第三章 氨基酸发酵工艺学
学习氨基酸发酵工艺学的目的、研究对象、任务及内容
氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵，由发酵所生成的产物——氨基酸，
都是微生物的中间代谢产物，它的积累是建立在对微生物正常代谢的抑制。
在脱氧核糖核酸(DNA)的分子水平上改变、控制微生物的代谢，使有用产
物大量生成、积累。
以探讨氨基酸发酵工厂的生产技术为主要目的。氨基酸的生产以发酵
为主，发酵过程的控制是整个生产的关键，产物的提纯及设备选用当否，
也会影响产物得率。氨基酸发酵工艺学研究的对象应该包括从投入原料到
最终获得产品的整个过程，其中有微生物生化问题、生化工程问题，也有
分析与设备问题。
今后的发展是采用诱变、细胞工程、基因工程的手段选育出从遗传角
度解除了反馈调节和遗传性稳定的更理想菌种，提高产酸；采用过程控制，
优化工艺进行连续、自动化生产获得稳产高产；探求新工艺、新设备,以提
高产率；研究发酵机制问题，以便能更好地控制氨基酸微生物中间代谢产
物的发酵。
绪 论
第一节、氨基酸概论
1、氨基酸简介
– 构成蛋白质的基本分子单元。
– α 碳原子分别以共价键连接氢原子、羧基和氨
基及侧链。侧链不同，氨基酸的性质不同。
– 目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。
2、氨基酸的用途
（1）食品工业：
强化食品：赖氨酸，
苏氨酸，色氨酸于小麦
中
增鲜剂：谷氨酸单钠
和天冬氨酸
苯丙氨酸与天冬氨酸
可用于制造低热量二肽
甜味剂(α-天冬酰苯丙
氨酸甲酯),此产品1981
年获FDA批准,现在每年
产量已达数万吨。
（2）饲料工业：
甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料 ，添加
蛋氨酸、赖氨酸、精氨酸等必须氨基酸可促进动物生长
发育、改善肉质、节省蛋白饲料、降低成本等。
（3 ）医药工业：
多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调
氨基酸注射液由1985年的100万瓶增长到2003的万瓶，
每年以15-20%的速度递增，全行业的年产值预计能达到
10亿元
苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨
髓肿瘤治疗有效,且副作用低。
（4）化学工业：
谷氨基钠作洗涤剂,丙氨酸制造丙氨酸纤维（合成高
分子化合物）。能保持皮肤湿润的润肤剂——焦谷氨
酸钠和质量接近天然皮革的聚谷氨酸人造革，以及人
造纤维和涂料。
表3--8 世界氨基酸主要生产厂家生产能力
品名
厂家 生产能
力
品名 厂家 生产能
力
蛋氨酸 日本曹达 20000 谷氨酸 味之素 60000
蛋氨酸 日本住友化学 5000 谷氨酸 日本旭化成 15000
蛋氨酸 日本化药 2500 谷氨酸 协和发酵 15000
蛋氨酸 德国迪高沙 85000 谷氨酸 日本武田药品 15000
蛋氨酸 法国AEC 105000 色氨酸 味之素 100
蛋氨酸 美国孟山都 45000 色氨酸 昭和电工 200
蛋氨酸 墨西哥阿尔拜梅克斯 5000 色氨酸 三井东压 100
蛋氨酸 西班牙Sodeti 4000 色氨酸 田造制药 50
蛋氨酸 苏联Volgograd 4000 色氨酸 日本化药 50
色氨酸 协和发酵 50
赖氨酸 日本味之素 55000 甘氨酸 日本有机合成化学 6000
赖氨酸 日本协和发酵 20500 甘氨酸 协和发酵 5000
赖氨酸 日本东丽 6500 甘氨酸 日本化药 1000
赖氨酸 南朝鲜味元 10000 丙氨酸 武藏野化学研究所 ——
丙氨酸 日本化药 ——
3、氨基酸的生产方法
发酵法：
直接发酵法：野生菌株发酵、营养缺陷型突变发酵、
抗氨基酸结构类似物突变株发酵、抗氨基酸结构类似物突
变株的营养缺陷型菌株发酵和营养缺陷型回复突变株发酵。
包括添加前体发酵法：如用邻氨基苯甲酸，生产L-色氨酸；
甘氨酸生产L-丝氨酸。
酶法：利用微生物细胞或产生的酶来制造氨基酸。延胡索
酸和铵盐为原料，经天冬氨酸酶催化生产L-天冬氨酸。
提取法：常用毛发、血粉等蛋白质原料水解，从中提取。
如胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸
合成法：合成法获得DL-蛋氨酸、不对称合成法获得L-氨
基酸。如丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。
传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本
高，工艺复杂，难以达到工业化生产的目的。
第二节、氨基酸发酵菌株的育种
是氨基酸代谢控制发酵的基本策略之一
发酵工程要求微生物大量地合成特定的代
谢产物，这一目的只有当微生物的部分代
谢调控机制遭到破坏时才能达到。用人工
诱变的方法有目的地改变微生物固有的调
节机制，使合成产物的途径畅通无阻，最
大限度地积累特定产物，这种发酵称为代
谢控制发酵。
1、 用野生菌株的方法
分离的野生菌株具备积累产物的特性，可用
于直接发酵（产率低）。如谷氨酸发酵。
通过转换发酵，可延伸获得其它产物。主要
采用改变培养条件。如谷氨酸发酵中改变铵
离子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰
胺和缬氨酸发酵。
2. 用营养缺陷变异株的方法
通过诱变出菌体内氨基酸生物合成某步反应
阻遏的营养缺陷型变异体，使生物合成在中
途停止，不让最终产物起调控作用。
如用高丝氨酸缺陷株的赖氨酸发酵，谷氨酸
缺陷株的鸟氨酸发酵，异亮氨酸缺陷菌株的
脯氨酸发酵。
谷氨酸棒状杆菌的苏氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和赖氨谷氨酸棒状杆菌的苏氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和赖氨
酸的合成是与分枝途径相联系的酸的合成是与分枝途径相联系的((图图4-8)4-8)，筛选高丝氨，筛选高丝氨
酸营养缺陷型后，限量供给苏氨酸时，就能解除由苏氨酸营养缺陷型后，限量供给苏氨酸时，就能解除由苏氨
酸和赖氨酸的协同反馈抑制作用，而获得赖氨酸的过量酸和赖氨酸的协同反馈抑制作用，而获得赖氨酸的过量
生产。这是因为仅有赖氨酸或苏氨酸存在时，天冬氨酸生产。这是因为仅有赖氨酸或苏氨酸存在时，天冬氨酸
激酶不被抑制，只有两者的协同效应才能造成抑制。在激酶不被抑制，只有两者的协同效应才能造成抑制。在
限量供给苏氨酸的情况下，即使赖氨酸过剩，抑制作用限量供给苏氨酸的情况下，即使赖氨酸过剩，抑制作用
也很难发生。也很难发生。
3. 类似物抗性变异株的方法
用一种与自己想获得的氨基酸结构相类似
的化合物加入培养基内，使其发生控制作
用，从而抑制微生物的生长。这样，就可
以得到在这种培养基中能够生长的变异株，
而这种变异株正是解除了调控机制的，能
够生成过量的氨基酸。
利用此方法发酵的有:苏氨酸、赖氨酸、异
亮氨酸、组氨酸和精氨酸。
高丝氨酸脱氢酶
例如，在黄色短杆菌的赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸生物合成例如，在黄色短杆菌的赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸生物合成
中（图中（图5-165-16所示），选育抗苏氨酸结构类似物所示），选育抗苏氨酸结构类似物2-2-氨基氨基-3--3-羟基羟基
戊酸（戊酸（AHVAHVrr）突变株，得到了具有反馈抑制抗性，高丝氨酸脱）突变株，得到了具有反馈抑制抗性，高丝氨酸脱
氢酶活性提高氢酶活性提高13001300倍，能积累倍，能积累14g/L14g/L苏氨酸的突变株。苏氨酸的突变株。
4. 体内及体外基因重组的方法
基因工程包括细胞内基因重组方法和试管内
的体外基因重组方法。
体内基因重组在应用上又称为杂交育种，主
要方法包括：转化、转染、接合转移、转导
和细胞融合等，这都是在细胞内暂时地产生
染色体的局部二倍体，在两条DNA链之间引起
两次以上的交叉，是遗传性重组现象。
细胞内基因重组技术的缺点是，现在只在同
种或有近缘关系的微生物之间进行并较难成
功。
代谢工程
在阐明代谢途径及其调控规律的基础上，应用重组DNA
技术可以改变代谢途径分支点上的流量或引入新的
代谢步骤与构建新的代谢网络。
其主要步骤为:
鉴定目标代谢途径涉及的酶(特别是限速酶);
取得酶基因，必要时可用蛋白质工程技术，如定点诱变，
基因剪接等，使蛋白具有新的特点(增强活性或稳定性、
解除反馈抑制等);
将一种或多种异源的或改造后的酶基因与调节元件一起
克隆进目标生物;
使调节元件的作用及培育条件最优化。
5、基因工程菌
通过基因工程技术，构建理想的工程菌株
载体-受体系统及克隆表达的研究
受体的获得
目前使用的氨基酸工程菌受体主要是大肠杆菌K-12及棒状杆
菌家族，通常是通过诱变选育出的基础产率较高的菌株。
大肠杆菌遗传背景研究得清楚，载体系统完善，利于工程菌
的构建，但它含有内毒素且不能将蛋白产物分泌至胞外，为
应用带来困难。
棒状杆菌能克服这两个缺点，但载体受体系统研究较晚且有
限制修饰系统的障碍，所以获得利于外源基因导入及表达且
能稳定遗传的受体菌是尚待解决的问题。
载体的构建
有效的载体需要有在受体菌中可启动的复制起始位点，这
可从棒状杆菌家族内源小质粒中获得;
载体所需的筛选标记及外源基因插入的多克隆位点，可从
常用的克隆载体中获得。
基因转移手段
通常采用的方法有:原生质体转化、转导，电转化，
接合转移。
原生质体转化的方法是较早采用的方法，由于受到原
生质体再生条件的局限，效率不高;
电转化方法由于高效，快速被广泛使用，目前它的转
化效率可达到原生质体转化法的100-1000倍。
接合转移可用于基因在亲缘关系远的物种之间的转移，
并且可将外源基因整合于染色体上，易于稳定遗传。
第三节 氨基酸发酵的代谢控制
控制发酵的条件
控制细胞渗透性
控制旁路代谢
降低反馈作用物的浓度
消除终产物的反馈抑制与阻遏作用
促进ATP的积累，以利氨基酸的生物合成
一、菌种的代谢调控
是氨基酸代谢控制发酵的基本策略之二
1、控制发酵环境条件
– 专性需氧菌，控制环境条件可改变代谢途径和
产物。
2、控制细胞渗透性
•生物素、油酸和表面活性剂，引
起细胞膜的脂肪酸成分的改变。
•细胞内生物素水平高，Glu不能
通过细胞膜
•青霉素：抑制细胞壁的合成，由
于细胞面内外的渗透压而泄露出
来。
•表面活性剂增加细胞膜通透性
