谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理
谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理
谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理谷氨酸（Glutamic acid）是一种重要的氨基酸，广泛应用于食品、医药和化妆品等领域。
而谷氨酸的生产主要依靠谷氨酸产生菌（Glutamic acid-producing bacteria）进行，这些菌类具有独特的环境适应能力和代谢特点。
在本文中，我们将探讨谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理。
一、菌类的选择谷氨酸产生菌主要包括大肠杆菌、枯草芽胞杆菌和谷糖激酶杆菌等。
这些菌类具有较高的谷氨酸产量和生长速率，且可在不同环境条件下生存繁殖。
其中，大肠杆菌是最常用的谷氨酸产生菌之一，其在发酵过程中能够高效地转化底物为谷氨酸。
二、底物的利用在谷氨酸的生产过程中，菌类利用底物进行代谢并产生谷氨酸。
底物主要有葡萄糖、乳糖和淀粉等，其中葡萄糖是最常用的底物之一。
菌类通过发酵作用将底物转化为有机酸和酶，进而产生谷氨酸。
三、酶的作用谷氨酸产生菌在代谢底物的过程中产生多种酶，其中谷氨酸合成酶是关键的催化剂。
谷氨酸合成酶能够有效地将底物转化为谷氨酸，并通过多重反应途径提高谷氨酸的产生效率。
此外，谷氨酸氨基转移酶也参与了谷氨酸的生产过程，促进了反应的进行。
四、环境条件的调控谷氨酸产生菌的生长和代谢活动受到环境因素的影响。
适宜的温度、pH值和氧气含量等因素有助于提高菌株的生长速率和谷氨酸产量。
此外，营养物质的浓度和微量元素的供应也对谷氨酸产生起到重要的调控作用。
五、代谢途径的优化为了提高谷氨酸的产量，科研人员进行了一系列的研究，并优化了菌株的代谢途径。
通过基因工程和突变育种等手段，改造或选择出高效的菌株，提高了谷氨酸的合成速率和产量。
同时，控制底物的供应和代谢产物的积累，避免不必要的能量消耗，也有助于提高谷氨酸的生成效率。
综上所述，谷氨酸产生菌通过代谢底物和产生特定的酶，在适宜的环境条件下，利用谷氨酸合成酶等关键酶催化，最终实现了谷氨酸的生产。
科研人员通过优化代谢途径和改造菌株，不断提高谷氨酸的产量和合成效率，为谷氨酸的工业化生产做出了重要贡献。
4谷氨酸发酵机制
硫是含硫氨基酸的组成成分，构成酶的活性基团。培养基 中的硫酸镁供应的硫已充足，不需另加。
3. 钾盐
许多酶的激活剂,钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。 谷氨酸发酵产物生成期需要的钾盐比菌体生长期高。
菌体生长期需硫酸钾量约为0.1g/L,谷氨酸生成期需硫酸钾量
为0.2－1.0g/L.
4. 微量元素
添加方式：
铵盐、液氨等可采取流加方法，液氨作用快，采取连续流加， 尿素少量多次分批流加。 用硫酸铵等生理酸性盐为氮源时，由于铵离子被利用而残留 SO42-等酸根，使PH下降，需在培养基中加入碳酸钙以自动中 和pH。但添加碳酸钙易形成污染，生产上一般不用此法。
三、无机盐
功能
构成菌体成分、酶的组成成分、酶的激活剂或抑制剂、
斜面菌种的培养 目的：纯菌生长繁殖 措施：多含有机氮，不含或少含糖 一级种子培养
目的：大量繁殖活力强的菌体 措施：少含糖分，多含有机氮，培养条件有利于长菌。
二级种子培养
目的：获得发酵所需的足够数量的菌体
为发酵培养基的配制原则
供给菌体生长繁殖和谷氨酸生产所需要的适量的营养和能源 原料来源丰富，价格便宜，发酵周期短，对产物提取无妨碍等。
酶活
改变生物合成途径，使代谢产物发生变化
改变发酵液物理性质 影响菌种对营养物的分解与吸收
5.
6.
