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++H NADPH 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。不同环境条件下，可生长大量菌体或得到不同的代谢产物。在最适宜的培养条件下，谷氨酸生产菌可将60%以上的葡萄糖转化为谷氨酸，而只有极少量的副产物。而如果条件不适宜，则可能不产生谷氨酸，却得到大量菌体或其他产物。

培养基的配制原则：1、合适微生物的营养需求。2、合适的碳氮比；3、适宜的PH ；4、要有合适的浓度；5、合适的氧化还原电位

四、 发酵培养基

（1）碳源 谷氨酸生产菌大多数利用葡萄糖、蔗糖、果糖等单糖和双糖作为碳源。碳源在谷氨酸生产菌中的作用有：a 利用葡萄糖经体内代谢转变为核酸蛋白质等，供菌体生长繁殖；b 一部分蔗糖经体内氧化作用产生能量作为菌体生长繁殖以及新陈代谢的能源；c 在培养条件适宜的情况下，大部分蔗糖经菌体糖代谢也就是三羧酸循环途径转变为a —酮戊二酸，在+4NH 和供氧体++H NADPH 存在

时还原氨基划产生谷氨酸，通过细胞渗透到发酵液中。目前国内发酵葡萄糖浓度一般为125-150g/L ，采用一次高糖发酵工艺，糖浓度一般为170g/L-190g/L.

（2）氮源 谷氨酸发酵所需碳氮比为100：15~30，当碳氮比在100：11以上才开始积累谷氨酸。在实际生产中采用尿素或液氨作氮源时，由于一部分氨用于调节PH ，一部分分解而逸出，使实际用量很大，当培养基中糖浓度为140g/L ，碳氮比为100：32.8时比较适宜。碳氮比对谷氨酸发酵影响很大，在发酵的不同阶段，需控制碳氮比以促进以生长为主的阶段向产酸阶段转化。谷氨酸发酵中，用于合成菌体的氮仅占总耗用氮的3%—8%，而30%—80%用于合成谷氨酸。

（3）无机盐 无机盐是微生物维持生命活动不可缺少的物质，其主要功能为：构成细胞的成分；作为酶的组成部分；激活或抑制酶的活性；调节培养基的渗透压；调节培养基的PH ；调节培养基的氧化还原电位。微生物对无机盐需求两很少，但无机盐对微生物生长和代谢的影响却很大。谷氨酸发酵所需的无机离子有磷、硫、镁、钾、钙、铁等，这些无机盐的用量为42PO KH 0.05%~0.2,42HPO K 0.05%~0.2%,

MgSO4·7O H 20.005%~0.1%,4e SO F ·7O H 20.005%~0.01%,4n SO M ·O H 20.00

05%~0.005%.

（4）生长因子 目前，谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型，因此生物素是谷氨酸生产菌的生长因子。生物素作为酶的组成成分，参与机体的三大营养物质：糖、脂肪和蛋白质的代谢，是动物机体不可缺乏的重要营养物质之一。谷氨酸发酵最适的生物素浓度随菌种、碳源种类和浓度以及供氧条件不同而异，一般为5ug/L 左右。

一般情况下，玉米浆、麸皮水解液、糖蜜等含有一定量生物素，因此可以作为微生物的来源。

（5）发酵培养基中各种成分的配比 由于菌种不同，设备和工艺不同，以及原料来源、质量不同，而有所差异。

五、培养基制备

1．一级种子培养工与制：按下列培养基配方配制1000ml 一级种子培养基。按20%装液量分装后，于121℃灭菌30min 冷却备用。

葡萄糖 2.5% 尿素0.5% 硫酸镁0.04%

磷酸氢二钾0.1% 玉米浆 2.5~3.5%

硫酸亚铁、硫酸锰各20ppm 、PH 7.0

2．一级种子培养：将斜面菌种接入已灭菌冷却的种子培养基中（250ml 三角瓶内接入1~2环）于32℃±1℃、250r.p.m 条件下培养12h 。一级种子质量要求：

种龄 12h PH 6.4±0.1

光密度：净增O.D 值0.5以上

无菌检查阴性，噬菌体检查无。

3．二级种子培养基配制：按下列培养基配方配制1000ml 二级种子培养基，并按20%装液量分装于三角瓶中后，于121℃灭菌30min 冷却备用。

水解糖2.5% 玉米浆2.5~3.5% 42HPO K 0.15%

4g SO M 0.04 尿素0.4% 4e SO F 2ppm

4n SO M 2ppm PH 6.8~7.0

4．二级种子培养：在已灭菌的二级种子培养基中，按0.5~1.0%接入上述已培养好的一级种子，于32℃±1℃、250r.p.m 条件下培养7~8h ，二级种子质量要求：

种龄7~8h PH 6.8~7.2 OD 值净增0.5左右

无菌检查（一）、噬菌体无、残糖消耗1%左右

镜检生长旺盛，排列整齐，G+

5．发酵培养基配制按下列培养基配方制发酵培养基，并按20%装液量分装于250ml 三角瓶中，水解糖10%，甘蔗糖蜜0.18~0.22%，玉米浆0.1~0.15%，42a HPO N 0.17%，KCl 0.12%、4g SO M 0.04%，用NaOH （5%）溶液调PH 7.20

于110℃灭菌20min 冷却备用。

6．发酵：按8~10%的接种量在发酵培养基中接入合格的二级种子注，于35℃±1℃、250 r.p.m 条件下发酵35h ，发酵过程中①从第4h 后开始用无菌注射器补入尿素，尿素流加按PH 值进行控制即8h 前PH 7.0~7.6；8h 后PH7.2~7.3，

20~24hPH 7.0~7.1，24~35h ，PH6.5~6.6。尿素流加总量为4%。②从第10h 开始每隔4h 补糖一次，每次补入1%的水解糖液，在发酵26h 前补入4%的水解糖液。

7．镜检及谷氨酸测定：在8h 及24h 时分别各取样一次进行镜检，经单染后观察菌体形态，发酵结束后，用华勃氏呼吸器测定发酵液中谷氨酸含量。

六、发酵条件的控制及理由

1、温度 在发酵过程中，谷氨酸生产菌的生长繁殖与谷氨酸的合成都是在酶的催化作用下进行的酶促反应，由于产物不同，因而不同的酶促反应所需的最适温度也不同。

发酵前期，控制最适温度在30~32℃;发酵中后期可适当提高温度至34~37℃。

2、PH 在发酵过程中，发酵液PH 的变化是微生物代谢情况的综合标志，它变化的结果则影响整个发酵的进程和产物产量。

谷氨酸发酵的最适PH 在7.0~8.0.前期菌体生长需要大量的氮源，所以PH 在7.5左右；中期在7.2，后期在7.0.

3、氧 谷氨酸生产菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。

4、生长因子 将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产谷氨酸，磷脂合成也相应减少。

5、泡沫的控制 在发酵过程中，由于通气和搅拌、新城代谢以及产生的2CO 等，会使发酵液产生大量的泡沫，影响菌体的呼吸代谢，也会造成杂菌污染，因此经常加入化学消泡剂或用机械消泡器进行消泡。

七、提高发酵生产效率的可能途径

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。因此控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。在谷氨酸发酵中，应根据菌种的特性，控制好生物素含量、磷含量、

4NH 含量、PH 、氧传递速率、排气中2

CO 和2O 含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物形成，能量

代谢与产物合成，副产物与主产物合成的关系，使产物最大限度地利用糖合成产物。