【正文】 mg/L；革蘭氏陰性菌為 4～ 5mg/L。7H2O中含 Mg2+ %，發(fā)酵培養(yǎng)基中添加 硫存在于細胞蛋白質中，是含硫氨基酸（半胱氨酸和蛋氨酸）的組成部分；也是一些酶的活性基團重要組成部分。 ③ 鉀鹽 鉀一般不參與細胞結構物質的組成，但它是許多酶（ EMP途徑和 TCA循環(huán)中一系列酶）的激活劑。菌體生長時需要鉀鹽 g/L(以 K2SO4計，以下同 )，谷氨酸生成時需鉀鹽為 ～ g/L。當培養(yǎng)基中配用 g/L K2HPO4如果采用 Na2HPO4 ④ 微量元素 微生物需要量十分微小但又不可完全沒有的元素稱為微量元素。一般培養(yǎng)基添加 Fe2+是細胞色素氧化酶、過氧化氫酶的組成部分，又是若干酶的激活劑，一般培養(yǎng)基添加 一般作為碳氮源的農副產品天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另外添加。 ⑤ 生長因子 從廣義來說，凡是微生物生長不可缺少的微量有機物質，如氨基酸、堿基（嘌呤、嘧啶）、維生素等均稱為生長因子。 目前以糖質原料為碳源的谷氨酸產生菌均為生物素（ VH）缺陷型，以生物素為生長因子。 生物素是 B族維生素的一種，又稱維生素 H或輔酶 R，其結構式如下： 生物素作為酶的組成成分，參與機體的三大營養(yǎng)物質 —— 糖、脂肪和蛋白質的代謝，是動物機體不可缺乏的重要營養(yǎng)物質之一。生物素濃度對菌體生長和谷氨酸積累都有影響。谷氨酸發(fā)酵最適生物素濃度隨菌種不同、碳源種類和碳源濃度以及供氧條件不同而不同，一般為 5μg/L左右。在生產中表現為長菌快，耗氧快， pH低，液氨消耗多。當供氧不足，生物素過量，發(fā)酵向乳酸發(fā)酵轉換。 菌體從培養(yǎng)液中攝取生物素的速度是很快的，遠遠超過菌體繁殖所消耗的生物素量，因此，培養(yǎng)液中殘留的生物素量很低，在發(fā)酵過程中，菌體內生物素含量由豐富向貧乏過渡。 維生素 B1是由嘧啶環(huán)和噻唑環(huán)結合而成的一種 B族維生素，又稱硫胺素或抗神經炎素。維生素 B1主要存在于種子的外皮和胚芽中，如米糠和麩皮中含量很豐富，在酵母菌中含量也極豐富。 提供生長因子的農副產品原料 玉米漿是一種用亞硫酸浸泡玉米而得的浸泡水的濃縮物。玉米漿的成分因玉米原料來源及處理方法而變動，每批發(fā)酵原料變動時均需進行小型發(fā)酵試驗以確定其用量。 麩皮水解液可代替玉米漿，但蛋白質、氨基酸等營養(yǎng)成分比玉米漿少，用量一般為 1%（以干麩皮計）左右。其氨基酸、核苷酸和維生素含量豐富。甘蔗糖蜜中生物素含量也會與產地、處理方法、貯存期長短等有關，故每批原料變動時均需小試以確定用量。 溫度對谷氨酸發(fā)酵的影響 發(fā)酵熱及其測量 ⑴ 發(fā)酵熱 引起發(fā)酵過程溫度變化的原因是發(fā)酵過程所產生的熱量，稱為發(fā)酵熱。 ① 生物熱 在發(fā)酵過程中，由于菌體的生長繁殖和形成代謝產物，不斷地利用營養(yǎng)物質，將其分解氧化獲得能量，其中一部分能量用于合成高能化合物（如 ATP），供合成細胞物質和合成代謝產物所需要的能量。 生物熱隨菌種和培養(yǎng)條件不同而不同。發(fā)酵過程產生的熱量具有強烈的時間性。 在發(fā)酵初期，菌體處于適應期，菌體數量較少，呼吸作用緩慢，產生的熱量少。特別是從對數生長轉入平衡期時，菌體濃度最大，代謝旺盛，產生的熱量最多。 ② 攪拌熱 機械攪拌通氣發(fā)酵罐，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液進行運動，造成液體之間、液體與設備之間的磨擦作用，產生大量的熱量，稱為攪拌熱。h) ③ 汽化熱 通風時，會引起發(fā)酵液部分水分蒸發(fā)，發(fā)酵液因蒸發(fā)而被帶走的熱量稱為汽化熱。輻射熱大小取決于罐內外溫度差，冬天大些，夏天小些，一般不超過 5%。 Q發(fā) =GC(t2t1)/V ② 通過發(fā)酵溫度自動控制，先使罐溫達到恒定，再關閉自動控制裝置，測量溫度隨時間上升的速率，按下式求出發(fā)酵熱。 溫度對谷氨酸發(fā)酵的影響 溫度對谷氨酸發(fā)酵的影響是多方面的，對菌體生長和代謝產物形成是由各種因素綜合表現的結果。但是，酶是蛋白質，受熱容易失活，溫度愈高失活愈快。溫度還影響細胞中酶的活性，從而影響代謝途徑方向。微生物種類不同，所具有的酶系不同，所要求的溫度也不同。谷氨酸產生菌的最適生長溫度為 30～34℃ ，其中 T613及其變異株比較耐高溫，產生谷氨酸的最適溫度為 37℃ ，甚至在較短時間內可 39～ 40℃ 也行。在發(fā)酵中后期菌體生長已停止，為了大量積累谷氨酸，需要適當提高溫度，有利于提高谷氨酸產量。因此，發(fā)酵正常，表現為前期溫度上升緩慢，中期劇烈，后期逐漸緩慢。 pH對谷氨酸發(fā)酵的影響 pH對微生物生長和代謝產物的形成都有很大影響。大多數細菌的最適生長 pH為 ～；霉菌一般為 ～ ；酵母為～ 。各種菌種又有所不同，黃色短桿菌 672 ～ ；北京棒桿菌 ～； T613 ～ 。 pH對谷氨酸發(fā)酵的影響 谷氨酸產生菌在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下形成谷氨酰胺和 N乙酰谷氨酰胺。 發(fā)酵過程中 pH變化及控制 在谷氨酸發(fā)酵過程中，由于菌體對培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用和代謝產物的積累，使培養(yǎng)基的 pH不斷變化。因此， pH的變化被認為是谷氨酸發(fā)酵的一個重要指標。 菌種不同，所含酶系及其活力不同，培養(yǎng)基中糖、氮的種類和配比不同以及通風、攪拌強度不同，調節(jié) pH方法不同等，pH的變化規(guī)律性就不相同。 谷氨酸發(fā)酵過程 pH調節(jié)方法： ①液氨或氨水流加法 在發(fā)酵過程中根據 pH變化流加液氨或氨水調節(jié) pH，同時作為氮源。由于作用快，應采用連續(xù)流加的方法，最好能自動控制連續(xù)流加。氨水如果濃度較低則帶菌，且明顯增加發(fā)酵體積，故目前國內基本不采用此法。其優(yōu)點是由于尿素的分解、利用及 pH變化具有一定的規(guī)律性，容易控制。 供氧對谷氨酸發(fā)酵的影響 氨基酸發(fā)酵為通風發(fā)酵，氧的需要量是相當大的。因此研究供氧問題，對氨基酸發(fā)酵工藝管理的最佳化和工藝過程的放大具有重要意義。 好氣性發(fā)酵的供氧問題，包括化學工程學和微生物生理學兩方面問題，即如何提高供氧效率和如何最適合于微生物的好氣性培養(yǎng)。 溶解氧與谷氨酸產生菌的需氧量 谷氨酸產生菌和其它好氣性微生物一樣，對培養(yǎng)液中的溶解氧濃度有一個最低的要求，在此溶解氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。 