項目描述：
氨基酸是構成蛋白質的基本單位，是合成人體激素、酶及抗體的原料，參與人體新陳代謝和各種生理活動，在生命中顯示特殊作用。目前，產量最大的就是穀氨酸，穀氨酸在生物體內的蛋白質代謝過程中占重要地位，參與動物、植物和微生物中的許多重要化學反應。穀氨酸可生產許多重要下遊產品如L穀氨酸鈉、L蘇氨酸、聚穀氨酸等。氨基酸作為人體生長的重要營養物質，不僅具有特殊的生理作用，而且在食品工業中具有獨特的功能。本項目主要介紹穀氨酸的生產的菌種、原料及發酵過程和提取工藝。
學習目標：
了解氨基酸的4種生產方法及常用穀氨酸的生產菌種。
理解穀氨酸發酵對原料及培養基的配製的要求。
掌握穀氨酸的發酵的工藝流程及影響因素。
能力目標：
能熟練掌握穀氨酸發酵培養基的配置和菌種分離技術。
掌握發酵穀氨酸的種子擴大培養。
掌握發酵穀氨酸的發酵工藝流程和提取工藝。
日本和德國為世界主要氨基酸生產國。日本的味之素、協和發酵及德國的德固沙是世界氨基酸生產的三巨頭。它們能生產高品質的氨基酸，可直接用於輸液製劑的生產。日本在美國、法國等建立了合資的氨基酸生產廠家，生產氨基酸和天冬甜精等衍生物。
國內主要氨基酸生產廠有：天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司，生產規模及產品質量與國外大廠有較大差距。在20世紀80年代中後期，我國從日本的味之素、協和發酵以技貿合作的方式引進輸液製劑的製造技術，1991年銷售量為2000萬瓶，1996年達6000萬瓶，主要廠家有無錫華瑞，北京費森尤斯，昆明康普萊特，但生產原料都依賴進口。
一、概述
氨基酸是構成蛋白質的基本單位，是合成人體激素、酶及抗體的原料，參與人體新陳代謝和各種生理活動，在生命中顯示特殊作用。因此各種不同的氨基酸可以用來治療不同的疾病。不但氨基酸本身有治療作用，氨基酸的衍生物也有治療作用。20多年來，氨基酸在醫藥、保健方麵的應用進展迅速。
40多年來，國內外在研究、開發和應用氨基酸方麵均取得重大進展，新發現的氨基酸種類和數量已由20世紀60年代50種左右，發展到20世紀80年代的400種，目前已達1000多種。其中用於藥物的氨基酸及氨基酸衍生物的品種達100多種。氨基酸分為兩大類，即蛋白質氨基酸和非蛋白質氨基酸。
氨基酸中有8種氨基酸人體本身不能合成，隻能從食物的蛋白質中攝取，稱為必需氨基酸，它們是L賴氨酸、L色氨酸、L蘇氨酸、L纈氨酸、L亮氨酸、L異亮氨酸、L苯丙氨酸和L蛋氨酸。還有兩種半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。
氨基酸生產方法分為4種：蛋白質水解法、化學合成法、發酵法（分直接發酵法和前體添加發酵法）和酶法4種生產方法。
蛋白質水解法是最早應用的氨基酸生產方法。它是以豆粕為原料，采用酸水解大豆蛋白的方法來獲取氨基酸，如早期的味精的生產方法。
氨基酸的化學合成法是利用有機合成和化學工程相結合的技術製備或生產氨基酸的方法。化學合成法與發酵法相比，最大的優點是氨基酸品種上不受限製，除製備天然氨基酸外還可以用於製備各種特殊結構的非天然氨基酸。化學合成法可以采用多種原料和多種工藝路線，生產規模大，產品容易分離提純，特別是多種廉價原料的提供。但相對而言，合成工藝比發酵法工藝更複雜，合成法今後的研究方向是簡化工藝。
發酵法是借助微生物具有合成自身所需各種氨基酸的能力，通過對菌株的誘變等處理，選育出各種營養缺陷型及抗性的變異株，以解除代謝調解中的反饋與阻遏，達到過量合成某種氨基酸的目的。氨基酸發酵是典型的代謝控製發酵。1940年開始采用發酵法，主要從自然界野生菌經過誘導或突變篩選出營養缺陷型和抗性變異株，1957年日本用細菌發酵進行商業性生產氨基酸，現在20多種氨基酸大都能夠用發酵法生產。產量最大的是穀氨酸，其次為賴氨酸。
二、穀氨酸的生產工藝實例
味精是調味料的一種，主要成分為穀氨酸鈉。穀氨酸鈉是一種氨基酸穀氨酸的鈉鹽，是一種無嗅無色的晶體，在232℃時解體熔化。穀氨酸鈉的水溶性很好，在100mL水中可以溶解74g穀氨酸鈉。味精是一種很好的調味品，易溶於水，能給植物性食物以鮮味，給肉食品添以香味。在湯、菜中放入少許味精，會使其味道更鮮美。
味精的主要成分——穀氨酸鈉進入腸胃以後，很快分解出穀氨酸，穀氨酸是由蛋白質分解的產物，是氨基酸的一種，可以被人體直接吸收，在人體內能起改善和保持大腦機能的作用。穀氨酸鈉在100℃時就會被分解破壞，做湯、燒菜時放味精，能夠使味精分解，大部分穀氨酸鈉變成焦穀氨酸鈉。這樣不但喪失了味精的鮮味，而且所分解出的焦穀氨酸鈉還有一定的毒性。因此不要將味精與湯、菜放在一起長時間煎煮，必須在湯、菜做好之後再放。堿性食品不宜使用味精，因為堿會使味精發生化學變化，產生一種具有不良氣味的穀氨酸二鈉，失去調味作用。
