氨基酸工艺学第二章谷氨酸发酵机制
谷氨酸发酵
谷氨酸发酵是利用微生物的糖代谢和氨基酸 代谢来生产谷氨酸。 一. 谷氨酸生物合成代谢途径 以葡萄糖为碳源的代谢途径分两阶段： （一）由葡萄糖转变成-酮戊二酸 主要经历EMP、TCA。 （二）由-酮戊二酸转变成谷氨酸 由谷氨酸脱氢酶进行还原氨基化。
二. 谷氨酸生产菌的主要生化特点 在正常情况下，机体各代谢中间物形成一种 平衡，故-酮戊二酸不会大量积途 径加以控制，使其代谢途径不同于常，筛选优良 菌株是非常关键的，一般应具有特殊的生化特点： （一） -酮戊二酸脱氢酶活力极低或缺失 阻止-酮戊二酸转变成琥珀酸而大量积累。
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（二）谷氨酸脱氢酶活力高且不被低浓度产物谷氨 酸抑制，加快谷氨酸的合成。
（三）细胞膜对谷氨酸的通透性好，使生成的谷氨 酸及时分泌到细胞外，减少细胞内谷氨酸浓度， 避免抑制作用产生。一般采取生物素亚适量，控 制细胞膜的合成，其饥饿状态造成膜通透性好。 （四）减弱乙醛酸循环也是提高以葡萄糖为碳源生 产谷氨酸转化率的方法之一。
2分子乙酰CoA 进入TCA生成 ATP = 20个
异柠檬酸裂解酶
乙醛酸
苹果酸合酶
乙酰辅酶A
琥珀酸
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三. 环境条件对谷氨酸发酵的影响
有了优良菌株，还要控制一定条件，造成适于谷氨酸 高产的特定环境： 1. 供氧量要适中：供氧不足，丙酮酸转变成乳酸, -酮 戊二酸生成减弱；供氧过多，NADH过度被氧化，使 -酮戊二酸还原氨基化减弱。 2. 氨量（氨水或尿素）适中：不足时，还原氨基化减 弱；过量时，形成谷氨酰胺，使谷氨酸产量下降。 3. pH：中性或弱碱性有利。 4. 磷酸盐：适量，过高促进EMP和Val生成。 5. 生物素：亚适量，提高细胞膜的通透性。
(完整版)谷氨酸发酵
1）生物素营养缺陷型⏹作用机制:生物素是脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶,参与了脂肪酸的合成,进而影响脂肪酸的合成.当磷脂合成量少到正常的1/2左右时,细胞变形,Glu向膜外泄漏.⏹控制关键:使用该类突变株必须限制发酵培养基中生物素亚适量(5-10 g/L).在发酵初期(0-8小时),细胞正常生长,当生物素耗尽后,在菌的再次倍增时,开始出现异常形态细胞,即完成了细胞从生长型到积累型转换.2）油酸营养缺陷型⏹作用机制:油酸营养缺陷型丧失了合成油酸的能力,通过控制油酸使磷脂合成量减少到正常量的1/2左右.⏹控制关键:保证在培养基中油酸亚适量,完成细胞从生长型到生产型的转换.（3）添加表面活性剂⏹添加表面活性剂(如吐温60)或不饱和脂肪酸(C16-18),也能造成细胞渗漏,积累谷氨酸.⏹机理:两者在脂肪酸合成时对生物素有拮抗作用,导致磷脂合成不足,形成不完整的细胞膜.⏹关键:控制好脂肪酸或表面活性剂的时间和浓度,必须在药剂加入后,在这些药剂存在下进行分裂,形成产酸型细胞.（4）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.谷氨酸发酵强制控制工艺⏹为了稳产,克服培养基原料中某些成分不易控制带来的影响,在谷氨酸发酵时可采取“强制控制”的方法,如:“高生物素高吐温”或“高生物素高青霉素”的方法.⏹控制方法:在发酵培养基中预先配加一定量(过量)的纯生物素,大大地削弱每批原料中生物素含量变化的影响,高生物素、大接种量能促进菌体迅速增殖.再在菌体倍增的早期加入相对高的吐温或青霉素,形成产酸型细胞.固定其它条件,确保高产稳产。
