爱华网谷氨酸的性质及基本介绍
中文名 | L-谷氨酸 | 结构式 | |
英文名 | L-glutamic acid | ||
商品名/别名/化学名 | 麸酸/L-2-氨基戊二酸 | ||
英文缩写 | Glu | ||
CAS号/ PubChem | 56-86-0/ 611 | ||
化学式 | C5H9O4N | 摩尔质量（g/mol） | 147.12926 |
等电点 | 3.22 | 密度（kg/m3） | 1.538 |
熔点 | 200℃升华，247-249℃分解 | ||
解离常数 | pK1(-COOH)=2.19；pK2(-COOH)=4.25；pK3(-NH3)=9.67 | ||
溶解性 | 水中溶解度（%）：0.34(0℃)，0.72(20℃)，1.51(40℃)2.19(50℃)，5.52(75℃)，14(100℃)。在乙醇、丙酮、乙醚中不溶 | ||
稳定性 | 结晶状态稳定 | ||
光谱学性质 | [α]20D=+31.8o | ||
主要用途简介：
（一）食品工业：谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。
（二）日用化妆品：谷氨酸作为营养药物可用于皮肤和毛发。
N—酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。
焦谷氨酸钠（味精脱水生成的产物）具有极强的吸湿性，能保持皮肤湿润，防止干燥，并增强皮肤和毛发的柔软和弹力。日本己有以谷氨酸钠（或谷氨酸）为原料生产的高级人造革、化妆品和洗涤剂等产品。
（三）医药行业：谷氨酸作有较高的营养价值，医学上主要用于治疗肝性昏迷，还用于改善儿童智力发育。
（四）农业：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。
谷氨酸生产水平与市场分析
生产水平：
谷氨酸棒状杆菌-生物素敏感型高产菌株：采用生物素亚适量工艺，发酵32h，产酸达140g/L以上，糖酸转化率达62%以上，国内同类研究的领先水平。
谷氨酸棒状杆菌-谷氨酸温度敏感型突变株：在最佳发酵条件下，发酵24h，产酸达到160g/L，糖酸转化率达72%，国际同类研究的先进水平。
市场分析：
我国味精工业的产量稳居世界第一位，2007年全国味精产量达190万吨。味精工厂的味精平均销售价格为7,800元/吨，成本为7,000元/吨。按照上述产量计算，我国味精工业中纯味精的总产值约150亿元，加上相当于上述总值30%的副产品（主要是饲料蛋白、化肥、液态肥料）的产出，我国味精工业年生产总值约为200亿元人民币。
谷氨酸的代谢通路、关键酶、调控机制
代谢途径：
谷氨酸产生菌中谷氨酸的生物合成途径如图所示：其中的代谢途径包括糖酵解途径(EMP)、磷酸己糖途径(HMP)、三羧酸循环(TCA循环)、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应(CO2固定反应)等。葡萄糖经过EMP(主要)和HMP途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰CoA进入TCA循环，另一部分固定CO2生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，再经过氧化还原共扼的氨基化反应生成谷氨酸。
关键酶：α-酮戊二酸脱氢酶，谷氨酸脱氢酶
调控机制：
一．谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后，谷氨酸的生物合成受其自身的反馈抑制和反阻遏，代谢转向合成天冬氨酸。
二．磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化CO2固定的关键酶，受谷氨酸的反馈抑制。
