谷氨酸生产菌培养基条件的优化综述 前言
谷氨酸的发现为氨基酸的发展与应用奠定了基础。以谷氨酸为基础生产的各种下游产品广泛的应用于食品、化工、医药等行业，其中味精是第一代食品调味品，其产量以及需求量正逐年递增。由于微生物学及生物工程技术、基因工程技术的发展，使现如今谷氨酸发酵工业从粗放的、以传统经验为指导的生产正向着以了解发酵代谢机理为指导的新型工业生产发展，这为谷氨酸发酵工业带来了更大的发展空间。谷氨酸生产工业与先进的生产技术相结合，对谷氨酸生产菌种的育种、代谢控制发酵和下游产品的开发具有一定的促进作用。1.2 谷氨酸谷氨酸（Glutamic acid）作为一种酸性氨基酸，由里索逊于 1856 年发现。谷氨酸大量存在于谷类蛋白质及动物脑中，在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，并参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应，是构成蛋白质的 20 种常见 α-氨基酸之一，与我们的生活息息相关。
谷氨酸谷氨酸（Glutamic acid）作为一种酸性氨基酸，由里索逊于 1856 年发现。谷氨酸大量存在于谷类蛋白质及动物脑中，在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，并参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应，是构成蛋白质的 20 种常见 α-氨基酸之一，与我们的生活息息相关。
一、谷氨酸的应用 1. 应用于食品行业
谷氨酸是人类应用的第一个氨基酸，也是世界上应用广，产量及销量最大的一种氨基酸，主要用于食品行业中味精的生产。L-谷氨酸是制造味精的前体，与适量碱反应可生成谷氨酸钠，即味精。这是家喻户晓的一种风味增强剂，是重要的鲜味剂，不仅具有增强食品风味的功能，而且对动物性食品还具有保鲜作用，最重要的是这种风味添加剂食用安全，应用性较广。在食品中浓度为 0.2 % ~ 0.5 %，每人每天允许摄入量（ADl）为 0 ~ 120 μg/ kg（以谷氨酸计）。 2. 应用于医药行业
谷氨酸还可用于医药，虽然它并非人体必需氨基酸，但它可作为碳氮营养参与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨酸能预防和治疗肝昏迷，起到保护肝脏的作用，是肝脏疾病患者的辅助药物。谷氨酸还能起到改进并维持大脑机能的作用，可用于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫等疾病，对儿童弱智也有一定的积极治疗作用。谷氨酸已制成多种药剂，应用于临床治疗当中，如：谷氨酸钠注射液、谷氨酸钙注射液等。 3. 应用于日用化妆品行业
应用于日用化妆品行业也是谷氨酸的重要用途之一。谷氨酸用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发再生，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。由谷氨酸制成的护发剂、染发剂，已发展成为时兴商品供应于市场。 4. 应用于下游产品
谷氨酸应用于下游产品的开发除了谷氨酸钠的应用外，还可以生成 N-酰基谷氨酸钠系列产品，用于表面活性剂的生产、肥皂的生产以缓和对皮肤的刺激；谷氨酸用于聚谷氨酸的生产，主要应用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途，因为它可在自然界迅速降解，不污染环境，是一种出色的环保塑料；另外它还可以应用于需要良好保温性和透气性的人造皮革和高级人造纤维的生产。随着科学技术的进步以及人们对知识探求的深入了解，谷氨酸新的应用领域将会越来越广，其发展前景必将更为广阔。
谷氨酸发酵方法的研究进展
L-谷氨酸作为生产量最大的氨基酸之一，工业化发酵生产已有 50 余年历史，通过改造菌种以提高产酸率和糖酸转化率对于经济效益的提高具有重大意义[38]。谷氨酸是生产味精的主要原料，国内外早已应用于工业化生产， 生产技术都相对成熟，现在都趋向于致力于节能降耗、提高收率、降低成本的工艺研究[39]。
谷氨酸国内生产现状[40]我国的味精生产厂共有 82 家，效益较好的厂家分布在山东、江苏、河北、浙江、广东等地。我国味精的产量居世界首位，但人均占有量仅为 769 g，与港澳台地区人