氨基酸发酵必须考虑的重要因素
细胞透性的调节
细胞透性的调节，一般通过向培养基中添加化学成分
（如生物素、油酸、甘油、表面活性剂、青霉素等，达到抑
制磷脂、细胞膜的形成或阻碍细胞壁的正常生物合成，使谷
氨酸生产菌处于异常生理状态，解除细胞对谷氨酸向胞外漏
出的渗透障碍。
生物素：影响磷脂的合成及细胞膜的完整性。
油酸：直接影响磷脂的合成及细胞膜
甘油：甘油缺陷型菌株丧失α-磷酸甘油脱氢酶，不能合成
α-磷酸甘油和磷脂。限量供应， 控制了细胞膜中与渗透性
直接关系的磷脂含量，使谷氨酸排出胞外而积累。
表面活性剂：对生物素有拮抗作用，拮抗不饱和脂肪酸的合
成，导致磷脂合成不足，影响细胞膜的完整性，提供细胞膜
对谷氨酸的渗透性。
青霉素：抑制细菌细胞壁的后期合成，形成不完整的细胞壁，
使细胞膜失去保护，使胞内外的渗透压差导致细胞膜的物理
损伤，增大谷氨酸向胞外漏出的渗透性、
生物素 阻断脂肪酸的合成 影响细胞膜的合成
表面活性剂 对生物素有拮抗 阻断脂肪酸的合成 影响细胞膜的合成
在对数生长期添加青霉素 抑制细胞壁合成 细胞膜损伤
甘油缺陷型 磷脂的合成受阻 影响细胞膜的合成
油酸缺陷型 阻断不饱和脂肪酸的合成 影响细胞膜的合成
提高细胞膜的提高细胞膜的
谷氨酸通透性谷氨酸通透性
控制磷脂的合成控制磷脂的合成
使细胞膜受损（如表面活性剂）使细胞膜受损（如表面活性剂）
青霉素损伤细胞壁，间接影响细胞膜青霉素损伤细胞壁，间接影响细胞膜
控制磷脂含量控制磷脂含量
通过油酸的合成通过油酸的合成
通过甘油合成通过甘油合成
直接控制磷脂合成直接控制磷脂合成
3、控制旁路代谢
4、降低反馈作用物的浓度
利用营养缺陷
型突变株进行
氨基酸发酵必
须限制所要求
的氨基酸的量。
限制瓜氨酸的
浓度可解除反
馈抑制，实现
鸟氨酸的生物
合成。
5、消除终产物的反馈抑制与阻遏作用
– 使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法或者通过选
育营养缺陷型菌株。
6、促进ATP的积累，以利氨基酸的生物合成
ATP的积累可促进氨基酸的生物合成
第四节、谷氨酸生物合成及其发酵生产调控
代谢控制发酵是用遗传学或其他生物化学的方法，人为
地在分子水平上改变和控制微生物的代谢，打破微
生物正常的代谢调节，使有用产物大量生成和积累。
氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵，发酵技术的关键是
打破微生物的正常代谢调节，人为控制微生物的代谢。
一. 谷氨酸的生物合成途径
异柠檬酸
裂解酶
α-酮戊二酸脱氢酶
1、谷氨酸生物合成中的几个途径（正常途径）
（1）糖酵解途径 （EMP）
（2）磷酸已糖途径 （HMP)
（3）三羧酸循环(TCA环)
（4）乙醛酸循环 （DCA环）
（5）二氧化碳固定反应
PEP+CO2+GTP 草酰乙酸+GDP
丙酮酸+CO2+NADH 苹果酸+NAD 草酰乙酸
CO2 NAD+ NADH+H
+
（6）α-KGA的还原氨基化反应
PEP羧化酶
苹果酸酶 苹果酸脱氢酶
C6H12O6 + NH3 + O2 → C5H9O4N + CO2 + 3H2O
在GA产生菌菌体内CO2固定反应有以下两条途径：
①苹果酸酶
②丙酮酸羧化酶
③磷酸烯醇丙酮
酸羧化酶
CO2固定反应(丙酮酸羧化支路)
2、GA生物合成的理想途径
（1）GA产生菌必须具备以下条件（内在因素 ）
α-酮戊二酸脱氢酶的活性微弱或缺失
TCA环阻断， α-酮戊二酸积累
琥珀酸辅酶A
TCA环正常
GA产生菌体内的NADPH的氧化能力欠缺或丧失
积累NADPH，抑制α—KGA的脱羧氧化
GA产生菌体内必须有乙醛酸循环（DCA）的关键酶——异柠檬酸裂解酶
通过该酶酶活性调节实现DCA循环的封闭，GA 发酵积累
菌体有强烈的L—谷氨酸脱氢酶活性
α—KGA + NH4+ +NADPH == GA + NADP
提供NADPH,用于还原α-酮戊二酸生成谷氨酸，形成氧化还原共扼体系
该反应的关键是与异柠檬酸脱羧氧化相偶联
3/2Glucose EMP 丙酮酸 + 丙酮酸 + 丙酮酸
乙酰辅酶A + 乙酰辅酶A + 乙酰辅酶A
柠檬酸
则有：
3/2 C6H12O6 + NH4
+ == C5H9O4N+ 4 CO2
产率：147 /（180*3/2） == %
CO2
谷氨酸
在前述GA 合成所必需的条件的基础上，体系不存在CO2固定反应，则有：
体系存在CO2的固定反应
结论
通过DCA环提供C4二羧酸时谷氨酸对糖的
转化率仅为%
在谷氨酸发酵中，DCA环
可以作为TCA循环有缺陷
时C4二羧酸的补充
.在前述GA 合成所必需的条件的基础上（封闭乙醛酸循环）存在CO2固定反应，
则有：
Glucose EMP 丙酮酸 + 丙酮酸
CO2
则有：
C6H12O6 + NH4
+ == C5H9O4 N + CO2 （来自何方）
产率：147 / 180 == %
乙酰辅酶A + C4二羧酸
CO2
草酰乙酸（草酰乙酸羧化酶）
苹果酸（苹果酸激酶）
柠檬酸（DCA循环封闭）
谷氨酸
四碳二羧酸的来源
Δ在生产菌中检出
CO2固定反应酶活性
磷酸烯醇丙酮酸(PEF)羧化酶和苹果酸酶
谷氨酸对糖的转化率达到%
C6H12O6+NH3+ ──C5H9O4N+CO2+3H2O
需要Mn+做催化剂，所以，在GA发酵过程中需要向培养基中补充Mn+
实际上，发酵过程中不可能控制柠檬酸合成所需的C4二羧酸完全来自于CO2
固定反应，体系也不可能完全不存在CO2固定反应，因此，GA 发酵的糖酸
转化率应在：%——%。目前，国内的GA生产企业的糖酸转化率通
常都在50%以内：
提高GA的潜力是很大的，具体表现在：
（1）强化CO2固定反应，具体措施：Mn+ ，生物素？
（2）控制溶氧浓度是非常重要的
低的溶氧浓度，则丙酮酸向乳酸方向转化……
高的溶氧浓度，则NADPH 有被氧化的可能，……
氨的导入
合成谷氨酸的反应有3种：
α-酮戊二酸 + 天冬氨酸或丙氨酸
谷氨酸转氨酶AT
谷氨酸 α-酮戊二酸+
α-酮戊二酸+ 谷氨酰胺 NADPH+ 2谷氨酸 NADP+
谷氨酸合成酶GS
α-酮戊二酸 NH4+ NADPH 谷氨酸 H2O NADP+
谷氨酸脱氢酶GHD
+ + +
（2）影响谷氨酸合成的外在因素
a、生物素对糖代谢的影响
生物素参与糖代谢作用：增加糖代谢的速度(对TCA有促进作用）
乳酸积累
碳源利用率降低，发酵液的pH值下降。
而丙酮酸氧化脱羧的速度未改变 丙酮酸积累
A、生物素对GA发酵的影响
主要影响糖降解速度，不影响EMP与HMP途径的比率。生物素充足
的条件下，丙酮酸以后的氧化活性虽然也得到提高，但由于糖降
解速度显著提高，打破了糖降解速度与丙酮酸氧化速度之间的平
衡，丙酮酸趋于生成乳酸的反应，引起乳酸的溢出。
研究表明，异柠檬酸裂解酶活性
为醋酸诱导
受琥珀酸的阻遏，抑制
当VH缺乏时：
（1）丙酮酸的有氧氧化就会减弱？则：乙酰辅酶A的生成
量就会少，醋酸浓度降低，它的诱导作用降低；通过控制生
物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶的活性
（2）VH对TCA循环的促进作用的降低，使得其中间产物
琥珀酸的氧化速度降低，其浓度得到积累，这样它的阻遏和
抑制作用加强；乙醛酸循环基本上是封闭的，代谢流向异柠
檬酸→α-酮戊二酸→谷氨酸的方向高效率地移动
两者综合的作用使得，异柠檬酸裂解酶的活性丧失，DCA
循环得到封闭。
b、控制VH的浓度，以实现对于乙醛酸循环的封闭
c、生物素对氮代谢的影响
VH丰富时，出现“只长菌，不产酸”的现象
GA发酵过程中，前期，菌体的增殖期，一定的量
的生物素是菌体增殖所必需的；而在产物合成期，
则要限制生物素的浓度，以保证产物的正常合成。
结论
氨的导入时 生物素缺乏， NH4
+影响糖代谢速度：提高糖代谢速度
高效合成谷氨酸
生物素充足时， NH4
+不影响糖代谢速度
•关于氮代谢的调节：
控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合成
能力，使合成的谷氨酸不能转化成其他氨基酸或参与蛋
白质合成。
•在生物素亚适量的情况下，几乎没有异柠檬酸裂解
酶，琥珀酸氧化能力弱，苹果酸和草酰乙酸脱羧反
应停滞，在铵离子适量存在下，生成积累谷氨酸。
生成的谷氨酸也不通过转氨作用生成其他氨基酸和
合成蛋白质。
•在生物素充足的条件下，异柠檬酸裂解酶活性增强，
琥珀酸氧化能力增强，丙酮酸氧化力加强，乙醛酸
循环的比例增加，草酰乙酸、苹果酸脱羧反应增强，
蛋白质合成增强，谷氨酸减少，合成的谷氨酸通过
转氨作用生成的其他氨基酸量增加。
d、VH对菌体细胞膜通透性的影响
通常谷氨酸发酵采用的菌种都是VH-，而VH又是菌体细胞膜合成的必须物
质，因此，可以通过控制VH的浓度（干扰磷脂中的脂肪酸的生物合成）
来实现的来实现对菌体细胞膜通透性的调节 。
葡萄糖
丙酮酸 + 丙酮酸
乙酰辅酶A 乙酰辅酶Ａ
乙酰辅酶A羧化酶
（辅酶是VH ）
CO2
丙二酰辅酶A
丙二酰辅酶A
C4
C6
CO2
培养基中生物素限量时，胞内AA 92% 胞外
培养基中生物素丰富时，胞内AA 12% 胞外
CO2
• Glu生产菌大多是生物素缺陷型，发酵时控制生物素亚适
量，使细胞变形拉长，改变了细胞膜的通透性引起代谢失
调使Glu得以积累。
• 生物素贫乏时，细胞内的Glu含量少而且容易析出，而培
养基中积累大量的Glu；生物素丰富时，培养基中几乎不
积累Glu，而细胞内却含有大量的Glu，且不易被析出。
这说明生物素对细胞膜通透性有重要影响。
谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸生产菌细胞膜结
构与功能发生特异性变化，使细胞膜转变成有利于谷氨酸向膜
外渗透的形态，使终产物不断排出细胞外，胞内谷氨酸不能积
累到引起反馈调节的浓度，胞内谷氨酸源源不断被优先合成，
分泌到发酵培养基中积累。
B、供氧浓度
过量：NADPH的再氧化能力会加强，使α-KGA的还原氨基化受到影响，
不利于GA 的生成。
供氧不足：积累大量的乳酸，使发酵液的pH值下降，不利于GA的产生，同
时，一部分葡萄糖转成了乳酸，影响了糖酸转化率，降低了产物的提出率。
C、NH4+浓度
（1）影响到发酵液的pH值
（2）与产物的形成有关：
过低，不利于α-KGA的还原氨基化；过高，产生谷
氨酰胺。
NH4+的供给方式：
（1）液氨
（2）流加尿素
D、磷酸盐
过量：（1）促进EMP途径，打破EMP与TCA之
间的平衡，积累丙酮酸，产生乳酸等……
（2）产生并积累Val，
Glucose 丙酮酸 丙酮酸 +
活性乙醛
α-乙酰乳酸
