2_酮基_D_葡萄糖酸发酵生产研究进展_魏转

２－酮基－Ｄ－葡萄糖酸发酵生产研究进展
魏 转１，余泗莲２，孙文敬２，３，＊，周 强２，李中兵２
（１．河北化工医药职业技术学院制药工程系，河北　石家庄 ０５００２６；
２．百勤异ＶＣ钠有限公司，江西　德兴 ３３４２２１；３．江苏大学食品与生物工程学院，江苏　镇江 ２１２０１３）摘 要：２－酮基－Ｄ－葡萄糖酸（２ＫＧＡ）是合成食品抗氧化剂Ｄ－异抗坏血酸钠及Ｄ－异抗坏血酸的前体，通常采用细菌发酵的方法由Ｄ－葡萄糖转化而来。

本文概述了２ＫＧＡ的生物合成途径、２ＫＧＡ产生菌的选育、２ＫＧＡ的发酵条件、２ＫＧＡ的发酵工艺、２ＫＧＡ发酵产物的提取、国内２ＫＧＡ发酵生产中存在的主要问题及改善对策等。

关键词：２－酮基－Ｄ－葡萄糖酸；发酵；Ｄ－异抗坏血酸钠；Ｄ－异抗坏血酸
Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｐｒｃｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　２－Ｋｅｔｏ－Ｄ－ｇｌｕｃｏｎｉｃ　Ａｃｉｄ
ＷＥＩ　Ｚｈｕａｎ１，ＹＵ　Ｓｉ－ｌｉａｎ２，ＳＵＮ　Ｗｅｎ－ｊｉｎｇ２，３，＊，ＺＨＯＵ　Ｑｉａｎｇ２，ＬＩ　Ｚｈｏｎｇ－ｂｉｎｇ２
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ，　Ｈｅｂｅｉ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００２６，　Ｃｈｉｎａ；
２．Ｐａｒｃｈｎ　Ｓｏｄｉｕｍ　Ｉｓｏｖｉｔａｍｉｎ　Ｃ　Ｃｏ．　Ｌｔｄ．，　Ｄｅｘｉｎｇ ３３４２２１，　Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　ａｎｄ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，　Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ　：２－Ｋｅｔｏ－Ｄ－ｇｌｕｃｏｎｉｃ　ａｃｉｄ　（２ＫＧＡ），　ｕｓｕａｌｌｙ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｖｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄ－ｇｌｕｃｏｓｅ，　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ　ｕｓｅｄｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｏｄｉｕｍ　ｅｒｙｔｈｏｒｂａｔｅ　ｏｒ　ｅｒｙｔｈｏｒｂｉｃ　ａｃｉｄ　ａｓ　ａ　ｆｏｏｄ　ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ．　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐａｔｈｗａｙ　ｏｆ　２ＫＧＡ，　ｂｒｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　２ＫＧＡ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｓｔｒａｉｎｓ，　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｎｓ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　２ＫＧＡ，　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ　２ＫＧＡ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ，　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　２ＫＧＡ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：２－ｋｅｔｏ－Ｄ－ｇｌｕｃｏｎｉｃ　ａｃｉｄ；　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；　ｓｏｄｉｕｍ　ｅｒｙｔｈｏｒｂａｔｅ；　ｅｒｙｔｈｏｒｂｉｃ　ａｃｉｄ
中图分类号：Ｏ６５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－６６３０（２００８）０８－０６３６－０４
收稿日期：２００８－０４－２１
基金项目：２００７年商务部共性技术研发资助项目（商产函［２００７］８０号）
作者简介：魏转（１９７７－），女，讲师，博士，主要从事工业微生物的应用研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｚｈｕａｎ８８５６＠１６３．ｃｏｍ＊通讯作者：孙文敬（１９６４－），男，研究员，博士，主要从事生物化工研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｗｅｎｊｉｎｇ１９１９＠１６３．ｃｏｍ
２－酮基－Ｄ－葡萄糖酸（２－ｋｅｔｏ－Ｄ－ｇｌｕｃｏｎｉｃ　ａｃｉｄ，２ＫＧＡ）是目前工业化大规模生产的有机酸之一，主要用于食品抗氧化剂Ｄ－异抗坏血酸钠（ｓｏｄｉｕｍ　ｅｒｙｔｈｏｒｂａｔｅ，ＥＮ）及
Ｄ－异抗坏血酸（ｅｒｙｔｈｏｒｂｉｃ　ａｃｉｄ，ＥＡ）的合成［１］。

