氨基酸在发酵中的作用(一)
氨基酸在发酵中的作用
氨基酸在发酵中的作用一、引言发酵是一种利用微生物代谢产物进行生物转化的过程，广泛应用于食品工业、饲料工业和生物制药等领域。
而氨基酸作为生物体内重要的有机物，也在发酵过程中发挥着重要的作用。
本文将从氨基酸在发酵中的作用机制、应用及前景等方面进行探讨。
二、氨基酸在发酵中的作用机制1.提供碳源和能源：氨基酸是微生物合成蛋白质的基本单元，可以被微生物利用作为碳源和能源。
在发酵过程中，微生物通过代谢氨基酸产生能量，并将其转化为所需的代谢产物。
2.调节酶活性：氨基酸可以作为酶的辅因子，调节酶的活性。
在发酵过程中，一些关键酶的活性会受到氨基酸的调节，从而影响代谢途径的进行。
3.调节细胞内pH值：氨基酸在细胞内可离子化，释放出氢离子或吸收氢离子，从而调节细胞内的pH值。
适宜的pH值对微生物的生长和代谢具有重要的影响，氨基酸可以在发酵过程中维持适宜的pH值，提高发酵效率。
4.提供氮源：氨基酸中的氨基团含有丰富的氮元素，可以作为微生物合成蛋白质和其他氮化合物的氮源。
发酵过程中，微生物利用氨基酸中的氨基团合成所需的氮化合物，促进代谢产物的合成。
三、氨基酸在发酵中的应用1.食品工业：氨基酸可以作为发酵食品中的营养添加剂，提供微生物生长所需的营养物质，促进发酵过程。
例如，在酱油、酱料和味精等食品的发酵中，氨基酸作为调味品添加剂，不仅能够提高食品的口感和风味，还能够增强食品的营养价值。
2.饲料工业：氨基酸作为饲料添加剂，可以提高动物的生长性能和免疫力。
在畜禽饲料中添加适量的氨基酸，有助于提高饲料的利用率，降低环境污染，达到绿色养殖的目的。
3.生物制药：氨基酸在生物制药中的应用十分广泛。
一方面，氨基酸可以作为生物药物的原料，通过发酵合成所需的蛋白质药物；另一方面，氨基酸也可以作为生物药物的稳定剂，保护药物的活性和稳定性，提高药物的疗效。
四、氨基酸在发酵中的前景随着生物技术的不断发展，发酵工艺在各个领域中的应用越来越广泛。
而氨基酸作为重要的发酵辅助剂，其应用前景也日益广阔。
发酵对食品中氨基酸的转化和生物利用率的提高作用
发酵对食品中氨基酸的转化和生物利用率的提高作用发酵是一种利用微生物作用将食品中的一些成分转化成有益物质的过程。
在食品加工过程中，发酵可以改善食品的口感、营养价值和保质期。
对于食品中的氨基酸，发酵不仅可以促进其转化，还能提高其生物利用率。
氨基酸是构成蛋白质的基本组成部分，具有非常重要的营养功能。
然而，一些食品中的氨基酸并不易被人体吸收和利用。
这是因为氨基酸在食品中通常以复杂的形式存在，人体对这些复杂结构的氨基酸吸收能力有限。
此外，一些特定的氨基酸可能受到食品中其他成分的抑制作用，导致其吸收和利用率较低。
发酵可以改变食品中氨基酸的形态和结构，使其更易被人体吸收和利用。
在发酵过程中，微生物通过代谢作用将复杂的氨基酸结构分解成更简单的形式。
这些简单结构的氨基酸易于通过人体的消化系统吸收，并能更好地参与新陈代谢过程。
此外，发酵还能促进氨基酸之间的互作用，增加其生物活性。
发酵对食品中氨基酸的转化和生物利用率提高的作用，可以通过以下几个方面来解释。
首先，发酵可以降解食品中的抗营养物质。
一些食品中含有抗营养物质，如蛋白酶抑制剂和嘌呤酸。
这些抗营养物质能够抑制胃酶和肠酶的活性，从而影响氨基酸的消化和吸收。
发酵过程中，微生物可以分解这些抗营养物质，降低其对氨基酸的抑制作用，提高氨基酸的生物利用率。
其次，发酵可以合成一些益生菌和酶类物质。
在发酵过程中，一些益生菌能够产生和释放酶类物质，这些物质可以降解食物中的复杂结构，释放出氨基酸。
此外，益生菌还能够合成和分泌一些有益的代谢产物，如维生素和抗氧化物质，提高氨基酸的生物利用率。
另外，发酵还可以改变食物中的pH值和酸碱度。
一些氨基酸在酸性环境中更易于溶解和吸收。
发酵过程中，微生物产生的有机酸可以降低食品的pH值，将其变成酸性环境，有利于氨基酸的溶解和吸收。
最后，发酵还可以改善食物中的口感和风味。
一些食品在发酵过程中会发生肉质软化和风味改善的变化，这主要是由于发酵过程中产生的酶类和气味物质的作用。
氨基酸发酵机制及过程概述
葡萄糖和琥珀酸等对异柠檬酸裂解酶起着阻遏作用。
