丙酸发酵

丙酸发酵
——陶涛冯斌
1发酵产品概况
丙酸（Propionic Acid (AS)，Propanoic acid ， Carboxylic acid C3）
化学式
C3H6O2
相对分子质量
74.08
性状
无色澄清油状液体。

稍有刺鼻的恶臭气味。

能与水混溶，溶于乙醇、氯仿和乙醚。

相对密度(d204 )0.99336。

熔点-21.5℃。

沸点141.1℃。

折光率 (n25D)1.3848。

粘度(15℃)1.175mPa·s。

闪点(开杯) 58℃。

易燃。

低毒，半数致死量(大鼠，经口)4.29g/kg。

有腐蚀性。

储存
密封阴凉保存。

丙酸结构式
丙酸作为一种重要的精细化工原料,也是目前我国紧缺的防腐剂原材料之一，在食品、医药、农药、涂料、油漆、染料、化妆品、香料、有机合成工业、林产化学工业及其它行业都有着广泛的应用。

丙酸及其盐如丙酸钙、丙酸锌、丙酸钾能有效地抑制霉菌、嗜氧芽孢杆菌,而且对人体基本无害,广泛应用在谷物、饲料和食品中,是良好的防腐保鲜剂[1 ] 。

丙酸酯类是重要的溶剂和香料[2 ] ,可用于黄油、西洋酒以及冷食面包、冷饮和口香糖制造中。

丙酸氯及丙酸酐是重要的农药、医药中间体,可用来生产VB6 、抗癌药丙酸羟甲雄酮等[3 ] ,丙酸盐是大环内酯类抗生素如沙霉素、利福霉素、M - 90 等生物合成的重要前体[4 - 6 ] 。

另外,丙酸还可用作电镀助剂、乳化剂和生产生物降解塑料等[7 ,8 ] 。

随着农业、轻纺、食品、医药等工业的发展,对农药除草剂、涂料杀菌剂、食品保护剂及饲料添加剂等的需求量日益增加,丙酸需求量也在日益增加。

但是它也有危害，健康危害：吸入本品对呼吸道有强烈刺激性，可发生肺水肿。

蒸气对眼有强烈刺激性，液体可致严重眼损害。

皮肤接触可致灼伤。

大量口服出现恶心、呕吐和腹痛。

环境危害：对环境有危害，对水体可造成污染。

燃爆危险：本品易燃，具腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。

2001 年世界丙酸总生产能力约为30. 45 万吨[9 ] ,生产国家主要集中在美国、英国、德国、日本和南非等国。

美国是世界上最大的
丙酸生产及消费国,2003 年丙酸产量达20 万吨[10 ] , 产品主要销往巴西、加拿大、中国、哥伦比亚和南非等国;而我国丙酸年产量不足200 吨,主要依赖进口[10 ] 。

丙酸的生产方法有化学合成法和发酵法,化学合成法是以石油化工产品为原料,经过加温加压催化剂等合成,微生物发酵法是丙酸菌在常温常压下利用农副产品等代谢产生丙酸,目前工业生产方法主要是化学合成法。

在当前全世界面临环境污染、能源短缺的情况下,用微生物发酵法来大规模生产丙酸是一条值得探索的新途径。

丙酸菌发酵是一个古老的工艺,它起始于奶酪和干酪的制作过程,在发酵过程中,丙酸菌起到产酸和生香的作用;丙酸菌还可以用来生产VB12 、细菌素、益生素等;在酿酒过程中丙酸菌能够代谢乳酸,消除青涩口感,产生浓郁的香味,达到“增己降乳”的目的[12 ] ;丙酸菌也可用来预防牲畜硝酸盐中毒、抑制肿瘤的产生、转移等等[13.
14 ] 。

由于发酵法生产丙酸产量低,终产物抑制强,经济竞争力弱,至今未能实现工业化,仍处于实验室研究阶段。

2．发酵机制
微生物
丙酸发酵主要是丙酸杆菌,丙酸杆菌是丙酸杆菌属
( Propionibacteria) 的简称,它有多个种和亚种,均为厌氧菌, 但不同的种对氧的耐受性不同[15 ] ,该属为革兰氏阳性,不产芽孢,不运动,接触酶阳性,菌种在穿刺条件下培养生长良好;菌落呈红色、褐红色、白色或土黄色,边缘整齐;在无氧条件下,呈链状球菌,在有氧条
件下偶见原始分枝的杆状;在中性pH 值下,28 - 37 ℃条件下较适合生长[16 ] 。

发酵机理
丙酸发酵主要以葡萄糖、甘油、乳糖、乳酸等作为碳源,产丙酸的同时还伴随有乙酸、琥珀酸、CO2等副产物生成。

丙酸杆菌一般由底物经EMP 途径,再经过以下几个途径生成丙酸及副产物:Wood- Werkman 循环途径、乙酸和CO2 合成途径、琥珀酸合成途径、糖原异生途径, 三羧酸循环途径等[16 ] 。

以葡萄糖为例丙酸发酵的Wood - Werk2man 循环代谢途径如图1[23 ] :
以葡萄糖为底物的发酵机理为[15 ] : 1. 5C6H12O6—— 2CH3CH2COOH +CH3CH2COOH + CO2 + H2O
以乳酸和甘油为底物发酵的机理为[15 ] : 3CH3CHOHCOOH ——
2CH3CH2COOH +CH3COOH + CO2 + H2O CH2OHCHOHCH2OH——
CH3CH2COOH+ H2O
丙酸为丙酸杆菌的初级代谢产物,从代谢历程可以看出,除以甘油
为碳源外,其他碳源如葡萄糖、乳酸、乳糖等发酵产物都为丙乙酸的混和物。

