關(guān)于醫(yī)藥化工原料二羥基丙酮的微生物法生產(chǎn)探究

印杰+苗春文

（石家莊四藥有限公司，河北 石家莊 052165）

【摘要】用微生物法生產(chǎn)二羥基丙酮雖然有很多優(yōu)勢，但是其中仍存在一些問題。在發(fā)酵工藝上，將會繼續(xù)以克服第五與產(chǎn)物抑制為主展開研究。固定化發(fā)酵與階段式反復(fù)流加工這兩種工藝因其在降低產(chǎn)物與底物抑制上具有優(yōu)勢，所以將有可能成為日后研究的主要方向。

【關(guān)鍵詞】二羥基丙酮；微生物；發(fā)酵

二羥基丙酮（1，3-Dihydroxyacetone，簡稱DHA）是一種天然的羥基酮糖，可食用，對環(huán)境與人體無毒害，具有可降解性并且化學(xué)性質(zhì)活潑，用途廣、需求量大，在醫(yī)藥中間體中是非常重要的一種，同時它還非常重要的食品添加劑、化妝品添加劑以及化工原料，同時還能作為抗毒試劑或應(yīng)用于食品保鮮。它的生產(chǎn)方法目前主要是以化學(xué)合成為主，微生物發(fā)酵為輔。而微生物法相比于化學(xué)合成法來說，具有很多優(yōu)點，例如反應(yīng)條件更為溫和，底物的利用率更高，而且副產(chǎn)物不多，工藝更加簡單易控制，不論是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度來看，還是從環(huán)境友好性的角度來說，微生物法在社會與經(jīng)濟(jì)效益上都更有優(yōu)勢。

1二羥基丙酮發(fā)酵所需微生物與酶

利用微生物對甘油進(jìn)行轉(zhuǎn)換來生產(chǎn)二羥基丙酮的機(jī)理為，利用微生物在代謝過程中所產(chǎn)生的甘油脫氫酶，讓甘油的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的羥基發(fā)生脫氫反應(yīng)，生產(chǎn)二羥基丙酮。所以在理論上，只要可以利用甘油，并具有特定的屬于甘油脫氫酶的微生物，就能夠通過轉(zhuǎn)化甘油來制備二羥基丙酮。在相關(guān)文獻(xiàn)報道中，可以用來對甘油進(jìn)行轉(zhuǎn)化的微生物有醋酸桿菌、畢赤酵母、大腸桿菌等。這里氧化葡萄糖酸桿菌是工業(yè)中生產(chǎn)二羥基丙酮的重要菌種，同時也是在二羥基丙酮的微生物生產(chǎn)法中被使用最多的菌種。通過基因工程對氧化葡萄糖酸桿菌進(jìn)行改造，將有可能獲得大產(chǎn)量的重組菌株。

2對發(fā)酵產(chǎn)生影響的因素

2.1底物濃度

在二羥基丙酮進(jìn)行發(fā)酵時，甘油會對二羥基丙酮的生成和菌體的生產(chǎn)有非常大的抑制作用。氧化葡萄糖酸桿菌的比生長速率和二羥基丙酮的生產(chǎn)比率，都會在甘油濃度不斷增加的過程中不斷的降低，如果甘油的濃度過高并且長期存在，那么就會讓菌體實現(xiàn)最大比率的時間大幅增加。有的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在間歇性的發(fā)酵過程中，如果初始甘油的濃度從50g/L一直提高到100g/L時，菌體的產(chǎn)物生產(chǎn)率、生產(chǎn)能力以及生長的比速率等都將會受到嚴(yán)重的影響。而在二羥基丙酮的發(fā)酵過程中我們則要將甘油初始濃度控制在5%-20%之內(nèi)。

2.2產(chǎn)物濃度

與甘油對氧化葡萄糖酸桿菌的抑制作用相比，二羥基丙酮的抑制作用要更加的明顯并且具有很強(qiáng)的選擇性。二羥基丙酮對菌體生長的抑制屬于產(chǎn)物反饋抑制，二羥基丙酮對細(xì)胞所造成的損傷將會是無法逆轉(zhuǎn)的。氧化葡萄糖酸桿菌的生長速度將會隨著二羥基丙酮濃度的增加而不斷降低，當(dāng)二羥基丙酮的濃度為61g/1時，氧化葡萄糖酸桿菌就會停止生長。當(dāng)二羥基丙酮的濃度為108g/1時，甘油就會停止轉(zhuǎn)化。除此之外，二羥基丙酮對氧化葡萄糖酸桿菌的抑制作用還體現(xiàn)在抑制戊糖循環(huán)途徑的活性上。

