微生物发酵生产二羟基丙酮的应用研究进展

微生物发酵生产二羟基丙酮的应用研究进展

李

尧

（西南石油大学，成都６１０５００）

摘要：二羟基丙酮及其衍生物作为一种重要的化工、生化原料，在精细化工、制药、食品、化妆品工业和水质净化

等方面潜在广泛的应用前景。本文介绍了近年来发酵法生产二羟基丙酮及其应用研究的进展，并对二羟基丙酮的应用前景进行了展望．

关键词：微生物发酵；二羟基丙酮（ＤＨＡ）中图分类号：ＴＳ２０１．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７１－６８９２（２００７）０５－００２０－０００４

ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＤｉｈｙｄｒｏｘｙＡｃｅｔｏｎｅｔｈｒｏｕｇｈ

ＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ＬＩＹａｏ

（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅａｎｄｉｔｓｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｏｒｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｐｈａｒｍａｃｙ，ｆｏｏｄ，ｃｏｓｍｅｔｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ．Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅ（ＤＨＡ）

收稿日期：２００７－０８－３１

四川食品与发酵

ＳｉｃｈｕａｎＦｏｏｄａｎｄＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

二羟基丙酮（ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅ，ＤＨＡ）是一种水溶性的最简单酮糖，其衍生物是有机化学合成中非常重要的一类中间体。由于二羟基丙酮及其衍生物作为一种重要的化工、生化原料，在精细化工、制药、食品、化妆品工业和水质净化等方面潜在广泛的应用前景，因此受到国内外研究者广泛重视。本文就国内外ＤＨＡ生产应用研究进展作一介绍，为

ＤＨＡ生产和应用研究者提供一定的参考。１

二羟基丙酮生产方法

ＤＨＡ的生产方法主要有化学合成和微生物发

酵两种方法。

１．１化学合成法

最常见的二羟基丙酮化学合成方法主要有一

溴丙酮酯化醇解法和１，２－丙二醇的氧气或Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７／Ｈ２ＳＯ４氧化法两种。前者反应条件温和、

合成用生产设备要求低且简单、产品收率高、产品纯度高，但主原料一溴丙酮的价格导致生产成本过高是该方法的最大缺点；后者与前者刚好相反，反应条件及设备要求高、需要用昂贵的金属催化剂、产品收率不高，但原料成本低并可连续化或半连续化生产。

第４３卷（总第１３９期）李尧微生物发酵生产二羟的丙酮其应用研究进展

１．２微生物发酵法

与化学合成法相比，微生物发酵生产ＤＨＡ具有专一性强、反应条件温和、底物利用率高、生产工艺相对简单、副产物少，同时微生物发酵制备的ＤＨＡ可应用于食品和医药工业领域等优点，成为人们研究的重点。

１．２．１生产二羟基丙酮的微生物

微生物转化甘油生产ＤＨＡ的机理就是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶，使甘油分子结构中２位Ｃ上的羟基进行脱氢反应，生成ＤＨＡ。因此凡是能够利用甘油，并且具有相应的甘油脱氢酶系的微生物，都可以转化甘油生产ＤＨＡ。但是具有生物转化ＤＨＡ工业价值的微生物主要是醋酸杆菌、葡萄糖酸杆菌、酵母和脉孢菌等，其中醋酸杆菌属的氧化葡萄糖酸杆菌（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ）是工业发酵生产ＤＨＡ的重要菌种［１］。

１．２．２氧化葡萄糖酸杆菌及其酶系

氧化葡萄糖酸杆菌是一种专性好氧的Ｇ－菌，属于醋酸杆菌科（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒａｃｅａｅ）。在麦芽汁琼脂和酵母膏葡萄糖琼脂平板上的菌落呈圆形，乳白到微黄色，有时中央变褐或周围带黄色。在酵母膏葡萄糖酸琼脂上生长良好，形成或不形成５－酮基葡萄糖钙结晶。在含酵母膏、乙醇、ＣａＣＯ３琼脂上生长良好，并产生乙酸，溶解ＣａＣＯ３，平板上呈透明圆圈。其生长最适温度２５℃～３０℃，最适ｐＨ５．５～６．０。