Val
Val（1）可以抑制葡萄糖 丙酮酸，使GA的生物合成受到阻止
（2）消耗了丙酮酸，降低了糖酸转化率
（3）发酵液中的Val存在，严重的影响GA 的结晶、提出
第五节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、谷氨酸生物合成的调节
①谷氨酸脱氢酶
②-酮戊二酸脱氢酶
③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶
④柠檬酸合成酶
⑴优先合成
在微生物的代谢中，Glu比Asp优先合成；
合成过量时则抑制谷氨酸脱氢酶，使代谢转向合成Asp；
Asp过量时反馈抑制PEP羧化酶的活力，停止合成草酰乙酸。
⑵谷氨酸脱氢酶(GDH)的调节
谷aa脱氢酶 谷aa对其反馈抑制和反馈阻遏
⑶柠檬酸合成酶的调节
柠檬酸合成酶 TCA的关键酶，受能荷调节，谷aa反馈阻遏，乌头酸反馈抑制
所以，正常代谢不积累Glu
⑷异柠檬酸脱氢酶的调节 细胞内α-酮戊二酸的量与异
柠檬酸的量需维持平衡。当α-酮戊二酸过量时,将对异
柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用，停止合成α-酮戊二酸。
异柠檬酸脱氢酶 α-酮戊二酸反馈抑制
⑸α-酮戊二酸脱氢酶:谷氨酸产生菌中先天性的丧失或微弱。
⑹磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
PEP受天冬aa反馈抑制，受谷aa和天冬 aa反馈阻遏
丧失或有微弱的-酮戊二酸脱氢酶活力，使-酮戊二酸不能继续氧化；
CO2固定能力强，使四碳二羧酸全部由CO2固定反应提供，而不走乙醛酸循
环；
谷氨酸脱氢酶的活力很强，并丧失谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制和反馈
阻遏，同时，NADPH2再氧化能力弱，这会使-酮戊二酸到琥珀酸的过程受
阻；
有过量的NH4+ 存在，-酮戊二酸经氧化还原共轭氨基化反应而生成谷氨酸
却不形成蛋白质，从而分泌泄漏于菌体外；
同时，谷氨酸生产菌应不利用体外的谷氨酸，使谷氨酸成为最终产物。
生产菌株还应该具有生物素合成缺陷、油酸合成缺陷和甘油合
成缺陷等特点。
二. 谷氨酸高产菌模型特征
三、谷氨酸生产的代谢调控
1.切断或减弱支路代谢
2.解除自身的反馈抑制
3.增加前体物的合成
4.提高细胞膜的渗透性
5.强化能量代谢
6.利用基因工程技术构建谷氨酸工程菌株
（一）、谷氨酸生产菌的具体育种思路
（谷氨酸代谢控制发酵的基本方法和实现的途径）
1.切断或减弱支路代谢
⑴选育减弱α-酮戊二酸进一步氧化能力的突变株 减弱
α-酮戊二酸脱氢酶复合体的活性，可以使代谢流向谷氨酸，
从而使谷氨酸得到积累。
⑵选育减弱HMP途径后段酶活性的突变株
从葡萄糖到丙酮酸的反应由EMP途径和HMP途径组成。
但通过HMP也可生成核糖、核苷酸、莽草酸、芳香族氨基
酸、辅酶Q、维生素K、叶酸等物质。消耗了葡萄糖，使
谷氨酸的产率降低。如削弱或切断这些物质的合成途径，
就会使谷氨酸的产率增加。可通过选育莽草酸缺陷型或添
加芳香族氨基酸能促进生长的突变株以及抗嘌呤、嘧啶类
似物或核苷酸类抗生素，如德夸菌素、狭霉素C抗性突变
株来实现。
⑶选育不分解利用谷氨酸的突变株（不分解）
积累谷氨酸，必须使菌种不能分解利用谷氨酸，可通过
选育以谷氨酸为唯一碳源，菌体不长或生长微弱的突变株
来实现。
⑷选育减弱乙醛酸循环的突变株
四碳二羧酸是由CO2固定反应和乙醛酸循环所提供的。
减弱乙醛酸循环，CO2固定反应所占的比例就会增大，谷
氨酸的产率就高。可通过选育琥珀酸敏感型突变株、不分
解利用乙酸突变株、异柠檬酸裂解酶活力降低菌株实现。
⑸阻止谷氨酸进一步代谢（不代谢）
细胞还可以谷氨酸为前体继续向下合成谷氨酰胺等，必
然导致谷氨酸的积累量减少。要避免谷氨酸被菌体利用，
还需要切断谷氨酸向下的代谢途径。
2.解除菌体自身的反馈调节
⑴选育耐高渗透压突变株 菌种高产谷氨酸,应具备在高
糖、高谷氨酸的培养基中能正常生长、代谢的能力，即在
高渗培养基中菌体的生长和谷氨酸的合成不受影响或影响
很小。可通过选育耐高糖、耐高谷氨酸及耐高糖+高谷氨
酸突变株来实现。
⑵选育解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节的突变株
谷氨酸合成达到一定量时，谷氨酸会反馈抑制和阻遏谷氨
酸脱氢酶，使谷氨酸的合成停止，使代谢转向天冬氨酸的
合成。若解除了谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈调节，菌体
就会不断的合成谷氨酸。可通过选育酮基丙二酸抗性、谷
氨酸结构类似物抗性（如谷氨酸氧肟酸盐）、谷氨酰胺抗
性突变株来实现。
3.增加前体物的合成
⑴选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到α-酮戊二酸
代谢的突变株 这可通过选育柠檬酸合成酶活力强突
变株及抗氟乙酸、氟化钠、重氮丝氨酸、柠檬酸抗
性等突变株来实现。
⑵选育强化CO2固定反应的突变株 这可通过选育
以琥珀酸或苹果酸为唯一碳源生长良好的突变株、
氟丙酮酸敏感突变株以及丙酮酸或天冬氨酸缺陷突
变株来实现。
4.提高细胞膜的渗透性
⑴选育抗Vp类衍生物突变株
•选育抗Vp类衍生物，如香豆素、卢丁等突变株，都能遗传
性的改变细胞膜的渗透性。
•生物素缺陷株（生物素亚适量）
⑵选育溶菌酶敏感突变株。
⑶选育二氨基庚二酸缺陷突变株。
⑷选育温度敏感突变株 谷氨酸温度敏感突变株的突变位置是
在决定与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜结构基因上，发生碱
基的转换或颠换，一个碱基为另一个碱基所置换，这样为该基
因所指导的酶，在高温下失活，导致细胞膜某些结构的改变。
当控制培养温度为最适生长温度时，菌体正常生长；当温度提
高到一定程度时，菌体便停止生长而大量产酸。
（5）油酸缺陷型（油酸亚适量）
（6）甘油缺陷型（甘油亚适量）
5. 强化能量代谢
谷氨酸高产菌的两个显著特点是:α-酮戊二酸继续向
下氧化的能力微弱和乙醛酸循环微弱，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
弥补上述两点不足，使TCA循环前一段代谢加强，谷
氨酸合成的速度加快。
⑴ 选育呼吸链抑制剂抗性突变株 如可选育丙二酸、
氧化丙二酸、氰化钾、氰化钠抗性突变株来实现。
⑵ 选育ADP磷酸化抑制剂抗性突变株 如可选育2,4
-二硝基酚、羟胺、砷、胍等抗性突变株来实现。
（3）选育抑制能量代谢的抗生素的抗性突变株 如
可选育缬氨霉素、寡霉素等抗性突变株来实现。
第六节、谷氨酸的生产工艺
我国与国外谷氨酸生产的现状及存在问题
– 菌种的性能：我国产酸－10％，转化率55％；
日本10－12％，转化率55％。
– 工艺和过程控制：我国低糖和中糖发酵，日本
高糖发酵并流加、提高罐压，保证溶氧。
– 对温度、压力、空气流量、蛋白质、溶氧采用
计算机控制。
一、 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养
（一）、谷氨酸生产菌的主要特征与菌学性质
现有谷氨酸生产菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属、小
杆菌属及节杆菌属中的细菌。
1.棒 状 杆 菌 属 (Corynebacterium)： 谷 氨 酸 棒 杆 核 菌
Cornebateium gho-tamlkns）
2.短杆菌属(Brevibacterium)：黄色短杆菌（Bteuibaterun
flavum） 、乳糖发酵短杆菌（）
3.小杆菌属(Microbacterium)：嗜氨小杆菌（Micrbaterium
ammoniaphilmn）
4.节杆菌属(Arthrobacterium)
菌种 形态 G属性 呼吸类型 碳源基质
棒状杆菌属 直或微弯，一端膨大。
折断分裂呈八字排列
或枷状排列，不运动
G＋ 好氧或厌
氧
葡萄糖发酵
产酸，少数
利用乳糖产
酸
短杆菌属 短的不分支直杆菌，
多数不运动，少数运
动有鞭毛。
G＋ 好氧 葡萄糖发酵
产酸
小杆菌属 杆状，形态与排列与
棒状杆菌相似
G＋ 好氧 发酵糖产酸
弱，主要产
乳酸，不产
气
节杆菌属 培养过程细胞形态易
变化，先由球菌变杆
菌，随后由杆菌变球
菌，不运动
G＋变G
－，后
由G－变
G＋
好氧 发酵糖产酸
极少或不产
酸。
表1 谷氨酸发酵微生物特征及菌学比较
（二）、谷氨酸生产菌形态与生理的共同特征
细胞形态为球形、棒形以至短杆形。
革兰氏染色阳性，无芽孢、无鞭毛、不运动
都是需氧形微生物，在通气条件下才能产生谷氨酸。
都是生物素缺陷型，需要生物素作为生长因子
脲酶强阳性
不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白及明胶
发酵中菌体发生明显形态变化和细胞渗透性的变化
CO2固定反应酶系活力强，异柠檬酸裂解酶活力欠缺或
微弱、乙醛酸循环弱， α-酮戊二酸氧化能力缺失或
微弱；柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶以
及谷氨酸脱氢酶活力强，还原性辅酶Ⅱ进入呼吸链
具有向环境中泄漏谷氨酸的能力
不分解利用谷氨酸，能耐受高浓度的谷氨酸，产量在
5％以上。
（三）、 国内谷氨酸生产菌及其比较
1、北京棒杆菌(AS1299)的形态和生理特征
2、钝齿棒杆菌(AS1542)的形态和生理特征
3、天津短杆菌(T6-13)的形态和生理特征
4、北京棒杆菌(7338)与钝齿棒杆菌(B9)的比较
5、天津短杆菌(T6-13)与钝齿杆菌(B9)的比较
6、目前味精行业采用的主要菌株
S9114 华南理工大学
FD415 上海复旦大学
TG961 天津科技大学
二、 谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化
1、种子的菌体形态
斜面和一、二级种子培养在不同培养条件下，细胞形态基本相似。斜面
培养的菌体较细小，一、二级种子比斜面菌体大而粗壮，革兰氏染色深。多
为短杆至棒杆状，有的微呈弯曲状，两端钝圆，无分枝；细胞排列呈单个、
成对及“V”字形，有栅状或不规则聚块；分裂的细胞大小为～*～
。由于生物素充足，繁殖的菌体细胞均为谷氨酸非积累型细胞。
2、谷氨酸发酵不同阶段的菌体形态
从谷氨酸发酵中菌体形态的变化来看，大致可以分为长菌型细胞、转移
期细胞和产酸型细胞3种不同时期的细胞形态.
