谷氨酸發(fā)酵過程控制【摘要】谷氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種常見a氨基酸之一。作為谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前體。谷氨酸的質(zhì)量受到發(fā)酵的條件、菌種、溫度、pH、接種量和種齡等因素的影響。如果控制不好這些因素整個發(fā)酵過程發(fā)酵液受污染、出現(xiàn)菌體的生長緩慢和代謝產(chǎn)物的積累很少、發(fā)酵周期延長甚至所得產(chǎn)品不是最終產(chǎn)品。本文通過綜述發(fā)酵培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件的控制及發(fā)酵過程溫度、pH、接種量和種齡的控制，以及消泡等多方面因素，來提控制高谷氨酸發(fā)酵過程的參數(shù)來提高發(fā)酵的質(zhì)量以些方法?！娟P(guān)鍵詞】谷氨酸、發(fā)酵、控制谷氨酸概述谷氨酸學(xué)名：2-氨基-5-羧基戊酸。構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種常見a氨基酸之一。作為谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前體。L-谷氨酸是蛋白質(zhì)合成中的編碼氨基酸，哺乳動物非必需氨基酸，在體內(nèi)可以由葡萄糖轉(zhuǎn)變而來。D-谷氨酸參與多種細(xì)菌細(xì)胞壁和某些細(xì)菌桿菌肽的組成。符號：E。1.1谷氨酸用途1） 下游產(chǎn)品開發(fā)將有一定反應(yīng)活性的雙功能基試劑氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保護(hù)羧基，用三光氣活化成其相應(yīng)的N—羧酸酐，可直接得到側(cè)鏈具有一定反應(yīng)活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。谷氨酸可生產(chǎn)許多重要下游產(chǎn)品如L—谷氨酸鈉、L—蘇氨酸、聚谷氨酸等。2） 食品業(yè)谷氨酸是在食品工業(yè)中應(yīng)用較多的氨基酸。谷氨酸鈉俗稱味精，是重要的鮮味劑，對香味具有增強(qiáng)作用。谷氨酸鈉廣泛用于食品調(diào)味劑，既可單獨(dú)使用，又能與其它氨基酸等并用。用于食品內(nèi)，能顯著提高食品的風(fēng)味和有增香作用。谷氨酸作為風(fēng)味增強(qiáng)劑可用于增強(qiáng)飲料和食品的味道，不僅能增強(qiáng)食品風(fēng)味，對動物性食品有保鮮作用。3） 日用化妝品等谷氨酸為世界上氨基酸產(chǎn)量最大的品種。如：N—?；劝彼徕c系列產(chǎn)品是由谷氨酸縮合而成的性能優(yōu)良的陰離子表面活性劑，廣泛用于化妝品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗潔凈等產(chǎn)品中。谷氨酸作為營養(yǎng)藥物可用于皮膚和毛發(fā)。用于生發(fā)劑，能被頭皮吸收，預(yù)防脫發(fā)并使頭發(fā)新生，對毛乳頭、毛母細(xì)胞有營養(yǎng)功能，并能擴(kuò)張血管，增強(qiáng)血液循環(huán)，有生發(fā)防脫發(fā)功效。用于皮膚，對治療皺紋有療效。谷氨酸為天然植物成分，由世界上最先進(jìn)的生物酶工程技術(shù)制取，以護(hù)發(fā)生發(fā)、護(hù)膚類化妝品為日用化妝品的發(fā)展方向，用谷氨酸合成生物表面活性劑具有大的市場。4）醫(yī)藥行業(yè)谷氨酸還可用于醫(yī)藥，因?yàn)楣劝彼崾菢?gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸之一，雖然它不是人體必須的氨基酸，但它可作為碳氮營養(yǎng)與機(jī)體代謝，有較高的營養(yǎng)價值。谷氨酸被人體的吸收后，易與血氨形成谷酰氨，能解除代謝過程中氨的毒害作用，因而能預(yù)防和治療肝昏迷，保護(hù)肝臟，是肝臟疾病患者的輔助藥物。腦組織只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作為腦組織的能量物質(zhì)，改進(jìn)維持大腦機(jī)能。谷氨酸作為神經(jīng)中樞及大腦皮質(zhì)的補(bǔ)劑，對于治療腦震蕩或神經(jīng)損傷、癲癇以及對弱智兒童均有一定療效。用谷氨酸制成的成藥有藥用谷氨酸內(nèi)服片，谷氨酸鈉（鉀）注射液，谷氨酸鈣注射液，乙酰谷氨酸注射液等。谷氨酸發(fā)酵工藝一般流程圖淀粉質(zhì)原料菌種1預(yù)處理（粉碎、調(diào)漿、水解糖化、冷卻、中和、脫色、過濾）1▼活化與擴(kuò)大培養(yǎng)T發(fā)酵培養(yǎng)基的制備（添加氮源、無機(jī)鹽、生長因子、滅菌）種子 ?接種種子罐二級種子谷氨酸液體深層通氣發(fā)酵谷氨酸提?。?離子交換法）加堿中和及除鐵脫成品谷氨酸谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基的工藝條件與技術(shù)控制3.1原料處理以田洪濤、高年發(fā)等人在研究谷氨酸發(fā)酵與味精生產(chǎn)中表明：谷氨酸生產(chǎn)菌一般不能直接利用淀粉或糊精，要對這些原料用酸解法進(jìn)行淀粉糖化，具體步驟如下：用水調(diào)至10—20BQ漿液，添加0.6%鹽酸，漿液pH1.5.在0.25-0.40MPa蒸汽壓力下水解10-20min，使液中葡萄糖值達(dá)到90%以上。將酸解液冷卻到60°C以下，用液堿pH至4.5，加入0.3%-0.5%活性炭，攪拌30min，靜置l-2h，取上清液壓濾，濾液用堿調(diào)pH為7.0，可供發(fā)酵培養(yǎng)基用。3.2發(fā)酵培養(yǎng)基的制備谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基組成包括碳源、氮源、無機(jī)鹽和生長因子等。配制時要根據(jù)菌種特性、發(fā)酵過程控制、產(chǎn)物提取等多方面因素綜合考慮而定。見表1是以谷氨酸棒桿菌AS1.299為例的培養(yǎng)基組成成分。表1谷氨酸的培養(yǎng)基成分配方表物料名稱質(zhì)量物料名稱質(zhì)量淀粉水解糖125g/L初尿素18-20g/L流加尿素10-12g/LKHPO241.7g/LMgSO.7HO4 20.7g/LFeSO42X10-6(2ppm)MnSO44X10-6(4ppm)玉米漿5-7g/LpH7.0培養(yǎng)基工藝控制要點(diǎn):陳宇在研究氨基酸工藝學(xué)中表明培養(yǎng)基中糖濃度對谷氨酸發(fā)酵有很大的影響。在一定的范圍，谷氨酸產(chǎn)量隨糖濃度增加而增加，但是糖濃度過高由于參透壓增大，對菌體不利導(dǎo)致發(fā)酵周期周期延長，產(chǎn)酸不穩(wěn)定。為了降低培養(yǎng)基中糖濃度而提高產(chǎn)酸水平，一般取低濃度糖的流加糖發(fā)酵工藝。劉冬玲、張學(xué)仁等在發(fā)酵工程中表明，生物素的用量直接影響谷氨酸的合成。生物素的含量低，菌體得不到很好的生長。反之，由于生物素的含量過高，會造成菌體大量繁殖，不產(chǎn)或少谷氨酸。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)菌體內(nèi)生物素從20ug/g干菌體降到0.5ug/g干菌體，菌體就停止生長，繼續(xù)發(fā)酵，在適宜條件下就大量積累谷氨酸。3.3菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)我國谷氨酸發(fā)酵的種子擴(kuò)大培養(yǎng)普遍采用二級種子擴(kuò)大培養(yǎng)的流程。以田洪濤、高年發(fā)等研究表明，一般采用流程即為：斜面原種 斜面活化（32°C,18?24h）f1000L三角瓶（32°C,200mL液體振蕩12h即為一級種子）琉?500L種子罐（32°C,35?350L液體通風(fēng)培養(yǎng)8?10h，即為二級種子） 接種發(fā)酵罐（（發(fā)酵培養(yǎng)基）培養(yǎng)條件對谷氨酸發(fā)酵的影響以熊宗貴在研究發(fā)酵工藝原理表明，當(dāng)谷氨酸棒桿菌的a-酮戊二酸脫氫酶活力低，尤其當(dāng)生物素缺乏時，TCA循環(huán)到生成a-酮戊二酸時，即受到阻擋。NH+離子的存在下，4a-酮戊二酸因高活力的谷氨酸脫氫酶作用，轉(zhuǎn)變成谷氨酸。培養(yǎng)條件對谷氨酸發(fā)酵的影響見表2表2谷氨酸產(chǎn)生菌因培養(yǎng)條件的代謝轉(zhuǎn)換控制因子發(fā)酵轉(zhuǎn)換氧乳酸或琥珀酸二L谷氨酸（通氣量不足）（通氣量充足）NH+4a-酮戊二酸二！