关于医药化工原料二羟基丙酮的微生物法生产探究

印杰+苗春文

（石家庄四药有限公司，河北 石家庄 052165）

【摘要】用微生物法生产二羟基丙酮虽然有很多优势，但是其中仍存在一些问题。在发酵工艺上，将会继续以克服第五与产物抑制为主展开研究。固定化发酵与阶段式反复流加工这两种工艺因其在降低产物与底物抑制上具有优势，所以将有可能成为日后研究的主要方向。

【关键词】二羟基丙酮；微生物；发酵

二羟基丙酮（1，3-Dihydroxyacetone，简称DHA）是一种天然的羟基酮糖，可食用，对环境与人体无毒害，具有可降解性并且化学性质活泼，用途广、需求量大，在医药中间体中是非常重要的一种，同时它还非常重要的食品添加剂、化妆品添加剂以及化工原料，同时还能作为抗毒试剂或应用于食品保鲜。它的生产方法目前主要是以化学合成为主，微生物发酵为辅。而微生物法相比于化学合成法来说，具有很多优点，例如反应条件更为温和，底物的利用率更高，而且副产物不多，工艺更加简单易控制，不论是从技术经济性的角度来看，还是从环境友好性的角度来说，微生物法在社会与经济效益上都更有优势。

1二羟基丙酮发酵所需微生物与酶

利用微生物对甘油进行转换来生产二羟基丙酮的机理为，利用微生物在代谢过程中所产生的甘油脱氢酶，让甘油的分子结构内的羟基发生脱氢反应，生产二羟基丙酮。所以在理论上，只要可以利用甘油，并具有特定的属于甘油脱氢酶的微生物，就能够通过转化甘油来制备二羟基丙酮。在相关文献报道中，可以用来对甘油进行转化的微生物有醋酸杆菌、毕赤酵母、大肠杆菌等。这里氧化葡萄糖酸杆菌是工业中生产二羟基丙酮的重要菌种，同时也是在二羟基丙酮的微生物生产法中被使用最多的菌种。通过基因工程对氧化葡萄糖酸杆菌进行改造，将有可能获得大产量的重组菌株。

2对发酵产生影响的因素

2.1底物浓度

在二羟基丙酮进行发酵时，甘油会对二羟基丙酮的生成和菌体的生产有非常大的抑制作用。氧化葡萄糖酸杆菌的比生长速率和二羟基丙酮的生产比率，都会在甘油浓度不断增加的过程中不断的降低，如果甘油的浓度过高并且长期存在，那么就会让菌体实现最大比率的时间大幅增加。有的学者发现，在间歇性的发酵过程中，如果初始甘油的浓度从50g/L一直提高到100g/L时，菌体的产物生产率、生产能力以及生长的比速率等都将会受到严重的影响。而在二羟基丙酮的发酵过程中我们则要将甘油初始浓度控制在5%-20%之内。

2.2产物浓度

与甘油对氧化葡萄糖酸杆菌的抑制作用相比，二羟基丙酮的抑制作用要更加的明显并且具有很强的选择性。二羟基丙酮对菌体生长的抑制属于产物反馈抑制，二羟基丙酮对细胞所造成的损伤将会是无法逆转的。氧化葡萄糖酸杆菌的生长速度将会随着二羟基丙酮浓度的增加而不断降低，当二羟基丙酮的浓度为61g/1时，氧化葡萄糖酸杆菌就会停止生长。当二羟基丙酮的浓度为108g/1时，甘油就会停止转化。除此之外，二羟基丙酮对氧化葡萄糖酸杆菌的抑制作用还体现在抑制戊糖循环途径的活性上。

2.3氧气

因为氧化葡萄糖酸杆菌是好氧菌，氧气在发酵过程中的供应量就会对菌体的生长与二羟基丙酮的生成产生直接的影响。经研究发现，当氧气的浓度不足4×10-4mol/L时，二羟基丙酮的产量就会明显的下降。在进行间歇培养时，通气模式的改变也会对二羟基丙酮的产量产生影响，在同等条件下，通入空气的二羟基丙酮生产率是87%，而通入氧气的二羟基丙酮的生产率是94%。当生产二羟基丙酮时，如果氧气不足，那么在二羟基丙酮产量下降时，副产物甘油盐酸的产量就会增加。

2.4菌体量

菌体量和甘油的脱氧酶量有着直接的联系，因此，提高菌体量从某一角度来说就是在提高二羟基丙酮的产量。有学者曾做过实验，从10株氧化葡萄糖酸杆菌中选出产量最高的遗嘱，经过对多种发酵因素进行培养，其菌体量最多能够达到4.3×1010/mL。目前为了能够获得更多的活细胞数，已经出现了很多种提高细胞活力与浓度的方案，其中具有代表性的就是固定化发酵工艺。

3固化发酵工艺

利用固定化发酵工艺能够让细胞的回收更加便利，同时还能降低产物在回收与纯化时的难度，并且这种工艺对于二羟基丙酮的生产来说，能够降低产物与底物抑制对细胞造成的损害。被固定化的细胞同游离状态下的细胞相比，拥有更加优秀的氧化能力。有学者将氧化葡萄糖酸杆菌固定在PVA中，进行二羟基丙酮的发酵实验。其结果表明，进行转化的最佳条件为PH6.0和30℃。固定化的细胞在高活性下维持了14天，其活力仅丧失了10%。通过在1.5L的搅拌反应器中不断的通过固定化细胞将甘油转化为二羟基丙酮，其转化率平均为86%。虽然是在高剪切力的环境中，但是通过五次转化后其载体在形状上仍没受到任何影响。虽然固定化发酵工艺具有获得的细胞浓度高、单位容积產率高、遗传稳定性强、易于和产品进行分离与纯化等众多优点。但是这种工艺仍旧存在着一些不足，如体系中氧气传递受限等，虽然这一问题可以用过氧化氢来替代氧气，并且能让二羟基丙酮的产量提高20倍，但是对于改进、完善这种工艺的研究却是不能懈怠的。

4二羟基丙酮的研究现状

二羟基丙酮在医药与化工领域的应用前景是非常广阔的，而微生物法在通过长时间的研究之后，也在生产工艺与菌种上都获得了很大的进步。目前，二羟基丙酮的微生物法生产一般多分布于日本、美国、德国与英国，虽然我国在这方面并没有实现大规模的工业化生产，但是对相关方面的研究却也得到了长足的发展，其中以浙江工业大学的生物研究所研制出的微生物发酵法制备二羟基丙酮工艺为代表，该工艺目前已经有多批次的50L—100L的实验经验，并且开始准备进行产业化的初期试验。

5总结

本文对微生物法生产二羟基丙酮的发展进行了简要的介绍。通过微生物法来生产二羟基丙酮相比于其他方法要更有优势，在二羟基丙酮的发酵与生产过程中最有价值的就是氧化葡萄糖酸杆菌。在发酵时，能够对二羟基丙酮的产量造成影响的有底物、产物、氧气以及菌体量等因素，而在多种发酵方式里，固定化发酵与反复流加工工艺的前途是最好的。而微生物法制备二羟基丙酮的具体发展方向就是对菌株的构建进行重组以及优化发酵工艺。

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