3、谷氨酸发酵感染噬菌体后的菌体形态
发酵前期感染噬菌体后，菌体细胞明显减少，细胞不规则，发圆、发胖,
缺乏“Ｖ”字形排列，有明显的细胞碎片，严重时出现拉丝、拉网，互相堆在
一起，几乎找不到完整的菌体细胞，类似蛛网或鱼翅状。
在发酵中、后期感染噬菌体后，菌体细胞形态不规则，边缘不整齐，有
的边缘似乎有许多毛刺状的东西，有细胞碎片 。
谷氨酸发酵过程中菌体形态变化及代谢特征
发酵时
间/h
细胞类型 细胞形态特征 代谢特点
0－8 长菌形细
胞
菌体形态与种子相似，短杆、
棒形、椭圆形，单个、成对，
八字形，绝大多数为V形分裂
耗糖加快，代谢旺
盛，温度上升，产
生CO2，菌体不产
酸
8－16 转移期细
胞
细胞开始伸长、膨大，细胞边
缘不完整、边缘褶皱，细胞形
态急剧变化，由长菌形细胞转
化成产酸形细胞
生物素含量由“丰富
转向贫乏”通风量达
到最大值，OD达到
最大值并稳定，放
热也达到最大值，
菌体开始产酸
16－30 产酸期细
胞
细胞形态几乎都伸长、膨大，
伸长拉大2－4倍，不规则，缺
乏八字形排列
大量积累谷氨酸，
耗糖、好氨与产酸
相适应，风量逐渐
下降
三、 菌种的扩大培养和种子的质量要求
斜面菌种 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐
1. 种子培养过程
菌种：菌种钝齿棒杆菌和北京棒杆菌及各种诱变株。
生长特点：糖质原料，需氧，以生物素为生长因子。
斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的-
琼脂培养基，32℃培养18-24h。
一级种子培养：由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二
钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成。。
1000ml三角瓶装量200－250ml，震荡，32℃，培养12h。
二级种子培养：用种子罐培养，料液量为发酵灌投料
体积的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃进行通气搅
拌7－10h。
2、种子质量要求
一级种子质量标准：一级种子为摇瓶种子。
质量要求：
– 显微镜检查，无杂菌，菌体粗壮、均匀、排列整齐
– 涂平板检查无杂菌、无噬菌斑
– OD值净增左右。
– 种子营养液pH在左右
– 种子营养液残糖在%以下。
二级种子质量标准：二级种子为生产车间的种子罐中培养
的。对其质量要求
– 平板检查无杂菌、无噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字
排列。
– 活菌数108－109/ml。
– pH在左右， 残糖含量在左右。
– 其它各项指标与一级种子相同。
种龄和种量的控制
– 一级种子控制在11-12h，二级控制在7-8h。
– 种量为1％。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸
量不高。
四、谷氨酸的生产工艺
磷酸盐、玉米浆、镁盐等
分过滤器
发酵灌
调和
配料
预处理
（水解）
发酵培养基
调pH
连消 菌种罐
等电沉淀等电沉淀
粗谷氨酸
中和
摇瓶菌种
原料
种子培养基
空气斜面
尿素贮罐
空气净化系统
脱色
结晶
浓缩
成品味精
（一）、 谷氨酸发酵工艺流程
淀粉 葡萄糖
糖蜜 稀释蜜
配 料 种子罐
玉
米
浆
糖
蜜
磷
酸
二
氢
钾
硫
酸
镁 无菌空气
Fe2+
、
Mn2+
NH3
菌
种
发酵罐
等电提取
中 和
除 铁
脱 色 浓缩、结晶 离 心 干 燥
味 精
发酵罐
Na2CO3
（二）、原料的预处理
1.淀粉水解糖的制备：酸水解或酶水解
酸水解法
– 调浆：干淀粉用水调成10-110Bx的淀粉乳，加盐酸％至
。
– 糖化：蒸汽加热，加压糖化25min。冷却至80℃下中和。
– 中和：烧碱中和，至
– 脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为％，在70℃及
酸性条件下搅拌后过滤。
酶法：以大米或碎米为原料时采用
– 调浆配料：大米进行浸泡磨浆，将淀粉乳调成15－20°Bè，用
Na2CO3调，用CaCl2调节浆中的Ca2+至50mg/L。加细菌a
-淀粉酶（10－12u/g，干淀粉计算)。
– 喷射液化：一次喷射温度100－105℃，层流罐维持95－100℃，液
化时间1h。典色反应棕红色。液化液经二次喷射，维持温度130－
140℃，灭酶5－10min，再经板式换热器冷却至70℃以下，进入糖
化罐。
– 糖化：糖化温度60 ±1℃，；糖化酶（100－120u/g，干
淀粉计算)糖化
– 过滤：糖液先用Na2CO3水溶液调，过滤。
糖化液的质量要求
色泽 淡黄色透明液
糊精反应 无
还原糖含量 25－28％
DE值 95－98％
透光率 60％
pH
淀粉转化率 95－98％
糖蜜原料：不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源，因
含丰富的生物素。
• 预处理方法：活性碳或树脂吸附法和亚硝酸法吸附
或破坏生物素。也可以在发酵液中加入表面活性剂吐
温60或添加青霉素。
(三)、谷氨酸发酵控制
发酵培养基
1、碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖
•作用：菌体生长繁殖；新陈代谢的能源；产生a-硐
戊二酸转化为谷氨酸
•低中糖发酵：初始糖浓度-13%.