谷氨酸二：谷酰胺（缺少）（適量） （過量）pHN-乙酰谷酰酸二：谷氨酸（酸性）（中性或微堿性）磷酸結(jié)氨酸二谷氨酸（高濃度磷酸）生物素乳酸或琥珀酸二：谷氨酸（飽和） （限量）表2表明，培養(yǎng)條件不同，將導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)物不同。控制適量的磷酸鹽濃度、生物素濃度、通氣培養(yǎng)、以流加尿素的方式調(diào)加pH值和提供適量NH+離子，可以使谷氨酸發(fā)4酵得以順利進(jìn)行。4.1溫度影響及控制參數(shù)以陳寧的氨基酸工藝學(xué)研究表明，谷氨酸生產(chǎn)菌的最適宜生長溫度為30°C?37°C。若溫度過低菌體生長繁殖緩慢，周期長，必要時要補(bǔ)加玉米漿以促進(jìn)生長。若溫度過高，菌體容易衰老，后期產(chǎn)酸緩慢，菌體衰老自溶，周期長，產(chǎn)酸低，并影響提取。根據(jù)菌種的特點(diǎn)，發(fā)酵過程中可采用二級或三級管理溫度，即前期長菌階段控制在30C?34C,中、后期34C?37°C4.2pH值的影響及控制參數(shù)谷氨酸發(fā)酵在不同階段對pH值要求不同。發(fā)酵前期，幼齡菌對氮的利用率高，pH變化大。發(fā)酵前期pH偏低，菌體生長旺盛，消耗營養(yǎng)成分快，菌體轉(zhuǎn)入正常代謝，繁殖菌體而不產(chǎn)谷氨酸。如果pH過高，抑制菌體生長，糖代謝緩慢，發(fā)酵時間延長。為滿足谷氨酸的合成需要，發(fā)酵前期控制pH在7.3左右。發(fā)酵中期pH7.2左右，發(fā)酵后期Ph7.0.谷氨酸發(fā)酵過程中pH的調(diào)節(jié)方法主要有以下幾種：添加碳酸鈣法、尿素流加法、液氨添加法4.3供養(yǎng)的影響及控制參數(shù)谷氨酸生產(chǎn)菌是兼性好氧菌，不論那個階段都需要氧氣的供給。菌體生長期，供養(yǎng)不足，限制了菌體呼吸，菌體生長不好。如果供養(yǎng)過量，容氧分壓過高，會造成高氧水平對菌體生長阻礙，菌體得呼吸強(qiáng)度和菌體濃度顯著降低。谷氨酸形成期，如果供養(yǎng)不足，生成大量乳酸和琥珀酸，谷氨酸生產(chǎn)量很低。反之，影響a-酮戊二酸的還原氨基化作用，而積累a-酮戊二酸，谷氨酸產(chǎn)量也很低。以田洪濤在現(xiàn)代發(fā)酵工藝原理與技術(shù)中研究表明，培養(yǎng)過程中通風(fēng)攪拌的控制很重要，各個階段需氧量不同，控制的參數(shù)也不相同。長菌階段要求的體積容氧系數(shù)Kd為(1.92?2.88)X10-6molO/9ml.min.atm)(pO)產(chǎn)酸階段要求Kd在(7.2?8.3)X2210-6mol0/9ml.min.atm)(pO)以上可以使生產(chǎn)菌發(fā)揮出最大的生產(chǎn)能力。在生產(chǎn)上主要通過2以下方式來提高氧氣的2通氣量：一、提高發(fā)酵罐壓力，二向發(fā)酵罐通入純氧氣。三、減少通氣量或降低攪拌轉(zhuǎn)速等方式來降低Ka,使發(fā)酵液中C降低。LL4.4種量和種齡及控制參數(shù)接種量少，菌體增殖緩慢，發(fā)酵周期延長；接種量多，菌體增殖迅速，營養(yǎng)消耗快，產(chǎn)酸縮短，后期產(chǎn)酸速度不高。對16%的初糖，接種量為4%時，發(fā)酵周期42?44h產(chǎn)酸10以上。若用8%接種量時，發(fā)酵期縮短1?3h,前期12h產(chǎn)酸率提高到3%以上。接入發(fā)酵的種子所處的生長階段是處于活力旺盛的對數(shù)生長期，則種子活力強(qiáng)，可縮短發(fā)酵適應(yīng)期；若種齡過長則菌種活力降低，代謝產(chǎn)物增多。所以一般一級種子種齡9?12h,二級種子種齡7?8h,種量的多少顯著影響發(fā)酵適應(yīng)期的延長時間，產(chǎn)酸時間及發(fā)酵周期的長短。目前接種量為10%左右，控制發(fā)酵周期在30?32h,以達(dá)到高產(chǎn)酸、高轉(zhuǎn)化率的目的。4.5泡沫的影響及消除方法在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中形成一定的數(shù)量的泡沫，增大了氣液接觸的面積，導(dǎo)致傳氧速率的增加，有利發(fā)酵過程氧的供給。但是發(fā)酵旺盛時會產(chǎn)生大量泡沫，會引起“逃液”現(xiàn)象。1.造成攪拌無法進(jìn)行，菌體呼吸受到阻礙導(dǎo)致代謝異常菌體自溶。2.泡沫過多時，會造成大量逃液，發(fā)酵液從排氣路或軸封逃出來而增加染菌機(jī)會和產(chǎn)物浪費(fèi)。泡沫控制，可以采用兩種途徑：一、調(diào)整培養(yǎng)基的成分(如少加或緩加易氣泡的原料)、改變某些物理化學(xué)參數(shù)(如pH、溫度、通氣和攪拌)或是改變發(fā)酵工藝的控制。二、采

