谷氨酸的研究进展

1、谷氨酸的研究进展摘要：谷氨酸，是一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为-氨基戊二酸。谷氨酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。谷氨酸的钠盐俗称味精，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。本文综述了谷氨酸生产菌的选育、发酵培养基的组成和特点、发酵工艺条件的控制、发酵液的预处理、谷氨酸的提取以及精制和谷氨酸发酵生产的最新研究进展。关键词：谷氨酸；育种；发酵；提取；精制The studies on glutamic acidWang Yu (Major of food enginee

2、ring, Class 3,Grade 2011)Instructor Professor Wu Hongmian (Institute of Food Science and Technology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang ,Guangdong,524088)Abstract: Glutamic acid is a kind of acidic amino acids,the molecules contain two carboxylic, which has a chemical name for glutaric acid with

3、alpha amino acid. As the important nutrients of the human body, glutamic acid not only has the special physiological role, but has a unique function in the food industry. The glutamic acid sodium salt was commonly known as monosodium glutamate, which is used to delicate flavors of the agent and has

4、the role of increasing the fragrance. Sodium glutamate was widely used in food flavoring, not only can be used separately, but can be used with other amino acids. This paper reviewed the production of breeding glutamic acid bacteria, the compositions and characteristics of fermentation medium, the c

5、ontrol of conditions of the fermentation , fermented liquid pretreatment ,the extraction and refinement of glutamic acid and the latest progress of fermentation.Key words: glutamic acid; breeding; ferment; extract; refine前言：谷氨酸，是一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为-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

6、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。谷氨酸是构成蛋白质的20种常见氨基酸之一。在食品工业中，用作代盐剂、营养增补剂、鲜味剂（主要用于肉类、汤类和家禽等）。如用于方便食品的肉汤和汤类，10g/kg。用于饮料、焙烤制品、肉、肉香肠、乳及乳制品、调味剂、谷类制品、用量400mg/kg。用作营养增补剂，限量12.4%( 以食品中蛋白质的总量计 )。亦可用作虾、蟹等水产罐头中产生磷酸铵镁结晶的防止剂，用量0.3%-1.6%。在医学中，谷氨酸作为营养药物可作用于皮肤和毛发。用于生发剂，能被头皮吸收，

7、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。用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。此外，谷氨酸在农业中也有很多应用，谷氨酸与某些激素配合，可制成柑桔增甜剂；还可作为微肥的载体，在氮磷钾基本满足的条件下，作为叶面喷洒的微肥具有投入少、效益高等特点，谷氨酸钠既是西红柿保护性杀菌剂，又是防治果树腐烂病的特效杀菌剂。氨基酸铜是目前生产上良好的杀菌剂，有机铜比无机铜的应用效果好。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

8、素等强制发酵法生产谷氨酸，产酸较高(120-160g/L)；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是味精工业发展史上的重点内容。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

9、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。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。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，已有一些成功的例子。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

10、。尽管近年来人们尝试了通过基因工程手段改造菌种，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。2. 发酵培养基的特点谷氨酸发酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐及生长因子等。要根据不用菌种、不同原料质量而定；原料的选择既要考虑到菌体生长繁殖的营养要求，更要考虑到有利于大量积累谷氨酸，还要注意到原料来源丰富、价格便宜、发酵周期短、对产物提取无妨碍等因素。2.1 碳源碳源是构成菌体和合成氨基酸的碳架及能量的来源。谷氨酸生产菌是异养微生物，只能从有机化合物中取得碳素的营养，并从分解氧化有机物产生的能

11、量供细胞中合成反应所需要的能量。现生产上使用的谷氨酸生产菌都不含淀粉酶而不能利用淀粉，只能利用葡糖糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等，故淀粉需先经糖化制成淀粉水解糖后，才能利用。培养基中初糖浓度对谷氨酸发酵有很大影响。在一定范围内，谷氨酸产量随糖浓度增加而增加，但是糖浓度过高，由于渗透压增大，对菌体生长和发酵均不利，当工艺条件配合不当时，谷氨酸对糖的转化率低。国内谷氨酸发酵糖浓度为125-150g/L，但一般采用流加糖工艺。淀粉水解糖的质量对谷氨酸发酵的影响很大。淀粉原料选用大米或精制淀粉，制出的糖液，质量比较稳定可靠。淀粉水解要完全，无糊精存在；又不能水解过度，防止葡糖糖发生进一步分解反应或复合反应。