三．柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏。
四．谷氨酸脱氢酶受谷氨酸的反馈抑制和阻遏。
谷氨酸的生产菌种及遗传育种思路
主要的生产菌种：
（1）棒状杆菌属 谷氨酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)：生物素缺陷型、温度敏感型；北京棒杆菌；钝齿棒杆菌
（2）短杆菌属 黄色短杆菌；天津短杆菌
谷氨酸棒状杆菌对数期图片谷氨酸棒状杆菌平板图片：
育种思路：
一是可通过诱变选育L-谷氨酸的结构类似物抗性突变株和营养缺陷型的回复突变株，以解除自身的反馈抑制和反馈阻遏，增大L-谷氨酸积累量。可以选育酮基丙二酸抗性突变株、谷氨酸氧肟酸盐抗突变株、谷氨酰胺抗性突变株等。
二是增加L-谷氨酸的前体物的合成量，可通过如选育抗氟乙酸、氟化钠、氮丝氨酸、氟柠檬酸等突变株，以及强化CO2固定反应突变株（选育以琥珀酸或苹果酸为唯一碳源，生长良好的菌株、选育氟丙酮酸敏感性突变株及选育丙酮酸缺陷、天冬氨酸缺陷突变株）使谷氨酸大量积累。
三是选育强化能量代谢的突变株。谷氨酸高产菌的2个显著特点是：α-酮戊二酸继续向下氧化的能力缺陷和乙醛酸循环弱，使能量代谢受阻；TCA循环前一阶段的代谢减慢。强化能量代谢，可补救上述两点不足，使TCA循环前一段代谢加强，谷氨酸合成的速度加快。
四是通过选育不能以L-谷氨酸为唯一碳源生长的突变株，由于该突变株切断或减弱L-谷氨酸向下一步的代谢途径，从而L-谷氨酸能得到持续的积累。
谷氨酸发酵的优化问题
谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵，环境条件对谷氨酸发酵具有重要的影响，控制最适宜的环境条件是提高发酵产率的重要条件。
（1）碳源：目前使用的谷氨酸生产菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖等，有些菌种还能利用醋酸、正烷烃等做碳源。
在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压过大，则对菌体的生长很不利，谷氨酸对糖的转化率降低。
国内谷氨酸发酵糖浓度为125-150g/L，但一般采用流加糖工艺。
（2）氮源：常见无机氮源：尿素，液氨，碳酸氢铵。常见有机碳源：玉米浆，豆浓，糖蜜。当氮源的浓度过低时会使菌体细胞营养过度贫乏形成“生理饥饿”，影响菌体增殖和代谢，导致产酸率低。随着玉米浆的浓度增高，菌体大量增殖使谷氨酸非积累型细胞增多，同时又因生物素过量使代谢合成磷脂增多，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。
碳氮比一般控制在100：15-30。
（3）磷：当磷浓度过高时，很容易发生发酵转换，转向合成缬氨酸；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于高产酸。
（4）生物素：随着生物素添加量的不断增加，发酵产酸先增大后减小。
（5）溶氧：谷氨酸发酵是典型好氧发酵，溶解氧对谷氨酸产生菌种子培养影响很大。溶解氧过低，菌体呼吸受到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是并非溶氧越高越好，当溶氧满足菌的需氧量后继续升高，不但会造成浪费还会由于高氧水平抑制菌体生长和谷氨酸的生成。
（6）pH：在谷氨酸发酵过程中，随着谷氨酸的不断生成，发酵液的pH值不断的减小，对谷氨酸菌产生抑制，为了维持发酵的最佳条件，采用流加尿素和液氨（现在大多采用的是液氨）的方法。发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，在氨过量存在的情况下以谷氨酸铵的形式存在，所以从发酵罐出来的是谷氨酸铵，而不是我们所希望的谷氨酸。
