微氧发酵产丙酮酸发酵条件优化与调控文献综述

 2021-09-27 00:06:40

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文 献 综 述

1.1 丙酮酸的简介

丙酮酸[1]（Pyruvate），又称2-氧代丙酸、ɑ-酮基丙酸或乙酰基甲酸，是最重要的ɑ-氧代羧酸之一。丙酮酸在生物能量代谢中具有十分重要的作用，在无氧分解下有各种变化形式，如肌肉产生乳酸、酵母的酒精发酵和植物组织在无氧状态下生成乳酸或乙醇等，而所有形成丙酮酸的反应途径是完全相同的，并且在有氧状态下分解，通过三羧酸循环被完全氧化。可以认为这是获得能量最有效的途径。在这个意义上，丙酮酸位于无氧分解和有氧分解的交界点上，是极为重要的中间产物。丙酮酸还是合成多种化合物的前体，用途极为广泛，如：（1）制药工业：用于酶法合成L-色氨酸、L-酪氨酸、L-多巴；合成 L-半胱氨酸、L-亮氨酸、维生素 B6和 B12等[2-3]；与乳酸、锂构成人工胰脏；作为体外传感器测定葡萄糖的含量。（2）生化研究：用于伯醇及仲醇的检定；转氨酶的测定；脂肪族胺的显色剂等。（3）农用化学品：合成乙烯系聚合物、氢化阿托酸、谷物保护剂等多种农药的起始原料。（4）细胞培养：与乳酸组成抗氧化剂，降低对细胞的伤害；是动物细胞培养的重要底物。（5）食品工业：GB2760-1996 规定为酸味添加剂。近年来由于在减肥上有特效而受到西方消费者青睐。

1.2 生产丙酮酸的主要方法

目前生产丙酮酸的方法主要有酒石酸脱水脱羧法、乳酸催化氧化法、羟酯丙酮法、电化学合成法、乳酸乙酯空气氧化法、生物发酵法以及酶转化法[4-5]。国内生产丙酮酸酸的厂家主要有浙江台州兴业化工厂等少数十几家企业，年生产能力约 1000 吨，而且主要使用的是落后的酒石酸法。资料显示能直接产生丙酮酸的菌种主要有以下各属：（1）细菌及放线菌：Acinetobacter（不动杆菌属），Schizophyllum（裂褶菌属），Enterobacter（肠杆菌属），Enterococus（肠球菌属），Escherichia（埃希氏菌属），Pseudomonas（假单孢菌属）；（2）酵母菌：Debaryomyces（德巴利酵母属），Candida（假丝酵母属），Saccharomyces（酵母属），Torulopsis（球拟酵母属）等。

微生物以碳水化合物为原料生产发酵产品的过程中，普遍关心的问题是如何尽可能的提高碳源利用速度，以达到提高目标产物生产效率的目的。为了提高微生物利用糖质原料生产发酵产品的生产效率，需要加强微生物胞内指向目标代谢产物的代谢网络和分泌途径，使底物以更高的效率转化为目标代谢产物。要实现这一目标，除了对于主干代谢途径的改造之外，还要尽可能的考虑胞内微环境对于所在区间的代谢网络和分泌途径的影响

1.3 发酵生产丙酮酸

根据oB2760一1996的规定，丙酮酸可作为食品酸味添加剂使用。1995年，国外有报道称丙酮酸钙在减肥保健上具有独特疗效,从此,丙酮酸的生产和需求都得到大幅度增长。20世纪90年代之前，丙酮酸的工业化生产一直采用化学生产法一一酒石酸脱水脱梭法,由于生产成本过高，这一生产模式难以维系。学术界一直致力于丙酮酸直接发酵法或生物转化法的研发，历时30余年后,日本于1988年选育出一系列丙酮酸高产量的球拟酵母(Torulopsis)菌株[6-7]，自此丙酮酸发酵法生产逐步工业化并且更多的菌种被研究和用于该化学制剂的生产(表1.1)，在我国,江南大学从1997年开始从事发酵法生产丙酮酸的研究,目前所选育出菌种的发酵生产丙酮酸水平己超过有报道的国际最高水平。

2.1 基于产物抑制的发酵过程优化

在利用微生物发酵生产目标代谢产物[8-10](乙醇，有机酸，抗生素，目标蛋白等)的过程中，目标代谢产物抑制是生物反应中限制生产强度，产率和产物浓度进一步提高的主要因素。由于目标代谢产物或某些副产物的抑制，生物细胞及酶的潜力不能充分发挥，造成发酵过程的反应速率随着目标代谢产物或某些副产物的积累而受到抑制如何有效地消除或减轻这种由代谢产物积累所引起的抑制是提高生产效率的关键因素之一。

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