12、2.2 氮源 氮源是合成谷氨酸生产菌菌体蛋白、核酸等含氮物质和合成谷氨酸氨基的来源。同时，在发酵过程中一部分氨用于调节pH值，形成谷氨酸铵盐。因此，谷氨酸发酵所需的氮源比一般的发酵工业高。在谷氨酸发酵中，需正确控制碳氮比，在发酵的不同阶段，控制不同的碳氮比，以促进菌体以生长为主阶段向产酸为主阶段转化。在长菌阶段，如NH4过量会抑制菌体生长；在产酸阶段，如NH4不足，-酮戊二酸不能还原氨基化，而造成-酮戊二酸积累，减少了谷氨酸的产量。当氮源的浓度过低时会使菌体细胞营养过度平乏而形成“生理饥饿”，影响菌体增殖和代谢，导致产酸率低。随着玉米浆浓度的增高，菌体大量增殖使谷氨酸非累计型细胞增多，同时又因

13、生物素过量使代谢合成磷脂多，导致细胞膜增厚不利于谷氨酸的分泌造成谷氨酸产量下降。2.3 无机盐 无机盐是谷氨酸菌生命活动所不可缺少的物质。其主要功能是构成菌体成分；作为酶的组成成分、酶的激活剂或抑制剂；调节培养基的渗透压；调节pH值和氧化还原电位等。谷氨酸生产菌所需要的无机盐为磷酸盐、硫酸盐、氯化物和含钾、镁、铁的化合物、还需要一些微量元素，如锰等。谷氨酸菌对无机盐的需要量不多，但无机盐的含量却对菌体生长或代谢产物的生成影响很大。2.4 生长因子现生产上使用的谷氨酸生产菌都是生物素缺陷型，以生物素为生长因子，添加硫胺素能促进生长。生物素的作用主要影响谷氨酸生产菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的

14、代谢途径。生物素对发酵的影响是全面的，在发酵过程中要严格控制其浓度。3. 发酵工艺条件的控制以淀粉、大米水解糖为原料，发酵法生产谷氨酸的基本要素，是采用优良的菌株和控制合适的环境条件。谷氨酸生产菌所以能够在体内合成谷氨酸，并排出体外，关键是菌株的代谢异常化，即长菌型细胞在生物素平乏（亚适量）条件下，转变成伸长、膨大的产酸型细胞。这种代谢异常化的菌种对环境条件是敏感的。条件控制适当，高产谷氨酸，只有极少量的副产物；否则，条件控制不合适，代谢途径发生变化，少产或几乎不产谷氨酸，代之得到的则是大量菌体，或者由谷氨酸发酵转换为积累乳酸、琥珀酸、-酮戊二酸、缬氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺、乙酰谷氨酰胺等发酵。

15、由此可见，谷氨酸发酵是一个复杂的生化过程。它是建立在容易变动的代谢平衡上的，经常受到环境条件的影响。菌种的性能更高，使其表达接近它应有的生产潜力所必须的条件就越难满足，对环境条件的波动更为敏感。故要想获得高酸、高转化率、高效率的谷氨酸发酵生产，除了选择优良的谷氨酸生产菌外，还必须按所用菌株的特性，选择适宜的发酵工艺，控制最佳的发酵工艺条件。谷氨酸发酵过程可分为三个阶段，长菌阶段、长菌型细胞向产酸型细胞的转移阶段与产酸阶段。发酵条件控制一般包括：发酵过程温度的控制、pH控制、种龄与种量控制、泡沫控制、排气CO2控制、通风与OD的控制、以及菌体形态变化与OD的变化等。3.1 发酵过程温度的控制 谷

16、氨酸生产菌的最适温度为30-34。在谷氨酸发酵前期长菌阶段应采用与种子扩大培养时相应的温度，以满足菌体最适生长温度；若温度过高，菌体容易衰老，生产上常出现前劲大后劲小，后期产酸缓慢，菌体衰老自溶，周期长、产酸低，并影响提取；若前期温度过低，则菌体繁殖缓慢，周期长，必要时可补加玉米浆，以促进生长。一般控制在发酵开始的温度上，每隔5-6h升一度即可。也有很多工厂采用二级温度或三级温度。在发酵中、后期菌体生长已停止，由于谷氨酸脱氢酶的最适温度比菌体生长繁殖的温度要高，需要适当提高温度，有利于提高谷氨酸产量。 谷氨酸发酵开始时因菌体数量少，释放的热量少；当菌体进入生长旺盛期时，呼吸加强，放出大量热量；