氧化葡萄糖酸杆菌含有多种酶类，有些酶可以催化氧化一系列底物。Ａｓａｋｕｒａ［２］等研究发现，Ｇ．ｏｘｙｄａｎｓ中的葡萄糖脱氢酶、葡萄糖酮酸脱氢酶和醛糖脱氢酶都能够作用于多种化合物，而且Ｇ．ｏｘｙｄａｎｓ中几乎所有的葡萄糖脱氢酶活性及一半的葡萄糖酮酸脱氢酶活性来源于Ｌ－山梨糖／Ｌ－山梨酮脱氢酶。同时大多数的此类酶位于细胞膜上，只有少数在细胞浆中，在催化底物反应过程中无需底物和产物的透膜运输，大大提高了其应用价值，因此，氧化葡萄糖酸杆菌广泛应用于二羟基丙酮、维生素Ｃ、Ｄ－葡糖酸等工业化生产，具有非常高的工业价值。１．２．３发酵法生产二羟基丙酮的碳源、氮源

Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ转化甘油生成ＤＨＡ分初级、次级两个发酵阶段。初级发酵阶段以培养足量的菌体，用于次级发酵转化甘油生成ＤＨＡ为目的。Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ能利用单糖或者糊精作为碳源，尤其是山梨醇，甘露糖醇，果糖和葡萄糖，其中山梨醇发酵效果最好。在菌体生长阶段的初级发酵阶段，要尽量避免甘油作为一个能量来源和碳源，防止二羟基丙酮的形成。因为二羟基丙酮产物的存在会抑制菌体的生长，影响次级发酵甘油转化生产ＤＨＡ。

初级培养阶段最好氮源是酵母膏，当然其它已知氮源，如氨基酸、玉米浆等也可以作为氮源，用于发酵生产ＤＨＡ。大量实验结果显示酵母膏的最适含量在３ｇ／ｌ～６ｇ／ｌ之间。

１．２．４甘油初始量

在微生物的转化甘油合成ＤＨＡ的整个过程中，发酵液中甘油和ＤＨＡ的含量对发酵产量起着决定性的作用。在生产过程中，如果甘油初始量越高，早期积累的二羟基丙酮越高，则菌体繁殖会受到不可逆转的抑制，经过大约２０ｈ－３０ｈ之后，菌体生长的能力就会减弱，甚至停止生长，菌体转化甘油生成ＤＨＡ能力随之减弱或停止。所以甘油的初始量一般不能过高。发酵液中转化甘油的含量一般为５％～２０％。

１．２．５影响ＤＨＡ发酵的其他因素

Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ转化甘油生产ＤＨＡ的ｐＨ适宜范围大约在３．８～４．８之间，而最适ｐＨ为４．０～４．５。ｐＨ的调节通常是在发酵培养基中添加钙氧化物来解决，而且低浓度钙离子的存在，促进甘油脱氢酶转化甘油生产ＤＨＡ。钙离子的浓度在１ｇ／ｌ～５ｇ／ｌ之间较好。发酵温度在２８℃～３４℃范围内，最适发酵温度３０℃～３２℃。

近年来，国内研究者对发酵法生产ＤＨＡ的工艺进行了一些有意的探索。冯屏［３］等在间歇培养基础上，利用膜生物反应系统进行连续发酵制取二羟基丙酮。考查了不同甘油浓度、培养基组分和流速对于连续发酵中菌体生长特性和二羟基丙酮产率的影响。结果表明：甘油浓度为６０ｇ／ｌ、玉米浆和蛋白水解液浓度为０．５ｇ／ｌ、稀释率为０．０６７ｈ－１时，菌体积累、甘油转化率和体积产率均较高，最长连续发酵持续时间为４００ｈ。

冯屏［４］等利用在非生长培养基中弱氧化醋酸杆菌（ＡｃｅｂｏｂａｃｔｅｒＳｕｂｏａｘｙｄａｎｓ）静止细胞发酵甘油制备ＤＨＡ。通过改变培养条件，研究了影响静止细胞氧化特性的因素。结果表明，处于非生长期的弱氧化醋酸杆菌表现出稳定的高氧化活性，ＤＨＡ转化周期缩短，获得了较高产率。此外考察了弱氧化醋酸杆菌静止细胞在重复利用多批次发酵中的氧化稳定性，经重复利用９个批次后，菌体细胞仍保持较高的氧化

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