调控机制
不同菌株利用的碳源不同,产酸率也有所不同，所以合理的选择菌株与碳源对提高丙酸的转化率有着很重要的意义。

在发酵过程中添加一些微量元素对提高丙酸发酵的产率有着很大作用，微量元素如Ca2 + , Co2 + , Fe2 + , Mg2 + , Zn2 + , Mn2 + 等的二价离子对发酵产酸的影响,发现这些离子对丙酸的产生都有积极作用。

丙酸菌为厌氧菌,但对氧气有一定的耐受性，菌株在无氧条件下生长较快,主要产品为丙酸和乙酸, 在较高的通氧率下,几乎没有丙酸产生,代谢产物主要为丙酸;但当培养条件由有氧转换到无氧条件时,丙酸开始产生;
当由无氧转换到有氧条件时,丙酸逐渐被消耗。

搅拌对丙酸发酵过程中菌体对营养物质的吸收和丙酸的及时扩散有着重要的影响。

为了解除丙乙酸对细胞生长的反馈抑制,通过设计多种反应器及耦合发酵过程,合理的控制产物浓度，及时将丙乙酸与细胞分离,消除丙乙酸对生产的反馈抑制,来增加丙酸产量。

3工业生产与应用
由于发酵法生产丙酸产量低,终产物抑制强,经济竞争力弱,至今未能实现工业化,仍处于实验室研究阶段。

一般的工厂都采用化学合成的方法来合成。

工业上丙酸是通过四羰基镍催化剂存在下，乙烯的加氢羧化反应制得的RCH=CH2 + H2O + CO → CH3CH2CO2H丙酸在食品、医药、农药、涂料、油漆、染料、化妆品、香料、有机合成工业、林产化学工业及其它行业都有着广泛的应用。

由于丙酸代谢产物为多种有机酸的混合物,丙酸的提取精制也是丙酸发酵工业化的一个难题。

迄今为止,应用于提取精制丙酸的方法及优缺点如表
将丙酸发酵的丙乙酸混合液酸化,并减压蒸馏来提取丙乙酸,同时回
收氨、铵盐及磷酸氢钙等副产品,工艺简单,成本低,回收率高。

便于工业化。

但从总体来看,提取精制丙酸难度大,是丙酸生产费用最高的部分,提取精制方法还需进一步研究。

4新进展
其他发酵工艺的研究
Palph W tyree edgar C 发现丙酸菌和乳酸菌混合发酵可提高丙酸产量,在发酵过程中,丙酸菌利用了乳酸菌的代谢产物作底物生成丙酸。

乳酸作为中间体参与代谢,缩短了丙酸发酵周期,这在工艺控制上非
常有意义[15 ] 。

其历程可写为:葡萄糖2 —羟基丙酸丙酸+ 乙酸+
二氧化碳+ 水大多数丙酸杆菌在发酵产丙酸的同时,也产生次级代谢产物维生素B12 ,Quersda - Chanto A 等 (1994) [37 ]设计了两阶段发酵过程,以糖蜜为底物,第一阶段得到丙酸为17. 7g/ L ,第二阶段获得了49mg/ L 的维生素B12 ,这个工艺路线利用一种菌得到两种产物,既高效地利用了丙酸杆菌,又大大提高了生产的经济效益。

2003 年仪宏等人也利薛氏丙酸杆菌在发酵维生素B12的同时联产丙酸钙,
取得了重要成果,且该课题已经通过专家鉴定。

5展望
微生物发酵法生产丙酸由于原料廉价易得,大多为可再生资源而倍受关注,但是发酵法在经济上很难与化学合成法竞争,从以上的叙述可
以看出,在丙酸发酵过程中还存在着一系列的问题,如(1)丙乙酸反馈抑制导致发酵终产物丙酸浓度低,造成分离成本高和发酵单耗高; (2) 发酵周期长,产物浓度低,共同导致发酵指数低,体积产率和设备利用
率低。

(3) 发酵终产物大多为丙乙酸混合物,二者都为有机弱酸,物性相近,提取回收丙酸难度大。

(4) 采用耦合发酵,对设备要求高,从而设备造价高,经济竞争力低。

在今后研究中应该以下几个方面展开: (1) 重视基因工程菌的选育,在丙酸发酵代谢工程的基础上,着重构建出高产、耐酸、副产物少以及适合高密度培养的菌株。

(2) 优化发酵工艺过程,利用数字模拟优化发酵过程;设计合理的发酵、分离、提取设备。

(3) 寻找丙酸和丙酸菌新的工业应用,研究直接利用丙酸菌或发酵液的途径,简化发酵工艺,减少发酵步骤,降低发酵成本,提高发酵法生产丙酸的经济竞争力。

6参考文献
1Approache s in Propionic Acid Fermentation Zhao Zihua ,Yi Hong , Zhu Wenzhong ,Wang Lil i
2. Shojiro Iwahara , Kaoru Takegawa , Ken Kawaguchi etc. ThePresence of Trehalose - containing Oligosaccharides in YeastExtract [J ] . Biosci. Biotech. Biochem. ,1993 ,57 (7) : 1220 -1221.
3. Yumi Yoshikawa , Kanji Masumoto , Kazuhisa Nagata etc.
Ex2taction of Trehalose from Thermally treated Bakerps Yeast [J ] . Biosci. Biotech. Biochem. ,1994 ,58 (7) :1226 - 1230.。