17、后期趋于稳定，释放的热量又减少。因此，发酵正常，表现为前期温度上升缓慢，中期剧烈，后期逐渐缓慢。若前期上升剧烈，有可能是杂菌感染。3.2 发酵过程pH值的控制 谷氨酸生产菌的最适pH值，因菌株而异，一般为pH6.5-8.0，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下（pH5-6）形成谷酰胺和N-乙酰谷酰胺。谷氨酸发酵在不同阶段对pH的要求不同，发酵前期幼龄菌对氮的利用率高，pH值变化不大。发酵前期若pH值偏低，菌体生长旺盛，消耗营养成分快，菌体转入正常代谢，繁殖菌体而不产谷氨酸；若pH值过高，抑制菌体生长，糖代谢缓慢，发酵时间延长。故谷氨酸发酵正常情况下，为了保证足够的氮源，满足谷氨酸合成的

18、需要，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。3.3 种龄与种量的控制 种龄长短关系到种子活力强弱，如果接入发酵的种子所处的生长阶段时处于活力旺盛的对数生长期时，则种子活力强，可缩短发酵适应期；若种龄过长，则菌种活力减低，代谢产物增多。所以一般一级种子种龄9-12h，二级种子种龄7-8h。种量的多少显著影响发酵适应期的延续时间、开始产酸的时间及发酵周期的长短。种量过少，菌体增长缓慢，导致发酵周期拉长，容易染菌，并不利于提取；种量增加时，适应期缩短，发酵周期短，设备利用率高。3.4 发酵过程泡沫的控制 在谷氨酸发酵中，由于通气搅

19、拌与菌体代谢产生的二氧化碳，而使培养液产生大量泡沫，这是正常现象。但泡沫过多会影响氧的传递，影响通气搅拌效果；控制不好，还会引起大量逃液，造成浪费和环境的污染；泡沫上升到灌顶，会从轴封渗出，造成染菌的危险。 目前发酵工业上消除泡沫的方法，大都采用机械消泡剂消泡与化学消泡剂消泡相结合的方法。机械消泡剂常用耙式消泡器，或离心式、刮板式、碟片式等消泡器。化学消泡剂常用的有植物油（豆油、花生油等）、矿物油，以及合成消泡剂（如泡敌、甲基硅油、BAPE、PPE等）。消泡效果好，作用快；尤其是合成消泡剂效率高，用量少。3.5 排气CO2控制 谷氨酸发酵在菌体呼吸充足时显示最大产量，必须供给菌体充足氧气，氧的

20、满足程度要求达到1.0。有些厂控制间断或联系测定排气中CO2浓度的办法来调节通气量，以满足供氧要求。控制排气CO2，简便易行，一方面可以保证供氧，另一方面还能帮助发现污染杂菌或噬菌体。3.6 通风与OD的控制发酵过程中通气量的大小，对谷氨酸发酵有明显的影响。谷氨酸发酵的需要量较大.4. 发酵液的预处理4.1 发酵液的pH值与色泽 正常发酵液放罐时的pH为6.8-7.2，温度在34-36之间，呈乳白色或淡黄色，有谷氨酸发酵的特殊气味。4.2 菌体含量 发酵液中约有3-4%湿菌体（在3000r/min，管式离心机离心30min，倾去上清液后所测数据），折干菌体为0.8%左右，细菌的真比重为1.04

21、，其大小为0.7-1.0×1.0-3.0um，菌体内核酸（RNA）含量为7-8%（干基）。谷氨酸发酵液中的菌体与其他胶体物质均以悬浮状存在，若把菌体在发酵液中视为一种胶体，它是属于S-型亲水性的，由于细胞表面含有复合多糖类物质，能产生强大的负电荷，所以它在发酵液中通常是带负电荷，在静电排斥作用下，各个菌体是呈分散状态，加之它对水的亲和力很强，所以菌体悬浮在发酵液中具有相对的稳定性。又因菌体小而轻，要在发酵液中分离除菌，就比其他微生物困难。如何除去谷氨酸发酵液中的菌体，这也是现阶段味精生产的下游工程中需要解决的关键技术。通常除菌方法有机械分离，絮凝法，加热沉淀法，超滤法等。5. 谷氨酸

22、的提取 发酵法生产谷氨酸是微生物代谢较复杂的生化反应过程。发酵液中除谷氨酸外，尚有代谢副产物、培养基配制成分的残留物质、有机色素、菌体、蛋白和胶体物质等。其含量随发酵菌种、工程装备、工艺控制及操作不同而异。从发酵液中提取谷氨酸的方法较多，目前主要采用以下两种方法：5.1 等电离交工艺流程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-；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80000n/L以上，还

