（一）代谢途径
谷氨酸的代谢途径见图2-1。
图2-1 谷氨酸的代谢途径
谷氨酸产生菌中谷氨酸的生物合成途径如图所示：其中的代谢途径包括糖酵解途径（EMP）、磷酸己糖途径（HMP）、三羧酸循环（TCA循环）、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应（CO2固定反应）等。葡萄糖经过EMP（主要）和HMP途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰CoA进入TCA循环，另一部分固定CO2生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，再经过氧化还原共扼的氨基化反应生成谷氨酸。
（二）关键酶
α-酮戊二酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶。
（三）调控机制
1.谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后，谷氨酸的生物合成受其自身的反馈抑制和反阻遏，代谢转向合成天冬氨酸。
2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化CO2固定的关键酶，受谷氨酸的反馈抑制。
3.柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏。
4.谷氨酸脱氢酶受谷氨酸的反馈抑制和阻遏。
5.生物素的影响 在谷氨酸生产过程中，生物素的主要作用是作为乙酰辅酶A的辅酶影响磷脂的合成，进而影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。使用生物素缺陷型菌株进行谷氨酸发酵时，必须限制发酵培养基中生物素的浓度。若生物素缺乏，菌株生长不好，初级代谢减慢或受阻，间接引起乙醛酸循环中四碳二羧酸氧化能力下降，使α-酮戊二酸和NADPH减少，从而使谷氨酸合成下降；若生物素过量，菌体生长快，解糖速度加快，比丙酮酸进一步氧化要快，造成乳酸积累。生物素只有控制在亚适量时，才能既有利于谷氨酸的合成，又有利于谷氨酸向细胞外渗透。目前，企业多采用添加玉米浆、糖蜜或纯生物素等形式控制生物素的亚适量。谷氨酸发酵生产中生物素浓度的控制要根据菌种的特性、发酵工艺条件、发酵培养基的种类、发酵原料的来源、发酵过程中的糖浓度、pH和生物素浓度及供氧条件、设备状况等综合考虑。(www.xing528.com)
二、谷氨酸发酵的优化问题
谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵，环境条件对谷氨酸发酵具有重要的影响，控制最适宜的环境条件是提高发酵产率的重要条件。
1.碳源 目前使用的谷氨酸生产菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖等，有些菌种还能利用醋酸、正烷烃等做碳源。在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压过大，则对菌体的生长很不利，谷氨酸对糖的转化率降低。国内谷氨酸发酵糖浓度为125～150g/L，但一般采用流加糖工艺。
2.氮源 常见无机氮源：尿素，液氨，碳酸氢铵。常见有机碳源：玉米浆，豆浓，糖蜜。当氮源的浓度过低时会使菌体细胞营养过度贫乏形成“生理饥饿”，影响菌体增殖和代谢，导致产酸率低。随着玉米浆的浓度增高，菌体大量增殖使谷氨酸非积累型细胞增多，同时又因生物素过量使代谢合成磷脂增多，导致细胞膜增厚，不利于谷氨酸的分泌，造成谷氨酸产量下降。碳氮比一般控制在100∶（15～30）。
3.磷 当磷浓度过高时，很容易发生发酵转换，转向合成缬氨酸；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于高产酸。
4.生物素 随着生物素添加量的不断增加，发酵产酸先增大、后减小。
5.溶氧 谷氨酸发酵是典型好氧发酵，溶解氧对谷氨酸产生菌种子培养影响很大。溶解氧过低，菌体呼吸受到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是并非溶氧越高越好，当溶氧满足菌的需氧量后继续升高，不但会造成浪费，还会由于高氧水平而抑制菌体生长和谷氨酸的生成。
6.pH 在谷氨酸发酵过程中，随着谷氨酸的不断生成，发酵液的pH不断的减小，对谷氨酸菌产生抑制，为了维持发酵的最佳条件，采用流加尿素和液氨（现在大多采用的是液氨）的方法。发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，在氨过量存在的情况下以谷氨酸铵的形式存在，所以从发酵罐出来的是谷氨酸铵，而不是我们所希望的谷氨酸。
7.温度 在整个流加发酵中，并非一定要控制恒温培养，因为菌体最适生长温度不一定是菌体积累代谢终产物的最佳温度。谷氨酸菌体最适生长温度为30～32℃；谷氨酸最适合成温度为34～37℃；发酵初期温度提高可以缩短细胞生长时间，减少发酵总时间；发酵中、后期的菌体活力较强，适当提高发酵温度有利于细胞膜渗透性和产酸，故温度应控制稍高一些。
8.接种时间 利用对数生长期中后期的种子接种，可缩短其延滞期，而且菌体生长迅速，菌体浓度相对较高，有利于缩短发酵周期，提高代谢产物的产量。
9.接种量 接种量大小直接影响发酵产酸。接种量太小，发酵前期生长缓慢，发酵整个时间长，菌种的活力下降，发酵效果差；接种量过大，会引起菌体增长过快，单位体积内的养料和溶氧供应不足，代谢废物较多，不利于产酸。接种量适宜，能减少染菌机会，缩短发酵周期，因此，接种量一般要求以适量为原则。
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