黑曲霉产柠檬酸的发酵过程表征及乙醛酸的形成

黑曲霉产柠檬酸的发酵过程表征及乙醛酸的形成

杨晓涛1,2，郭艳梅2，曾祥峰2，满云3，郑平2，王昌禄1，孙际宾2

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457）（2.中国科学院天津工业生物技术研究所，天津 300308）（3.中粮集团安徽丰原生化股份有限公司，安徽蚌埠 233010） 摘要：本文对黑曲霉柠檬酸生产过程的菌体形态、总糖、还原糖及有机酸的变化进行了系统地研究。研究结果表明：整个发酵过程中，菌球形态保持紧密稳定，发酵产物中以柠檬酸为主，产量达到155 g/L。并首次发现柠檬酸发酵过程中伴随有乙醛酸的生成，最大浓度可达9.4 g/L。对于菌种和发酵工艺的改进有着重要的指导意义。

关健词：黑曲霉；柠檬酸；乙醛酸；发酵过程

文章篇号：1673-9078(2011)10-1183-1186

Characterization of the Hyperproduction Process of Citric Acid by Aspergillus niger and the Formation of Glyoxylic Acid

YANG Xiao-tao1, GUO Y an-mei2 , ZENG Xiang-feng2, MAN Yun3, ZHENG Ping2, W ANG Chang-lu1, SUN Ji-bin2

(1.College of Food Science and Bioengineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

(2.Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin, 300308, China)

(3.Anhui BBCA Biochemical Co., Ltd, Bengbu 233010, China)

Abstract:China is the major manufacturer for citric acid in the world. The morphology, sugar fluctuation and organic acid formation were systematically and quantitatively measured during the citric acid fermentation process by an industrial strain Aspergillus niger. It was shown that the hyphae was tightly packaged as stable pellets throughout the fermentation process; citric acid up to 155g/L is the major product. Surprisingly, we found that glyoxylic acid, which was thought as an toxic metabolite and less possible to be accumulated during the fermentation process, is the key product coupling with citric acid production. The concentration of glyoxylic acid reached up to 9.4g/L at the end of fermentation. This finding leads to new ideas for the strain improvement and process optimization in the future.

Key words: Aspergillus niger; citric acid；glyoxylic acid; fermentation

黑曲霉是一种重要的工业微生物，在酶制剂、有机酸和异源蛋白领域有重要的应用。柠檬酸作为一种有机酸，在食品、医药、生物工程、化装品、化工、洗涤剂等行业有着广泛的应用[1~2]，世界上柠檬酸的产量已超过120万t，其中三分之二产能来自中国。柠檬酸主要通过黑曲霉发酵生产，而黑曲霉菌种水平一直是制约柠檬酸生产和经济效益的一个瓶颈[3~4]。通过几代人不懈的努力，中国的柠檬酸生产菌种曾经达到较高的水准，菌种技术一度出口国外。但是随着现代基因组测序、系统生物学的兴起，基因组工程技术在国际上得到广泛采用，成功实例不断增加，国内基于传统菌种选育技术获得的菌种面临着挑战。急需定量收稿日期：2011-05-20

基金项目：国家自然科学基金项目(30870574)；中科院重要方向项目（KSCX2-YW-G-030）

作者简介：杨晓涛（1984-），男，硕士

通讯作者：孙际宾，研究员，博导，研究方向：工业微生物系统生物技术解析国内菌种的代谢调控瓶颈，应用先进的菌种设计技术对工业菌株进行研究和改造。

黑曲霉积累柠檬酸通常认为有四方面的调节：糖酵解及丙酮酸代谢的调节，三羧酸循环的调节，Mn2+调节和O2的调节等。黑曲霉只有在限制氮源和锰等金属离子，同时在高浓度葡萄糖和充分供氧的条件下，细胞才能大量积累柠檬酸并排出体外。但是对该发酵过程生理生化调控的分子机制还缺乏统一的认识。到目前为止，对国内黑曲霉柠檬酸生产过程各种理化参数变化的分析报道还比较少，导致国内柠檬酸发酵过程控制基本上不透明，大大影响了发酵工艺的优化和菌种的设计改造进程。刘加兰等利用HPLC检测柠檬酸发酵液中的有机酸进行了定量分析，柠檬酸的产量达到了107 g/L，其他有机酸(草酸、富马酸、苹果酸、乌头酸)的量维持在1 g/L以下[5]，但对于发酵液中的其他有机酸(乙醛酸、琥珀酸)，没有同时进行检测。苹果酸是三羧酸循环的重要中间产物，是生物法生产

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