谷氨酸发酵⏹ 1.适应期:尿素分解出氨使pH上升.糖不利用.2-4h.措施:接种量和发酵条件控制使适应期缩短.⏹ 2.对数生长期:糖耗快,尿素大量分解使pH上升,氨被利用pH又迅速下降.溶氧急剧下降后维持在一定水平.菌体浓度迅速增大,菌体形态为排列整齐的八字形.不产酸.12h.措施:及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH,在pH7.5-8.0时流加尿素;维持温度30- 32℃⏹ 3.菌体生长停止期:谷氨酸合成.措施:提供必须的氨及pH维持在7.2-7.4.大量通**,控制温度34-37 ℃.⏹ 4.发酵后期:菌体衰老,糖耗慢,残糖低.措施:营养物耗尽酸浓度不增加时,及时放罐.发酵周期一般为30h.二、谷氨酸发酵的生化过程⏹（1）是代谢控制发酵的典型代表⏹（2）是目前代谢控制发酵中，在理论与实践上最成熟的……⏹整个过程可简单的分为2 个阶段:➢第1阶段是菌体生长阶段;➢第2阶段是产酸阶段,谷氨酸得以大量积累。
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。
简明微生物工程 3-2谷氨酸的发酵机制
EMP途径 HMP途径 TCA循环 DCA循环 CO2固定
❖ 1、TCA、DCA和CO2固定 ➢谷氨酸合成与TCA循环的关系
TCA循环中的某些酶，如柠檬酸合成酶、 乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶等是必须的。 α-酮戊二酸脱氢酶活性很弱，糖代谢受阻 在α-酮戊二酸处，在NH4+ 下，谷氨酸脱氢 酶催化还原氨基化生成谷氨酸。
谷氨酸的发酵机制
谷氨酸发酵机制： ➢ 菌体代谢调节控制 ➢ 细胞膜通透性的特异调节 ➢菌种选育模型与控制方法
一、Glu生物合成途径及自我调节机制
➢ 糖经EMP途径和HMP途径生成丙酮酸 ➢ 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰－CoA ➢ 丙酮酸经CO2固定生成草酰乙酸 ➢ 两者合成柠檬酸进入TCA循环 ➢ TCA循环中间产物α-酮戊二酸，在Glu脱 氢酶作用下，还原氨基化合成Glu
❖ 3、选育甘油缺陷型 甘油也是磷脂的组成成分。
α-磷酸甘油磷酸酯酶 ❖ 阻断甘油的合成，并限制外源供给，可
限制磷脂的合成
❖ 4、温度敏感突变株 ❖ 5、其它突变型
作业
GO BACK
❖ 简述柠檬酸积累的机制。
❖ 简述谷氨酸菌种选育的几种模型及其代谢调 控思想。
❖ 名词解释： 能荷 酵母菌的一型、二型和三型 发酵、同型乳酸发酵、异型乳酸发酵、 反馈 抑制、反馈阻遏、阻遏、分解代谢阻遏、同 工酶调节、协同反馈调节、增效反馈调节 累 加反馈调节、顺序反馈调节顺序反馈调节
➢ DCA在TCA有缺陷时可以补充C4 ➢是醋酸、乙醇发酵过程中C4的唯一来源。 ➢DCA途径发酵Glu，糖的转化率大大降低
理论收率仅为54.4％。
EMP途径 HMP途径 TCA循环 DCA循环 CO2固定
❖ Glu合成中，糖的分解代谢与固定之间的比例 的保持是提高谷氨酸产率的关键。
谷氨酸的发酵工程
谷氨酸发酵过程控制【摘要】谷氨酸是构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。
作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。
谷氨酸的质量受到发酵的条件、菌种、温度、pH、接种量和种龄等因素的影响。
如果控制不好这些因素整个发酵过程发酵液受污染、出现菌体的生长缓慢和代谢产物的积累很少、发酵周期延长甚至所得产品不是最终产品。
本文通过综述发酵培养基、培养条件的控制及发酵过程温度、pH、接种量和种龄的控制，以及消泡等多方面因素，来提控制高谷氨酸发酵过程的参数来提高发酵的质量以些方法。
【关键词】谷氨酸、发酵、控制1.谷氨酸概述谷氨酸学名：2-氨基-5-羧基戊酸。
构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。
作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。