不同微生物的最适生长温度不同
同一种微生物，菌体生长和产物合成的最适温度不一定相同。
谷氨酸生产菌的最适生长温度为30-34℃,T6-13菌 株比较耐高温，斜面、一级、二级种子和发酵开始 温度可选用33-34 ℃,生产谷氨酸的最适温度为3537℃. 谷氨酸温度敏感菌株1021最适生长温度是30 ℃， 最适产谷氨酸温度38 ℃,发酵过程中采用分段控制。
谷氨酸的生产工艺ppt课件
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四、培养基
碳源；
氮源； 碳氮比； 磷酸盐； 金属离子和无机盐。
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碳源
碳源一般都是淀粉原料，如玉米、小麦、甘 薯、大米等，其中甘薯和淀粉最为常用； 淀粉原料要先通过制糖工艺水解成微生物可 直接利用的葡萄糖，然后经过中和、脱色再 投放到发酵罐； 糖蜜原料作为碳源，如甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。 糖蜜因富含生物素，在发酵前需要经活性炭、 树脂吸附和亚硝酸法吸附或破坏生物素。
积累并非是当初设想的由于特异代谢途径导 致，而是： 代谢调节控制； 细胞膜通透性的特异调节； 发酵条件的适合。
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葡萄糖
6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 果糖-1，6-二磷酸 6-磷酸葡萄糖酸
5-磷酸核糖
NAD+
NADH2
⑨
3-磷酸甘油醛 丙酮酸 CO2
② ③
乳酸
乙酰辅酶A
磷酸烯醇式 丙酮酸羧化酶 柠檬酸 顺乌头酸
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氮源
作用：合成菌体蛋白质、核酸及谷氨酸的原料； 氮源比碳源对谷氨酸发酵影响更大，约85％ （30%~80%）的氮源被用于合成谷氨酸，另外 15％（3%~5%）用于合成菌体； 大多数氨基酸产生菌都不能分泌胞外水解蛋白 酶，因此常用的有机氮源有玉米浆、豆饼、毛发、 棉籽饼、麸皮等蛋白质原料的水解液； 有机氮源也是氨基酸发酵中重要的生长因子来 源，对氨基酸合成途经具有调控作用。
发酵工程应用实例 谷氨酸发酵
（2） pH值
1） pH值对谷氨酸产生菌生长的影响 2） pH值对谷氨酸积累的影响
发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径。 • 发酵前期如果pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌而不产酸；如果pH偏高，则菌
体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前期将pH值控制在7.5~8.0左右较为合适。 • 而在发酵中、后期将pH值控制在7.0~7.6左右对提高谷氨酸产量有利。
2.形态上共同特点（芽孢杆菌除外）:
（1）革兰氏阳性 （2）菌体为球形、短杆至棒状 （3）不形成芽孢 （4）没有鞭毛，不能运动 （5）都是生物素缺陷型 （6）都是需氧型微生物
二、谷氨酸合成途径
1.谷氨酸合成的方式
（1）氨基转移作用 -酮戊二酸 + 氨基酸
谷氨酸 + -酮酸
（2）还原氨基化作用 -酮戊二酸 + NH4+ + NADPH2
其他
⑤添加青霉素
• 机理:青霉素抑制谷氨酸生产菌细胞壁后期的合成,细胞膜在失去 保护,在渗透压的作用下受损,向外泄露谷氨酸.
• 控制关键:一般在进入对数生长期的早期(3-6小时)添加.添加青霉 素后倍增的菌体不能合成完整的细胞壁,完成细胞功能的转换.
