TG-866进行原生质体融合育种，成功获得融合子F263和F288，皆具有双亲遗传性状(细胞个体大、产酸高)[22]。

1992年，张蓓等以具有遗传标记寡霉素抗性(Om r)的菌株TN63和具有氟乙酸抗性(FEA r)标记的TN115为亲株，经原生质体融合，育得了具有双亲遗传标记的融合子FTN9108 [23]。

2003年，陈宁以天津短杆菌TG961和温敏型菌株TMG0106为亲株，采用原生质体融合育种技术，筛选出产酸较高的温敏型菌株CN1021 [24]。

1.3基因工程育种技术近年来，基因工程技术迅猛发展，在菌种选育方面得到广泛应用。

尽管近年来人们尝试了通过基因工程手段改造菌种[21]，但由于工业发酵生产规模较大，需菌量多，随菌种的逐级扩大培养极易引起质粒失活甚至丢失，从而使重组基因难以表达，因此通过分子手段进行菌种选育难度依然较大。

2L-谷氨酸的生产工艺提高L-谷氨酸的产酸水平，一是要有优良的菌种，二是要有与之相适应的发酵工艺。

性能良好的菌种是发酵的根本和前提，是决定产酸水平的内因。

而发酵工艺的研究就是找到适合该菌种的最佳外部环境条件，使其良好的发酵性能得到充分的发挥。

这些外部环境条件主要包括种子培养基及培养条件、发酵培养基及发酵条件。

2.1 种子培养基种子培养的目的是为了获得大量繁殖并且活力强的菌体，提高菌体的比生长速率，使菌体尽快的适应外部环境，缩短发酵培养的延滞期，所以种子培养基要求含有丰富的氮源，足够的生物素，少量的碳源，以利于菌体生长。

幼龄菌对温度变化敏感，应避免温度过高和波动过大。

pH值控制不易过低，否则菌种容易衰老。

培养时间不易过长，以7-8h为好。

2.2 发酵培养基与种子培养基不同，发酵培养基不仅为菌体生长繁殖提供营养物质，而且还要合成大量的目的产物。

在一定的范围内，目的产物浓度与菌体浓度成正比，所以要求发酵培养基要利于菌体的生长繁殖。

同时发酵的根本目的是合成目的产物，所有又要有利于代谢产物的积累。

发酵培养基组分主要包括碳源、氮源、无机盐、微量元素等。

发酵培养基除了提供菌体生长所必需的氮源外，还要具有提供目的产物碳架所需的大量的碳，所以发酵培养基中的碳源物质明显高于种子培养基。

发酵培养基中提供氮源和生物素的营养成分是玉米浆。

对于生物素缺陷型菌来说，为了控制菌体较好的转型，必须控制生物素亚适量。

无机盐成分主要包括钾盐、镁盐和磷酸盐，微量元素包括Mn和Fe等。

2.3 温度在影响细菌生长和产酸的因素中，温度起着重要作用。

为了使微生物生长最快和产酸率最高，必须根据菌种的特性选择和控制最适的温度。

如果温度控制过低，菌体生长慢，酶活低，不利于菌体生长和产酸。

若温度控制过高，虽能提高酶反应速率，但易引起菌种衰老，影响最终产酸。

对谷氨酸发酵来说，谷氨酸脱氢酶最适反应温度较高[51]，菌体生长最适温度低于产酸最适温度，所以应采取分阶段温控方式。

谷氨酸产生菌的最适生长温度为30-34℃,产生谷氨酸的最适温度为35-37℃。

在谷氨酸发酵前期长菌阶段和种子培养时应满足菌体生长最适温度，若温度过高，菌体容易衰老。

在产酸期，为了提高谷氨酸的合成速率，必须提高培养温度。

2.4 pHpH对微生物的生长和代谢产物的形成都有很大影响，主要通过影响酶的活性来影响微生物发酵。

谷氨酸发酵在正常情况下，为了保证足够的氮源，满足谷氨酸合成的需要，发酵前期控制pH值7.5左右，发酵中期pH7.2左右，发酵后期pH7.0左右。

在将近放罐时，为了后工序提取谷氨酸，pH6.5-6.8为好。

pH值的控制主要通过流加液氨或氨水。

2.5 供氧产谷氨酸菌是好养菌，氧对菌的生长及谷氨酸的积累有很大的影响，每消耗100g葡萄糖需耗氧41.1g，供氧量是否合适决定整个发酵的成败[49]。

氧气难溶于水，培养基中的溶解氧仅够菌体消耗14s，如果菌体长期处于缺氧状态，将会对菌体造成极大的伤害[46]；同时溶氧水平控制过高将会发生高氧抑制反应，发酵后期菌体易衰老。

在产酸期若溶氧水平控制过低，TCA循环跟不上糖酵解的速度，就会造成乳酸、乙酸等副产物的积累；如果溶氧水平控制过高，菌体生长受到高氧抑制，导致发酵后期菌体TCA循环高效运转，NADPH进入氧化途径，导致产酸低，对发酵也不利[50]。

谷氨酸生产对氧的需求量较高，应控制在30%以上。

2.6 L-谷氨酸补料分批发酵补料分批发酵，又称半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的培养方法，它是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡方式。

补料分批发酵可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏，可以避免在分批发酵中因一次投料过多而产生的负面影响，从而有利于菌体生长和产酸[47]。

为了减少高初糖对菌体生长和产酸的抑制作用，初糖要控制在较低的水平，发酵后期通过流加高浓度糖，使糖浓度维持在10-20g/L。

3味精的提取工艺分析味精现有生产工艺过程可知，谷氨酸提取技术工艺路线的差异不仅决定了谷氨酸的收率和质量，同时也决定了硫酸、液氨等辅助材料的消耗水平；其次，味精工业的主要污染物——高浓度废水集中产生于谷氨酸提取工序。

因而，谷氨酸提取技术已不是一个单纯的产品初步分离工序，它在很大程度上决定着整个味精产业的制造成本、环境障碍和产品质量，最终制约着整个产业的可持续发展。

3.1等电离交工艺流程等电离交工艺如图1所示。

发酵液经冷冻等电后分离得到谷氨酸，残留在等电母液中的谷氨酸通过阳离子交换树脂吸附，再洗脱后回等电结晶扣1。

工艺提取收率高达94％-95％。

缺点是物耗高，提取1t谷氨酸消耗液氨120 kg、硫酸850 kg；成品味精中SO42-；一含量易超标；高浓度废水离交尾液排放量较发酵液体积增加60％左右，化学需氧量高达80 000 n/L以上，还额外产生30-40t化学需氧量为3 000～4 000 mg/L的中浓度树脂洗涤水。

发酵液等电结晶谷氨酸离子交换硫酸洗脱液图1 等电离交工艺流程3.2 浓缩等电工艺流程浓缩等电工艺源自日本昧之素公司糖蜜发酵谷氨酸的提取技术，国内最早由河南莲花味精集团将其嫁接于淀粉糖原料发酵工艺上(图2)，该工艺没有采用“离交技术”，优点是硫酸、液氨消耗低，排放高浓度废水总量仅占发酵液体积的50％左右。