(1)以糖质为原料的谷氨酸发酵中生物素对 DCA循环的影响
在生物素亚适量条件下，琥珀酸氧化力降低， 积累的琥珀酸会反馈抑制异柠檬酸裂解酶活性，并 阻遏该酶的生成，DCA循环基本处于封闭状态， 异柠檬酸高效率地转化为α–酮戊二酸，再生成谷 氨酸。 在生物素充足的条件下，异柠檬酸裂解酶活性 增大，通过DCA循环提供能量，进行蛋白质的合 成，不仅异柠檬酸转化生成谷氨酸的反应减弱使得 谷氨酸减少，而且生成的谷氨酸在转氨酶的催化作 用下又转成其它氨基酸，也不利于谷氨酸积累。
7.醋酸或正石蜡原料发酵谷氨酸的推测途径 在醋酸发酵谷氨酸或石油发酵谷氨酸时，却只能 经乙醛酸循环供给四碳二羧酸，四碳二羧酸经草酰 乙酸又转化为柠檬酸。
二、谷氨酸生物合成的代谢调节机制
分解代谢： 从环境中摄取营养物质，把它们转 微生物 的代谢
化为自身物质，以此来提供能源和 小分子中间体；
合成代谢：合成代谢将分解代谢产生的能量和
6乙酰CoA +2NH3+3O 2谷氨酸 +2CO2+6H2O 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3mol葡萄糖可以生成2mol的谷氨酸，谷氨 酸对葡萄糖的质量理论转化率为：
(3)实际转化率：处于二者之间，即54.4%～ 81.7%。 CO2固定反应、乙醛酸循环的比率等对转化率影 响较大。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。
α -酮戊二酸脱氢酶 NH4 异柠檬酸脱氢酶 乙醛酸循环中的两个关键 酶——异柠檬酸裂解酶和 苹果酸合成酶。
谷氨酸 （胞内）
转移到胞外
（二）谷氨酸合成的理想途径
生物素充足菌EMP所占比例约为62％； 在发酵产酸期，EMP所占比例更大，约为74％。
氨基酸发酵机制及过程
④沿着由柠檬酸至α–酮戊二酸的氧化途径，谷氨酸产 生菌有两种NADP专性脱氢酶，即异柠檬酸脱氢酶和L谷氨酸脱氢酶。 在谷氨酸的生物合成中，谷氨酸脱氢酶和异柠檬 酸脱氢酶在铵离子存在下，两者非常密切地偶联起 来，形成强固的氧化还原共轭体系，不与NADPH2 的末端氧化系相连接，使α–酮戊二酸还原氨基化生 成谷氨酸。
2．三羧酸循环(TCA循环)的调节
谷氨酸产生菌在代谢途径中，三羧酸循环的调节主要 是通过5种酶的调节进行的。这五种酶是磷酸烯醇式丙酮 酸羧化酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢 酶和α-酮戊二酸脱氢酶。
草酰乙酸+谷氨酸
谷氨酸转氨酶
天冬氨酸+α -酮戊二酸
谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后， 谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力并阻遏柠檬酸合成酶 的合成，使代谢转向天冬氨酸的合成。
在谷氨酸发酵生产中，生物素缺陷型菌在 NH4+存在时，葡萄糖消耗速率快而且谷氨酸收率 高； NH4+不存在时，葡萄糖消耗速率很慢，生 成物是α–酮戊二酸、丙酮酸等物质，不产生谷氨 酸。
四、细胞膜通透性的调节
对谷氨酸发酵的重要性： 当细胞膜转变为有利于谷 氨酸向膜外渗透的方式， 谷氨酸才能不断地排出细 胞外，这样既有利于细胞 内谷氨酸合成反应的优先 性、连续性，也有利于谷 氨酸在胞外的积累。
4．CO2固定反应的调节
CO2固定反应主要通过以下途径完成：
C02的固定反应的作用：补充草酰乙酸； 在谷氨酸合成过程中，糖的分解代谢途径与C02固定 的适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关键问题。
5．NH4+的调节
谷氨酸脱氢酶也能催化谷氨酸氧化脱氨反应，脱 氨过程以NAD+作为辅酶，该酶催化的反应虽然偏向 氨合成谷氨酸一边，但是脱氢过程产生的NADH被氧 化成NAD+，同时产生的NH3很容易被除去。 脱氨反应被NH4+和α–酮戊二酸所抑制，这对于谷 氨酸的积累也起到了很好的作用。
氨基酸类药物的发酵生产—谷氨酸的发酵生产