（一）穀氨酸簡介
穀氨酸是一種酸性氨基酸，分子內含兩個羧基，化學名稱為α氨基戊二酸，為無色晶體，有鮮味，微溶於水，而溶於鹽酸溶液，等電點3.22。大量存在於穀類蛋白質中，動物腦中含量也較多。分子式C5H9NO4、分子量147.13076。
穀氨酸在生物體內的蛋白質代謝過程中占重要地位，參與動物、植物和微生物中的許多重要化學反應。穀氨酸可生產許多重要下遊產品，如L穀氨酸鈉、L蘇氨酸、聚穀氨酸等。氨基酸作為人體生長的重要營養物質，不僅具有特殊的生理作用，而且在食品工業中具有獨特的功能。穀氨酸鈉俗稱味精，是重要的鮮味劑，對香味具有增強作用。穀氨酸鈉廣泛用於食品調味劑，既可單獨使用，又能與其他氨基酸等並用。穀氨酸為世界上氨基酸產量最大的品種，作為營養藥物可用於皮膚和毛發。用於生發劑，能被頭皮吸收，預防脫發並使頭發新生，對毛乳頭、毛母細胞有營養功能，並能擴張血管，增強血液循環，有生發防脫發功效。用於皮膚，對治療皺紋有療效。腦組織隻能氧化穀氨酸，而不能氧化其他氨基酸，故穀酰胺可作為腦組織的能量物質，改進維持大腦機能。穀氨酸作為神經中樞及大腦皮質的補劑，對於治療腦震蕩或神經損傷、癲癇以及對弱智兒童均有一定療效。在工業上，聚穀氨酸可降解塑料，是環境友好材料。
穀氨酸發酵是典型的代謝控製發酵。穀氨酸的大量積累不是由於生物合成途徑的特異，而是菌體代謝調節控製和細胞膜通透性的特異調節以及發酵條件的適合。
穀氨酸產生菌主要是棒狀類細菌，這類細菌中含質粒較少，而且大多數是隱蔽性質粒，難以直接作為克隆載體，而且此類菌的遺傳背景、質粒穩定尚不清楚，在此類細菌這種構建合適的載體困難較多。需要對它們進行改建將棒狀類細菌質粒與已知的質粒進行重組，構建成雜合質粒。受體菌選用短杆菌屬和棒杆菌屬的野生菌或變異株，特別是選用穀氨酸缺陷型變異株為受體，便於從轉化後的雜交克隆中篩選產穀氨酸的個體，用穀氨酸產量高的野生菌或變異菌作為受體效果更好。供體菌株選擇短杆菌及棒杆菌屬的野生菌或變異株，隻要具有產穀氨酸能力都可選用，但選擇穀氨酸產量高的菌株作為供體效果最好。這樣就可以較容易地在棒狀類細菌中開展各項分子生物學研究。有了合適的載體及其轉化係統後，就可通過DNA體外重組技術進行穀氨酸發酵。
（二）穀氨酸發酵工藝流程
菌種的選育→培養基配製→斜麵培養→一級種子培養→二級種子培養→發酵（發酵過程參數控製通風量、pH、溫度、泡沫）→發酵液→穀氨酸分離提取。
1）穀氨酸生產菌種
目前，用於穀氨酸發酵的菌種有穀氨酸棒杆菌、乳糖發酵短杆菌、嗜氨小杆菌等，我國常用的生產菌株有北京棒杆菌、天津短杆菌、鈍齒棒杆菌、黃色短杆菌等。
在已報道的穀氨酸生產菌中，除芽孢杆菌外，它們都有一些共同特點：革蘭氏陽性，菌體為球形、短杆至棒狀，不形成芽孢，沒有鞭毛，不能運動，需要生物素作為生長因子，在通氣條件下才能產生穀氨酸。
2）生產原料
穀氨酸生產的主要原料有澱粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜等，澱粉有玉米、小麥、甘薯、大米等，我國主要以甘薯澱粉和大米澱粉為主。大多數穀氨酸生產菌不能直接利用澱粉，因此澱粉原料必須經過酶法或酸法製備成水解糖來配製培養基。
穀氨酸發酵以糖蜜為原料時必須進行預處理，因為糖蜜原料含有豐富的生物素，過多的生物素會影響穀氨酸生產菌的代謝活動和細胞的通透性，需將糖蜜中的生物素控製在亞適量範圍。預處理方法主要是活性炭吸附法或樹脂吸附法。
3）培養基製備
穀氨酸發酵培養基組成包括碳源、氮源、無機鹽和生長因子等。
（1）碳源
目前使用的穀氨酸生產菌均不能利用澱粉，隻能利用葡萄糖、果糖等，有些菌種還能利用醋酸、正烷烴等作碳源。
在一定的範圍內，穀氨酸產量隨葡萄糖濃度的增加而增加，但若葡萄糖濃度過高，由於滲透壓過大，則對菌體的生長很不利，穀氨酸對糖的轉化率降低。國內穀氨酸發酵糖濃度為125～150g/L，但一般采用流加糖工藝。
（2）氮源
常見無機氮源：尿素、液氨、碳酸氫銨。常見有機碳源：玉米漿、豆濃、糖蜜。當氮源的濃度過低時會使菌體細胞營養過度貧乏形成“生理饑餓”，影響菌體增殖和代謝，導致產酸率低。隨著玉米漿的濃度增高，菌體大量增殖使穀氨酸非積累型細胞增多，同時又因生物素過量使代謝合成磷脂增多，導致細胞膜增厚不利於穀氨酸的分泌造成穀氨酸產量下降。碳氮比一般控製在100：（15～30）。