•中高糖发酵：初始糖浓度14-16%。
•补糖发酵：初始糖浓度12-13%，中后期补糖2-4％。
目前，较多采用低糖浓度流加发酵控制。碳源浓
度过高时，对菌体生长不利，氨基酸的转化率降低。
2、氮源：
无机氮源: (1)尿素 (2)液氨 (3)碳酸氢铵；
有机氮源:玉米浆、麸皮水 解液、豆饼水解液和糖蜜等。
作用：是合成菌体、蛋白质、核酸等含氮物质和合成氨基酸来
源氮源；调节pH
尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌，分批流加。
氨水用pH自动控制连续流加
C:N，谷氨酸发酵所需比为100：15～21
3、无机盐： 磷酸盐、 硫酸镁 、 钾盐、 微量元素
• 作用：构成细胞成分，酶的组成成分；激活或抑制酶活性；
调节培养基渗透压；调节培养基的pH；调节培养基的氧化
还原电位。
• 磷酸盐：对发酵有显著影响，不足时糖代谢受抑制。控制在
• 硫酸镁：是已糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶的激活剂，
促进葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活力。G＋要求镁离子浓度最低
25ug/L；G-要求4-6 ug/L。
• 钾盐：钾盐多，有利于产酸；钾盐少，有利于菌体生长
• 微量元素：主要是锰（许多酶的激活剂）、铁（细胞色素、
细胞色素氧化酶和过氧化氢酶活性基团组分，可促进谷氨酸
产生菌的生长），10-6－10-4mol/L。严格控制铜、汞含量，
以免对发酵产生毒害作用。
4、生长因子：主要参与细胞膜的代谢，进而
影响膜的透性。
(1) 生物素（2－5ug/ml ）(2) 维生素B1
– 生物素：乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物
合成，影响磷酯的合成。
– 当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞
发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发
酵液中。
– 生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产
或少产谷氨酸，你谢产物中乳酸和琥珀酸明显
增多。当生物素缺乏时，菌种生长缓慢。因此，
一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到
高产量的谷氨酸。
成 分
菌种
B9 D
110
糖 10 15
玉米浆 ～ ～
磷酸氢二钠
硫酸镁 ～
Fe2＋ 、Mn2＋
初 尿 ～
流加尿
1～ ～ ～
pH
表4—1 不同生产菌谷氨酸发酵培养基配方
（四） 谷氨酸发酵工艺控制
1、 温度对谷氨酸发酵的影响
微生物在一定条件下，都有一个最适的生长温度范围。谷
氨酸产生菌的最适生长温度为30～32℃，产生谷氨酸的最适为
34～37℃。菌体生长期温度过高,易造成菌体衰老。生产上表
现为OD值增长慢，pH值高，耗糖慢，发酵周期长，谷氨酸生
成少。在发酵中、后期，菌体生长基本停止，适当提高温度可
促进产生谷氨酸。因此根据菌种特点，温度采用二级或三级管
理。即发酵前期控制在30-32℃；中、后期34-37℃。
菌种 617 T6-13
生长温度 30－32℃ 30－34℃ 32－34℃ 32－36℃
发酵温度 34℃ 34～36℃ 34～36℃ 36～38℃
表4—2 菌谷氨酸产生菌的培养温度
发酵阶段 发酵前期 发酵中、后期
pH控制 －
2、 pH对氨基酸发酵的影响及其控制
作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。
控制pH方法：流加尿素和氨水
流加方式：根据菌体生长、pH变化、糖耗情况和
发酵阶段等因素决定
控制：
（1）菌体生长或耗糖慢时，少量多次流加尿素，避
免pH过高
（2）菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，以
抑制菌体生长。
（3）发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或不加
尿素，以免造成氨基酸提取困难。
（4）氨水对pH影响大，应采取连续流加。
3、 供氧对谷氨酸发酵的影响
溶解氧的控制：大小是由通风与搅拌两方面决定的，与搅
拌器的型式、直径大小、搅拌转速、搅拌器在发酵罐内的相对
位置因素等有关。一般搅拌器直径大，转速快，溶氧系数大。
所以，增大搅拌转速比增加通风量对溶氧系数提高更为显著。
具体操作：
发酵前期，以低通风量为宜；
发酵中、后期，以高通风量为好。
当培养基浓度高、营养丰富、生物素用量大时，应采用高
通风量。当菌体生长缓慢、pH偏高时，应减少通风量，或停止
搅拌，以利于长菌。当菌体生长快、耗糖快时，应提高通风量，
以抑制生长和满足合成谷氨酸所必须的足够能量。
项目
发酵罐容积
10 m3 20 m3 50 m3
搅拌转速
（r/min）
160 140 110
通风比（m3/
m3·min）
1:～ 1: 1:0 .12
具体风量：前期1:（V/V)；中期1:；后期1:
发酵通风量的控制
4、 泡沫的消除
（1）泡沫的形成和性质
•搅拌与通风
•发酵液中含有蛋白胨、玉米浆、黄豆粉是主要的发泡剂。
•发酵液感染杂菌和噬菌体
（2）泡沫对发酵的影响
•发酵灌的装料系数减少
•氧传递系数减少
•发酵液逃液，增加染菌机会
（3）泡沫的消除（控制）
调整培养基的成分（少加或缓加宜起泡的原材料）
；改变某些物理化学参数（pH、温度、通气和搅
拌；改变发酵工艺
采用机械消泡或消泡剂消泡
– 机械消泡：利用机械振动或压力变化使泡沫破
裂
– 消泡剂：属表面活性剂，天然油脂（豆油、玉
米油）；脂肪酸和酯类；聚醚类（氧化丙烯和
氧化乙烯与甘油的聚合物）；硅酮类
5、发酵过程主要变化及中间代谢控制
1.适应期
2.对数生长期
3.转化期
4.产酸期 谷氨酸的发酵过程曲线
（1）适应期：尿素分解出氨使pH上升。糖不利用。2-
4h。
– 措施：接种量和发酵条件控制使适应期缩短。
（2）对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，
氨被利用后pH又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一
定水平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的
八字形。不产酸。12h。
– 措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH，维
持温度30- 32℃
（3）菌体生长停止期：谷氨酸合成。
– 措施：提供必须的氨及pH维持在。大量通
气，控制温度34-37 ℃。
（4）发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。
– 措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。
6、 异常发酵现象及其处理
常见的异常发酵现象及其处理方法
序 异常现象 原因分析 处理方法
1 0时pH值高 (1)初尿过多
(2)尿素灭菌温度过高、
时间过长
停搅拌，小通风，待
菌体生长，pH下降后
再按正常发酵进行
2 发酵前期pH值过高 (1)初尿过多
(2)菌种被烧死
(3)种子感染噬菌体
(4)培养基缺乏或抑
制菌体生长
(1)按第1项方法处理
(2)补种
(3)按感染噬菌体处理
(4)根据情况补料,补种
(5)均先停搅拌、小通
风
3 菌体生长缓慢或不
长
(1)感染噬菌体
(2)培养基贫乏
(3)菌种老化
(4)前期风量过大
,或初尿过多抑制生
长
(1)按感染噬菌体处
理
(2)补料，并停搅拌
(3)换种、补种
(4)停搅拌、小通风
4 中后期耗糖慢、产
酸低
(1)菌种老化
(2)前期风量过大
后期无力
(3)种子或发酵前
期温度过高
(4)生物素不足
(1) 略减风量，如残
糖高可补种或并罐发
酵
(2) 略减风量，如残
糖高可补种或并罐发
酵
(3) 略减风量，如残
糖高可补种，或并罐
发酵
(4) 补料 5 14h后OD值继上升 (1)生物素过量
(2)染菌
(1)提高风量，提高
温度
(2)按染菌处理
6 耗糖快，pH偏低, 产
酸低
(1) 培养基丰富，生物
素过量
(2) pH低，流尿不及
时
(3) 通风不足 ,空气短
路,搅拌转速低
(4) 感染杂菌
(1)提高风量,提高pH
(2)及时流尿,提高pH
(3)提高风量,提高pH
(4)按染菌处理
7 发酵液变红色 生物素充足，风量不足 提高风量
8 谷氨酸生成后又下跌 (1)pH偏低,NH4
+过量,
谷氨酸转变为谷酰胺
(2)大量下跌 ,可能染
菌
(1)及时流尿，提高
pH
(2)按染菌处理
9 泡沫太多 (1)水解糖质量不好
(2)染菌
(1)改进水解糖质量
(2)按染菌处理
7、 发展方向
改进发酵工艺
1.一次高浓度糖发酵
2.降低发酵初糖浓度,连续流加糖发酵
3.混合碳源发酵
4.应用电子计算机控制和管理发酵,使发酵工艺最佳化
5.固定化活细胞连续发酵生产谷氨酸
（三） 谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治
1、谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治
噬菌体对发酵的危害 在谷氨酸发酵过程中，
若菌体受到噬菌体的侵染，一般会发生溶菌、发酵
迟缓或停止等现象，结果造成不再积累谷氨酸，严
重的会引起倒罐，甚至连续倒罐。为防止噬菌体的
侵染，首先要了解谷氨酸噬菌体的特性，从而加以
防治，确保谷氨酸发酵顺利进行。
2.谷氨酸噬菌体的主要特征
具有非常专一的寄生性。
不耐热性(在70C，5min均死亡)。
pH的稳定性。pH7～9时，稳定；低于6或高于10时，失活；
小于4时完全失活。
嗜氧性。在低溶氧情况下，抑制生长。
对干燥的稳定性。环境越干燥，噬菌体越不易死。在潮湿
情况下，易死亡。
不耐药性。在甲醛0．5％、苯酚0．5％、漂白粉1．5％、
石灰水1％下均可杀死噬菌体。
3.谷氨酸发酵污染噬菌体后的异常现象
发酵液光密度在初期开始上升，而后又下降或不上升。
发酵液pH逐渐上升，4～8h内可达8．0以上，且不下降，
不耗糖或耗糖缓慢。
泡沫大、黏度大、有时呈胶状；可拔丝。
发酵周期长，产酸低或不产酸。
镜检时，菌体减少，缺少八字排列，菌体变胖，革兰氏染
色呈红色片状。严重时呈网状或鱼翅状，几乎看不到完整细胞
发酵中后期，周期稍有延长，温度缓慢上升，谷氨酸产量有所
提高(菌体破裂释放出谷氨酸)。
平板检查时，有噬菌斑。摇瓶发酵，发酵液稀而清。
发酵液残糖高、颜色浑、发灰、发红、有刺激性臭味，黏度大，
泡沫多，难中和，过滤困难。
4.防治噬菌体污染的主要措施
（1）.严格控制活菌体的排放
摇瓶液、取样液、废弃菌液或发酵液均应先灭菌，后排放。
已经污染了噬菌体的发酵液或种子液应先灭菌(80C，5min)，
再进行提取或排放。提取的母液不能乱扔，应经密闭阴沟或
远离空压机房和发酵车间，才可排放。
必须建立工厂环境清洁卫生制度，要定期使用药剂冲刷地
面。
（2）.严防噬菌体进入种子罐或发酵罐
种子室要远离发酵车间，严防种子带人噬菌体，制定检查噬