L-谷氨酸是蛋白质合成中的编码氨基酸，哺乳动物非必需氨基酸，在体内可以由葡萄糖转变而来。
D-谷氨酸参与多种细菌细胞壁和某些细菌杆菌肽的组成。
符号：E。
1.1谷氨酸用途1）下游产品开发将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N—羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。
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。
2）食品业谷氨酸是在食品工业中应用较多的氨基酸。
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，能显着提高食品的风味和有增香作用。
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。
3）日用化妆品等谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种。
如：N—酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。
谷氨酸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。
谷氨酸发酵生产
谷氨酸发酵生产谷氨酸发酵一、实验目的谷氨酸(glutamic acid)是最先成功地利用发酵法进行生产的氨基酸。
谷氨酸发酵是典型的代谢调控发酵，其代谢途径相对研究得比较清楚。
因此，了解谷氨酸发酵机制，掌握其发酵工艺，将有助于对代谢调控发酵的理解，有助于对其他有氧发酵的理解和掌握，也有助于对已掌握的生化、微生物知识的融会贯通。
通过本次实验，掌握有氧发酵的一般工艺，熟练掌握通用机械搅拌罐的设备使用。
二、实验原理1、谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵是菌体异常代谢的产物，菌体正常代谢失调时，才能积累谷氨酸。
在正常的微生物代谢中，由葡萄糖生成的磷酸烯醇式丙酮酸比天冬氨酸优先合成谷氨酸。
谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力和阻遏柠檬酸合成酶的合成，使代谢转向天冬氨酸的合成。
天冬氨酸合成过量后，反馈抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。
所以，在正常情况下，谷氨酸并不积累。
谷氨酸生产菌由葡萄糖生物合成谷氨酸的途径见图5-7。
它包括糖酵解途径(EMP途径)、磷酸己糖途径(HMP途径)，三羧酸循环(TCA循环)、乙醛酸循环，伍德-沃克曼反应(CO的固定反应等)。
2由于谷氨酸生产菌生理方面有以下共同特征，体内的代谢控制平衡被打破，使谷氨酸得以积累。
? 谷氨酸生产菌大多为生物素缺陷型。
谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行。
生物素充足时，HMP途径所占比例是38%，控制生物素亚适量的结果，发酵产酸期，HMP途径所占比例下降到约为26%，EMP途径所占的比例得以提高。
通过控制生物素亚适量，更重要的是由生物素促进的脂肪酸及磷脂合成减少，谷氨酸向膜外漏出，引起代谢失调，使谷氨酸得以积累。
? 谷氨酸生产菌的CO固定反应酶系活力强，可通过羧化作用(更多地2供应固定CO生成苹果酸或草酰乙酸转化成柠檬酸。
2? 谷氨酸生产菌的异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，使进入谷氨酸生成期后的乙醛酸循环弱，使异柠檬酸更多地转化成α-酮戊二酸。
谷氨酸发酵机制以及杂菌噬菌体防治
2、利用生物素过量的糖蜜原料进行谷氨酸发酵时， 添加表面活性剂或饱和脂肪酸。
