谷氨酸用途解析

谷氨酸用途

1. 下游产品开发

将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N—羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。

谷氨酸的结构中有一个氨基和两个羧基，在光气的作用下，羧基和氨基会形成环状N —羧酸酐，由于羧基也较为活泼，可能会参与成环反应，因此在成环反应之前，通常用苄醇将羧基进行保护，这样得到的聚合物的侧链活性极低，一般需经进一步氢化脱苄或胺解脱苄，才能得到有反应活性的侧链，我们选用双功能基试剂氯乙醇作保护基因，在聚合之后可直接得到有反应活性的侧链，可有效地简化合成路线。

侧链酯化过程是一个可逆反应，随着体系内水含量的不断增加，反应速度会降低，导致产率不高。在形成谷氨酸苄酯时，采用分子筛脱水，操作大大简化。新型的聚合氨基酸，含有氨基的药物或靶向基因，可以方便的接入聚谷氨酸的分子中，形成大分子前药或靶向大分子载体，接入特异性的基因，可进行特殊的分离或提纯，这一聚合物在医药领域会有很广泛的应用前景。

谷氨酸可生产许多重要下游产品如L—谷氨酸钠、L—苏氨酸、聚谷氨酸等。

2. 食品业

氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。

谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。

甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显着提高食品的风味。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。

3. 日用化妆品等

谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。

谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。

4. 医药行业

谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。

聚谷氨酸是一种出色的环保塑料，可用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途，可在自然界迅速降解，不污染环境。

谷氨酸的毒性及安全

任何食品的食用都要适量，并非多多益善，过量的食用，自然于健康无益。就营养价值而言，味精是谷氨酸的单钠盐，谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，是人体和动物的重要营养物质，具有特殊的生理作用。在空腹时食用味精25毫克/公斤体重，25-35分钟后就发生头痛、出汗、恶心、体软、口渴、面颊潮红、腹部疼痛等症状，但这些症状一般在数小时之内就会消失，所以在空腹时不要吃味精。谷氨酸及谷氨酸钠的分解物质中含有很强的变异原物

质，如果将植物油与味精混在一起，加热约20分钟，变异原物质会进一步增加。因此在烹调时味精不宜在高温的炒菜过程中添加，而应在烹调终了时加入作调味用。

.10.3.1 谷氨酸发酵菌种

目前国内各谷氨酸厂所使用谷氨酸产生菌主要有天津短杆菌(Brevibacteriaceae Tianjianense)T6-13及其诱变株FM8209、FM-415、CMTC6282、TG863、TG866、S9114、D85等菌株；钝齿棒杆菌(Corynebacterrum crenatum)ASl 542及其诱变株B9、B9-36、F-263等菌株；北京棒杆菌(Corynebacterium Pekinense)ASl299及其诱变株7338、Dll0、WTH-1等菌株。现在多数厂家生产上常用的菌株是T6-13、FM-415、S9114、CMTC6282等。

短杆菌属(Brevibacterium)的主要特征是细胞为短的不分枝的直杆菌，(0.5～lμm×l～5μm)。革兰氏染色阳性。大多数不运动，运动的种具有周生鞭毛和端生鞭毛。在普通肉汁蛋白胨培养基中生长良好。多数从葡萄糖发酵产酸，不发酵乳糖。有时产非水溶性色素。色素呈红、橙红、黄、褐色。大多数液化明胶和还原石蕊并胨化牛奶，极少数能使牛奶变酸。可以从乳制品、水、土壤、昆虫、鱼及植物体等样品中分离得到。此外，短杆菌属还不明显地从碳水化合物中产生乳酸、丙酸、丁酸或乙醇。接触酶阳性。菌体形态较规则，非抗酸性菌，除分裂时菌体内形成隔壁外，菌体细胞不具有隔壁。

棒状杆菌属(Corynebacterium)的主要特征是细胞为直到微弯的杆菌，常呈一端膨大的棒状，折断分裂形成“八”字形排列或栅状排列。不运动，少数植物致病菌能运动。革兰氏染色阳性，但常有呈阴性反应者。菌体内常着色不均一，常有横条纹或串珠状颗粒。胞壁染色表明，菌体由多细胞组成。抗酸染色阴性。好氧或厌氧。从葡萄糖发酵产酸，少数从乳糖发酵产酸。