２００７年，国内ＥＮ及ＥＡ的实际产量高达３００００吨左右，消耗２ＫＧＡ约４００００吨。

２ＫＧＡ的生产方法主要有酶法、化学合成法和发酵法等３种：（１）酶法。

在吡喃糖－２－氧化酶（ｐｙｒａｎｏｓｅ－２－ｏｘｉｄａｓｅ）、葡萄糖－２－氧化酶（ｇｌｕｃｏｓｅ－２－ｏｘｉｄａｓｅ）和葡萄糖－１－氧化酶（ｇｌｕｃｏｓｅ－１－ｏｘｉｄａｓｅ）中任何一种酶的催化下，用Ｏ２将溶液中的Ｄ－葡萄糖氧化为Ｄ－葡糖醛酮或Ｄ－葡萄糖酸－δ－内酯，然后选择吡喃糖－２－氧化酶和葡萄糖－１－氧化酶的一种酶，催化氧化Ｄ－葡糖醛酮或Ｄ－葡萄糖酸－δ－内酯为过氧化氢和２ＫＧＡ［２］
；（２）化学合成法。

以葡萄
糖为起始原料，在Ｐｔ／Ｐｂ催化剂存在的条件下，用Ｏ２
将葡萄糖氧化为２ＫＧＡ［３］；（３）发酵法。

利用细菌直接转化发酵培养基中的葡萄糖为２ＫＧＡ［４］。

由于生产成本方面的原因，目前在工业生产中通常采用细菌发酵的方
法。

本文概述２ＫＧＡ发酵研究进展。

１
２ＫＧＡ的生物合成途径
实地考察发现，国内外２ＫＧＡ发酵通常采用假单胞菌属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）的细菌，尤其是荧光假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｓ）。

ＥＤ途径似乎是假单胞菌属葡萄糖代谢的主要路径［５－６］。

在Ｐｓ．ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ［７］、　荧光假单胞菌［８］和恶臭假单胞菌（Ｐｓ．ｐｕｔｉｄａ）［９］中，葡萄糖进入ＥＤ途径可能有３条路径：第１条路径包括葡萄糖的吸收和随后的磷酸化、氧化过程，形成６－磷酸葡萄糖酸（６－ＰＧ）；第２条路径包括葡萄糖的直接氧化形成胞外葡萄糖酸、随后为葡萄糖酸的吸
收和磷酸化产生６－ＰＧ的过程；在第３条路径中，葡萄糖氧化形成的葡萄糖酸被进一步氧化，在胞外形成２ＫＧＡ，然后胞外的２ＫＧＡ被吸收、磷酸化和还原，产生６－ＰＧ。

某些假单胞菌属的细菌具有氧化葡萄糖为２ＫＧＡ的能力。

在适宜的培养条件下，这些菌株缺乏进一步代谢２ＫＧＡ的某些酶，使氧化葡萄糖并积累２ＫＧＡ在葡萄糖代谢中占有主导地位［１０］。

２ＫＧＡ的生物合成途径［１１－１２］如图１所示。

２２ＫＧＡ产生菌的选育
１９４０年，Ｓｔｕｂｂｓ等［１３］首先从５－酮基－Ｄ－葡萄糖酸的
发酵液中分离出１株２ＫＧＡ高产菌株，经鉴定为食爬虫假单胞菌（Ｐｓ．　ｒｅｐｔｉｌｉｖｏｒａ），对葡萄糖的转化率可达８２％。

１９４１年，Ｌｏｃｋｗｏｏｄ［１４］等报道了其他具有２ＫＧＡ高产能力的１６个菌株，分属于假单胞菌属的１０个种，对葡萄糖的转化率均可达到８０％以上。

随后，许多具有２ＫＧＡ生产能力的菌株被陆续报道，这些菌株分属于假单胞菌属、欧文氏菌属（Ｅｒｗｉｎｉａ）、沙雷氏菌属（Ｓｅｒｒａｔｉａ）、葡萄糖酸杆菌属（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ）和醋酸杆菌属（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ）［１５］。