（三）发酵条件的控制
（1）发酵温度
• 谷氨酸发酵前期(0~12h):30-32℃。 • 对数生长期:菌体浓度迅速增大（12h），糖耗快，维持温度30-32℃ • 在发酵中、后期:是谷氨酸大量积累的阶段，而催化谷氨酸合成的谷
• 这个阶段主要是菌体生长，几乎不产酸，一般为12h左右。
3. 谷氨酸发酵
当菌体生长基本停滞就转入谷氨酸合成阶段，此时菌体浓度基本不变， 糖与尿素分解后产生的α－酮戊二酸和氨主要用来合成谷氨酸。这一阶 段，为了提供谷氨酸合成所必需的氨及维持谷氨酸合成最适的pH7.2～ 7.4，必须及时流加尿素，又为了促进谷氨酸的合成需加大通气量，并 将发酵温度提高到谷氨酸合成最适的温度34～37℃。
谷氨酸生产工艺
生物工程专业综合实训（2016 年 11 月谷氨酸生产工艺摘要：谷氨酸做为一种人体所必须的氨基酸，在生命的生理活动周期中具有很大的作用。
不仅参与各种蛋白质的合成，组成人体结构，还做为味精可以给我们带来味蕾上的享受。
现代生产谷氨酸的工艺主要是利用微生物发酵提取而来.不同的发酵方法和不同的发酵条件会造成产量的很大不同.本次谷氨酸的生产工艺,主要是掌握发酵方法和发酵条件的控制,还有各种仪器的使用方法。
通过测得的数据来观察菌种的生长变化,同时谷氨酸发酵工艺各个工段的原理和使用方法. 关键词：谷氨酸；发酵；工艺；等电点。
引言谷氨酸是一种酸性氨基酸，是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义.不论在食品、化妆品还是医药行业，谷氨酸都有很大的用途。
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.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，味精是常用的仪器增鲜剂，其主要成分是谷氨酸钠盐。
过去生产味精主要用小麦面筋(谷蛋白）水解法进行,现改用微生物发酵法来进行大规模生产.不论在食品、化妆品还是医药行业，谷氨酸都有很大的用途。
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。
用于食品内，有增香作用。
甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显着提高食品的风味。
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.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.谷氨酸是里索逊1856年发现的,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。
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。
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。
第六章谷氨酸的提取
• （4）发酵液中尚有其它一些含量很少的发 酵副产物。
• 有机酸类有乳酸、酮戊二酸、琥珀酸等； 氨基酸类有天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、 脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组 氨酸和谷氨酰胺等。各种氨基酸含量小于1 ％。
• (5)谷氨酸发酵液中含有铵离子0.6-0.8％， 残糖1％以下。
• 一般地说，开始加酸中和至PH5左右，这 段时间加酸速度可以快一些，PH5以下，起 晶前后，加酸速度要慢，须倍加小心，发 现晶核时，应立即停止加酸，育晶2h，使 晶核成长壮大，继续缓慢加酸中和至 PH3．2，搅拌育晶。
• 目前工厂一般采用盐酸中和，若用硫酸中 和，要避免局部温度过高，防止形成β-型结 晶，更需缓慢加酸。同时要选用硫酸含量 高，含杂质少，减少溶解度，可提高收得 率。
• (1)从谷氨酸发酵液中提取腺嘌呤。腺嘌呤 是肌苷发酵的必要原料，同时它还可合成 ATP。腺嘌呤是发酵过程核酸降解产物， 利用其解离度不一，在732离子交换树脂中， 用氢氧化钠洗脱时出现两个峰，见图6-1。
可以分开收集。前者为谷氨酸，后者为腺 嘌呤。再精制就可制得腺嘌呤磷酸盐或腺 嘌呤盐酸盐。