如圖 41所示，在臨界溶解氧濃度以下，氧成為微生物生長的限制性底物，在此范圍內微生物的耗氧速率符合米氏方程： 圖 41 細胞呼吸速率與溶解氧濃度之間的關系 一般好氣性微生物的臨界溶解氧濃度很低，約為 ~(約 ~)。 表 45 氨基酸發(fā)酵 pL臨界 和 γab/(QO2供氧量多少應根據不同菌種、發(fā)酵條件和發(fā)酵階段等具體情況決定。 在菌體生長期，供氧必須滿足菌體呼吸的需氧量，即 rab=QO2h))時，菌體生長需氧量得不到滿足，菌體呼吸受到抑制，引起乳酸等副產物的積累。如果再提高供氧，不但不能促進生長，反而造成浪費，而且由于高溶氧水平而抑制菌體生長。 與菌體生長期相比較，谷氨酸生成期需要大量的氧。因此，在谷氨酸生成期要求充分供氧，以滿足細胞最大呼吸的需氧量。h) ，谷氨酸產生菌將 60%以上的糖轉化為谷氨酸。一般培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，糖濃度高，生物素含量高，則需氧量大。另一方面，培養(yǎng)基濃度大，氧的傳遞阻力大，需要增加供氧。耗氧速率與菌體生長速率、耗糖速率和谷氨酸生成速率有關。 控制溶解氧的發(fā)酵 ， 隨生物素濃度的增加 ， 谷氨酸產量降低不明顯 ， 琥珀酸生成量也少；而供氧不足的發(fā)酵 ， 即使在低生物素條件下也產生大量琥珀酸 。 谷氨酸發(fā)酵的物質能量代謝 氨基酸發(fā)酵中，需氧是菌體代謝的需要，有以下兩個原因： ①經過好氣性的能量代謝可以有效地獲得菌體生長和氨基酸生物合成所需的 ATP，以完成生物氧化作用； ②氨基酸生物合成過程中產生的 NAD(P)H2需要在氧存在下被氧化成 NAD(P)。因此，在討論氨基酸發(fā)酵的通風攪拌效果時，以各種氨基酸生物合成所必須的 ATP摩爾數及生成 NAD(P)H2摩爾數為基準是很有意義的。 → 谷氨酸 +8NAD(P)H2+FADH2+3ATP 圖 42 谷氨酸生物合成途徑（ I） 從圖 42的谷氨酸生物合成途徑可知，由 3/2mol葡萄糖生成 3mol乙酰 CoA，其中 2mol乙酰 CoA與草酰乙酸反應生成 2mol異檸檬酸，1mol異檸檬酸經過 α酮戊二酸生成谷氨酸，另 1mol異檸檬酸分解為琥珀酸和乙醛酸，兩者都生成草酰乙酸；剩余的 1mol乙酰 CoA與乙醛酸生成草酰乙酸時被利用。谷氨酸的生成可由下式表示： C 氨基酸生物合成時，每消耗 lmol葡萄糖所消耗的 ATP和生成的 NAD(P)H2見表 46。在供氧充足的條件下，細菌呼吸充足，溶氧分壓(PL)大于或等于臨界溶氧分壓(PL臨界 )的培養(yǎng)中，可以得到最大產酸量。當氧滿足率(γab/KrM)≤，菌株呼吸受抑制，產酸明顯下降，其下降程度要比其它氨基酸發(fā)酵大得多。但是，亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸發(fā)酵卻是在供氧較低的條件下，產酸最高。在纈氨酸發(fā)酵中 γab/KrM=；在苯丙氨酸發(fā)酵中，γab/KrM=，是最適的通風攪拌條件。在菌呼吸充足條件下，產酸最高；而在氧不足的情況下，產酸略有降低。在天冬氨酸族氨基酸發(fā)酵中， γab/KrM時的生產性位于脯氨酸發(fā)酵和亮氨酸發(fā)酵中間。谷氨酸生物合成需要 CO2固定反應，由磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酰乙