23、额外30-40tCOD为30004 000mg/L的中浓度树脂洗涤水。5.2 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，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。缺点是收率低，最高仅88；其次，带菌浓缩后等电得到的结晶谷氨酸质量差，必须通过“转晶”步骤以提高纯度。6. 谷氨酸的精制从发酵液中提取得到的谷氨酸，仅仅是味精生产中的半成品。谷氨酸与适量的碱进行中和反应，生成谷氨酸钠，其溶液经过脱色、除铁、除去部分杂质，最后经过减压浓缩、结晶及分离，得到较纯的谷

24、氨酸钠的晶体，不仅酸味消失，而且有很强的鲜味。6.1 中和谷氨酸分子是带有一个氨基和两个羟基的氨基酸，尚未呈现其特有的肉鲜味，但酸味却很突出。当将其分子中靠近氨基的一个羧基用纯碱或洁净的氢氧化钠中和变成谷氨酸的钠盐后，变大大显出独特的肉鲜味。6.2 除铁脱色处理常用硫化钠除铁，硫化钠和铁离子反应生成硫化铁沉淀，在中性或碱性溶液中难溶，几乎不溶于水，经过滤达到除去铁的目的；还可利用树脂除铁。脱色处理普遍是用物理吸附脱色。用活性碳为吸附剂，它具有多孔结构和强大的吸附能力。6.3 浓缩结晶 谷氨酸中和液经脱色精制后已经出现浓度较高的味精溶液，再经结晶便能得到纯度更高，大小均一，晶莹洁白的味精晶体。7

25、. 谷氨酸发酵生产的最新研究进展7.1 纯生物素工艺的研究纯生物素代替玉米浆、糖蜜是当前谷氨酸发酵行业中的一项新工艺，新技术，其优点在于不增加设备、用量少、便于自动化控制、发酵液色泽浅，利于后道工序提取结晶，还有防止污染、稳定生产的作用。目前科研人员在不断对该工艺进行研究，以探索出更好的纯生物素用量和发酵基质的最佳配方，为谷氨酸发酵生产提供可靠的数据。从多种试验结果表明谷氨酸发酵生产中纯生物素的最佳用量范围一般为2.5-3.5ug/L。7.2 膜分离技术的研究 在谷氨酸生产中应用膜分离技术具有一系列的优点。首先膜分离技术不需要加热就可以达到分离浓缩的目的。并且该工艺简单、耗能少、生产费用低、不

26、变相，还可解决稀溶液中微量成分的回收和低浓度溶液的浓缩问题。因此，膜分离技术在谷氨酸发酵生产中的应用越来越广泛。 膜分离技术有电渗析、微滤、超滤、反渗透、纳滤等几种方法。在谷氨酸生产中应用的最大的是采用超滤技术除菌体。7.3 谷氨酸发酵生产的自动控制 由于谷氨酸发酵模型参数的分散性、非线性、时变性、相关性、滞后性以及不可避免的人为干扰，使若干关于底物消耗、菌体生长、产物生成的数学模型付诸实施的可能性较难。同时，缺乏连续而有效的测定培养液中主要生化参数的传感器和先进的计算机控制方案。所以，谷氨酸发酵生产的自动控制水平相对较低，原料能源消耗大，设备利用率低，产品收率不稳定，尤其是发酵过程的总体自动

27、化技术落后。近几年来，我们谷氨酸生产水平在工艺上、菌株选育上，都取得了较大的进步，主要厂家已达到国际先进水平。但是，我国谷氨酸发酵生产工业仍然存在着下面几个有待解决的问题。首先，在菌种选育方面国内菌种选育水平与国外还有一定的差距；其次，谷氨酸生产的自动化控制水平低，原料能源消耗大、产品收率不稳定、设备利用率低；另外就是谷氨酸生产造成的环境污染问题还没有得到根本上的解决。虽然多数厂家采用末端治理技术处理谷氨酸生产的污染物并达到了排放标准。但是其投资大、耗能高、成本高，没有从根本上解决谷氨酸生产所造成的环境污染问题。因此，根据目前我国谷氨酸发酵生产所存在的问题，预言我国谷氨酸发酵行业的研究方向为：（1） 发展基因工程技术培育出新的高产菌株；（2） 通过研制生物传感器和自动化分析方法以提高谷氨酸生产的自动化水平；（3） 发明清洁生产新工艺和对谷氨酸生产的污染物进行综合利用，以便从根本上解决谷氨酸生产的环境污染问题。总之，今后的研究方向主要集中在提高自动化生产程度，研制新的工艺，处理三废，解决环境污染几个方面。参考文献：1 蔡云苓,张恒忠,张兵,杨玉岭.