關于醫藥化工原料二羥基丙酮的微生物法生產探究

印杰+苗春文

（石家莊四藥有限公司，河北 石家莊 052165）

【摘要】用微生物法生產二羥基丙酮雖然有很多優勢，但是其中仍存在一些問題。在發酵工藝上，將會繼續以克服第五與產物抑制為主展開研究。固定化發酵與階段式反復流加工這兩種工藝因其在降低產物與底物抑制上具有優勢，所以將有可能成為日后研究的主要方向。

【關鍵詞】二羥基丙酮；微生物；發酵

二羥基丙酮（1，3-Dihydroxyacetone，簡稱DHA）是一種天然的羥基酮糖，可食用，對環境與人體無毒害，具有可降解性并且化學性質活潑，用途廣、需求量大，在醫藥中間體中是非常重要的一種，同時它還非常重要的食品添加劑、化妝品添加劑以及化工原料，同時還能作為抗毒試劑或應用于食品保鮮。它的生產方法目前主要是以化學合成為主，微生物發酵為輔。而微生物法相比于化學合成法來說，具有很多優點，例如反應條件更為溫和，底物的利用率更高，而且副產物不多，工藝更加簡單易控制，不論是從技術經濟性的角度來看，還是從環境友好性的角度來說，微生物法在社會與經濟效益上都更有優勢。

1二羥基丙酮發酵所需微生物與酶

利用微生物對甘油進行轉換來生產二羥基丙酮的機理為，利用微生物在代謝過程中所產生的甘油脫氫酶，讓甘油的分子結構內的羥基發生脫氫反應，生產二羥基丙酮。所以在理論上，只要可以利用甘油，并具有特定的屬于甘油脫氫酶的微生物，就能夠通過轉化甘油來制備二羥基丙酮。在相關文獻報道中，可以用來對甘油進行轉化的微生物有醋酸桿菌、畢赤酵母、大腸桿菌等。這里氧化葡萄糖酸桿菌是工業中生產二羥基丙酮的重要菌種，同時也是在二羥基丙酮的微生物生產法中被使用最多的菌種。通過基因工程對氧化葡萄糖酸桿菌進行改造，將有可能獲得大產量的重組菌株。

2對發酵產生影響的因素

2.1底物濃度

在二羥基丙酮進行發酵時，甘油會對二羥基丙酮的生成和菌體的生產有非常大的抑制作用。氧化葡萄糖酸桿菌的比生長速率和二羥基丙酮的生產比率，都會在甘油濃度不斷增加的過程中不斷的降低，如果甘油的濃度過高并且長期存在，那么就會讓菌體實現最大比率的時間大幅增加。有的學者發現，在間歇性的發酵過程中，如果初始甘油的濃度從50g/L一直提高到100g/L時，菌體的產物生產率、生產能力以及生長的比速率等都將會受到嚴重的影響。而在二羥基丙酮的發酵過程中我們則要將甘油初始濃度控制在5%-20%之內。

2.2產物濃度

與甘油對氧化葡萄糖酸桿菌的抑制作用相比，二羥基丙酮的抑制作用要更加的明顯并且具有很強的選擇性。二羥基丙酮對菌體生長的抑制屬于產物反饋抑制，二羥基丙酮對細胞所造成的損傷將會是無法逆轉的。氧化葡萄糖酸桿菌的生長速度將會隨著二羥基丙酮濃度的增加而不斷降低，當二羥基丙酮的濃度為61g/1時，氧化葡萄糖酸桿菌就會停止生長。當二羥基丙酮的濃度為108g/1時，甘油就會停止轉化。除此之外，二羥基丙酮對氧化葡萄糖酸桿菌的抑制作用還體現在抑制戊糖循環途徑的活性上。

2.3氧氣

因為氧化葡萄糖酸桿菌是好氧菌，氧氣在發酵過程中的供應量就會對菌體的生長與二羥基丙酮的生成產生直接的影響。經研究發現，當氧氣的濃度不足4×10-4mol/L時，二羥基丙酮的產量就會明顯的下降。在進行間歇培養時，通氣模式的改變也會對二羥基丙酮的產量產生影響，在同等條件下，通入空氣的二羥基丙酮生產率是87%，而通入氧氣的二羥基丙酮的生產率是94%。當生產二羥基丙酮時，如果氧氣不足，那么在二羥基丙酮產量下降時，副產物甘油鹽酸的產量就會增加。

2.4菌體量

菌體量和甘油的脫氧酶量有著直接的聯系，因此，提高菌體量從某一角度來說就是在提高二羥基丙酮的產量。有學者曾做過實驗，從10株氧化葡萄糖酸桿菌中選出產量最高的遺囑，經過對多種發酵因素進行培養，其菌體量最多能夠達到4.3×1010/mL。目前為了能夠獲得更多的活細胞數，已經出現了很多種提高細胞活力與濃度的方案，其中具有代表性的就是固定化發酵工藝。

3固化發酵工藝

利用固定化發酵工藝能夠讓細胞的回收更加便利，同時還能降低產物在回收與純化時的難度，并且這種工藝對于二羥基丙酮的生產來說，能夠降低產物與底物抑制對細胞造成的損害。被固定化的細胞同游離狀態下的細胞相比，擁有更加優秀的氧化能力。有學者將氧化葡萄糖酸桿菌固定在PVA中，進行二羥基丙酮的發酵實驗。其結果表明，進行轉化的最佳條件為PH6.0和30℃。固定化的細胞在高活性下維持了14天，其活力僅喪失了10%。通過在1.5L的攪拌反應器中不斷的通過固定化細胞將甘油轉化為二羥基丙酮，其轉化率平均為86%。雖然是在高剪切力的環境中，但是通過五次轉化后其載體在形狀上仍沒受到任何影響。雖然固定化發酵工藝具有獲得的細胞濃度高、單位容積產率高、遺傳穩定性強、易于和產品進行分離與純化等眾多優點。但是這種工藝仍舊存在著一些不足，如體系中氧氣傳遞受限等，雖然這一問題可以用過氧化氫來替代氧氣，并且能讓二羥基丙酮的產量提高20倍，但是對于改進、完善這種工藝的研究卻是不能懈怠的。

4二羥基丙酮的研究現狀

二羥基丙酮在醫藥與化工領域的應用前景是非常廣闊的，而微生物法在通過長時間的研究之后，也在生產工藝與菌種上都獲得了很大的進步。目前，二羥基丙酮的微生物法生產一般多分布于日本、美國、德國與英國，雖然我國在這方面并沒有實現大規模的工業化生產，但是對相關方面的研究卻也得到了長足的發展，其中以浙江工業大學的生物研究所研制出的微生物發酵法制備二羥基丙酮工藝為代表，該工藝目前已經有多批次的50L—100L的實驗經驗，并且開始準備進行產業化的初期試驗。

5總結

本文對微生物法生產二羥基丙酮的發展進行了簡要的介紹。通過微生物法來生產二羥基丙酮相比于其他方法要更有優勢，在二羥基丙酮的發酵與生產過程中最有價值的就是氧化葡萄糖酸桿菌。在發酵時，能夠對二羥基丙酮的產量造成影響的有底物、產物、氧氣以及菌體量等因素，而在多種發酵方式里，固定化發酵與反復流加工工藝的前途是最好的。而微生物法制備二羥基丙酮的具體發展方向就是對菌株的構建進行重組以及優化發酵工藝。

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