第五章丙酮酸发酵过程优化 第一节丙酮酸发酵概述 引言 丙酮酸( Pyruvic acid),又称2-氧代丙酸(2- oxopropanoic acid)、α-酮基丙酸 (α- ketopropionic acid或乙酰基甲酸( acetylformic acid),为无色至淡黄色液体,呈醋酸香气 和愉快酸味,是最重要的α-氧代羧酸之一。丙酮酸不仅在生物能量代谢中具有十分重要的 作用,而且是多种有用化合物的前体,因此,它在化工、制药和农用化学品等工业及科学 研究中都有广泛的用途,如表5-1-1所示。 表5-1-1丙酮酸的主要用途 酶法合成L-色氨酸、L-酪氨酸、L多 用于伯醇及仲醇的检定:转氨酶的测 制药工业巴;合成L半胱氨酸、L亮氨酸、VB6生化研究定;是脂肪族胺的显色剂等。 和VB12等。 是合成乙烯系聚合物、氢化阿托酸、 与乳酸组成抗氧化剂,降低对细胞的 农用化学品谷物保护剂等多种农药的起始原料。细胞培养伤害:是动物细胞培养的重要底物 GB2760-19%6规定为酸味添加剂。近 与乳酸、锂构成人工胰脏,作为体外 食品工业年来由于在减肥上有特效而受到西传感器传感器测定葡萄糖的含量。 方消费者青睐 虽然作为一种化工产品,丙酮酸早已实现了工业化生产,但是,直到20世纪90年代 工业上生产丙酮酸的方法仍是酒石酸脱水脱羧法∶将酒石酸与硫酸氢钾混合物在220℃下 蒸馏,馏出物再经真空精馏即可得到丙酮酸。这种工艺的主要缺点是:(1)丙酮酸产率较 低(对酒石酸的产率系数为029~030g/g):(2)得到1g丙酮酸需要消耗5g硫酸氢钾。为此, 在很长一段时间内,丙酮酸的价格居高不下,推广应用自然也受到限制。以丙酮酸在食品 工业中的应用为例,尽管它是一种很有潜力的酸味剂,但由于其在价格上与其它有机酸相 比过于昂贵,因此,几乎没有厂家愿意在饮料或食品中添加丙酮酸来改善风味 开发成本更低的丙酮酸生产技术,如直接发酵法或生物转化法,是扩大丙酮酸应用范 围的根本途径。然而,丙酮酸在代谢途径中所处的关键地位,使得丙酮酸高产菌株的选育 十分困难。尽管有一些微生物能够积累丙酮酸,但其产量无法达到工业化的要求。发酵法 生产丙酮酸真正取得突破,是在1988年。当时,日本东丽工业株式会社的研究人员选育出 系列丙酮酸产量超过50g/L的球拟酵母( Torulopsis)菌株,使得发酵法生产丙酮酸的工业 化成为可能。1992年,日本开始采用发酵法生产丙酮酸,产量为400ta,售价为4000日 元/kg。国内除作者发表的论文外,尚未见关于发酵法生产丙酮酸的公开文献报道。 二、国外研究水平和发展趋势 发酵法生产丙酮酸包括两种方法∶一种是微生物在生长过程中直接利用碳源积累丙酮 酸,即直接发酵法;另一种是微生物先生长,再转化底物为丙酮酸,称之为休止细胞法。 休止细胞法与完整细胞酶法合成丙酮酸的区别在于:后者是利用微生物中某一种具有特定 功能的酶完成由底物(如乳酸)向丙酮酸的转化;而前者则是利用微生物中的一系列酶(如 EMP途径酶系)完成由底物(如葡萄糖)生成丙酮酸的转化过程。因此,休止细胞法也可归广 义的发酵法。 (一)酵母直接发酵生产丙酮酸1 第五章 丙酮酸发酵过程优化 第一节 丙酮酸发酵概述 一、引言 丙酮酸 (Pyruvic acid) ，又称 2- 氧 代 丙 酸 (2-oxopropanoic acid) 、 - 酮基丙酸 (-ketopropionic acid)或乙酰基甲酸(acetylformic acid)，为无色至淡黄色液体，呈醋酸香气 和愉快酸味，是最重要的-氧代羧酸之一。丙酮酸不仅在生物能量代谢中具有十分重要的 作用，而且是多种有用化合物的前体，因此，它在化工、制药和农用化学品等工业及科学 研究中都有广泛的用途，如表 5-1-1 所示。 表5-1-1 丙酮酸的主要用途 用 途 实 例 用 途 实 例 制药工业 酶法合成 L-色氨酸、L-酪氨酸、L-多 巴；合成 L-半胱氨酸、L-亮氨酸、VB6 和 VB12 等。 生化研究 用于伯醇及仲醇的检定；转氨酶的测 定；是脂肪族胺的显色剂等。 农用化学品 是合成乙烯系聚合物、氢化阿托酸、 谷物保护剂等多种农药的起始原料。 细胞培养 与乳酸组成抗氧化剂，降低对细胞的 伤害；是动物细胞培养的重要底物。 食品工业 GB 2760-1996 规定为酸味添加剂。近 年来由于在减肥上有特效而受到西 方消费者青睐。 传感器 与乳酸、锂构成人工胰脏，作为体外 传感器测定葡萄糖的含量。 虽然作为一种化工产品，丙酮酸早已实现了工业化生产，但是，直到 20 世纪 90 年代， 工业上生产丙酮酸的方法仍是酒石酸脱水脱羧法∶将酒石酸与硫酸氢钾混合物在220 ℃下 蒸馏，馏出物再经真空精馏即可得到丙酮酸。这种工艺的主要缺点是∶(1) 丙酮酸产率较 低(对酒石酸的产率系数为 0.29～0.30 g/g)；(2)得到 1 g 丙酮酸需要消耗 5 g 硫酸氢钾。为此， 在很长一段时间内，丙酮酸的价格居高不下，推广应用自然也受到限制。以丙酮酸在食品 工业中的应用为例，尽管它是一种很有潜力的酸味剂，但由于其在价格上与其它有机酸相 比过于昂贵，因此，几乎没有厂家愿意在饮料或食品中添加丙酮酸来改善风味。 开发成本更低的丙酮酸生产技术，如直接发酵法或生物转化法，是扩大丙酮酸应用范 围的根本途径。然而，丙酮酸在代谢途径中所处的关键地位，使得丙酮酸高产菌株的选育 十分困难。尽管有一些微生物能够积累丙酮酸，但其产量无法达到工业化的要求。发酵法 生产丙酮酸真正取得突破，是在 1988 年。当时，日本东丽工业株式会社的研究人员选育出 一系列丙酮酸产量超过 50 g/L 的球拟酵母(Torulopsis)菌株，使得发酵法生产丙酮酸的工业 化成为可能。1992 年，日本开始采用发酵法生产丙酮酸，产量为 400 t/a，售价为 4000 日 元/kg。国内除作者发表的论文外，尚未见关于发酵法生产丙酮酸的公开文献报道。 二、国外研究水平和发展趋势 发酵法生产丙酮酸包括两种方法∶一种是微生物在生长过程中直接利用碳源积累丙酮 酸，即直接发酵法；另一种是微生物先生长，再转化底物为丙酮酸，称之为休止细胞法。 休止细胞法与完整细胞酶法合成丙酮酸的区别在于∶后者是利用微生物中某一种具有特定 功能的酶完成由底物(如乳酸)向丙酮酸的转化；而前者则是利用微生物中的一系列酶(如 EMP 途径酶系)完成由底物(如葡萄糖)生成丙酮酸的转化过程。因此，休止细胞法也可归广 义的发酵法。 (一)酵母直接发酵生产丙酮酸