穀氨酸發酵

穀氨酸發酵生產是穀氨酸產生菌在其生命活動過程中分解代謝營養物質、合成所需產物、穀氨酸的生化過程。在這個過程中，影響穀氨酸產生菌生長、繁殖、代謝及合成產物的因素很多，通過人工干預有目的地控制這些因素，使其最終滿足穀氨酸菌種的代謝合成需要，可以達到增加產物"降低消耗的目的 ^[1]  。穀氨酸產生菌既是反應過程的主體，也是反應過程的生物催化劑，它攝取原料的營養，通過細胞內特定的酶系列進行復雜的生化反應。其底物中的反應物透過細胞壁和細胞膜進入細胞體內，在酶的作用下進行催化反應，將反應物轉化為產物並釋放出來，細胞的內在特性及其代謝規律是影響生化反應的關鍵因素。因此，發酵是一個比其他工業過程更為複雜的動態過程 ^[2]  。

穀氨酸的生物合成途徑大致是：葡萄糖經糖酵解(EMP途徑)和己糖磷酸支路(HMP途徑)生成丙酮酸，再氧化成乙酰輔酶A(乙酰COA)，然後進入三羧酸循環，生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸在穀氨酸脱氫酶的催化及有NH⁴⁺存在的條件下，生成穀氨酸。當生物素缺乏時，菌種生長十分緩慢；當生物素過量時，則轉為乳酸發酵。因此，一般將生物素控制在亞適量條件下，才能得到高產量的穀氨酸。

在穀氨酸發酵中，如果能夠改變細胞膜的通透性，使穀氨酸不斷地排到細胞外面，就會大量生成穀氨酸。研究表明，影響細胞膜通透性的主要因素是細胞膜中的磷脂含量。因此，對穀氨酸產生菌的選育，往往從控制磷脂的合成或使細胞膜受損傷入手，如生物素缺陷型菌種的選育。生物素是不飽和脂肪酸合成過程中所需的乙酰CoA的輔酶。生物素缺陷型菌種因不能合成生物素，從而抑制了不飽和脂肪酸的合成。而不飽和脂肪酸是磷脂的組成成分之一。因此，磷脂的合成量也相應減少，這就會導致細胞膜結構不完整，提高細胞膜對穀氨酸的通透性。

在發酵過程中，氧、温度、pH和磷酸鹽等的調節和控制如下：①氧。穀氨酸產生菌是好氧菌，通風和攪拌不僅會影響菌種對氮源和碳源的利用率，而且會影響發酵週期和穀氨酸的合成量。尤其是在發酵後期，加大通氣量有利於穀氨酸的合成。其中穀氨酸棒狀桿菌在溶氧不足時產生的是乳酸或琥珀酸。②温度。菌種生長的最適温度為30～32 ℃。當菌體生長到穩定期，適當提高温度有利於產酸，因此，在發酵後期，可將温度提高到34～37 ℃。③pH。穀氨酸產生菌發酵的最適pH在7.0～8.0。但在發酵過程中，隨着營養物質的利用，代謝產物的積累，培養液的pH會不斷變化。如隨着氮源的利用，放出氨，pH會上升；當糖被利用生成有機酸時，pH會下降。其中谷氨酸棒狀桿菌在pH呈酸性時生成乙酰谷胺酰胺。④磷酸鹽。它是穀氨酸發酵過程中必需的，但濃度不能過高，否則會轉向纈氨酸發酵。發酵結束後，常用離子交換樹脂法等進行提取 ^[3]  。

穀氨酸除用於製造味精外，還可以用來治療神經衰弱以及配製營養注射液等。我國的穀氨酸發酵雖然在產量、質量等方面有了較大的提高，但與國外先進水平相比還存在一定差距。主要表現 在：設備陳舊，規模小，自控水平、轉化率和提取率低，易受噬菌體污染，廢水污染問題尚未完全解決等。