现代发酵工业生产规模越来越大，发酵罐的容量有数十立方米，甚至数百立方米。要使微生物在数十小时的较短时间内完成如此规模的发酵过程，那就必须具备相当数量的微生物细胞群体才行。菌种的扩大培养就是要为规模发酵提供相当数量的代谢旺盛的种子。谷氨酸发酵种子扩大培养普遍采用二级种子扩大培养的流程，即：斜面培养→一级种子培养→二级种子培养→发酵罐。

8.10.3.2 谷氨酸发酵工艺

(1)生产原料。谷氨酸的生产以淀粉质为主要原料，采用发酵法进行生产的工艺。

①碳源(淀粉)。淀粉原料是白色无定形结晶粉末，存在于各种植物组织中，颗粒具有一定的形态和层次分明的构造，在显微镜下观察的颗粒是透明的。

②氮源。氮是构成菌体蛋白质、核酸及合成谷氨酸的主要元素。谷氨酸生产使用的氮源主要是无机氮及有机氮，如尿素、氨水、碳酸铵等。在发酵中，一部分氮还起到调节发酵液pH的作用，使谷氨酸发酵能正常进行。

③辅助原料。在谷氨酸生产过程中，所需的辅助原料主要有工业盐酸：在谷氨酸提取时，加入盐酸，调节pH，使其达到谷氨酸等电点，从而将谷氨酸从发酵液中分离出来；烧碱：化学名为氢氧化钠，用离子交换法提取谷氨酸时，用氢氧化钠溶液洗脱。纯碱，分子式

Na2CO3，用于中和反应提取谷氨酸钠；硫化钠：分子式Na2S，主要用于除铁；硫酸镁：一般含有结晶水，其分子式为MgS04·7H20，谷氨酸发酵培养基中使用硫酸镁，用量一般为0.025％～0.1％。

④酶制剂。在酶法水解淀粉工艺中，使用α–淀粉酶(EC3.2.1.1)糖化酶(EC3.2.1.3)作催化剂。

(2)生产工艺流程。谷氨酸生产流程可分为4个部分：①淀粉水解糖的制取；②谷氨酸生产种子的扩大培养；③谷氨酸发酵；④谷氨酸的提取分离。其发酵过程如图9-7所示。

8.10.3.3 谷氨酸的生物合成途径

谷氨酸的生物合成途径包括糖的酵解(EMP)、己糖磷酸支路(HMP)、三羧酸循环(TCA)、乙醛酸循环、Wood-Werkman反应(二氧化碳的固定作用)等。图9-8是谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸合成途径示意图。

依据所述合成途径，当葡萄糖转变成谷氨酸时，最大转变效率为1克分子葡萄糖可以生成lmol的谷氨酸，如下式：

按上式谷氨酸对糖的重量产率为81.7％，但实际上因菌体的生成、微量副产物的生成和生物合成消耗的能量等，消耗了一部分的基质，所以实际的对糖重量产率低于81.7％。

EMP途径是生物由糖的代谢而生成丙酮酸的途径。隼成的丙酮酸可以通过不同途径，进一步转变为各种不同的产物。葡萄糖除通过EMP途径外，还可以通过HMP途径生成戊糖-5-磷酸，再通过戊糖代谢而分解为二碳化合物和三碳化合物。三碳化合物是与EMP途径相联系的化合物，而二碳化合物再进入三羧酸循环中。1959年由黄色短杆菌(Brevibacterium flavrum)No.2247发现与EMP有关的各种酶的活性如己糖激酶、己糖磷酸异构酶、己糖磷酸激酶、醛缩酶以及连接NADP的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和连接NADP的葡萄糖–6–磷酸脱氢酶，证明此菌的葡萄糖代谢，也包括EMP及HMP两种途径。当谷氨酸发酵时，糖的降解分为两个阶段，第一阶段即EMP途径，生成的丙酮酸可被NADH2还原成乳酸(或酒精)，第二阶段是在有氧存在的情

况下，因NADH2被分子氧氧化，丙酮酸即不被还原，而是经过氧化脱羧作用变成乙酰辅酶A后，进入三羧酸循环。

谷氨酸产生菌的α-酮戊二酸脱氢酶活力低，尤其当生物素缺乏条件下，TCA循环到生成α–酮戊二酸时，即受到阻挡。当NH+的存在下，α–酮戊二酸因谷氨酸氢酶的作用，转变为谷氨酸。

