谷氨酸是世界上产量最大的氨基酸。国内普遍采用生物素缺陷型谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）通过发酵法生产谷氨酸，谷氨酸产量一般为10%~12%，糖酸转化率为55%~60%。国内谷氨酸生产技术基本成熟，但是，工艺水平、特别是转化率远远低于理论水平（81%）和国外先进水平（68%）。谷氨酸工业发酵配料工艺原始，极易导致培养基成分（生物素）的波动、严重影响发酵生产的稳定性。另外，菌种自身的发酵特性也经常会发生变化，引起菌体抵抗环境变化能力和产酸能力的下降，出现补糖后谷氨酸合成便停止、发酵性能不稳定的现象。本论文以C. glutamicum S9114作为谷氨酸发酵的实验菌株，以代谢酶学和模型技术为手段，提出了提高糖酸转化率、稳定发酵性能（应对培养基成分初期波动和菌种特性变化）的有效方法和策略，并对利用上述策略改善发酵性能的机制机理进行了理论分析和探究。论文主要研究内容如下：（1）研究分析了初始生物素含量不当，以及初始含量不当、采取补救措施后，主要代谢节点丙酮酸（PYR）、异柠檬酸（ICIT）和α-酮戊二酸（α-KG）处的关键酶活性变化规律。生物素不足时，异柠檬酸脱氢酶（ICDH）活性降低，合成谷氨酸的前体物质减少，α-酮戊二酸脱氢酶（ODHC）完全失活，能量代谢主要靠乙醛酸循环维持。当发现生物素不足并补加生物素后，ICDH活性得到强化，TCA重新成为主要供能途径。生物素过量时，与谷氨酸合成相关的酶（IDHC和谷氨酸脱氢酶）活性降低，而与能量运转相关的酶（ODHC）被激活。当发现生物素过量并添加吐温40后，丙酮酸脱氢酶（PDH）和ICDH依旧保持很高活性，ODHC和异柠檬酸裂解酶（ICL）的活性下降。采用上述补救措施可以挽救因初始生物素含量不当所引起的异常发酵，终酸浓度均可恢复到正常水平（75~80g·L-1）。（2）研究了不同生物素浓度及发酵途中添加吐温40条件下，谷氨酸合成关键酶和谷氨酸运输蛋白的基因转录水平。初始生物素不足时，在谷氨酸主合成期内，所有谷氨酸合成关键酶和运输蛋白的表达量均有降低、特别是ICDH，导致终酸浓度很低（53g·L-1），但谷氨酸分泌不受影响。生物素过量时，ICDH依旧很低，但其它关键酶的转录水平均与对照相当，运输蛋白表达量约为对照的10倍，但是，由于细胞没有正常转型，细胞膜（壁）不具备通透能力，谷氨酸无法正常分泌到胞外，谷氨酸在胞内和胞外均无法积累。初始生物素过量、发酵途中添加吐温40刺激了所有关键酶及运输蛋白的表达，同时诱导了细胞转型，胞内谷氨酸含量升高、谷氨酸可正常分泌到胞外，终酸浓度达到正常水平（75~80g·L-1）。（3）提出了使用混合碳源改善谷氨酸发酵稳定性的策略。共混流加质量比为5:1的葡萄糖/山梨醇混合液或葡萄糖/甘油混合液，或者于初始培养基中加入适量的山梨醇或甘油（10~15g·L-1），可以缓解因菌种发酵特性变化所引起的发酵性能不稳定现象。谷氨酸合成可以在补料之后正常进行，终酸浓度基本恢复到正常水平，发酵稳定性得到改善。此时，胞内NAD+/NADH比、ORP、PDH、ICDH、和细胞色素c氧化酶活性均维持在较高水平。研究结果表明，山梨醇和甘油不能用作谷氨酸发酵的碳源，它们可以认为是谷氨酸发酵的保护剂，起到提高细胞抵抗环境变化能力和维持关键酶活性的作用。（4）提出了协同调节pH和添加NaHCO3的新型发酵工艺，以提高谷氨酸发酵的糖酸转化率。比较了单独添加NaHCO3、调节pH及两者协同操作条件下的发酵性能，结果表明：在同时升高pH和添加NaHCO3，或先升高pH、再添加NaHCO3这两种条件下，葡萄糖消耗量和CO2释放量大幅下降，糖酸转化率比对照（无NaHCO3添加和pH调节）提高了34%~36%，且其浓度也可达到对照水平。关键酶活性分析结果表明，单独提高丙酮酸羧化酶（PC，CO2固定反应的催化酶）的活性并不能提高转化率，只有在各关键酶相互协同作用的条件下，转化率才能得到有效提高。（5）在谷氨酸代谢网络的基础上，提出了一种活用生物酶酶活数据的新型代谢网络模型。该模型将酶活数据和有向信号线图理论有机地结合起来，可以用来估算不同操作条件下的糖酸转化率、解释转化率提高的内在原因、提出实现谷氨酸最优操作的理论酶学调控体系。理论计算结果验证了关键酶相互协同作用的重要性：关键酶组合对PC/PDH、ICDH/ICL和GDH/ODHC的相对酶活比只有同时维持在5~6:4~5、7~8:2~3和7~8:2~3的水平上，转化率才能得到有效提高。而同时升高pH和添加NaHCO3，或先升高pH、再添加NaHCO3这两种条件下，关键酶组合对PC/PDH、ICDH/ICL和GDH/ODHC的相对酶活比与上述“最优”条件比较接近，实验现象得到了理论解释或证实。在3维空间上，通过对上述酶组合对的相对酶活比和转化率的实验数据进行聚类分析，新型代谢模型的有效性和通用性得到验证。