菌体的制度。各级种子的制备要严格灭菌。轮换使用菌种或使
用抗噬菌体的菌株均可防止噬菌体污染。还可进行药物防治或
选育抗链霉素突变株。进行药物防治可添加金属螯合剂(抑制噬
菌体的吸附或DNA的注入)、表面活性剂(作用于细菌表面，抑制
噬菌体的吸附)、抗生素(抑制噬菌体蛋白质合成)等。
5．发酵罐中污染噬菌体后的抢救 谷氨酸发酵前期感染了噬
菌体后，可以采用一系列抢救措施，以减少损失。
(1)抗性菌法：发现噬菌体后，应停止搅拌，小通风，降低pH
，立即培养抗性种子，然后接人发酵液中；并补加1／3的不调
pH的玉米浆。
(2)轮换菌种法：发现噬菌体后，停止搅拌，小通风，降低pH
，
轮换使用菌种，如672换、换、
换。不加初尿，并补充30％～40％玉米浆(不调pH)，
适当加磷、镁(为正常量的1／3)。若pH仍偏高，可停止搅拌，
适当通风，至pH正常，OD值增长后再开始搅拌。
(3)灭噬菌体法。发现污染噬菌体后，停搅拌，小通风，降
低pH，在罐内用夹层(或冷却管)加热至70～80℃，并自顶盖通
入蒸汽自排汽口排出，冷却后，若pH过高，停止搅拌，小通风，
降低pH，接入二倍量的原菌种，至pH正常后开始搅拌。
(4)放罐重消毒。发现噬菌体后，放罐，调pH，补加1／2的
玉米浆和1／3的水解糖，重新灭菌，适当降低温度，不加初料，
然后接入2%的种子，继续发酵。
5、谷氨酸发酵中杂菌的污染与防治
谷氨酸发酵要求纯种培养，若遭受了杂菌的污染，轻者影
响产量或质量，重者可能导致倒罐，甚至停产。因此，在谷氨
酸发酵中，杂菌污染的检查与防治是十分重要的。
（1）检查杂菌的方法
所谓染菌，是指在发酵培养基中侵入了阻碍生产的其他微
生物。检查杂菌的方法要求准确、快速、尽早发现、及时采取
措施。
a.显微镜检查 用革兰氏染色法染色、镜检。若发现有芽孢
菌、革兰氏阴性菌、长杆菌、球菌、菌体碎片等情况，说明发
酵液已经染菌，应及时采取措施。
b.培养皿画线检查 平板检查时，先将灭菌后的培养基倒人
培养皿内，冷却，接种，于37C下培养24h，镜检。
c.肉汤培养检查法 此法主要用于检查空气系统及培养基是
否带菌。具体做法是将培养液装在吸气瓶中，灭菌30min，在37C
下培养24h，如无混浊，说明无杂菌污染；如呈现混浊，说明染
菌。
6.杂菌污染的防治
要防止杂菌污染，先要弄清楚造成染菌的原因，然后进行防治。
（1）．杂菌污染的主要原因分析
①种子带菌。若发酵前期染菌，可能是种子带菌所致或发酵
罐本身染菌所致。为了避免种子染菌，在斜面种子、摇瓶种子
制备过程中都必须严格操作，确保无杂菌污染。
②罐体与管件渗漏所引起的染菌。若罐体或管件有极其微小的
漏孔时，易引起染菌。有时漏孔用肉眼直接察觉不到，需要通
过一定的试漏方法才能发现。
③死角。罐或管路连接处的死角，在灭菌时其中的杂菌不易被
杀死，易造成连续染菌，影响生产。
④空气系统染菌。好气性发酵需连续不断地通人大量无菌空气。
空气系统所有的设备要定时打开排液阀排液，避免设备内积液
太多，带入空气中去，造成染菌。
⑤环境污秽造成染菌。车间、环境卫生差，易引起染菌。为
堵绝杂菌的来源和繁殖机会，必须加强车间和环境的清洁卫生
工作。
7．杂菌污染的防治与挽救 污染了杂菌后，要根据具体情况，
及时采取措施加以挽救。具体措施为：
(1)一级种子经平板检查确认无菌后，方可接入二级种子中。
(2)二级种子冷却，小于10℃保压12～16h，平板检验确认无杂
菌后，再接入发酵罐。
(3)发酵0~6h后，大幅度染菌，镜检发现球菌，应放罐重消毒，
消毒温度适当降低。
(4)发酵12h后，发现污染有少量芽孢或杆菌，但光密度尚正
常，pH仍有升降，耗糖一般，谷氨酸产量在％以上，则可
加大通风量，按常规发酵到底。
(5)发酵后期确认染球菌，则可加热至70—80℃放罐。
(6)发现染菌的罐，下次空罐消毒加入甲醛后，再用蒸汽熏
蒸~／m3。
(7)加强车间卫生管理，防止活菌体飞扬。
(8)选用抗药性菌种。
第八节 谷氨酸的提取
一、 概 述
将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的L-谷氨酸提取出
来,再进一步中和、除铁、脱色、加工精制成谷氨酸单钠
盐叫提炼。
谷氨酸是发酵的目的物，它溶解在发酵液中，发酵
液的特点：温度34-36℃；；外观浅黄色浆状，
表面浮有少许泡沫。存在菌体、残糖、色素、胶体物质
以及其他发酵副产物。
提取工艺的选择原则：工艺简单，操作方便，提取
收率高，产品纯度高，劳动强度小，设备简单，造价低，
使用的原材料、药品价廉，来源容易。
主要提取方法简介
(1)等电点法：操作简单，收率60％。周期长，占地面
积大。
(2)离子交换法：用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形
成的阳离子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐
酸结晶。
(3)等电-离交法
(4)连续等电点法
(5)金属盐法
(6)盐酸水解-等电点法
(7)离子交换膜电渗析法提取谷氨酸
二、 等电点法提取谷氨酸
1. 等电点法提取谷氨酸的原理
谷氨酸发酵液不经除菌或除菌、不经浓缩或浓缩处理、
在常温或低温下加盐酸调至谷氨酸的等电点,
使谷氨酸呈过饱和状态结晶析出。
2、等电点工艺的类型
（1）直接常温等电点法
（2）带菌体冷冻低温一次等电法
（3）除菌体常温等电点法
（4）浓缩、水解等电点法
（5）低温浓缩等电点法
（6）谷氨酸发酵液连续等电工艺
值对谷氨酸溶解度的影响
pH 为时,大部分谷氨酸以[GA±]形式存在,此
时谷氨酸的氨基和羧基的离解程度相等,总静电荷为
零。
谷氨酸的溶解度随pH值的改变而改变, pH 和
在30%以上的高浓度盐酸下,溶解度便显著减少到最
低点。
4.温度对谷氨酸溶解度的影响
温度对谷氨酸溶解度的影响 谷氨酸溶解度受温
度的影响较大,温度越低,溶解度越小。
5、谷氨酸的结晶
（1）谷氨酸的晶型及其性质 ：α型（颗粒大）、β型（细小，
针状）
（2）影响谷氨酸结晶的主要因素
•Glu含量要求：＞4％
•温度：低于30℃。 ＞30℃， β型结晶增加。
•残糖浓度：低有利于α型结晶增加
•中和时加酸的速度：缓慢使谷氨酸溶解度逐渐降低，可控制
一定数量的晶核，使晶核形成少，经养晶育晶后成长壮大。
因而，析出的结晶颗粒大，易于沉淀分离。
•加晶种与否： Glu含量5％左右，在投晶种；Glu
含量％左右，在投晶种；
•搅拌：自然起晶，结晶大小不匀；缓慢冷却，适当搅拌，有
利于晶体长大，大小均匀一致。
成品
干燥
盐酸
育晶（2h）
起晶中和点（)
静置沉降4-6h
离心分离
发酵液
等电点搅拌
母液
湿谷氨酸晶体
菌体及细小的
谷氨酸晶体
三 等电点法提取谷氨酸 工艺流程
直接常温等电点法
等电点
高流分
盐酸
停酸搅拌（2h）
起晶中和点（)
缓慢调酸4h
离心分离
发酵液
等电点
母液湿谷氨酸晶体
处理后排放
去菌体低温等电点法提取谷氨酸 工艺流程
菌体分离 清液
离子交换
母液
初流分
后流分
搅拌6-8h（0-4℃）
菌体
饲料
(二)等电点提取工艺的操作要点
1.加酸调等电点 将发酵液排入等电桶后，测量温度、pH和
谷氨酸含量，然后搅拌冷却，待液温降至30C时，加盐酸调pH。
前期加酸稍快，1h左右将发酵液的pH调至。中期加酸要缓慢，
约经2h，发酵液的pH接近时，观察晶核形成情况。当能
目视发现晶核时，要停止加酸，育晶1～2h，使晶核壮大。此后
加酸速度要慢，直到pH为时，停止加酸，继续搅拌20h
结束。整个中和温度要缓慢下降，不能回升。
最终温度越低越好。
2.沉降分离 将中和好的发酵液静置沉淀4～6h，放出上清液，
然后将谷氨酸结晶沉淀层表面的少量菌体细麸酸清除，放另一缸
中回收利用，底部的谷氨酸结晶取出后，离心分离。
四、 等电点－离子交换法提取谷氨酸
1、工艺流程
发酵液
加盐酸（或高流分母液)
育晶2h(pH4-5)
育晶2h()
加盐酸（或高流分母液)
育晶2h()
加盐酸（或高流分母液)
搅拌育晶20-16h
沉淀4h
细谷氨酸 母液 谷氨酸
上离子交换柱
洗脱
后流分 高流分 初流分
六、 废液的处理与环保
高浓度废水（7波美）-----通液氨调节pH至----四
效蒸发器浓缩（26波美）-----喷浆造粒-----复合肥
低浓度废水----厌氧处理----好氧处理-----排放
第九节 谷氨酸制味精
谷氨酸
中和
沉淀
脱色
过滤
脱色
过滤
浓缩结晶
离心分离
小结晶母液 结晶味精
干燥 拌盐粉碎 粉状味精
水(或渣水) 碳酸钠 活性炭
硫化碱
谷氨酸回调pH 活性炭脱色
活性炭二次脱色 硫化碱
晶种 流加母液 蒸馏水GH15颗粒活性炭脱色
干燥 过筛 粉状味精
活性炭 硫化碱
一、 谷氨酸制味精的工艺流程
主要工艺流程说明
一、谷氨酸的中和、脱色和除铁
（一）谷氨酸的中和
1.谷氨酸一钠的等电点
谷氨酸中和反应的pH应控制在谷氨酸第二等电点。当
pH高时，生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。将
谷氨酸溶于水中，加热、加碱进行中和。随着碱的不断加入，溶
液的pH逐步升高，谷氨酸的电离平衡发生移动，当绝大多数的谷
氨酸都变成阴离子形式时，即为中和生成谷氨酸一钠的等电点。
2.操作
中和剂：在味精生产中，中和谷氨酸可用氢氧化钠，也可用
纯碱(Na2C03)，一般不用液碱（液碱含杂质氯化钠较多，影响
结晶味精成品的质量。）
谷氨酸中和时，先把谷氨酸加入水中，制成饱和溶液，然后
加碱中和。注意加碱速度要缓慢，用pH试纸测其pH。边加碱边
搅拌。中和温度控制在65℃左右。在中和时，要控制投料比适
当，即湿谷氨酸与水之比为1：2，湿谷氨酸与纯碱之比为1：
～。中和温度夏天为60C，冷天为65C。中和液浓度为
21~23Be。中和反应控制pH为～。若超过以上，溶液
中谷氨酸二价阴离子逐渐增多，易生成谷氨酸二钠。
(二)中和液的除铁
由于生产原料不纯、生产设备腐蚀及生产工艺等原因，使中
和液中的铁、锌离子超标，必须将其除去。目前除铁、锌离子
的方法主要有硫化钠和树脂法两种。
硫化钠法
硫化钠可与Fe2+、Zn2+反应生成硫化铁和硫化锌沉淀而除去。
其总反应式为：
Na2S + Fe2+——→FeS + 2Na+
Na2S + Zn2+——→ZnS + 2Na+
使用的硫化钠要求呈橙黄色或微黄色，杂质少。硫化钠的用量
要适当，并且在使用前应先配成13～150Be溶液。
树脂法
树脂除铁是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸附铁或锌得以除
去。用此法除铁(或锌)，不但解决了硫化钠除铁引起的环境污
染问题，改善了操作条件，而且提高了味精质量，是一种较为
理想的除铁方法。
(三)中和液的脱色
在味精生产过程中，由于各种成分的化学变化产生了一些有
色物质，如焦糖、氨基糖、单宁铁等。因此，中和液需进行脱色
处理。脱色方法有物理吸附和化学脱色两种方法。
1.物理吸附
即采用活性炭脱色。用活性炭脱色时，温度控制在50-60℃，
pH保持在以上，脱色时间为30min。为了加快吸附过程的进行，
可适当搅拌中和液。
活性炭的用量：根据活性炭脱色能力的强弱及中和液色泽的
深浅等情况决定，一般为中和液的2％～3％。活性炭分为粉
末状的药用炭和GH-15颗粒活性炭两种。
用粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱色
后除铁，另一种方法是将中和液先除铁，用谷氨酸回调
～，
蒸汽加热60℃，使谷氨酸全部溶解，再加入适量的活性炭脱色。
经粉末活性炭脱色后，往往透光率达不到要求，需进入GH—15
活性炭柱进行最后一步脱色工序。
2.化学脱色
有离子交换树脂脱色法。离子交换树脂的脱色主要靠树脂的
多孔隙表面对色素进行吸附，即树脂的基团与色素的基团形成
共价键，因而对杂质起到吸附与交换作用。一般选用弱碱性阴
离子交换树脂。
中和液中的杂质，有些分子量较大，在交换过程中扩散速度
慢。因此，脱色时流速要适当慢些。温度控制在40-50℃条件下
进行脱色较合适。
二、中和液的浓缩和结晶
(一)中和液的浓缩
谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想生成大量的结晶必须除
去大量的水分使溶液达到过饱和状态而析出结晶。
浓缩方法：一是降低溶液的温度，使溶质的溶解度减小，达
到过饱和状态；二是在温度不变的条件下，蒸发掉溶液中的一
部分水，使溶液的浓度升高，达到过饱和状态。
中和液的浓缩不宜在高温下进行，因为谷氨酸一钠在高温下
容易环化，生成焦谷氨酸钠。
设备：味精生产的浓缩过程普遍采用减压浓缩工艺，主要设
备有减压蒸发式结晶罐。浓缩时的工艺条件，一般控制真空度
在80kPa以上，料液的温度控制在70℃以下。浓缩时，真空度愈
高，料液的沸点就越低，这样既可加快浓缩，又可避免谷氨酸
一钠的脱水环化形成焦谷氨酸钠。总之，中和液的浓缩以真空
度高、料液温度低，操作时间短较为宜。
(二)谷氨酸一钠的结晶析出
结晶操作的基本过程可分为浓缩、起晶、整晶、育晶、放
罐等几个阶段。
结晶味精的晶体要求颗粒大小均匀、透明、光洁。制作结
晶味精所用的中和液要求杂质含量少，透光度在90％以上。
具体操作：
1.起晶 当浓缩液的浓度达到30～(70℃)时，投入
晶种，进行起晶。起晶时溶液微混浊，经过一定时间晶种的晶
粒稍有长大，并出现细小的新晶核(称假晶)。当料液浓度增加，
晶粒长大速度反而比晶核长大速度小时，需要整晶。
2.整晶 所谓整晶就是加入一定量的、与料液温度接近的温
水，使晶核全部溶解掉。加水量不宜过多，以溶掉新形成的小
晶核为止，防止晶种溶化。整晶后继续浓缩，若再次出现新晶
核就要多次进行整晶。
3.育晶 在结晶过程中，需根据料液浓度，补加稀释的脱色
液(加热)，以保持锅内浓度维持在较低的过饱和状态，保证晶
体不断成长，又较少生成新的晶核。通过补料而促使晶粒长大
的过程称为育晶。补料结束后，待晶粒长成所要求的大小时，
准备出料。出料前预先加入同温度的温水，使浓度降低到29-
。出料后放在贮精槽内，立即进行离心分离。离心后的
母液中仍含有大量的谷氨酸一钠，可将其并入下批中和液中一
起进行处理。
三、 味精的分离、干燥、 包装和成品质量标准
1、味精的分离
味精分离一般采用三足式离心机分离。为保证表面光洁度，在离心分离
过程中当母液离开晶体后，用少许50℃热水喷淋晶体。
2、味精的干燥
味精结晶含有一个结晶水,晶体在120℃就开始失去结晶水，因此干燥温
度应严格控制,以不超过80℃较为合适。采用的干燥方法有箱式烘房干燥，
真空箱式干燥、气流干燥、传送带式干燥、振动床式干燥。
3、结晶味精的筛分
干燥后的结晶味精，通过不同筛目的震动筛组合，把不同颗粒的结晶味
精加以分开。一般采用８目、12目、20目、30目四种筛子组合。
4、粉状味精的混盐和磨粉
混盐
为了调整味精的含量规格，通常在味精中添加一定量的精制食盐。
磨粉
干燥后的粉状味精,与盐混合投入万能粉碎机进行磨粉过筛,筛目为100目。
将粉碎后的味精加入Ｖ型拌粉机或双螺旋拌粉机均匀混合，包装出厂。
第四章 赖氨酸生产工艺
1、赖氨酸作用
食品添加剂： 八种必需氨基酸之首，是谷物蛋白第一限制氨基酸
，谷物中添加适量赖氨酸，提高蛋白质的功效。
食品强化剂：对儿童的发育、智力，妇女妊娠期的保健、病人的治
疗及病后的恢复有明显的效果 。
医疗用品：作为药物用作肝细胞再生剂，对改善肝功能，治疗肝硬
化、高氨症，增进食欲、改善营养状况有明显的疗效 。
饲料添加剂：在畜、禽类的饲料中添加少许的赖氨酸，对家禽、家
畜的日增重、料肉比、家禽的产卵量等方面效果尤为显著。
赖氨酸是仅次于谷氨酸的第二大氨基酸产品 ，国际消费量为40
万吨，国内需求量2010年达到10万吨。但我国赖氨酸工业发展缓
慢。1992年年产饲料用赖氨酸4959吨，到1994年约6000吨，1997
年接近2万吨，但仍远不能满足市场需求，需要大量进口。
第一节 赖氨酸概述
2、赖氨酸的生产方法：水解法、合成法、酶法和直
接发酵法
公司 厂址 规模(万吨/年) 制法
味之素 日本，九州佐贺县 发酵法
协和发酵 日本，山口县防府 发酵法
哈特兰德赖氨酸公司 美国，依阿华州 发酵法
生物协和发酵 美国，蜜苏里州开普吉拉多 发酵法
ADM公司 美国，依利诺斯州迪凯特 12 发酵法
亚吉诺莫托公司 美国，北卡罗来纳州罗利 不详 发酵法
欧洲赖氨酸公司 法国，亚眠 发酵法
日本味之素泰国公司 泰国，曼谷 发酵法
东丽公司 日本，名古屋 酶法
费埃尔麦克斯 墨西哥 发酵法
协和与匈联营公司 匈牙利，布达佩斯东 发酵法
塔拉戈纳化工公司 西班牙，巴伦西亚得塘湖安 发酵法
台湾糖业公司 台南市 发酵法
合计
表4-1-1 世界主要赖氨酸生产厂家
3、我国赖氨酸生产状况
南宁赖氨酸厂：1987年投产，生产能力6000吨/年
泉州赖氨酸厂：1989年与正大集团合资后改名为“泉州大泉
赖氨酸有限公司”，生产能力为5000吨/年左右，使用国外
菌种和技术。
四川川化味之素公司是中日合资企业，赖氨酸生产能力为
6000吨/年，使用日本菌种和技术
我国赖氨酸行业的特点是∶总生产能力小、企业规模小、生产水
平低，因而发展困难
生产技术指标 日本 我国
产酸水平 / % 15 10
转化率 / % 50 30-35
提取率 / % 95~98 71~79
工厂最大规模 / 万吨年-1
生产成本/万元
生产成本比值 1 -2
糖蜜（吨赖氨酸） -7 12-17
电耗 / kwht-1 1600~2200 9117
发酵效率/-1
表4-1-2 我国与日本发酵法赖氨酸生产(商业规模)技术指标对照
第二节 赖氨酸的生物合成及代谢调控
一、细菌的赖氨酸生物合成途径和调节机制
（主要是大肠杆菌和黄色短杆菌）
二氨基庚二酸途径：细菌、绿藻、原生虫、高等植物
α-氨基己二酸途径：酵母、霉菌
①天冬氨酸激酶（AK）
②高丝氨酸脱氢酶（HD）
③二氢吡啶-2,6-二羧酸（DDP）合成酶
④高丝氨酸激酶
⑤ O-琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶
⑥半胱氨酸脱硫化氢酶
⑦苏氨酸脱氨酶
⑧天冬氨酸半醛脱氨酶
⑨二氢吡啶-2,6-二羧酸（DAP）还原酶
1. 天冬氨酸族氨基酸的生物合成途径
二氨基庚二酸
（二氨基庚二酸途径）
苏氨酸
甲硫氨酸
高丝氨酸天冬氨酸半醛天冬氨酰磷酸
二氨基庚二酸
赖氨酸
天冬氨酸
二氢吡啶二羧酸 异亮氨酸
（1）大肠杆菌中赖氨酸合成的调节
反馈抑制
天冬氨酸激酶
AK受赖氨酸与
苏氨酸的协同抑制
反馈阻遏
反馈抑制
AK
HD
DDP
DAP
苏氨酸脱氨酶
大肠杆菌以天门冬氨酸为前体合成苏氨酸(Thr)、异亮氨酸
(Ileu)、甲硫氨酸(Met)和赖氨酸(Lys)
代谢途径中有三种天门冬氨酸激酶的同功酶(AKI、AKII和
AKIII)和两种高丝氨酸脱氢酶的同功酶(HDI和HDII)。
AKI和HDI受到苏氨酸反馈抑制、受苏氨酸、异亮氨酸阻遏，
AKII受蛋氨酸反馈抑制；AKIII受赖氨酸的反馈抑制和阻遏。
二氢吡啶-2,6-二羧酸（DDP）合成酶受赖氨酸反馈抑制
二氢吡啶-2,6-二羧酸（DAP）还原酶受赖氨酸反馈阻遏
苏氨酸脱氨酶受异亮氨酸反馈抑制和阻遏
通向赖氨酸方向
通向苏氨酸和蛋氨酸方向 HDI受到苏氨酸反馈抑制
HDII受蛋氨酸反馈阻遏，
通向异亮氨酸方向
(2)谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等天冬氨酸族氨
基酸的代谢调节机制
天门冬氨酸激酶 AK
高丝氨酸脱氢酶HD
苏氨酸脱氢酶TD
O-琥珀酰高丝氨酸转
琥珀酰酶（HT）
苏氨酸
甲硫氨酸
高丝氨酸天冬氨酸半醛天冬氨酰磷酸
二氨基庚二酸
赖氨酸
天冬氨酸
二氢吡啶二羧酸
异亮氨酸
黄色短杆菌中赖氨酸合成的调节
反馈抑制
天冬氨酸激酶
AK
AK受赖氨酸与
苏氨酸的协同抑制
A. 优先合成：⑴葡萄糖经酵解途径生成PYR，PYR 经 CO2
固定和氧化脱羧进入TCA循环，生成草酰乙酸，再经
氨基化反应生成Asp；
⑵ Met比Thr、 Lys优先合成， Thr比Lys优先 合成。
天冬氨酸激酶是关键酶，AK是变构酶，具有两个变构部
位，可以与终产物Lys和Thr结合，受终产物的协同反馈控制。
B. 在黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌等微生物中，AK是单一的，
并且受Lys 和 Thr的协同反馈抑制，反馈调节易于解除，使育
种简单化，所以常常被用作氨基酸发酵育种的出发菌株。
黄色短杆菌的AK受Lys和Thr协同反馈情况
“代谢互锁”
乳糖发酵短杆菌中赖
氨酸及其前体物生物
合成的代谢调节
赖氨酸与
亮氨酸的
生物合成
之间存在
着代谢互
锁,赖氨酸
分支途径
的初始酶
二氢吡啶
二羧酸合
成酶为亮
氨酸所阻
遏。
在黄色
短杆菌
中天冬
氨酸与
乙酰
CoA形
成的平
衡合成
C. 平衡合成：赖氨酸的前体物Asp和乙酰CoA形成平衡合成，当
乙酰CoA合成过量时，能解除Asp对PEP羧化酶的反馈抑制。
第二节 赖氨酸生产菌的代谢控制发酵
高产赖氨酸菌的遗传标记位置
（高丝氨酸脱氢酶缺失）
1）切断或减弱支路代谢，选育高丝氨酸缺陷型（Hom－）突
变株，切断通向苏氨酸和甲硫氨酸的代谢流，限量供给高丝
氨酸（或苏氨酸+甲硫氨酸)，解除赖氨酸和苏氨酸的协调反
馈抑制作用，因而能够过量积累赖氨酸。
或选育蛋氨酸和苏氨酸或异亮氨酸缺陷型（Met－ + Thr－、Ile
－）突变株；
2）选育结构类似物抗性突变株：解除Thr和Lys的协同反馈
抑制作用，使赖氨酸大量积累，如：
①S-(2-氨基乙基)-L-半胱氨酸抗性株（AECr）
②L-赖氨酸氧肟酸盐抗性株（LysHxr）
③苏氨酸氧肟酸盐抗性突变株（ThrHxr）等；
赖氨酸发酵育种所使用的一些结构类似物
3）解除代谢互锁
在乳糖发酵短杆菌中，Lys的生物合成与亮氨酸（Leu）之
间存在着“代谢互锁”，即赖氨酸分支途径的初始酶二氢吡
啶-2,6-二羧酸（DDP）合成酶受Leu的反馈阻遏（如图）
选育Leu－+ LeuHxr
或Leu温度敏感突变
株
乳酸发酵短杆菌中
Lys与 Leu生物合成
间的相互关系
⑴ 选择亮氨酸缺陷型菌株；
⑵ 选育抗亮氨酸结构类似物突变株；
⑶ 选育对苯醌或喹啉衍生物敏感株——这是一种寻找
亮氨酸渗漏缺陷型菌株的育种方法。
为解除代谢互锁，可选育：
⑴ 选择丙氨酸缺陷型菌株（Ala－）；或温度敏感突变株
（tmps），中断丙酮酸到Ala的反应；选育AspHxr、磺胺类药
物抗性突变株；
⑵ 选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；
⑶ 选育适宜的CO2固定酶/TCA循环酶活性比的菌株。
方法：
4） 增加前体物的合成和阻塞副产物生成：为了提高
赖氨酸的产量，应设法增加前体物质天门冬氨酸
（Lys前体物）的浓度，切断生成丙酮酸的支路，同
时解除Asp对PEP羧化酶（即PC）的反馈抑制.
