第七章氨基酸发酵的微生物 7.1概述 既含有氨基又具有a-位羧基基团的化合物称为a-氨基酸,有些氨基酸是亚氨基羧酸, 如脯氨酸。在自然界中,组成各式各样蛋白质的氨基酸共有20种,除甘氨酸外,所有组成 蛋白质的天然氨基酸都是L-a-氨基(或亚氨基)羧酸,这些氨基酸通过肽键连接成为大分 子的蛋白质,是所有生命的基础。其中的八种氨基酸是人类的必需氨基酸,即人类本身不能 合成、必须从食物中摄入的氨基酸。这八种必须氨基酸是:苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮 氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸及色氨酸。此外,组氨酸对婴幼儿也是必须氨酸。除了上 述组成蛋白质的氨基酸外,自然界中还存在各种D氨基酸、ω-氨基酸及一些特殊的氨基酸, 如氨基磺酸、氨基硫酸及氨基磷酸等,这些特殊的氨基酸也具有重要的生理作用。氨基酸在 营养保健、调味品、化妆品及药品生产中都有重要的应用,因此必需以工业规模生产氨基酸 以满足市场的需要。 氨基酸可以采用化学合成、从天然物质中提取(蛋白质水解)、微生物发酵及酶催化 等方法生产。化学合成得到的氨基酸是消旋的DL-氨基酸,若需要的产物是L-氨基酸,必 须进行光学异构体的拆分。除少数例外,其它三种方法生产的氨基酸都是具有光学活性的 L氨基酸 蛋白质水解得到的是各种氨基酸的混合物,要将其中的某种氨基酸分离提纯十分困难 碱性或酸性氨基酸的提纯相对容易些,如胱氨酸就是通过毛发水解方法生产的,中性氨基酸 的分离就更困难 许多氨基酸都能采用微生物发酵方法生产。利用水解酶、氨基裂解酶、以吡哆醛5-磷 酸作为辅酶的酶及NAD'为辅酶的L氨基酸脱氢酶等都能用于酶法合成氨基酸的生产,这 些酶一般也要通过微生物发酵获得 所有微生物在培养时都能产生氨基酸,主要用于细胞生长所必需的蛋白质合成,在野 生型微生物中,细胞中合成的各种氨基酸含量由于受到负反馈调节而保持在最佳水平,积累 的量很少,因此不能直接用于工业发酵。在氨基酸的工业化生产中,一般应使微生物积累较 高浓度的氨基酸,才具有实际价值。因此,利用微生物发酵生产氨基酸的关键是解除反馈调 节,使氨基酸能过度积累。通常可以采用如下方法:1)刺激细胞同化起始底物;2)抑制副 反应;3)刺激细胞内氨基酸合成酶系的合成并提高酶的活力:4)抑制或降低使已合成氨基 酸降解的酶活;5)刺激细胞将胞内的氨基酸释放到胞外。因此如果要从一种野生型微生物 出发获得氨基酸的工业化生产菌种,就必需对该微生物的代谢途径进行研究,进而对其遗传 基因进行改造。遗传基因的改造可以采用传统的诱变育种方法,也能应用现代的基因重组技 术,这两种方法都已广泛地用于氨基酸高产菌种的选育 7.1.1微生物发酵法生产氨基酸的历史和发展趋势 1908年日本人 Ikeda发现谷氨酸钠是鲜味的强化剂,开始了工业化生产氨基酸的历史 在此后的近50年中,谷氨酸的生产都是以大豆或面筋蛋白为原料、采用酸水解后分离提取 的方法。1957年日本科学家 Kinoshita等人发现,在培养某些微生物,如谷氨酸棒杆菌 ( Corynbacterium glutamicum)时会产生谷氨酸的积累,从此揭开了用微生物发酵方法生产 氨基酸的历史新篇章。至今,几乎所有的氨基酸都能采用发酵法生产。谷氨酸是第一种应用 发酵法进行工业化生产、也是目前产量最高的氨基酸。全世界的年产量超过50万吨,中国 已经成为世界上最大的谷氨酸钠(味精)生产和消费国。 赖氨酸是人和动物的必需氨基酸之一,虽然植物蛋白中含有少量的赖氨酸,但不能满足1 第七章 氨基酸发酵的微生物 7. 