其中，２ＫＧＡ生产水平较高的菌种有荧光假单胞菌（Ｐｓ．ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｓ）、粘质沙雷氏菌（Ｓ．ｍａｒｃｅｓｃｅｎｓ）和鸡血藤欧文氏菌（Ｅ．ｍｉｌｌｅｔｉａ），在含有１８％葡萄糖的发酵培养基中，其发酵转化率一般可以达到９０％左右。

国内２ＫＧＡ发酵的研究开始于２０世纪８０年代初期。

蒋明珠等［１６］从１５８株细菌中筛选到２７株具有２ＫＧＡ生产能力的菌株，并对其中的２０株进行了鉴定（分属于假单胞菌属和沙雷氏菌属的４个种）。

在已鉴定的２０株细菌中，有１１株在发酵液中２ＫＧＡ积累量达到１５０ｇ／Ｌ以上，说明２ＫＧＡ产生菌在自然界的广泛分布。

其中，荧光假单胞菌Ｋ１００５的产酸水平较高，对葡萄糖的发酵转化率达９０％左右。

中试结果［１７］表明，发酵培养基中葡萄糖含量为１８％时，在发酵温度２９～３０℃、通气量１：１（ｖｖｍ）条件下培养６０ｈ左右，荧光假单胞菌Ｋ１００５对葡萄糖的发酵转化率波动不大，平均可达９１．７％。

荧光假单胞菌Ｋ１００５于１９８４年用于国内的２ＫＧＡ工业化生产。

白照熙和蒋明珠［１８］从土壤分离的１３６株细菌中筛选到７株２ＫＧＡ产生菌，其中编号为Ｋ１０２２的菌株在发酵
液２ＫＧＡ的积累量达１８０ｇ／Ｌ以上，对葡萄糖的发酵转化率达９２．８％。

经鉴定，该菌为球状节杆菌（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ
ｇｌｏｂｉｆｏｒｍｉｓ）。

生产性试验结果［１９］球状节杆菌Ｋ１０２２具有与荧光假单胞菌Ｋ１００５同样优良的２ＫＧＡ生产能力，发酵培养基中葡萄糖含量为１８％时，发酵温度３０～３５℃的条件下，平均发酵周期为２９．８ｈ左右，平均发酵转化率达８０．７％；发酵温度２８～３０℃的条件下，平均发酵周期为６１．０ｈ，平均发酵转化率达８９．５％。

球状节杆菌Ｋ１０２２于１９８８年前后被用于国内的２ＫＧＡ工业化生产。

梁改芹等［２０］从１９９株细菌中筛选出２株２ＫＧＡ高产菌株，鉴定为恶臭假单胞菌（Ｐｓ．　ｐｕｔｉｄａ）Ｅ３０１和一个新种——产酮产碱菌（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ　ｋｅｔｏｇｅｎｅｓ）Ｅ５４［２１］，对葡萄糖的转化率分别达到８５．９３％和８７．５６％。

在１９８４年至１９９９年期间，荧光假单胞菌Ｋ１００５和球状节杆菌Ｋ１０２２一直是国内２ＫＧＡ发酵的工业用菌。

２０世纪９０年代中期，国内２ＫＧＡ发酵生产中就已经出现噬菌体污染的现象［２２］，但由于出现的频率不高，对工业生产没有造成大的影响，也就未能引起相关企业的重视。

１９９９年春季，国内２ＫＧＡ发酵生产中出现大规模的噬菌体流行，给生产企业带来了很大的经济损失。

２０００年前后，以荧光假单胞菌Ｋ１００５和球状节杆菌Ｋ１０２２为出发菌株选育的抗噬菌体菌株Ａ４６、Ｃ６５和Ｃ２２４等被应用于２ＫＧＡ工业生产［２３－２５］。

２００３年春季，国内２ＫＧＡ发酵中再次爆发噬菌体污染，以荧光假单胞菌Ａ４６为出发菌株选育的抗噬菌体菌株ＡＲ４被应用于２ＫＧＡ工业生产［４，２６］。

３
２ＫＧＡ的发酵条件
不同的２ＫＧＡ产生菌对碳源的利用不尽相同，但它
们都能够利用葡萄糖和葡萄糖酸（盐）产生２ＫＧＡ，这与２ＫＧＡ的生物合成途径［１１－１２］是相吻合的。