添加丰富的生物素，既可以使Glu不排出体外，并使代谢
流转向Lys的合成，又能提高PEP羧化酶（ PC ）的活性，
促使PEP生成草酰乙酸，再生成Asp。
选育温度敏感突变株：
如，乳糖发酵短杆菌 AJ11093
AJ1099
在发酵前期于29～33℃生长良好，而到34 ℃以上时则不
能生长，发酵积累赖氨酸盐酸盐。
5）. 其它措施：
某些赖氨酸产生菌及其产酸能力
第三节 赖氨酸工业化生产
• 赖氨酸，Lysine，化学名称 2,6-二氨基己酸
化学组成 C6H14O2N2
CH2NH2
CH2
CH2
CH2
CH·NH2
COOH
菌种斜面
摇瓶种子
种子罐
压缩空气
油水分离
总过滤器
分过滤器
发酵罐
淀粉
加N,P,K,Mg
提取、精制 Lys
Lys发酵工艺流程：
淀粉酶
过 滤
糖 化
液体葡萄糖
配 料
灭 菌
糖 蜜
发酵液
（一）培养基
1、碳源:(不能直接利用淀粉）
葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖（来源大米、玉米和薯类）
糖蜜（甘蔗、甜菜）
2、氮源： （不能直接利用蛋白质）
无机氮源: (1)尿素 (2)液氮 (3)碳酸氢铵；
有机氮源:玉米浆、麸皮水 解液、豆饼水解液和糖蜜等。
作用：
合成菌体、赖氨酸。
调节pH
目前，工业生产采用大豆饼粉。花生饼粉和毛发的水解
液为有机氮源，用量2－5％。
3、生物素：赖氨酸菌种为生物素缺陷型和某些营养素缺陷
型（高丝氨酸、甲硫氨酸、丙氨酸等）。因严格控制用量。
（二） 菌种的扩大培养和种子的质量要求
斜面菌种 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐
种子培养过程
1、菌种：
•短棒杆菌属：黄色短杆菌；乳糖发酵短杆菌。
•棒杆菌属：谷氨酸棒杆菌。
2、分类（按表型）
•营养缺陷型：谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌选育的Hse－、Met
－、Thr－。
•敏感性菌株： Met、Thr突变株。
•代谢调节突变株：谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短
杆菌选育的AECr； AECr ＋AHVr
•组合型菌株： Hse － 、Met－、Thr－组合AECr； AECr ＋
AHVr
3、生长特点：
– 适用于糖质原料，需氧，以生物素为生长因子。
4、斜面种子的制备：要求种子纯，没有杂菌和噬菌体污染。
培养基：蛋白胨1％、牛肉膏1％、氯化钠%、葡萄糖
%、琼脂2％。组成琼脂培养基。灭菌后30℃
保温24h检查无菌后放冰箱备用。
培养条件：30－32℃培养18-24h。
5、一级种子培养：
培养基：葡萄糖2％、玉米浆1-2％、尿素%、磷酸氢二
钾%、硫酸镁%、硫酸氨%。。
培养条件：30-32℃，培养15-16h。
6、二级种子培养：用种子罐培养，用水解糖代替葡萄糖。
培养条件：温度30－32℃；通风量1：(V/V)，搅拌
200r/min。 时间8－11h。
7、接种量：二级种子，接种量2-5％，种龄12h。三级种子，
接种量稍大，约10％，种龄6－8h。
（三） 赖氨酸发酵工艺控制
1、 温度对谷氨酸发酵的影响
赖氨酸发酵前期，主要进行菌体繁殖。幼龄菌对温度
敏感，温度控制在产生菌的最适生长温度为30-32℃。
若菌体生长期温度过高,易造成菌体衰老。生产上表
现为OD值增长慢,pH值高,耗糖慢,发酵周期长,赖氨酸
产量减少。在发酵中、后期，菌体生长基本停止，适
当提高温度到赖氨酸室温合成酶系的最适作用温度。
控制在32-34℃
根据菌种特点，温度采用二级或三级管理。即发酵前
期控制在30－32℃；中、后期。产生谷氨酸的最适为
32-34 ℃。
2、 pH值对赖氨酸发酵的影响
•影响酶的活性
•影响细胞膜电荷，改变膜的透性，干扰物质的吸收和
排泄。
•影响培养基营养成分和中间代谢物解离，从而影响菌
体对这些物质的吸收和利用。
•pH改变易引起代谢途径的改变，使代谢产物的组成和
比例发生变化。
发酵阶段 发酵期
pH控制 －
发酵生产中，pH的控制通常采用流加尿素。初始尿素含量
％。培养14-18h， pH降至时开始流加，流加
量%。次数3-5次，总量。
3、 供氧对赖氨酸发酵的影响
（1）溶解氧与赖氨酸的需氧量
赖氨酸产生菌为好氧微生物，只有在供氧充足条件下，才
能充分完成生物氧化作用，最大量生成赖氨酸。
（2）供氧对赖氨酸发酵的影响
菌体生长阶段，呼吸旺盛，对氧需求量大于产酸阶段。若
供氧不足，会增加乳酸产量，降低基质pH，导致菌体生长缓慢，
量减少。但通气搅拌强度适度，不能过高，加快耗糖，会产生
同样的结果。产酸阶段好氧量有所减少。
（3）供氧与其他发酵工艺条件的关系
发酵前期溶氧分压PL控制在( )× 10
4Pa,产酸期溶氧分
压PL控制在( )× 10
4Pa
4、 生物素对赖氨酸发酵的影响
（1）赖氨酸生产菌为生物素缺陷型，发酵培养基中需要生物素作
为生长因子。
（2）过量生物素可促使细胞内合成的谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反
馈抑制作用增强，抑制谷氨酸大量生成，使代谢流通向合成天冬
氨酸方向进行，增加其含量，提高赖氨酸产量。
•生物素：要充足，20～30g/L以上
• 维生素B1 ：有促进作用
• 醋酸：加入醋酸比单独采用糖质原料Lys产量高
硫酸铵：适当增加，4%～%
Cu2+：一定浓度的CuSO4·5H2O，可提高产量
流加糖和其它生长因子
（四）、离子交换法提取赖氨酸
发酵液 → 菌体分离 → 上清液 → 离子交换 → 真空浓缩
离心分离 ← 重结晶 ← 粗结晶 ← 离心分离 ← 结晶
结晶 → 干燥 → Lys成品
菌体 → 水洗 → 二次菌体分离 → 上清液
母液
二次母液
调pH，加入絮凝剂
饲料 ← 菌体
1）发酵液的处理：菌体分离，两种方法
离心分离法：高速离心机分离除去菌体（国外方法），用碟
片式自动卸渣高速离心机，分离菌体和草酸钙等
添加絮凝剂沉淀法：用草酸除去发酵液中的Ca2+ ，调节pH至2～3，加
入絮凝剂（如聚丙烯酰胺），使菌体聚集而沉淀。然后加助滤剂过滤即
可除去菌体。
2）离子交换吸附及洗脱：铵型阳离子交换树脂，洗脱剂为氨水加氯
化铵；用茚三酮检查流出液，～12，得率可达90%～95%
3）真空浓缩：去除氨，并提高Lys含量，真空时温度65℃，浓度22～
23°Bé
4）中和结晶：加入工业盐酸，搅拌，，
自然冷却结晶，至5℃结晶完全（粗结晶，含一
分子结晶水的粗L-Lys盐酸盐）
5）重结晶：用蒸馏水溶解，11-12°Bé，加入
活性炭脱色，压滤，再真空浓缩至22°Bé，再
结晶、冷却、离心分离并水洗
6）干燥：60℃热风干燥，去结晶水，得到L-
Lys盐酸盐，含水%以下
浓缩和除氨 中和罐
盐酸
结晶罐（冷却10℃）
搅拌结晶10－12h
离心分离湿赖氨酸晶体干燥 母液
浓缩
赖氨酸精制
Lys的结构类似物的作用：起到假反馈抑制作用。
Lys的结构类似物的结构与Lys相似为AK所误认，与Thr一
起在AK的变构部位上结合，协同抑制酶的活性。但当Lys的
结构类似物（ AEC ）单独存在时，对酶活性没有抑制作用。
通过改变AK编码的结构基因，可以使AK对Lys及结构类
似物不敏感，即使在过量Thr存在时，该酶也不与Lys或结
构类似物结合，但酶的活性中心不变。（具有这一特性的
的菌株叫做抗结构类似物突变株或代谢调节突变株。）
具有抗性并兼有营养缺陷型的菌株，Lys才能高产。