生物素的来源：氨基酸生产上可以作为生物素来源的原料 有玉米浆、麸皮水解液、糖蜜及酵母水解液等，通常选取 几种混合使用。例如，许多工厂选择纯生物素、玉米浆、 糖蜜这三种物质来配制培养基。各种原料来源及加工工艺 不同，所含生物素的量不同。玉米浆含生物素500μg/kg， 麸皮含生物素300μg/kg，甘蔗糖蜜含生物素1500μg/kg。
操作简单 周期长，占地面积大。
直接常温等电点法工艺流程
发酵液
起晶中和点（pH4-4.5) 育晶（2h）
盐酸
菌体及细小的 谷氨酸晶体
等电点搅拌pH3-3.22 静置沉降4-6h 离心分离
成品
母液
干燥
湿谷氨酸晶体
2、离子交换法
可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨 酸阳离子，并可用热碱液洗脱下来，收集谷氨酸 洗脱流分，经冷却、加盐酸调pH 3.0～3.2进行结 晶，之后再用离心机分离即可得谷呈棒形或短杆形； 革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢；不能运动； 需氧性的微生物； 生物素缺陷型； 脲酶强阳性； 不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；
发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变； 二氧化碳固定反应酶系强； 异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱； α-酮戊二酸氧化能力微弱； 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活
有机氮丰富有利于长菌，因此谷氨酸发酵前期要 求一定量的有机氮，通常在基础培养基中加入适 量的有机氮，在发酵过程中流加尿素、液氨或氨 水来补充无机氮。
（3）无机盐
磷酸盐 ：工业生产上可用K2HPO4·3H2O、KH2PO4、 Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸盐，也可用磷酸。 过高：代谢转向合成缬氨酸。 过低：菌体生长缓慢。
氨基酸发酵
• 生产氨基酸的大国为日本和德国。 • 日本的味之素、协和(xiéhé)发酵及德国的德固
沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生 产高品质的氨基酸,可直接用于输液制剂的 生产。
• 日本在美国、法国等建立了合资的氨基酸
生产厂家,生产氨基酸和天冬甜精等衍生物。
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• 国内生产氨基酸的厂家主要是天津氨基酸公司,湖北八
烷烃 碳源浓度过高时，对菌体生长不利，氨
基酸的转化率降低。 菌种性质(xìngzhì)、生产氨基酸种类和所采
用的发酵操作决定碳源种类
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2、氮源：铵盐、尿素、氨水；
• 同时调整pH值。 • 营养(yíngyǎng)缺陷型添加适量氨基酸主要以添
加有机氮源水解液。
• 需生物素和氨基酸，以玉米浆作氮源。 • 尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。
ɡǎn jūn)K-12及棒状杆菌家族，通常是通过诱变选育出 的基础产率较高的菌株。
• 大肠杆菌遗传背景研究得清楚，载体系统完善，利于
工程菌的构建，但它含有内毒素且不能将蛋白产物分 泌至胞外，为应用带来困难。
• 棒状杆菌能克服这两个缺点，但载体受体系统研究
较晚且有限制修饰系统的障碍，所以获得利于外源 基因导入及表达且能稳定遗传的受体菌是尚待解决 的问题。
产的一种方法(fāngfǎ)。
• 典型的例子就是谷氨酸发酵。 • 改变培养条件的发酵转换法中,有变化铵离
子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰 胺和缬氨酸发酵