在生物素过量的条件下，添加表面活性剂或饱和脂肪酸 仍能进行谷氨酸发酵，其原因在于这些物质对生物素起拮抗 作用，抑制不饱和脂肪酸的合成，导致油酸合成量减少，磷 脂合成不足，使得细胞膜不完整，提高了细胞膜对谷氨酸的 通透性。常用的表面活性剂有吐温-60、吐温-40等。常用的 饱和脂肪酸有十七烷酸、硬脂酸等。
α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经
还原氨基化反应生成谷氨酸
谷氨酸生物合成 调节机制
CO2 乙酰-coA
Glc
CO2 丙酮酸 羧化酶 草酰乙酸 天冬氨酸 （Asp）
合成酶 柠檬酸 优先合成
反 馈 阻 遏
顺乌头酸 异柠檬酸 异柠檬酸 谷氨酸 Glu 脱氢酶 脱氢酶 α-酮戊二酸
反 馈 抑 制
α-酮戊二酸 脱氢酶
（一）空气的净化：
减少过滤前空气的尘 埃、贾少过滤前空气 的油水含量、保证压 缩空气的温度、妥善 填装过滤介质、选用 高效的过滤器材、保 证一定的气流速度
（二）培养基和设备的灭菌：合理的调配培养基、保证
灭菌温度和时间、保证设备无积污和渗漏、保证流动蒸汽质量、 尽量减少泡沫、正确的进行空气保压。
（三）发酵设备的安装：防
一种脂肪酸。 分子式C18H34O2
4、利用甘油缺陷型菌株进行谷氨酸发酵，限制发 酵培养基甘油的浓度。
甘油缺陷型菌株不能自身合成 α–磷酸甘油和磷脂，外界供给 甘油才能使其生长，因此可以通 过控制甘油添加量来控制细胞膜 对谷氨酸的通透性。 当甘油添加量过多时，磷脂正 常合成，菌体正常生长，不产酸 或产酸低； 当甘油添加量过少时，菌体生 长不好，产酸低，所以控制甘油 亚适量是控制的关键。
谷氨酸摇瓶发酵
谷氨酸摇瓶发酵生物工程xxx xxx xxxxxxxxx摘要根据谷氨酸的发酵机理，本实验通过摇瓶补料发酵生产谷氨酸，并对发酵过程中产谷氨酸量、发酵液OD值、残糖量进行连续的测定。
试验结果表明：四瓶发酵培养基中，只有添加有玉米浆的发酵培养基产谷氨酸，另外3瓶以酵母膏代替玉米浆成分的发酵液都不产谷氨酸。
关键词：谷氨酸发酵摇瓶培养前言1.1 谷氨酸发酵机制在谷氨酸发酵中，生成谷氨酸的主要酶反应有三种：（1）谷氨酸脱氢酶（GHD）所催化的还原氨基化反应；（2）转氨酶（AT）催化的转氨反应；（3）谷氨酸合成酶（GS）催化的反应。
谷氨酸的合成主要途径是α—酮戊二酸的还原性氨基化，是通过谷氨酸脱氢酶完成的。
α—酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体，它来源于三羧酸循环，是三羧酸循环的一个中间代谢产物。
由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径如下图1所示，至少有16步酶促反应。
图1 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径当生物素缺乏时，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。
1.2 谷氨酸生产菌种的选择目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。
我国常用的菌种有北京棒状杆菌、纯齿棒状杆菌、天津短杆菌等。
为革兰氏阳性菌，菌体为球形、短杆状和棒状，不同形状芽孢，没有鞭毛，不能运动，需要生物素作为生长因子，在通气条件下才能生产谷氨酸。
本实验选择天津短杆菌来摇瓶发酵生产谷氨酸。
1.3谷氨酸发酵过程控制谷氨酸发酵过程中，产生菌种的特性、生物素、发酵温度、pH值、通风和发酵产生的泡沫都是影响谷氨酸积累的主要因素。
在实际生产中只有针对存在的问题，严格控制工艺条件，才能达到稳产、高产的目的。
发酵初期，菌体生长迟滞，约2～4h后即进入对数生长期，代谢旺盛，糖耗快，这时必须流加尿素以供给氮源并调节培养液的pH 值至7.5～8.0，同时保持温度为30～32℃。