(4)盐酸水解-等电点法
• 发酵液中除含有谷氨酸外，尚含有一定量 的谷氨酰胺，焦谷氨酸和菌体蛋白，这些 物质用等电点、离子交换、锌盐法提取是 无法回收的。
• 发酵液经浓缩后加盐酸水解，可回收部分 谷氨酸，从而使谷氨酸的提取收率和谷氨 酸质量得到提高。
(5)离子交换膜电渗析法提取谷氨酸
• 根据渗透膜对各种离子物质的选择透性不 同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。
• 因而在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。 工业生产中等电点法提取谷氨酸就是根据 这一特性，将发酵液PH调至3．2，使谷氨 酸处于过饱和状态而结晶析出。
谷氨酸生产的培养基和发酵工艺控制的主要技术参数
谷氨酸生产的培养基和发酵工艺控制的主要技术参数摘要：谷氨酸非人体所必需氨基酸，但它参与许多代谢过程，因而具有较高的营养价值，谷氨酸能与血氨结合生成谷酰胺，接触组织代谢过程中所产生的氨毒害作用，另外谷氨酸单钠盐有很强烈的鲜味，是重要的调味品。
关键词：谷氨酸发酵影响因素工艺控制谷氨酸发酵主要原料有淀粉、甘蔗蜜糖、甜菜蜜糖等，国内多以淀粉为原料生产谷氨酸。
谷氨可通过谷氨酸生产菌在代谢过程中合成，这是一个复杂的过程，第一步是将原料淀粉水解成糖，即糖化作用，第二步是将糖在谷氨酸菌的作用下发酵成谷氨酸。
由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径：一、谷氨酸的生物合成途径主要有EMP途径、HM途径、TCA途径、乙醛酸循环、伍德—沃克反应等。
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NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。
当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。
因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。
二、谷氨酸生产菌的生化特征有：1、有催化固定CO2的二羧酸合成酶；2、a—酮戊二酸脱氢酶的活性很弱，这样有利于a—酮戊二酸的蓄积；3、异柠檬酸脱氢酶活力很强，而异柠檬酸裂解酶的活性不能太强，这样有利于谷氨酸前提物a—酮戊二酸的合成，满足合成谷氨酸的需要；4、谷氨酸脱氢酶的活力高，这样有利于谷氨酸的合成；5、谷氨酸生产菌经呼吸链氧化的能力要求弱；6、菌体本身进一步分解转化和利用谷氨酸的能力低下，利于谷氨酸的蓄积。
三、谷氨酸发酵工艺谷氨酸生产菌能在菌体外大量积累谷氨酸是由于菌体代谢调节处于异常状态，只有具特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸，这样的菌体对环境条件是敏感。
谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上，是受多种条件支配的。
第四章谷氨酸发酵的代谢与控制
第四章谷氨酸发酵的代谢与控制⏹氨基酸是生物体不可缺少的营养成分之一，因此，氨基酸的生产和应用受到了人们的重视。
⏹氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵，也就是说发酵的关键在于其控制机制是否能被解除，能否打破微生物的正常代谢调节，人为地控制发酵。
⏹谷氨酸参与许多代谢过程，具有较高的营养价值。
谷氨酸发酵目前研究得较为透彻。
4.1谷氨酸合成途径谷氨酸产生菌菌体内形成谷氨酸的方式：（1）还原氨基化作用NH4+和供氢体存在的条件下，α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸（2）氨基转移作用在氨基转移酶的催化作用下，除甘氨酸外，任何一种氨基酸都可与α-酮戊二酸作用，使α-酮戊二酸转化成谷氨酸。
4.2谷氨酸生物合成的调节机制4.2.1 优先合成与反馈调节4.2.2生物素的调节⏹生物素是羧化和转羧化反应的辅酶，在代谢过程中起CO2载体的作用。
⏹生物素充足: 糖酵解速度显著提高，打破了糖降解速度与丙酮酸氧化速度之间的平衡，丙酮酸趋于生成乳酸的反应，因而会引起乳酸的溢出。