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2.2 用营养缺陷 变异株的 (quēxiàn) 方法
• 这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成
某步反应阻遏的营养缺陷型变异(biànyì)体，使 生物合成在中途停止，不让最终产物起控 制作用。
发酵工程-第十章-氨基酸
4.谷氨酸产生菌（全是细菌）
棒杆菌属
Corynebacterium
短杆菌属
北京棒杆菌 C. pekinense 钝齿棒杆菌 C. crenatum 谷氨酸棒杆菌 C. glutamicum 黄色短杆菌 B. flvum 产氨短杆菌 B. ammoniagenes
Brevibacterium
小杆菌属
应采用的最好方法是（
）
A．加大菌种密度
B．改变碳源和氮源比例 C．改变菌体细胞膜通透性
D．加大葡萄糖释放量
为什么添加适量生物素或青霉素可提高谷氨酸产量？
控制生物素含量，可改变细胞膜的成分，改变膜的透性、谷氨
生物素：乙酰-CoA羧化酶的辅酶，与脂肪酸及磷脂合成有关。
酸的分泌和反馈调节。
生物素含量高时，细胞膜致密，阻碍Glu分泌，并引起反馈 抑制，加适量青霉素可提高Glu产量。
另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。
氨基酸的生物合成
1、天冬氨酸族生物合成途径
合成苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸。
天冬酰氨 甲硫氨酸 琥珀酰高丝氨酸 →异亮氨酸 DAP合成酶 二氨基庚二酸→赖氨酸 合成酶
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨酸为原料，
草酰乙酸→天冬氨酸→天冬氨酸磷酸→天冬氨酸-β-半醛→高丝氨酸→苏氨酸
因而用阳离子交换树脂。
理论上讲发酵液上柱的pH值应低于3.22， 但实际上控制在5.0 6.0之间，因Na+、 NH4+交换能力>谷氨酸，优先交换，臵换出
H+使pH值低于3.2，使谷氨酸成为阳离子，
但不能>6.0。
4.电渗析法
膜分离过程，利用的是电位差。
二次电渗析法：
pH3.2：除去各种盐类。 pH3.2:除去蛋白质、残糖和色素等非电解质。
各种氨基酸对枯草芽孢杆菌生产聚谷氨酸的促进作用
119各种氨基酸对枯草芽孢杆菌生产聚谷氨酸的促进作用张超，栾兴社，朱明晟，孙娜，杨统见，王书燕山东建筑大学市政与环境工程学院（济南 250101）摘要研究了各种氨基酸对枯草芽孢杆菌发酵生产聚谷氨酸的影响。
在发酵初始添加 3 g/L 天冬氨酸、1.5 g/L苯丙氨酸和在对数生长期晚期添加7 g/L谷氨酸使聚谷氨酸产量分别提高12.6%，23.7%和31.7%。
再用均匀设计法进一步优化。
优化后的氨基酸添加量为：8 g/L谷氨酸、3.5 g/L天冬氨酸、1 g/L苯丙氨酸，γ-PGA产量达到37.92 g/L，与优化前得到的培养结果相比，提高了9.9%。
关键词枯草芽孢杆菌；氨基酸；聚谷氨酸；发酵Stimulatory Effects of Some Amino Acids on γ-Polyglutamic Production byBacillus subtilisZhang Chao, Luan Xing-she, Zhu Ming-sheng, Sun Na, Yang Tong-jian, Wang Shu-yan School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University (Jinan 250101)Abstract The effect of amino acid on production of γ-Polyglutamic by Bacillus subtilis Z-115 was investigated. The γ-Polyglutamic production was increased 12.6%, 23.7% and 31.7%, respectively, with 