在工业生产中，国内外生产企业通常采用淀粉水解糖作为发酵的碳源。

玉米浆、酵母膏、牛肉膏、蛋白胨、聚胨、尿素、许多硝酸盐和铵盐等均可作为２ＫＧＡ发酵的氮源，但生产上一般采用酵母膏、玉米浆和尿素等，其中以采用玉米浆最为普遍。

２ＫＧＡ发酵一般需要较大的通气量，其发酵的起始ｐＨ大多控制在６．０～７．０之间。

金属离子特别是铁离子对２ＫＧＡ发酵一般不会产生明显影响［１］。

发酵温度对２ＫＧＡ生产具有明显的影响。

从以前的报道来看，绝大多数菌株要求的发酵温度在２８～３０℃，但也有个别菌株要求的发酵温度更低［１０］。

发酵温度过低，发酵周期明显延长；发酵温度过高，产物对糖的转化率降低［２７－２８］。

在工业生产上，如把发酵温度控制在２８～３０℃，发酵转化率达９０％左右，发酵周期６０ｈ左右；发酵温度控制在３０～３５℃，其发酵转化率较低，
图１ ２ＫＧＡ的生物合成途径Fig.1 Biosynthesis pathway of 2KGA
葡萄糖 葡萄糖酸 ２ＫＧＡ→→
葡萄糖脱氢酶葡萄糖酸脱氢酶
一般只有８０％左右，但其发酵周期较短，约为３０ｈ［１５］。

抗噬菌体菌株荧光假单胞菌ＡＲ４［１］对温度的适应范围较大，在３６℃左右的温度下，其发酵转化率仍可达到９０％左右，这点在工业生产上是具有重要意义的。

２ＫＧＡ产生菌一般不能在低ｐＨ的环境下进行正常的发酵生产，因此通常在发酵培养基中添加一定量的轻质ＣａＣＯ３来中和发酵产生的２ＫＧＡ，以维持适宜的ｐＨ环境。

当然，也可以用氨气、氨水、ＮａＯＨ、ＮａＣＯ３等代替ＣａＣＯ３，但２ＫＧＡ的提取工艺要做相应的改变。

目前，国内外的工业生产大多采用ＣａＣＯ３作为２ＫＧＡ的中和剂，所以在发酵液中２ＫＧＡ通常以钙盐的形式存在（ｃａｌｃｉｕｍ　２－ｋｅｔｏ－Ｄ－ｇｌｕｃｏｎａｔｅ，２ＫＧＣａ）。

４２ＫＧＡ的发酵工艺
２００３年之前，国内２ＫＧＡ生产均采用分批发酵工艺。

在２ＫＧＡ的分批发酵过程中，发酵培养基的葡萄糖浓度一般不会超过１８％。

葡萄糖浓度过高，发酵周期明显延长，发酵转化率也有降低［１５］。

实际上，当时国内２ＫＧＡ发酵中的投糖浓度控制在１０％～１４％。

就分批发酵而言，无论是国内的荧光假单胞菌Ｋ１００５、球状节杆菌Ｋ１０２２、产酮产碱菌Ｅ５４和荧光假单胞菌Ａ４６，还是国外的鸡血藤欧文氏菌、假单胞菌ＮＲＲＬ　Ｂ－３３４和粘质沙雷氏菌等，其发酵过程基本相同。

