L-谷氨酸的发酵与提取:实验原理

谷氨酸是由谷氨酸棒杆状菌以葡萄糖为原料产生的一种呈味氨基酸。谷氨酸发酵为好气性发酵,其代谢机理为:葡萄糖先经糖酵解(EMP)途径生成丙酮酸,丙酮酸经氧化脱羧基作用生成乙酰辅酶A,乙酰辅酶A进入三羧酸循环生成α-酮戊二酸,α-酮戊二酸再经氨基化作用生成谷氨酸。

在发酵生产中产物的积累主要取决于微生物本身的代谢调节(主要指酶调节),在谷氨酸代谢中存在明显的产物反馈抑制调节,因此如何及时将细胞内积累的谷氨酸分泌到细胞外是提高发酵产物产量的关键。实际生产中主要通过增加细胞膜的通透性实现。生物素是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的辅基,该酶催化乙酰CoA的羧化生成丙二酸单酰CoA,进而合成细胞膜磷脂的主要成分脂肪酸。因此,只要控制生物素的含量就可以改变细胞膜的成分,进而改变膜的通透性,影响代谢产物的分泌。在谷氨酸发酵中,生物素的浓度对谷氨酸的积累有明显影响,只有把生物素的浓度控制在亚适量的情况下,才能大量分泌谷氨酸,若生物素过量,菌体内即使有大量谷氨酸积累,也不能分泌到体外。研究表明,当生物素含量为2.5mg/mL时,谷氨酸的产量最高。

L-谷氨酸提取有多种方法,如等电点法、离子交换法、等电点离子交换法、金属盐法、盐酸水解-等电点法等。本实验主要是利用等电点离子交换的方法提取发酵液中的谷氨酸。实验是根据谷氨酸在等电点时溶解度最小的原理设计,首先将发酵液加入一定量的硫酸,调节pH值到谷氨酸等电点,使谷氨酸晶体析出。由于谷氨酸含有两个酸性的羧基和一个碱性的氨基,所以,原则上既可以选择阴离子交换树脂也可以用阳离子交换树脂进行提取,但是因为弱碱性的阴离子交换树脂价格昂贵且机械强度差,因此一般采用强酸性阳离子交换树脂来提取谷氨酸。

每种氨基酸对阳离子交换树脂的亲和力大小都可以根据氨基酸的等电点值的大小来判断,pI越大,则表示它与阳离子交换树脂的交换能力越强;反之,则越弱。因此,强酸性阳离子交换树脂对谷氨酸发酵液中各种离子的亲和能力的大小如下所示:

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