备课素材：谷氨酸发酵及应用-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

谷氨酸发酵及应用 2019版高中生物学选择性必修三提到了谷氨酸发酵: 那么,谷氨酸发酵生产流程是怎样的?有哪些应用? 谷氨酸发酵生产是谷氨酸产生菌在其生命活动过程中分解、代谢营养物质、合成所需产物、谷氨酸的生化过程。谷氨酸产生菌既是谷氨酸发酵反应过程的主体,也是反应过程的生物催化剂。工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。 谷氨酸发酵生产是谷氨酸产生菌在其生命活动过程中分解代谢营养物质、合成所需产物、谷氨酸的生化过程。 在这个过程中,影响谷氨酸产生菌生长、繁殖、代谢及合成产物的因素很多,通过人工干预有目的地控制这些因素,使其最终满足谷氨酸菌种的代谢合成需要,可以达到增加产物"降低消耗的目的。 谷氨酸产生菌既是反应过程的主体,也是反应过程的生物催化剂,它摄取原料的营养,通过细胞内特定的酶系列进行复杂的生化反应。其底物中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内,在酶的作用下进行催化反应,将反应物转化为产物并释放出来,细胞的内在特性及其代谢规律是影响生化反应的关键因素。 谷氨酸的生物合成途径大致是: 葡萄糖经糖酵解(EMP途径)和己糖磷酸支路(HMP途径)生成丙酮酸,再氧化成乙酰辅酶A(乙酰COA),然后进入三羧酸循环,生成 -酮戊二酸。 -酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下,生成谷氨酸。 当生物素缺乏时,菌种生长十分缓慢;当生物素过量时,则转为乳酸发酵。 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。 在谷氨酸发酵中,如果能够改变细胞膜的通透性,使谷氨酸不断地排到细胞外面,就会大量生成谷氨酸。 研究表明,影响细胞膜通透性的主要因素是细胞膜中的磷脂含量。因此,对谷氨酸产生菌的选育,往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受损伤入手,如生物素缺陷型菌种的选育。 生物素是不饱和脂肪酸合成过程中所需的乙酰CoA的辅酶。生物素缺陷型菌种因不能合成生物素,从而抑制了不饱和脂肪酸的合成。而不饱和脂肪酸是磷脂的组成成分之一。因此,磷脂的合成量也相应减少,这就会导致细胞膜结构不完整,提高细胞膜对谷氨酸的通透性。 在发酵过程中,氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制如下: ①氧:谷氨酸产生菌是好氧菌,通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率,而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期,加大通气量有利于谷氨酸的合成。其中谷氨酸棒状杆菌在溶氧不足时产生的是乳酸或琥珀酸。 ②温度:菌种生长的最适温度为30~32 。当菌体生长到稳定期,适当提高温度有利于产酸,因此,在发酵后期,可将温度提高到34~37 。 ③pH:谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0~8.0。但在发酵过程中,随着营养物质的利用,代谢产物的积累,培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用,放出氨,pH会上升;当糖被利用生成有机酸时,pH会下降。其中谷氨酸棒状杆菌在pH呈酸性时生成乙酰谷胺酰胺。 ④磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的,但浓度不能过高,否则会转向缬氨酸发酵。 发酵结束后,常用离子交换树脂法等进行提取 。 谷氨酸除用于制造味精外,还可以用来治疗神经衰弱以及配制营养注射液等。我国的谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较大的提高,但与国外先进水平相比还存在一定差距。主要表现 在:设备陈旧,规模小,自控水平、转化率和提取率低,易受噬菌体污染,废水污染问题尚未完全解决等。 例、谷氨酸棒状杆菌可用于微生物发酵工程生产谷氨酸,从而制取谷氨酸钠(味精)。下图为谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径,通过发酵工程可以大量生产谷氨酸。回答下列问题: (1)与酵母菌相比,谷氨酸棒状杆菌在结构上的显著特点是_;谷氨酸发酵的培养基成分有豆饼水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、生物素等,从物理性质看,该培养基属于_培养基。 (2)测定谷氨酸棒状杆菌数目可采用的计数方法有显微镜直接计数法和_,前者计数的结果比后者计数的结果值更_(填“大”或“小”),原因是_。 (3)由图可知,谷氨酸棒状杆菌体内若积累了较多的谷氨酸,则会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,微生物这种对自身代谢速率的调节方式是_。 (4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气,并通过搅拌使空气形成细小的气泡,迅速溶解在培养液中,当培养基中碳氮比为4:1时,菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少;当碳氮比为3:1时,菌体繁殖受抑制,但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下,谷氨酸棒状杆菌代谢产物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸菌的代谢类型是_,由上述探究可知,通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是_。 【答案】 无核膜包被的细胞核 液体 稀释涂布平板法 大 前者死活菌体一起计数,后者只计数活菌数,且可能有多个菌体形成同一个菌落 负反馈调节 异养兼性厌氧型 不断向发酵液中通入无菌空气,发酵液