γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，简称为GABA）是一种天然存在的非蛋白质氨基酸，为哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经递质，具有降血压、治疗癫痫、镇静安神、增强记忆、控制哮喘、调节激素分泌、促进生殖、活化肝肾等多种生理功能，其制备和应用广受人们的关注与重视。本文系统地研究了利用短乳杆菌生物法制备GABA的过程及相关工艺。论文在建立γ-氨基丁酸分析方法的基础上，从自然界选育得到了一株GABA高产菌株；通过对摇瓶培养条件和发酵罐培养条件的优化，提高了GABA的发酵产量；采用游离细胞和固定化细胞对催化合成GABA的反应条件进行了优化。此外，对短乳杆菌细胞内催化合成γ-氨基丁酸唯一的关键限速酶—谷氨酸脱羧酶进行了分离纯化，并对其酶学性质进行了初步的研究。首先，建立了GABA的定性和定量方法，纸层析和薄层层析法用于GABA定性分析，高效液相色谱法（HPLC）用于GABA定量分析。采用HPLC定量分析GABA时，以丹磺酰氯作柱前衍生剂，样品的pH高于7.5以及衍生化时间超过20min，衍生化反应稳定；GABA浓度（C）在0.1～2mM之间与峰面积（A）线性关系良好，线性方程为A=313.242·C+8.314，相关系数R为0.9997，GABA的加标回收率为95.30％～106.34％。其次，从未灭菌的新鲜牛奶中筛选到一株产GABA的菌株，记为hjxi-01，发酵72h后GABA的产量6.9g／L。根据菌株hjxj-01的菌落形态以及生理生化特性，鉴定为短乳杆菌Lactobacillus brevis hjxj-01。以Lactobacillus brevis hjxj-01为出发菌株，经UV和⁶⁰Coγ-射线反复诱变处理，以含不同浓度的GABA梯度平板进行筛选，得到一株高产GABA的突变株Lactobacillus brevis hjxj-08119，发酵72hGABA的产量17g／L，比野生菌株产量提高了140％，此高产突变株遗传性状稳定，传代12次，菌株未出现回复突变情况。高产突变株Lactobacillus brevis hjxj-08119已在中国微生物菌种保藏管理委员会（CGMCC）保藏，保藏编号为CGMCCNO.1306。第三，利用Plackett—Burman设计对影响Lactobacillus brevis hjxj-08119发酵生产GABA的15种相关因素进行了效应评价，筛选出具有显著正效应的三个因素：葡萄糖、MnSO₄·4H₂O和L-谷氨酸钠（L-MSG），其他因素对GABA产量无显著影响。然后对具有显著正效应的三个因素进行进一步考察，确定了三个因素的取值范围，以Hybrid设计得到的实验数据作为人工神经网络（ANN）训练样本，建立BP（back propagation）神经网络模型，粒子群（PSO）算法对建立的ANN模型进行全局寻优，得到最佳培养基组成为（g／L）：葡萄糖17.6，酵母膏15，蛋白胨5，乙酸钠3，MgSO₄·7H₂O 0.03，MnSO₄·4H₂O 0.02，NaCl 0.001，FeSO₄·7H₂O 0.001，L-MSG73.3，初始pH6.8，发酵温度30℃，250mL三角瓶中的装液量为50mL／250mL。在此发酵条件下，GABA的发酵产量达到33.42g／L，较突变株Lactobacillus brevishjxi-08119的发酵产量17g／L提高了97％。第四，在3.7升发酵罐中对GABA发酵的操作条件（溶氧和pH控制）以及补料进行研究。结果表明，好氧发酵有利于菌体生长，最大菌体干重可达2.78g／L，而厌氧发酵则有利于产物GABA的生成，发酵72h后GABA的浓度达到23.94g／L。在兼性厌氧条件下，不同pH控制方式下对GABA分批发酵的影响有较大差异，控制pH为5.0时GABA产量最高，达到40.73g／L（72h）。对控制pH5.0的GABA发酵过程进行分析，基于Logistic方程和改进的Luedeking-Piret方程，分两阶段建立控制pH5.0发酵生产GABA的动力学模型，该模型能较好地预测细胞生长、底物消耗以及GABA合成过程。对GABA的补料发酵进行了初步研究，经过四次补料，GABA的最终浓度达到76.36g／L，分别比摇瓶发酵、厌氧发酵以及控制pH5.0的发酵产量提高了128.6％、219％和87.5％。第五，运用ANN模型结合PSO算法对游离短乳杆菌细胞催化合成GABA的反应条件进行了优化，得到的最优催化反应条件为：收集发酵60h的短乳杆菌细胞进行催化，缓冲体系为25mL柠檬酸—磷酸氢二钠缓冲液（100mM，pH4.23），反应液中包括120mM L-MSG，0.83g／L FeSO₄·7H₂O，10μM 5’-磷酸吡哆醛（PLP），2.68g DCW／L，在40℃恒温静置反应5h。在得到的最佳催化条件下，进行了四次实验验证，得到GABA的平均产量为9.34±0.22g／L，预测结果（9.4g／L）与实验情况吻合较好。对响应面（RSM）模型和ANN模型的预测性能进行了比较，结果表明，ANN模型的预测性能稍优于RSM模型。第六，对利用海藻酸钙胶珠包埋短乳杆菌细胞催化合成γ-氨基丁酸的反应特性进行了研究。优化的胶珠中细胞密度为11.2g细胞干重（DCW）／L，反应最适的pH和温度分别为pH4.4和40℃；细胞经固定化后，温度稳定性显著提高。固定化连续进行10批次催化反应后（共80h），GABA的产率仍在50％以上，并且胶珠仍保持较好的完整性。最后，对Lactobacillus brevis hjxj-08119细胞中的谷氨酸脱羧酶（GAD）进行了分离纯化，建立了有效分离纯化GAD的工艺流程，即“溶菌酶处理——→French press细胞破碎——→30％～90％硫酸铵分级盐析——→Q Sepharose FF离子交换层析——→Sephacryl S-200凝胶过滤层析——→Resource Q离子交换层析”。整个工艺活性收率为16.95％，纯化倍数为43.78，比活达到了3.94U／mg（蛋白），由SDS-PAGE得到的GAD分子量约为62kD。对纯化后GAD的酶学性质进行了初步研究，最适反应温度为37℃，最适反应pH为4.4，PLP对酶活力无显著激活作用，酶最大反应速度V_max为6.59U／mg，常数K_m为8.22mM。