1 概述 既含有氨基又具有α-位羧基基团的化合物称为α-氨基酸, 有些氨基酸是亚氨基羧酸， 如脯氨酸。在自然界中，组成各式各样蛋白质的氨基酸共有 20 种，除甘氨酸外，所有组成 蛋白质的天然氨基酸都是 L-α-氨基（或亚氨基）羧酸，这些氨基酸通过肽键连接成为大分 子的蛋白质，是所有生命的基础。其中的八种氨基酸是人类的必需氨基酸，即人类本身不能 合成、必须从食物中摄入的氨基酸。这八种必须氨基酸是：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮 氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸及色氨酸。此外，组氨酸对婴幼儿也是必须氨酸。除了上 述组成蛋白质的氨基酸外，自然界中还存在各种 D-氨基酸、ω-氨基酸及一些特殊的氨基酸， 如氨基磺酸、氨基硫酸及氨基磷酸等，这些特殊的氨基酸也具有重要的生理作用。氨基酸在 营养保健、调味品、化妆品及药品生产中都有重要的应用，因此必需以工业规模生产氨基酸 以满足市场的需要。 氨基酸可以采用化学合成、从天然物质中提取（蛋白质水解）、微生物发酵及酶催化 等方法生产。化学合成得到的氨基酸是消旋的 DL-氨基酸，若需要的产物是 L-氨基酸，必 须进行光学异构体的拆分。除少数例外, 其它三种方法生产的氨基酸都是具有光学活性的 L-氨基酸。 蛋白质水解得到的是各种氨基酸的混合物，要将其中的某种氨基酸分离提纯十分困难， 碱性或酸性氨基酸的提纯相对容易些，如胱氨酸就是通过毛发水解方法生产的，中性氨基酸 的分离就更困难。 许多氨基酸都能采用微生物发酵方法生产。利用水解酶、氨基裂解酶、以吡哆醛 5’-磷 酸作为辅酶的酶及 NAD＋为辅酶的 L-氨基酸脱氢酶等都能用于酶法合成氨基酸的生产，这 些酶一般也要通过微生物发酵获得。 所有微生物在培养时都能产生氨基酸，主要用于细胞生长所必需的蛋白质合成，在野 生型微生物中，细胞中合成的各种氨基酸含量由于受到负反馈调节而保持在最佳水平，积累 的量很少, 因此不能直接用于工业发酵。在氨基酸的工业化生产中，一般应使微生物积累较 高浓度的氨基酸，才具有实际价值。因此，利用微生物发酵生产氨基酸的关键是解除反馈调 节，使氨基酸能过度积累。通常可以采用如下方法：1）刺激细胞同化起始底物；2）抑制副 反应；3）刺激细胞内氨基酸合成酶系的合成并提高酶的活力；4）抑制或降低使已合成氨基 酸降解的酶活；5）刺激细胞将胞内的氨基酸释放到胞外。因此如果要从一种野生型微生物 出发获得氨基酸的工业化生产菌种，就必需对该微生物的代谢途径进行研究，进而对其遗传 基因进行改造。遗传基因的改造可以采用传统的诱变育种方法，也能应用现代的基因重组技 术，这两种方法都已广泛地用于氨基酸高产菌种的选育。 7. 1. 1 微生物发酵法生产氨基酸的历史和发展趋势 1908 年日本人 Ikeda 发现谷氨酸钠是鲜味的强化剂，开始了工业化生产氨基酸的历史。 在此后的近 50 年中，谷氨酸的生产都是以大豆或面筋蛋白为原料、采用酸水解后分离提取 的方法。1957 年日本科学家 Kinoshita 等人发现，在培养某些微生物，如谷氨酸棒杆菌 （Corynbacterium glutamicum）时会产生谷氨酸的积累，从此揭开了用微生物发酵方法生产 氨基酸的历史新篇章。至今，几乎所有的氨基酸都能采用发酵法生产。谷氨酸是第一种应用 发酵法进行工业化生产、也是目前产量最高的氨基酸。全世界的年产量超过 50 万吨，中国 已经成为世界上最大的谷氨酸钠（味精）生产和消费国。 赖氨酸是人和动物的必需氨基酸之一，虽然植物蛋白中含有少量的赖氨酸，但不能满足