（7）温度：在整个流加发酵中，并非一定要控制恒温培养，因为菌体最适生长温度不一定是菌体积累代谢终产物的最佳温度。谷氨酸菌体最适生长温度为30-32℃；谷氨酸最适合成温度为34-37℃；发酵初期温度提高可以缩短细胞生长时间，减少发酵总时间；发酵中、后期的菌体活力较强，适当提高发酵温度有利于细胞膜渗透性和产酸，故温度应控制稍高一些。
谷氨酸的提取及下游过程
谷氨酸提取的基本方法有：等电点结晶法，特殊沉淀法，离子交换法，溶剂萃取法，液膜萃取法。
味之素公司的提取技术是先用高速离心法从发酵液中分离出菌体，再浓缩3倍后加硫酸调pH使谷氨酸结晶，提取收率约90％。
目前国内从发酵液中提取L-谷氨酸普遍采用的步骤是先用等电点法结晶大量L-谷氨酸，母液采用732阳离子交换树脂浓缩其中的L-谷氨酸，洗脱得到的谷氨酸溶液，再回到等电罐进行结晶回收提取收率约90-95％。
这种工艺存在着下列的缺陷：①在结晶和离子交换过程中要使用大量的硫酸调节发酵液和母液的pH，造成环境污染；②在低温下交换，高温下洗脱，使树脂反复的溶胀收缩，使用寿命缩短；③等电点废液中存在大量NH4+离子，用氢型树脂进行交换时，NH4+离子可与L-谷氨酸离子进行竞争，使L-谷氨酸的收率降低。
流程一：
谷氨酸钠现行生产工艺：可以看出现在味精生产均采用先从谷氨酸铵发酵液分离谷氨酸半成品，用NaOH或Na2CO3进行中和转化为谷氨酸一钠，经脱色、浓缩、精制而成味精的基本工艺。因此在提取工艺中，需要完成：谷氨酸铵→谷氨酸→谷氨酸一钠的产品转化过程。而此转化过程需要消耗大量的酸碱，产生大量环境污染，提高生产成本。
流程二：
流程三：
此方法与固体膜技术及其它传统分离方法相比，具有高效、快速、节能、选择性好、提取率高的显著优点，弥补了传统工艺的某些缺限，具有广泛的应用前景。液膜萃取兼有萃取和膜渗透两项技术的特点。乳液液膜是用第三相（膜相）将能够内外两相隔离开，利用液膜的选择性迁移作用，使外相料液中被分离组分能够逆浓度梯度转移到内相。在乳液液膜的外相和内相界面上，溶质的萃取和反萃取同时完成。由于乳液液膜分离过程通常在较温和的条件下进行，而且单位体积设备的表面积可达到1000m2/m～3000m2/m，因此具有活性损失小、传质速率高、分离和浓缩一步完成，能从低浓度的溶液中有效地回收溶质等优点。乳液液膜法存在的最大问题是液膜的稳定性。实验表明，加入稳定剂可以减小油水界面的表面张力，防止液膜破裂。
主要参考文献
[1] 陈宁．氨基酸工艺学[M]．北京：中国轻工业出版社，2007．
[2] 谭平. L-谷氨酸合成新工艺研究[D]. 湖南：湖南大学，2006.
[3] 王帅. L-谷氨酸发酵高产菌选育及其发酵优化的研究[D]. 江苏：江南大学，2008.
[4] 王东阳. 谷氨酸高产菌的原生质体诱变育种及其发酵条件研究[D]. 天津：天津科技大学，2005.
[5] 刁立兰. 谷氨酸发酵中生物素的测定及控制[D]. 山东：山东轻工业学院，2008.
[6] 陈景勇. 谷氨酸萃取与沉淀分离研究[D]. 江苏：江南大学，2008.
后记
这篇文章的完成源于自己需要选择研究生实验课题。
本实验室主要以研究氨基酸发酵为主，所以选择课题时需要了解各种氨基酸发酵的基本情况。在咨询导师和师兄师姐的意见后，我觉得有必要进一步加深其了解，故决定整理一篇关于各种氨基酸发酵情况的文章。在基于实验室已有的资料上，本人查阅了图书馆一些书籍和网络上大量相关资料，经过仔细的筛选和整理，目前已初步完成关于谷氨酸发酵情况的文章，相继的文章今后将会陆续发布，请大家关注，也希望对大家有所帮助。
文章中大量参考了氨基酸发酵行业各位前辈的成果，在此一并表示感谢！另外由于本人的知识水平有限，尤其缺乏工厂的实践操作经验，文章中的谬误敬请大家原谅。若发现有问题和错误之处，或者有最新的资料，请联系本人，我一定会作出修改并重新发布，衷心的希望和大家共同进步。
文章的一些参考文献没有完全列出，有需要文献的朋友请联系：
邮箱hkfced@sina.com
河岸hkfced
2009-11-22
