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1、2谷氨酸發(fā)酵L-谷氨酸是生物機體內(nèi)氮代謝的基本氨基酸之一，也是聯(lián)接糖代謝與氨基酸代謝的樞紐之一，在代謝上具有比較重要的意義。L-谷氨酸單鈉，通稱味精，具有強烈的鮮味，是一種十分重要調(diào)味品，廣泛應(yīng)用于烹調(diào)和食品加工。目前，全世界谷氨酸鈉年產(chǎn)量已達(dá)280-300萬噸，占氨基酸總產(chǎn)量1/2左右。它不僅在氨基酸工業(yè)，而且在整個發(fā)酵工業(yè)中也令人矚目。1965年我國建立發(fā)酵法生產(chǎn)。目前全國有近30家工廠生產(chǎn)味精，2007年年產(chǎn)量約191.3萬噸，居世界首位。2.1谷氨酸發(fā)酵機制谷氨酸生物合成包括糖酵解途徑(
2、EMP)、磷酸戊糖途徑(HMP途徑)、三羧酸循環(huán)(TCA)、乙醛酸循環(huán)和CO2固定反應(yīng)等。2.1.1谷氨酸生物合成的主要酶反應(yīng)在谷氨酸發(fā)酵中，生成谷氨酸的主要酶反應(yīng)有以下三種：（一）谷氨酸脫氫酶（GHD）所催化的還原氨基化反應(yīng)α-酮戊二酸+NH4++NADPH2→谷氨酸+H2O+NADPα-酮戊二酸和氨作用生成α-亞氨基酸，α-亞氨基酸被還原成α-氨基酸，這一反應(yīng)稱為還原氨基化反應(yīng)。（二）轉(zhuǎn)氨酶（AT）催化的轉(zhuǎn)氨反應(yīng)α-酮戊二酸+氨基酸→谷氨酸+α-酮酸轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)是由α-酮戊二酸轉(zhuǎn)變成氨基酸的重
3、要反應(yīng)，由轉(zhuǎn)氨酶(或氨基移換酶)催化，使一種氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移給α-酮戊二酸，形成新的氨基酸。轉(zhuǎn)氨酶既催化氨基酸脫氨基又催化α-酮戊二酸氨基化。利用已存在的其它氨基酸，經(jīng)過轉(zhuǎn)氨酶的作用，將其它氨基酸與α-酮戊二酸生成L-谷氨酸。（三）谷氨酸合成酶（GS）催化的反應(yīng)α-酮戊二酸+谷氨酰胺→2谷氨酸以上三個反應(yīng)中，由于在谷氨酸生產(chǎn)菌中谷氨酸脫氫酶的活力很強，因此還原氨基化是主導(dǎo)性反應(yīng)。2.1.2谷氨酸生物合成的理想途徑由葡萄糖生物合成谷氨酸的途徑見圖2-1。圖2-1由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途徑圖2
4、-1由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途徑由上述谷氨酸生物合成的理想途徑可知，由葡萄糖生物合成谷氨酸的總反應(yīng)方程式為：由于1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，因此理論糖酸轉(zhuǎn)化率為81.7%(147/180×100%=81.7%)。上式中四碳二羧酸(草酰乙酸)100%通過CO2固定反應(yīng)供給。2.1.3谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑葡萄糖生成丙酮酸后，一部分氧化脫羧生成乙酰CoA，一部分固定CO2生成草酰乙酸或蘋果酸，草酰乙酸與乙酰CoA在檸檬酸合成酶催化下縮合成檸檬酸，再經(jīng)氧化還原共軛的氨基化反應(yīng)生成谷氨酸。
5、（一）谷氨酸發(fā)酵的代謝途徑谷氨酸的合成主要途徑是α-酮戊二酸的還原性氨基化，是通過谷氨酸脫氫酶完成的。α-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前體，它來源于三羧酸循環(huán)，是三羧酸循環(huán)的一個中間代謝產(chǎn)物。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑如圖2-2所示，至少有16步酶促反應(yīng)。圖2-2由葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑(1)葡萄糖首先經(jīng)EMP及HMP兩個途徑生成丙酮酸。其中以EMP途徑為主，生物素充足時HMP所占比例是38％；控制生物素亞適量，發(fā)酵產(chǎn)酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占比例約為26％。(2)生成的
6、丙酮酸，一部分在丙酮酸脫氫酶系的作用下氧化脫羧生成乙酰CoA，另一部分經(jīng)CO2固定反應(yīng)生成草酰乙酸或蘋果酸，催化CO2固定反應(yīng)的酶有丙酮酸羧化酶、蘋果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。CO2固定反應(yīng)如下：(3)草酰乙酸與乙酰CoA在檸檬酸合成酶催化作用下，縮合成檸檬酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，檸檬酸在順烏頭酸酶的作用下生成異檸檬酸，異檸檬酸再在異檸檬酸脫氫酶的作用下生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前體。(4)α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶作用下經(jīng)還原氨基化反應(yīng)生成谷氨酸。（二）控制谷氨酸合成的重
7、要措施由葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑可知，有三個重要環(huán)節(jié)可控制谷氨酸的大量生成，也就是谷氨酸生產(chǎn)菌所必須具備的主要生化特點。(1)α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脫氫酶活力微弱谷氨酸產(chǎn)生菌糖代謝的一個重要特征就是α-酮戊二酸氧化能力微弱。谷氨酸產(chǎn)生菌的α-酮戊二酸氧化力微弱。尤其在生物素缺乏條件下，三羧酸循環(huán)到達(dá)α-酮戊二酸時，即受到阻擋。把糖代謝流阻止在α-酮戊二酸的堰上，對導(dǎo)向谷氨酸形成具有重要意義。在銨離子存在下，α-酮戊二酸因谷氨酸脫氫酶的催化作用，經(jīng)還原氨基化反應(yīng)生成谷氨酸。
8、(2)谷氨酸脫氫酶活性強谷氨酸產(chǎn)生菌的谷氨酸脫氫酶活性都很強。該酶以NADP+為專一性輔酶，谷氨酸發(fā)酵的氨同化過程，是通過連接NADP+的L-谷氨酸脫氫酶催化完成的。沿著由檸檬酸至α-酮戊二酸的氧化途徑，谷氨酸產(chǎn)生菌有兩種NADP+專性脫氫酶，即異檸檬酸脫氫酶和L-谷氨酸脫氫酶。在谷氨酸生物合成中必須有谷氨酸脫氫酶和異檸檬酸脫氫酶的共軛反應(yīng)。在銨離子存在下，兩者偶聯(lián)起來形成氧化還原共軛體系，使α-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸。由于谷氨酸產(chǎn)生菌的谷氨酸脫氫酶比其它微生物強大得多，所以由三羧酸循環(huán)所