2.3氧氣

因為氧化葡萄糖酸桿菌是好氧菌，氧氣在發(fā)酵過程中的供應(yīng)量就會對菌體的生長與二羥基丙酮的生成產(chǎn)生直接的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧氣的濃度不足4×10-4mol/L時，二羥基丙酮的產(chǎn)量就會明顯的下降。在進(jìn)行間歇培養(yǎng)時，通氣模式的改變也會對二羥基丙酮的產(chǎn)量產(chǎn)生影響，在同等條件下，通入空氣的二羥基丙酮生產(chǎn)率是87%，而通入氧氣的二羥基丙酮的生產(chǎn)率是94%。當(dāng)生產(chǎn)二羥基丙酮時，如果氧氣不足，那么在二羥基丙酮產(chǎn)量下降時，副產(chǎn)物甘油鹽酸的產(chǎn)量就會增加。

2.4菌體量

菌體量和甘油的脫氧酶量有著直接的聯(lián)系，因此，提高菌體量從某一角度來說就是在提高二羥基丙酮的產(chǎn)量。有學(xué)者曾做過實驗，從10株氧化葡萄糖酸桿菌中選出產(chǎn)量最高的遺囑，經(jīng)過對多種發(fā)酵因素進(jìn)行培養(yǎng)，其菌體量最多能夠達(dá)到4.3×1010/mL。目前為了能夠獲得更多的活細(xì)胞數(shù)，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種提高細(xì)胞活力與濃度的方案，其中具有代表性的就是固定化發(fā)酵工藝。

3固化發(fā)酵工藝

利用固定化發(fā)酵工藝能夠讓細(xì)胞的回收更加便利，同時還能降低產(chǎn)物在回收與純化時的難度，并且這種工藝對于二羥基丙酮的生產(chǎn)來說，能夠降低產(chǎn)物與底物抑制對細(xì)胞造成的損害。被固定化的細(xì)胞同游離狀態(tài)下的細(xì)胞相比，擁有更加優(yōu)秀的氧化能力。有學(xué)者將氧化葡萄糖酸桿菌固定在PVA中，進(jìn)行二羥基丙酮的發(fā)酵實驗。其結(jié)果表明，進(jìn)行轉(zhuǎn)化的最佳條件為PH6.0和30℃。固定化的細(xì)胞在高活性下維持了14天，其活力僅喪失了10%。通過在1.5L的攪拌反應(yīng)器中不斷的通過固定化細(xì)胞將甘油轉(zhuǎn)化為二羥基丙酮，其轉(zhuǎn)化率平均為86%。雖然是在高剪切力的環(huán)境中，但是通過五次轉(zhuǎn)化后其載體在形狀上仍沒受到任何影響。雖然固定化發(fā)酵工藝具有獲得的細(xì)胞濃度高、單位容積產(chǎn)率高、遺傳穩(wěn)定性強(qiáng)、易于和產(chǎn)品進(jìn)行分離與純化等眾多優(yōu)點。但是這種工藝仍舊存在著一些不足，如體系中氧氣傳遞受限等，雖然這一問題可以用過氧化氫來替代氧氣，并且能讓二羥基丙酮的產(chǎn)量提高20倍，但是對于改進(jìn)、完善這種工藝的研究卻是不能懈怠的。

4二羥基丙酮的研究現(xiàn)狀

二羥基丙酮在醫(yī)藥與化工領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常廣闊的，而微生物法在通過長時間的研究之后，也在生產(chǎn)工藝與菌種上都獲得了很大的進(jìn)步。目前，二羥基丙酮的微生物法生產(chǎn)一般多分布于日本、美國、德國與英國，雖然我國在這方面并沒有實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，但是對相關(guān)方面的研究卻也得到了長足的發(fā)展，其中以浙江工業(yè)大學(xué)的生物研究所研制出的微生物發(fā)酵法制備二羥基丙酮工藝為代表，該工藝目前已經(jīng)有多批次的50L—100L的實驗經(jīng)驗，并且開始準(zhǔn)備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的初期試驗。

5總結(jié)

本文對微生物法生產(chǎn)二羥基丙酮的發(fā)展進(jìn)行了簡要的介紹。通過微生物法來生產(chǎn)二羥基丙酮相比于其他方法要更有優(yōu)勢，在二羥基丙酮的發(fā)酵與生產(chǎn)過程中最有價值的就是氧化葡萄糖酸桿菌。在發(fā)酵時，能夠?qū)Χu基丙酮的產(chǎn)量造成影響的有底物、產(chǎn)物、氧氣以及菌體量等因素，而在多種發(fā)酵方式里，固定化發(fā)酵與反復(fù)流加工工藝的前途是最好的。而微生物法制備二羥基丙酮的具體發(fā)展方向就是對菌株的構(gòu)建進(jìn)行重組以及優(yōu)化發(fā)酵工藝。

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