3 g/L aspartic acid, 1.5 g/L phenylalanine fed to the fermentation medium at the initial fermentation and 7 g/L glutamic acid at 24 h. Then, Uniform design was adopted for further optimization. The concentration of amino acids was obtained as follows: glutamic acid 8 g/L, aspartic acid 3.5 g/L, phenylalanine 1 g/L. Under such conditions, the γ-PGA production was increased to 37.92 g/L, which was 9.9% higher than the maximum value in the single factor tests.Keywords Bacillus subtilis ；amino acid ；γ-Polyglutamic ；fermentation聚谷氨酸（γ-PGA）是微生物产生的一种胞外氨基酸聚合物，是一种水溶性、可被生物降解的新型高分子材料，在食品、环保、医药、化工、化妆品等领域具有广阔的应用前景[1-4]。
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氨基酸在发酵中的作用(一)
氨基酸在发酵中的作用
导语
氨基酸在发酵过程中扮演着重要的角色。
本文将从以下几个方面介绍氨基酸在发酵中的作用。
1. 提供营养物质
•氨基酸是构成细胞和蛋白质的基本组成部分，可以为发酵微生物提供必需的营养物质。
•发酵过程中，微生物会利用氨基酸构建细胞壁、合成酶和代谢产物等，从而促进发酵反应的进行。
2. 调节发酵反应
•氨基酸在发酵过程中起到调节pH值和维持稳定温度的作用。
•氨基酸可以通过与酸碱物质反应，调节发酵液的酸碱度，提供适宜的环境条件。
•同时，某些氨基酸具有缓冲作用，能够稳定发酵液的温度，保证反应的均衡进行。
3. 促进物质转化
•氨基酸对发酵微生物代谢途径中的多种物质转化具有促进作用。
•例如，氨基酸可以被分解为胺和酸，进而与其他物质反应，产生独特的香味、色泽和口感等特征。
4. 提高产量和质量
•适量添加氨基酸可以提高发酵反应的产量和质量。
•氨基酸作为微生物的重要营养源，可以增加微生物的生长速度和代谢活性，从而提高产酸、产酶等发酵反应的效率。
5. 其他应用领域
•氨基酸在发酵工业以外的领域也有广泛应用。
•在食品工业中，氨基酸可以增强食品的营养价值和口感。
•在药物生产中，氨基酸可以作为药物结构的组成部分，影响药物的活性和稳定性。
结语
氨基酸在发酵过程中具有多重作用，既能为微生物提供营养物质，又能调节环境条件和促进物质转化。
在发酵工业和其他应用领域中，
氨基酸的重要性不可忽视。
通过进一步的研究和应用，我们可以更好
地利用氨基酸的功能，推动发酵工艺和产品的改进和创新。
6. 氨基酸的优化利用
•随着科学技术的进步，氨基酸的优化利用在发酵工业中变得越来越重要。
•通过研究氨基酸的结构、功能和作用机制，可以精确地设计和调控发酵过程中的氨基酸供应和代谢途径。
•这样的优化利用可以提高发酵反应的产量、速度和效率，从而实现发酵工艺的可持续发展。
7. 氨基酸的未来发展
•氨基酸作为一类重要的生物活性分子，在未来的发展中将发挥更多的潜力。
•利用基因工程和生物技术手段，可以生产更多种类和更高纯度的氨基酸，满足不同领域的需求。
•同时，研究氨基酸之间的相互作用和调控机制，可以开发出更多高效、低成本的发酵工艺。
•这些发展将推动氨基酸在发酵工业以及食品、医药等领域的广泛应用。
总结
氨基酸作为发酵过程中的重要组成部分，对发酵反应的效果起到
决定性的影响。
通过合理利用和研究氨基酸的作用和机制，可以不断
提高发酵工艺的效率和产量，推动发酵工业的发展。
随着科技的进步，氨基酸的优化利用和未来发展将为人类带来更多的好处和创新。