随着葡萄糖的消耗，发酵液的旋光值由正值逐步转为负值，２ＫＧＡ逐渐积累。

葡萄糖消耗殆尽时，２ＫＧＡ积累达到峰值。

有关补料发酵工艺在２ＫＧＡ发酵中的应用最早出现在２０世纪６０年代［２９］。

此后，Ｎｕｎｈｅｉｍｅｒ等［３０］报道，如果用氨（氨气或氨水）代替ＣａＣＯ３来控制２ＫＧＡ发酵过程中的ｐＨ，就可以达到提高投糖浓度、缩短发酵周期的目的。

在该报告中，葡萄糖的浓度一般控制在１８％～２２％，发酵过程中的ｐＨ通过补氨维持在５．２～５．８，发酵转化率可达９０％左右，发酵周期４０～７５ｈ　。

Ｎｕｎｈｅｉｍｅｒ等还认为，采用补氨工艺，有可能将葡萄糖浓度提高到３０％左右。

本研究室曾对该补料发酵工艺进行过模拟，将葡萄糖浓度提高到２４％以上时，尽管发酵周期能够保证，但发酵转化率只有８０％左右，主要问题可能是碳氮比失调。

２０世纪９０年代中期，国内学者也进行了２ＫＧＡ的补料发酵工艺的研究［３１］。

在５Ｌ的发酵罐中，培养基中的起始葡萄糖浓度为２０％，当２２ｈ残糖浓度低于８％时一次性补加葡萄糖使总糖浓度达到２４．９５％，发酵转化率达９１．１７％，发酵周期３５ｈ；在１４７Ｌ的发酵罐中，培养基中的起始葡萄糖浓度为２０．１３％，当残糖浓度降至１２％时一次性补加葡萄糖使总糖浓度达到２４．９２％，发酵转化率达８９．３２％，发酵周期４６ｈ。

此后，孙文敬等［３２］在５０ｋＬ的发酵罐上完成了２ＫＧＡ补料分批发酵生产性试验，将该工艺推向了２ＫＧＡ工业化生产。

有关２ＫＧＡ的连续发酵工艺也有报道。

Ｂｕｌｌ和Ｙｏｕｎｇ［３３］研究了２ＫＧＡ的发酵过程中部分细胞再循环（ｐａｒｔｉａｌ　ｃｅｌｌｒｅｃｙｃｌｅ）对恒化培养操作的影响，即通过粘质沙雷氏菌ＮＲＲＬ　Ｂ－４８６转化葡萄糖为２－ＫＧＡ，在部分细胞循环和没有细胞循环的情况下发酵过程都达到了稳定的恒态。

部分细胞循环方法的应用显著提高了２ＫＧＡ发酵过程中的产物形成速率。

国内学者在２０世纪９０年代后开展了利用固定化细胞生产２ＫＧＡ的研究工作。

钟晓红等［３４］对载体包埋恶臭假单胞菌ＳＣＢ９０５细胞后的稳定性和产酸效果进行了研究，认为海藻酸钠是比较理想的载体，其固定化细胞的产酸能力与游离细胞接近，在半连续发酵中产酸能力保持了一定的稳定性，且可以重复使用时间达３０ｄ以上。

郑志勇和赵占军［３５］也进行了类似的研究工作，得出了相似的结论。

从发酵类型上看，２ＫＧＡ发酵属于典型的生长相关型，即菌体生长、碳源利用和产物形成几乎在相同的时间出现高峰，其发酵产物往往是菌体生长的代谢产物如碳源的直接氧化产物。

由于其发酵类型的关系，采用固定化细胞进行２ＫＧＡ生产似乎是不合适的。

另外，杂菌污染也是上述方法实现工业化的主要障碍。

５２ＫＧＡ发酵产物的提取
２ＫＧＡ发酵产物的提取通常有两种方式：（１）将发酵液加热、过滤（或离心等）得到含有２ＫＧＣａ的滤液，然后减压浓缩滤液至一定体积，冷冻、离心（过滤）即可得到２ＫＧＣａ结晶［１７］；（２）采用酸化、离心（过滤）、离子交换等手段对２ＫＧＡ发酵液进行净化，以除去发酵液中的Ｃａ２＋和其它杂质，然后将净化的发酵液浓缩至糖浆状用于ＥＮ或ＥＡ的合成［３６］。

目前，国内外工业生产中采用第二种方式进行２ＫＧＡ发酵产物的提取。

６国内２ＫＧＡ发酵生产中存在的主要问题及改善对策
目前国内２ＫＧＡ发酵生产中存在的主要问题有：噬菌体污染问题没有从根本上得到解决；发酵生产效率低，能源消耗明显高于国外同类型企业；发酵产物提取过程中产生的ＣａＳＯ４渣中含有大量的菌体、活性炭及一些蛋白絮凝剂，不利于其综合利用。

综上所述，以净化生产环境为中心，同时筛选性能优良的抗噬菌体菌株并结合采取其它的防治手段，是解决近年来国内２ＫＧＡ发酵生产中噬菌体污染问题的根本出路；由于发酵类型的关系，２ＫＧＡ生产有可能采取连续发酵的方式，以此可以达到提高生产效率、降低能源消耗的目的；在发酵产物的提取过程中，有必要采用先进的技术方法将菌体与ＣａＳＯ４分离，以真正实现菌
体蛋白和ＣａＳＯ４废渣的综合利用。

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