谷氨酸发酵与三羧酸循环的关系研究表明，柠檬酸、顺-乌头酸和异柠檬酸，在NH+4

存在下，可变为谷氨酸，因此谷氨酸生成是与三羧酸循环有关的。这些三羧酸在无氧时谷氨酸的产率为81％～91％(mo1)，而在有氧时约为50％(mo1)；但用α–酮戊二酸，无氧时其产率仅为9％，有氧时仅有微量。这是由于三羧酸本身可作为供氢体，因此被氧化为α–酮戊二酸后，进行耦联反应，使α–酮戊二酸继续受到还原，而成为谷氨酸。至于α-酮戊二酸本身则不是供氢体，因此当NH+4存在时，还原作用受到阻碍，无法合成谷氨酸，如果增加供氢体如葡萄糖等，则可提高谷氨酸的产率。

此外，以柠檬酸为基质，添加细胞匀浆作无氧及有氧培养。其结果在无氧反应时，如无铵盐的存在，则产生物中有多量琥珀酸，少量谷氨酸。当三羧酸循环时，葡萄糖氧化而成柠檬酸，而后者氧化成α-酮戊二酸。沿着由柠檬酸至α–酮戊二酸的氧化途径，此菌有两种NADP专一性脱氢酶，即异柠檬酸脱氢酶和L–谷氨酸脱氢酶。当铵盐存在时，两者密切偶联：谷氨酸产生菌需要氧化型NADP，以供异柠檬酸的氧化作用。此NADP因α-酮戊二酸的还原氨基化而再生。谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶活力较强，所以由三羧酸循环所得的柠檬酸的氧化中间物就不再继续氧化，而经α–酮戊二酸还原氨化生成谷氨酸。

自1970年在一些细菌出现依赖NADP的谷氨酸合成酶(Glutamate synthase)后，谷氨酸脱酶不再是谷氨酸生物合成的惟一途径了。对谷氨酸棒状杆菌的研究表明，当铵离子浓度低时，谷氨酸是依赖NADP的谷氨酸合成酶来合成的，而当铵离子浓度无限量时，则是用依赖于NADP的谷氨酸脱氢酶来合成的。

当谷氨酸生物合成时，乙醛酸循环居显著地位。乙酰辅酶A与草酰乙酸相互作用，生成柠檬酸，柠檬酸再变成异柠檬酸。异柠檬酸的转化分为两路：一路是生成乙醛酸及琥珀酸，就是乙醛酸循环；一路是生成α–酮戊二酸，就是三羧酸循环。1961年研究扩展短杆菌产生谷氨酸的合成途径，证明在无细胞抽出液中，含有异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。异柠檬酸裂解酶的作用是介于异柠檬酸脱氢酶和乙醛酸还原酶的偶联作用之中。上述耦联反应当培养基中生物素浓度减少时变弱。

在谷氨酸发酵中有下列两个二氧化碳固定反应。此反应需要NADP。C4生成后，继之以C4+C2→C6。1960年研究黄色短杆菌NO.2247的二氧化碳固定反应，结果：①在C14O2存在的条件下，分别将葡萄糖、醋酸盐、丙酮酸盐、草酰乙酸盐和琥珀酸盐添加黄色短杆菌NO．2247的洗涤过的细胞悬浮液，通气培养后，均可发现有标记的谷氨酸和α–酮戊二酸的生成；②应用此菌的无细胞抽出液，可将C14O2的C14固定入草酰乙酸和苹果酸中。

在谷氨酸发酵过程中，如生物素过剩则有利于菌体的生长，而不利于谷氨酸的累积，这是完全氧化型；反之如生物素适量，则异柠檬酸酶和琥珀酸的氧化，以及苹果酸和草酰乙酸变为丙酮酸的脱羧作用均呈停滞状态。同时，由于过剩NH+4的存在，因此反应由柠檬酸向谷氨酸的方向进行。

8.10.3.4 谷氨酸提取

根据谷氨酸和谷氨酸发酵液的性质，其提取方法主要有以下几种：水解等电点法、低温等电点法、低温连续等电点法和离子交换树脂法。为了提高提取收率，有的生产工艺还采用等电―锌盐和等电―离子交换提取等方法。目前提取谷氨酸的新技术有电渗析和反渗透法、浓缩等电点法、离子硅藻土过滤等电法等。其中以离子交换树脂法最具代表性，其流程一般

是：首先将等电点母液进行柱交换，再用反洗工艺，接着通过50℃的热水正洗和60℃热碱液洗脱，将洗脱液进行收集，再通过高流分，将流分产物进过等电点法提取以获得谷氨酸。