聚谷氨酸发酵生产的主要菌株及影响发酵的主要因素

1.1 聚谷氨酸的合成方法

1.1.1化学合成法

化学合成方法为肽合成法和二聚体缩聚法两种。该方法比较复杂，成本也很高，难以大规模生产。其合成产物的分子量也明显小于微生物发酵得到的聚谷氨酸，并且得到的聚谷氨酸也无法达到高纯度、高产量，不适宜于医药和食品领域应用。

1.1.2 提取法

早期日本生产的聚谷氨酸主要是用乙醇从纳豆中提取的。但纳豆中含有的聚谷氨酸的量很少，且不稳定，波动性很大，造成提取工艺复杂，成本很高，难以大规模生产。该方法亦不能作为聚谷氨酸生产的主要方法。

1.1.3微生物合成法

微生物合成法是通过大量培养菌体后收集发酵液，最后分离出聚谷氨酸的方法。微生物合成法具有工艺简单，聚谷氨酸产量高等优点，适于大规模工业化生产，近年来成为聚谷氨酸合成的主流研究方向。但迄今为止，聚谷氨酸发酵生产仍处于实验室阶段，这些生产方法主要有液体发酵法、固体发酵法、偶联发酵法、固定化酶法、分批发酵法、连续发酵法、搅拌罐反应器自循环发酵法等几种。

1.2 聚谷氨酸的主要菌株

聚谷氨酸发现于B.anthracis和B.mesentericus等微生物的荚膜组成中，也可从B.subilis培养液中分离得到。根据华体会体育最新地址 中是否需要添加谷氨酸可以将聚谷氨酸的产生菌株分为两类，一类为非谷氨酸依赖菌，即不需要向华体会体育最新地址 中添加谷氨酸就可以产生一定量的聚谷氨酸，利用这种菌发酵生产成本较低，但是此类菌较少，且产量也相对较低。另一类为谷氨酸依赖菌，此类菌的种类比较多，又可以再分为两种，一种称全程合成(denovo)聚谷氨酸菌株，需要向华体会体育最新地址 中添加谷氨酸以合成聚谷氨酸；另一种需向华体会体育最新地址 中添加少量L-谷氨酸以诱导菌株产生大量的聚谷氨酸，称分段合成(salvage)聚谷氨酸菌株，在这些菌的华体会体育最新地址 中加入的谷氨酸只起到调控从柠檬酸合成聚谷氨酸的作用。由于谷氨酸依赖菌的产量明显高于非谷氨酸依赖菌，目前人们也仍然热衷于对谷氨酸依赖菌的研究。但鉴于成本问题，非谷氨酸依赖菌在工业生产中依然有着巨大的潜能。

1.3 影响聚谷氨酸发酵生产的因素

除了应用代谢调控理论选育高产突变株或构建重组菌株提高聚谷氨酸发酵产量外，优化聚谷氨酸发酵生产条件是提高产量的一条重要而有效的途径。发酵过程中一般pH为中性，培养温度大约在35℃-37℃，通常聚谷氨酸的产量与碳氮源平衡有着密切联系。华体会体育最新地址 中微量元素的配比也影响着聚谷氨酸的产量高低。

1.3.1 碳源对发酵罐生产聚谷氨酸的影响

目前，用Bacillus属的菌株发酵生产聚谷氨酸最合适的碳源主要为葡萄糖、柠檬酸、甘油和麦芽糖。不同菌株对碳源的要求也不一样。如地衣芽孢杆菌最合适的碳源为柠檬酸；若用B.subtilisMR2141等菌株发酵时，选用葡萄糖或麦芽糖作碳源时聚谷氨酸的产率可以达到最大。但在工业化生产，鉴于成本问题，还是选用柠檬酸作为碳源比较合适。目前也有用玉米为原料来发酵生产聚谷氨酸，该方法原料成本低、来源广泛，为工业化生产提供可能。

1.3.2 NaC1浓度对发酵生产聚谷氨酸的影响

NacI虽然不是聚谷氨酸合成所必须的原料之一，但它能够对发酵液的渗透压进行调节控制。在发酵过程中，如果在发酵液中加入一定量的NaCl就会使泡沫消失，保证聚谷氨酸稳定生产。

1.3.3溶氧对聚谷氨酸产率的影响

由于聚谷氨酸生产为有氧发酵，在发酵过程中受通气量和搅拌转速以及发酵液性质等诸多因素的限制。通常在空气流量一定的情况下，搅拌转速的变化直接影响氧在发酵液中的传质效率，进而影响正常的细胞生长和代谢产物的形成。因此可以通过控制搅拌转速来提高聚谷氨酸的发酵产率，

1.3.4发酵液中金属离子对聚谷氨酸产率的影响

研究发现，向华体会体育最新地址 中添加某些金属离子，对菌体生长和聚谷氨酸生物合成及结构组成有一定的调控作用。K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺是地衣芽孢杆菌的必需营养物质，同时Ca²⁺、Fe²⁺和Mg²⁺等对聚谷氨酸合成酶系统有极其重要作用。至今，微生物发酵生产聚谷氨酸的小试主要是通过控制pH、转速及通氧量等措施进行分批和补料分批发酵。聚谷氨酸的质量和成本是其大规模生产的一个重要的障碍。

1.4 聚谷氨酸的生物合成的调控及相关基因

聚谷氨酸合成机理的研究很多。不同的菌种合成聚谷氨酸的代谢路径和相关的合成酶可能是不同的。通常认为芽孢杆菌属中D-谷氨酸是由D氨基酸转氨酶催化生成的，但是在B.subtilisIF03336的细胞裂解液中却没有检测到D-氨基酸转氨酶的活性。

1.5 聚谷氨酸的提取及纯化

通过微生物发酵法得到的高粘度发酵液，可以用有机溶剂沉淀法、化学沉淀法和膜分离法分离提取聚谷氨酸，其中膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，已被应用于聚谷氨酸的分离纯化。膜分离法处理高粘度的发酵液后，可先干燥得到聚谷氨酸粗品，然后再将其用蒸馏水溶解，离心除去不溶解的杂质，最后再透析除盐，真空冷冻干燥得到比较纯净的聚谷氨酸。由于不同的分离提取方法得到的聚谷氨酸的分子量也是不同的，再加上不同行业市场对聚谷氨酸分子量的要求也不一样。因此可以根据应用需求来选择合适的分离纯化的方法。如果是需要不同分子量或者低分子量(如用于药物载体)聚谷氨酸，加酸处理是一种非常有效简单的手段；但若是需要像用于保水材料、污水处理的大分子量的聚谷氨酸，加酸降低发酵液的粘度及菌体稳定性和超滤浓缩减少有机溶剂用量都不是可取的方法。

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