Publications

The systems presently available to trigger
L
-lysine excretion
in C. glutamicum are (1) mutations in the aspartate kinase that
prevent allosteric control, but the mutation in the aspartate
kinase always results in increased intracellular
flux as does
overexpression of the synthase, and no regulation is possible;
(2) overexpression of dihydrodipicolinate synthase; and (3)
use of peptides and addition of
L
-methionine to cultures. The
main disadvantages with the use of
L
-lysine
–containing
peptides is that only a transient increase in the intracellular
L
-lysine pool and are usually expensive. The methionine effect,
however, represents an extremely simple on
–off switch for flux
increase and export.
Industrial Application of C. glutamicum
In food and pharma sector, the primary application of
C. glutamicum is on the fermentative production of amino
acids. The essential amino acids hold a major place in the
global amino acid market, as these cannot be synthesized in the
organisms and have to be supplied externally. The annual
demand for feed grade amino acids globally is about
2.43 million tons with an estimated value of US$6 billion. The
global amino acid market is estimated to hit US$12.8 billion
by the end of 2017, according to the survey conducted by
http://www.companiesandmarkets.com
.
There
has
been
a substantial increase in the demand for amino acids in the past
30 years with a steady 5
–10% growth rate in the market. It is
estimated that in that past 10 years, the market demand for
amino acids has doubled (
http://www.prlog.org
) with gluta-
mic acid and lysine on the top of the chart. The global annual
demand for lysine is about 1.4 million tons (with a value of
about US$2.3 billion), demand for methionine is about
800 000 tons (US$3.2 billion), demand for threonine is about
210 000 tons (US$420 million), and demand for tryptophan is
about 5000 tons (US$100 million). According to a study by the
Business Communication Company (
Brown, 2011
), the US
market for amino acids represents 20% of the global market
with $1.2 billion in 2011, and is likely to exceed $1.4 billion by
2016, a compound annual growth rate of 2.8% between 2011
and 2016. The biggest market among the amino acids is that of
glutamate, as a
flavor enhancer, and the annual production was
more than 1.5 million tons per year worldwide (
Ajinomoto,
2006
). The glutamic acid market is growing by about 6% per
year and the leading producers of MSG are Ajinomoto, Miwon,
Kyowa-Hakko, and Cheil Jedang.
L
-lysine is used almost
completely as a feed additive. Traditional feedstuffs like corn,
wheat, or barley are poor in lysine. The addition of 0.5%
L
-lysine increases feed quality as much as adding approximately
20% soybean meal. In 2001, the world market for
L
-lysine was
550 000 tons with a growth rate of 7% per year. Its main
producers are Ajinomoto, Archer Daniels Midland Company
(ADM), Kyowa Hakko, Cheil Jedang, Baden Aniline and Soda
Factory (BASF), and Degussa. The amino acid
L
-threonine also
is used almost exclusively as a feed additive. Especially pig and
poultry diets have a high demand of
L
-threonine. The increase
of
L
-threonine concentration from 0.55% to 0.75% in a corn
–
sorghum
–peanut meal–based diet for young broilers
increases the breast meat deposition by more than 15%. In
2002, the
L
-threonine world market had a volume of about
30 000 tons with an approximate annual growth rate of 15%.
Major producers are Ajinomoto, ADM, and Degussa. Market
size for
L
-tryptophan for food and feed purpose was approxi-
mately 1200 tons per year in 2001 with two-digit annual
growth rates (
Ikeda and Katsumata, 1999
). The leading
producers in this market are Ajinomoto, Kyowa Hakko, and
ADM. Low-caloric sweetener aspartame is the source of
commercial interest for
L
-phenylalanine. World consumption
in 2002 was estimated to be 14 000 tons (
Budzinski, 2001
). In
times of increasing demand for soft drinks and low-caloric
food, the market is still growing. Industrial production of
L
-glutamine started in the late 1960s for use as a therapeutic
agent. Furthermore, it is applied in cosmetics and as a food
additive. Worldwide annual production using bioprocesses
with coryneform bacteria is approximately 2000 metric tons
(
Kusumoto, 2001
).
With this much huge demand, the cost-effective produc-
tion of amino acid by C. glutamicum, a number of different
substrates (e.g., sugars, acetate, n-paraf
fins, and methanol)
have been used. In general practice, use of sugars such as cane
molasses, beet molasses, or hydrolysates from corn or cassava
became standard. The type of sugar for fermentation was
selected based on the geographic location of the production
plant. For example, starch hydrolysate from corn is the most
important carbon source in North America, molasses is
common in Europe and South America, and starch hydroly-
sate from cassava is preferentially used in South Asia (
Ikeda
and Nakagawa, 2003
). Industrial amino acid fermentation
using C. glutamicum is performed using batch, fed batch,
repeated fed-batch, or continuous fermentation. In all cases,
the concentration of the carbon source is maintained at low
levels to limit oxygen uptake rate and to avoid excessive
formation of by-products. The major advantage of the fed-
batch process is the rather high product concentration that
can be achieved. When the maximum
filling degree is reached,
the vessel is not emptied completely, but an appropriate
volume (10
–20%) remains in the reactor as inoculums for the
next cycle. This approach (also referred to as
‘semi-
continuous
’) is feasible only if the production strain exhibits
suf
ficient stability. Cheap sources of vitamins and other
nutrients include corn steep liquor, a by-product of cornstarch
manufacture that is replete with amino acids, nucleic acids,
minerals, and vitamins. Solid state fermentation, using inert
sugar cane bagasse impregnated with hydrolysate also was
reported for glutamate production (
Nampoothiri and Pandey,
1996
).
Apart from amino acid fermentation, C. glutamicum has
many other industrial applications. For example, C. glutamicum
is used for making cheese (
Birget, 2003
) and is used in the
bioremediation of arsenic (
Mateos et al., 2006
).
Recent studies show that C. glutamicum also can utilize
aromatic feedstocks for amino acids production. Most of the
intermediates generated from aromatic compound assimila-
tion are further metabolized through the TCA cycle in
C. glutamicum (
Qi et al., 2007
;
Shen et al., 2005
), and amino
acids are coupled with the TCA cycle in C. glutamicum (
Bott,
2007
). Amino acid production processes through the utiliza-
tion of aromatic compounds such as phenol and naphthalene
in C. glutamicum provide an alternative for bioremediation and
bioconversion of aromatic pollutants (
Lee et al., 2010
).
Corynebacterium glutamicum
513
Encyclopedia of Food Microbiology, Second Edition, 2014, 504–517

tải về 1 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: