摘要：L-色氨酸作为一种重要的必需氨基酸，在医药、食品及饲料等领域具有广泛的应用。然而，其工业化生产一直面临转化率低、成本高及工艺复杂等挑战。本文综述了微生物发酵法生产L-色氨酸的研究进展，重点探讨了色氨酸的发现、发酵工艺优化及代谢途径调控等策略对产量提升的影响。通过诱变育种、发酵条件优化及代谢工程等手段，显著提高了L-色氨酸的产量，为L-色氨酸的工业化生产提供了重要参考。

关键词：微生物；发酵法；色氨酸；工业优化

引言：L-色氨酸（L-Tryptophan， L-Trp）是人和动物体内必需的氨基酸之一，对生长发育、新陈代谢具有重要作用。然而，由于人和动物自身无法合成，只能从食物中摄取，因此市场需求量大，尤其是在医药、食品和饲料等行业。目前，L-色氨酸的生产方法主要包括化学合成法、酶法和微生物发酵法。其中，微生物发酵法因其成本低廉、环境友好等优点，逐渐成为工业化生产的主要方法。然而，该方法仍存在转化率低、工艺复杂等问题，需要进一步优化工艺参数和调控代谢途径，以提高产量和降低成本。

一、色氨酸微生物的发现与改造

1、色氨酸微生物的发现

色氨酸作为一种重要的必需氨基酸，广泛存在于自然界中，但人和动物自身无法合成，只能从食物中摄取。因此，寻找能够高效生产色氨酸的微生物成为研究热点。早期，人们主要通过化学合成法及蛋白质水解法生产色氨酸，但这些方法存在原料获取困难、生产周期长、污染严重、工艺复杂等缺点，逐渐被淘汰。随着对微生物法生产各类氨基酸的研究不断深入，微生物发酵法逐渐成为生产色氨酸的主要方法。其中，大肠杆菌（Escherichia coli）、谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等微生物因其特定的代谢途径和易于改造的特性，成为生产色氨酸的重要菌种。

2、色氨酸微生物的改造

为提高色氨酸生产效率和产量，对微生物菌种及发酵工艺进行了深入改造。通过诱变育种和基因工程手段，筛选出高产色氨酸的菌株，并敲除阻遏基因、替换弱化子及引入抗反馈基因，优化合成途径。在发酵工艺上，通过升级培养基配方，调整碳源、氮源等关键组分，促进菌株生长与色氨酸积累。严格控制发酵条件，如温度、pH值和溶氧浓度，确保菌株在最佳条件下高效产酸。进一步实施代谢途径模块化改造，平衡各模块代谢流，提高色氨酸合成效率。通过调控关键酶表达，增强前体物质供给，减少副产物生成，显著提升色氨酸产量与纯度。

二、色氨酸生产中的工艺设计

1、发酵工段

（1）种子培养工序

将种子罐清洗干净后放入玉米浆，并搅拌均匀，再进行蒸汽消毒。经消毒后以循环水降温实现对pH值的调整。将菌种室内保存完好的菌种直接加入种子罐，再经过过滤、蒸汽灭菌的无菌空气进行培养，待种子符合标准后直接送入发酵罐。

（2）发酵工序

将糖液、玉米浆、热水等按照一定比例混合，通过连消泵和喷射器压送至大罐维持罐，再进入发酵罐。在发酵罐中通入经过滤、蒸汽灭菌后的无菌空气，并通过添加氨水调节pH值。控制发酵罐内的温度、压力和通气量，进行好氧发酵。发酵完成后，发酵液通过出料管送至发酵液储罐，准备进入提取工段。

2、提取工段

（1） 发酵液过滤工序

发酵液储罐中的发酵液通过陶瓷膜进料泵输送至陶瓷膜进料罐中暂存。使用陶瓷膜过滤器对发酵液进行固液分离，分离出的固体物料菌渣可作为蛋白饲料。

（2）脱色浓缩工序

陶瓷膜过滤后的滤液进入脱色罐，加入活性炭并控制温度、酸碱度进行搅拌。搅拌完成后，经过滤和纳滤过滤器进行色素分离。滤液经真空蒸发浓缩得到浓缩液，送至连续离子交换树脂系统进行提纯。