用機(jī)械消沫或消沫劑消沫來消除。主要通過機(jī)械消沫和化學(xué)消沫法。如常用到的四類1.天然油脂類、2.高碳醇、脂肪酸和脂類3.醚類4.硅酮類。加入的方法一般有：一次加法、中間流加法、一次加法和中間流加法結(jié)合使用。5.提取谷氨酸工藝流程發(fā)酵結(jié)束后，在谷氨酸發(fā)酵液中，除了積累的大量谷氨酸外，還有其他代謝副產(chǎn)物、培養(yǎng)基殘留成分等，因此需要把谷氨酸從發(fā)酵液中分離出來。目前國內(nèi)提取谷氨酸主要采?。旱入婞c(diǎn)法、離子交換法、金屬鹽法、鹽酸水解-等電點(diǎn)法、離子交換膜電滲析法等。等電子-離子交換法提取谷氨酸流程如下：發(fā)酵液―4-加鹽酸或高流分母液▲育晶2h（pH4?5）育晶2h(pH3.5?3.8)-加鹽酸或高流分母液▲I育晶2h(pH3.0?3.2)I攪拌育晶20h?96hI谷氨酸沉淀4h谷氨酸等電子-離子交換法提取谷氨酸流程示意圖等電子-離子交換法提取谷氨酸流程示意圖母液母液I上離子交換柱技術(shù)控制：本工藝分兩步進(jìn)行：第一步將發(fā)酵液送至等電點(diǎn)罐，提取部分谷氨酸；第二步將母液進(jìn)行離子交換處理。等電點(diǎn)提取回收細(xì)谷氨酸可與發(fā)酵液并用，放入等電點(diǎn)罐內(nèi)，用PH1.5的離子交換高流分母液調(diào)節(jié)等電點(diǎn)罐內(nèi)發(fā)酵液，開始流速快些，當(dāng)溶液pH達(dá)到5時，流量要放小，仔細(xì)觀擦到晶核，停止加酸，再育晶2h,再緩慢調(diào)節(jié)pH3.2,繼續(xù)育晶2h，開大冷水，攪拌16?20h，使充分長晶，然后靜置沉降4?6h，母液上液離子交換柱，提取谷氨酸?？偨Y(jié)：總之，影響谷氨酸產(chǎn)酸能力因素主要包括有：培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件的控制、溫度、pH值、供養(yǎng)濃度、接種量和種齡、泡沫等因素的影響。因此在谷氨酸發(fā)酵過程中要注意控制因素：1.根據(jù)采用不同的菌種確定對培養(yǎng)基成分確定和原料處理方式。2.培養(yǎng)成分添加的方式與控制充足的氧氣量、適量NH+、pH控制在中性過微堿性、適量的生物素的4條件培養(yǎng)條件為好。3.控制好溫度不同發(fā)酵時期的發(fā)酵溫度。4.在不同的時期pH值并不相同與谷氨酸的合成速度為最大量相適宜為好5.要控制好氧氣的通氣量6.控制接種量與選擇二級種齡進(jìn)行接種以達(dá)到高產(chǎn)酸、高轉(zhuǎn)化率的目的。7.通過機(jī)械消沫和化學(xué)消沫等方法來提高谷氨酸發(fā)酵質(zhì)量?？傃灾劝彼岚l(fā)酵的實(shí)際控制條件包括有:適宜的培養(yǎng)基，適宜的培養(yǎng)條件、把握好不同時期發(fā)酵所要的溫度、pH、供養(yǎng)濃度參數(shù)，以及通過采用適宜的消泡劑來控制發(fā)酵的質(zhì)量，進(jìn)而采用良好的提取方法來生產(chǎn)發(fā)酵高質(zhì)量、高效率的谷氨酸。參考文獻(xiàn)田洪濤、高年發(fā)等現(xiàn)代發(fā)酵工藝原理與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007陳寧等?氨基酸工藝學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2008,47-59馮容寶等.流加濃糖提高谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸率.發(fā)酵科技通訊，2001,3(3)；19-20劉曉鷗，李睿穎，徐勇虎等.聚谷氨酸的生物合成及應(yīng)用前景[J].食品工，2009(1):23-25.彭珍榮.微生物資源