发酵生产琥珀酸的研究进展.docVIP

题 目 发酵生产琥珀酸的研究进展 姓 名 吴志洪 所在学院 化学与化工学院 专 业 生物工程 学 号 0908110342 日 期 2012年12月10日 发酵生产琥珀酸的研究进展 摘要近年来，因瘤胃微生物产琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes具有高的琥珀酸产量，并能够利用多种碳源进行发酵等优点，在利用发酵法生产琥珀酸领域具有广泛的应用前景和商业化价值，因而其代谢途径和发酵工艺等基础研究成为国内外研发的热点。近年来，人们在产琥珀酸放线杆菌的代谢途径、琥珀酸发酵动力学模型、新型经济培养基以及高产菌株选育等方面的研究取得了很大进展，对研发琥珀酸发酵工艺、降低生产成本和节能减耗等具有重要的理论意义。 关键词；琥珀酸、发酵、产琥珀酸放 1琥珀酸的简介 1.1 琥珀酸，学名丁二酸它是一种重要的有机合成中间体，主要应用于食品、医药、生物降解甥料、表面活性剂、洗涤剂、绿色溶剂和动植物生长刺激物等领域[1]。目前，通过发酵法生产得到的琥珀酸，其价格大约为0．55一1．10$／kg[2] 图1-1丁二酸的分子结构 1.2 它是厌氧代谢的发酵产物之一琥珀酸广泛应用于医药、农药、染料、香料、油漆、食品、塑料等行业，也可以作为 C4 平台化合物，合成一些重要的化工产品如丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮(NMD)、2-吡咯烷酮等，全世界市场需求量超过276000 t/a. 1.3 利用微生物发酵法转化可再生资源（葡萄糖,木糖等）生产琥珀酸, 由于原料来源广泛且价格低廉, 污染小, 环境友好, 且在发酵过程中可吸收固定CO2, 能有效缓解温室效应, 开辟了温室气体二氧化碳利用的新途径, 近年来成为研究的热点[3-4]。 2 生物发酵法制备丁二酸 2.1发酵菌种 丁二酸是一些厌氧和兼性厌氧微生物代谢途径中的共同中间物。一般情况下，丙酸盐生产菌、典型的胃肠细菌以及瘤胃细菌能够分泌丁二酸。据报道，一些乳酸菌(LactobaciIlus)也能在特定的培养基上不同程度地产生丁二酸。国外在20世纪90年代就开始发酵生产丁二酸的研究， 目前报道的发酵产丁二酸的菌种主要Anaerobiospirillum succiniciproducens[4]、Actinobacillus succinogenes[5] 、Mannheimia succiniciproducens[6]和另外还有如Corynebacterium glutamicum、Mannheimia succiniciproducens[7]等菌种。由于天然菌株的产丁二酸能力非常低，发酵产物多种多样，对糖或丁二酸的耐受性比较差，因此必须运用生物工程技术对现有的菌种进行 [8]。 2. 2重组大肠杆菌产发酵丁二酸 野生大肠杆菌产丁二酸的代谢途径：一般认为, 野生型E. coli 在有氧环境中, 琥珀酸仅作为TCA 循环中的中间产物, 没有积累; 但在厌氧环境下, 进行混合酸发酵（图1）, 并认为存在六条途径可以代谢生成琥珀酸（图2）。其中, 琥珀酸主要的产生途径为葡萄糖经过糖酵解途经生成磷酸烯醇式丙酮酸, 并进而代谢合成草酰乙酸、苹果酸、富马酸, 最终以琥珀酸的形式积累。在此合成途径中, 每1 mol 葡萄糖生成2 mol NADH, 生成1 mol 琥珀酸需要消耗 2 mol 的NADH, 而生成乳酸、甲酸和乙酸则只需消耗1mol 的NADH 甚至不需要消耗NADH, 因此, 在野生大肠杆菌中, 琥珀酸由于需要更多的还原力, 积累很少。 图1 大肠杆菌厌氧混合酸发酵途径[9] Fig. 1 Pathways of anaerobic mixed acid fermentation for Escherichia coli 图2 大肠杆菌K-12 发酵产丁二酸途径 Fig. 2 Pathways for the formation of the fermentation product succinate in Escherichia coli K-12[13] Note: 1: PEP carboxykinase; 2: Malate dehydrogenase; 3: Fumarase;4: Fumarate reductase; 5: PEP carboxylase; 6: Aspartate: glutamate transaminase; 7: Aspartase; 8: Succinic semialdehyde dehydrogenase; 9: γ-aminobutyrate: glutamate transaminase; 10