（3）提纯浓缩工序

浓缩液经连续离子交换树脂系统吸附后，加入纯水进行水洗和解吸。洗脱液送至反渗透膜系统进行浓缩，树脂柱需定期再生。

（4）结晶工序

提纯后的液料经双效蒸发器浓缩后，进入结晶罐进行结晶。调节结晶罐内温度使色氨酸晶体析出，通过离心机过滤后得到湿晶体。

（5）干燥工序

将湿晶体加入双锥干燥器内，通过蒸汽加热和真空抽吸进行干燥。干燥过程中产生的废气经除尘处理后排放。

（6）包装工序

将干燥后的色氨酸纯品按筛分规格装入包装桶，并加标签和产品合格证书。成品色氨酸需经过检测后送至仓库储存。

三、氨基酸微生物发酵的工业优化及产量提升

1、菌种选育与优化

（1）诱变育种

借助物理及化学等方法实现对原始菌株的诱变处理，从中选出高产且稳定性能强的突变菌株。

（2）基因工程改造

利用基因工程技术对菌株进行定向改造，通过敲除、替换或引入特定基因，优化氨基酸的合成途径。

2、发酵工艺优化

（1）培养基优化

通过对培养基的碳源、氮源及无机盐等成分的调整，保证微生物的生长环境及氨基酸合成始终处于最理想的营养环境中。例如，在蛋氨酸发酵中，基础培养物中必须包含葡萄糖、谷氨酸、甘氨酸等前体物质，并添加适量的无机盐和发酵基质。

（2）发酵条件控制

严格控制发酵过程中的温度、pH值、溶氧浓度、搅拌转速等参数，确保微生物在最佳条件下生长和产酸。例如，对于生产蛋氨酸的发酵工艺，温度一般控制在30-37℃，pH值在6.5-7.5之间，发酵时间24-48小时，并需添加适量的氧气和搅拌。

（3）发酵工艺创新

采用补料分离技术、超声波处理等新型发酵工艺，提高氨基酸的产量和质量。例如，在氨基酸发酵中采用补料分批技术，可以实现准确的代谢调控，提高氨基酸的积累量。超声波处理则可以增强细胞膜的通透性和选择性，促进酶的分泌和代谢过程。

3、代谢途径调控

（1）关键酶改造

对氨基酸合成途径中的关键酶进行改造，提高其活性和表达量，促进氨基酸的合成。例如，丙酮酸脱氢酶和支链氨基酸转氨酶在提高L-氨基酸发酵产量方面至关重要。通过对这两种酶进行改造，可以显著提高L-亮氨酸等氨基酸的产量。

（2）代谢流分析

应用代谢流分析技术，研究微生物在发酵过程中的代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性，优化代谢途径。

4、分离纯化与产品制备

（1）分离纯化技术

通过对离子交换、电渗析、结晶等高效的分离纯化技术，在发酵液中提取出高纯度的氨基酸。例如，利用陶瓷膜过滤器对发酵液进行固液分离后，再通过离子交换树脂进行吸附和解吸，获得高纯度的氨基酸。

（2）产品制备

对纯化后的氨基酸进行干燥、包装等处理，制成符合市场需求的产品。在产品制备过程中需严格控制温度、湿度等条件，确保产品的质量和稳定性。

结束语

综上，在科技不断发展对推动作用下，微生物发酵法生产的色氨酸经过工业优化及产量提升后，彻底在传统菌种选育的 基础上实现现代化基因工程的改造，以创新的代谢途径调控有效提高色氨酸的产量。在生物技术飞速发展的时代背景下，未来的色氨酸生产将会高效、可持续的发展下去，以更高质量且低成本的氨基酸产品为我国的农业、食品及医药等多个行业领域提供更有力的支持。

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姓名：褚志娟 出生年月：1986年2月6日、性别：女 汉族、籍贯：山东省济宁市唐村镇东郭村、单位：山东正大菱花生物科技有限公司

单位所在地邮编：272600、学历：专科、研究方向：生物工程