生物素限量:丙酮酸的有氧氧化减弱，则乙酰辅酶A的生成量减少，乙酸浓度降低，琥珀酸氧化能力降低而积累。
导致乙醛酸循环基本上封闭。
4.3谷氨酸发酵的代谢控制育种⏹菌体生长期：为获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，需要异柠檬酸裂解酶反应，走乙醛酸循环途径。
⏹谷氨酸生成期：为了积累谷氨酸，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封闭乙醛酸循环。
⏹依据谷氨酸生物合成途径及代谢调节机制，谷氨酸发酵的代谢控制育种可从如下五个方面着手：进、通、节、堵、出。
4.3.1 “进”（1）选育耐高渗透压的菌株1）耐高糖选在20-30%葡萄糖的平板上生长好的突变株2）耐高谷氨酸选育在15-20%谷氨酸的平板上生长好的突变株3）耐高糖、高谷氨酸选育在20%葡萄糖加15%谷氨酸的平板上生长好的突变株。
4.3.2“通”⏹选育解除α-酮戊二酸到谷氨酸反馈调节的突变株1）选育抗谷氨酸结构类似物突变株，如抗谷氨酸氧肟酸等2）选育抗谷氨酰胺的突变株⏹选育强化CO2固定反应的突变株强化二氧化碳固定反应能提高菌种的产酸率1）选育以琥珀酸或苹果酸为唯一碳源的培养基上生长快、大的菌株2）选育氟丙酮酸敏感性突变株⏹选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到α-酮戊二酸代谢的突变株1）选育抗氟乙酸、氟化钠、氟柠檬酸等突变株2）选育强化能量代谢的突变株抗呼吸链抑制剂突变株，如抗丙二酸的突变株抗氧化磷酸化解偶联剂突变株，如抗2，4-二硝基苯酚的突变株。
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谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理谷氨酸是一种重要的氨基酸，在蛋白质合成、能量代谢以及氨基酸代谢中具有重要作用。
谷氨酸产生菌是一类能够通过代谢途径合成谷氨酸的微生物。
它们通过不同的途径将简单的原料转化为谷氨酸，并且还可以从复杂的废弃物中合成谷氨酸。
以下将详细介绍谷氨酸产生菌生产谷氨酸的原理。
1.谷氨酸产生菌的分类和特征：
谷氨酸产生菌包括大肠杆菌、酵母菌、放线菌等，它们在合成谷氨酸的途径和机制上存在一定的差异。
不同的菌株和菌种具有不同的特征和优势，例如抗性强、高效产谷氨酸、适应性强等。
2.利用基因工程改造菌株：
利用基因工程技术改造谷氨酸产生菌株，通过改造代谢途径中的关键酶或调节元件，提高合成谷氨酸的效率。
例如，通过引入外源基因，增加或改善某些限制步骤的作用酶的功能，提高产量和速度。
3.谷氨酸产生菌的代谢途径：
谷氨酸产生菌通过将简单的原料转化为谷氨酸。
其代谢途径分为几个阶段：首先是途径的起始物质，通常是糖类、氨基酸或某些有机酸，然后将这些物质通过一系列的酶催化反应，逐步转化为谷氨酸。
4.谷氨酸产生菌的合成途径：
谷氨酸产生菌的合成途径可以分为两个主要方向：一个是从糖类合成谷氨酸的途径，另一个是从氨基酸合成谷氨酸的途径。
这两个途径在不同的菌株中可能以不同的方式存在。
从糖类合成谷氨酸的途径一般包括以下几个主要步骤：
（1）糖酵解：
糖类会被谷氨酸产生菌中的酵解酶分解为糖酵解产物，例如丙酮酸、乳酸、酒精等。
（2）酮酸的转化：
糖酵解产物通过转化酶的作用，将丙酮酸、乳酸等酮酸转化为苹果酸、柠檬酸等酮酸。
（3）酮酸的转变为α-酮酸：
酮酸通过转氨酶的作用，将酮酸转化为α-酮酸，使得氨基酸与α-酮酸发生反应生成谷氨酸。
从氨基酸合成谷氨酸的途径主要包括以下几个主要步骤：
（1）氨基酸的降解：
氨基酸通常会通过氨解酶的作用，将氨解离出来，生成氨。
进而通过特定路径生成谷氨酸。
（2）氨的转化：
菌株中的某些酶可以将氨转化为丙酮酸或柠檬酸等中间产物。
（3）途径的合成：
丙酮酸或柠檬酸等中间产物再进一步被合成酶催化反应，生成谷氨酸。
5.废弃物利用：
某些谷氨酸产生菌可以利用废弃物合成谷氨酸。
例如，利用稻草浸泡水，获得水解液，再利用谷氨酸产生菌将其中的碳源转化为谷氨酸。
总结：
谷氨酸产生菌通过不同的代谢途径将简单的原料转化为谷氨酸，并且可以从废弃物中合成谷氨酸。
通过基因工程技术改造菌株，提高谷氨酸的产量和速度，对谷氨酸的生产具有重要的意义。
谷氨酸产生菌因其特殊的代谢途径和机制，在工业生产中得到了广泛的应用。