均占有量 2500 g 相比相差甚远。目前我国的许多老的味精生产厂家设备陈旧，管理落后，产量有所下滑。加之沿海等省市的原来成本上升，使得国内的生产厂家有向西北、东北、内蒙古等地迁移的趋势。这也为味精行业的发展带来一定的契机。国内的生产菌种主要为生物素亚适量型、温度敏感型以及高生物素及表面活性剂型。其中以生物素亚适量型最具代表性。在国内的 82 家味精生产企业中，几乎主要应用两种生产菌种 S9114 和 FM415。只有山东铃兰和河南周口两家在使用温度敏感型菌种作为生产菌种，且都处于试验阶段。从国内现状不难看出，选育优良的生产菌种是一项基本课题，也是改变谷氨酸生产企业现状的重要手段。
谷氨酸国外生产现状
1912 年，日本味之素公司首先投产了以水解法生产味精的发酵工艺。即以蛋白质为原料经过盐酸水解生产氨基酸，由于谷氨酸在盐酸中的溶解度最小，可以根据溶解度的不同分离提取谷氨酸，再经过碱中和生产味精。1958 年，日本协和发酵公司，又以糖质原料通过细菌进行发酵生产味精。1962 年，日本味之素公司以丙烯为原料，通过化学合成生产味精，年产量达 12000 吨，生产工艺从最初的一次糖质发酵、糖流加发酵、醋酸流加发酵、醋酸和糖混合发酵、乙醇流加发酵、石油发酵到甘油缺陷型、青霉素抗性石油发酵，生产菌种不断改进，产量也不断提高。现在国外的生产技术集中于构建基因工程菌，控制菌种的代谢途径，使菌种生产向着有利于积累发酵产物的方向上发展。在基因工程菌生产谷氨酸方面，国内还处于空白阶段。 研发前景及存在的问题
谷氨酸的需求量一直在增高，利润空间是很大的。国内存在的问题主要是：菌种过于单一，寻找开发新的生产菌种，以提高糖酸转化率是一项重要的任务；发酵方法多以糖质原料为基础，较为单一，不利于降低原料的生产成本，以寻找新资源为目的，开发以石油化工产品为原料的发酵方法将成为发酵生产谷氨酸的另一突破点；生产上缺乏为与现代先进技术相结合的发酵工艺，如可以结合较为热门的固定化细胞技术等。 论文选题背景及主要研究内容
氨基酸产业是推动国民经济健全发展的一项重要产业。由于氨基酸与人类的生活越来越密切，由氨基酸应运而生的各种产品也越来越多，产品种类也越来越丰富，从食品、医药、化工产业逐步渗透至社会经济的各种组成部分之中。氨基酸工业生产的地位以及其所带动的社会经济效益正与日俱增。1993 年公布的资料显示，全世界氨基酸产量达 100 万吨，而需求总量是 800 万吨[42]，而且这一数字正在逐年递增。随着生物工程技术产业逐渐成为 21 世纪全球的主要产业之一，氨基酸的需求量越来越大，品种变更越来越快[43]。自从氨基酸发现以来，日本就积极投身于氨基酸的生产行业，世界市场占有率达 35 %，年销售额占 50 %左右。日本氨基酸产业的急速扩增，不仅仅因为其较早的涉及氨基酸生产领域，更主要在于日本的各大氨基酸生产商（如味之素公司）对氨基酸工艺的探究拥有更为悠久的历史，所沉淀下来的优秀的发酵工艺，使其在产量以及产品质量上都有较强的市场竞争力。而且，日本最早运用基因工程育种，构建了更多具有优秀生产能力的优势菌种，这也是其快速发展的重要原因。鉴于氨基酸产业的飞速发展以及我国国内对氨基酸需求的迅猛增加，对氨基酸发酵研究的这一课题就显得尤为重要了。
我国是氨基酸行业的生产大国，主要有两种氨基酸的生产：谷氨酸和赖氨酸。这两种氨基酸的产量占国内氨基酸产业的 90 %以上。谷氨酸是应用于食品行业的第一种氨基酸，其巨大的市场需求来源于其下游产品——味精。据统计，我国现有的十多个万吨级食用谷氨酸生产厂家，年产 50 多万吨[44]，但这一产量仍然不能满足国内的需求。巨大的需求量为谷氨酸工业的发展带来了广阔的空间，同时也带来了挑战，面临的困难也如 1.5 中所述。最近美国发布了对细菌进行 DNA 重组，利用农业废料生物发酵产生优质石油的信息[45]，这对氨基酸工业今后发展予以重大启示[46]。依据世界形势的发展，当下，选育优良的谷氨酸生产菌种以打破单一的发酵菌种应用生产的模式是谷氨酸生产的发展方向。同时，怎样结合现有的发酵工艺，并通过关键因素的控制而达到效益化最优的生产模式也是谷氨酸发酵行业的一项重要攻关课题。仅仅就生物素测定以期快速简便的指导工业批次生产的研究至今还没有突破性的进展，所以谷氨酸生产工业的各项研究都存在一定的科研价值，这也是本课题的立体所在。本文通过谷氨酸棒杆菌的菌种选育，应用逐级诱变的方法，筛选了产量稳定提高的具有天冬氨酸渗漏性以及谷氨酰胺抗性的突变株，并以此为出发菌株进行谷氨酸发酵条件优化试验，确定了一套完整的发酵工艺。最后，采用荧光法对此工艺中原料以及发酵
液中的生物素进行了测定，找出了最佳工艺条件下生物素的含量。图 1.3 显示了试验的主要内容。
展望
谷氨酸的生产优化工艺，是一项涉及很广的课题，由于时间以及技术，课题还存在诸多不足。谷氨酸的生产菌种的更新是推动谷氨酸生产工业不断发展的动力，在这项技术中，除了传统的诱变育种技术，原生质体融合技术之外，比较热门的新兴技术基本集中在通过基因工程构建符合生产目的的发酵菌株。这部分内容在国内的生产研究领域还处于空白阶段，所以，通过基因手段研究谷氨酸生产菌种的代谢机理以及构建优势菌株，将会使得国内的生产行业得到革新。