丁酸的生產應用研究進展

劉瑾，張朝正，趙華

(天津科技大學 生物工程學院，天津 300457)

丁酸(butyric acid)又被稱作酪酸，為油狀無色液體，具有濃烈的腐臭刺激性氣味，易溶于水和大部分有機溶劑。天然丁酸主要由丁酸梭菌屬()、丁酸弧菌屬()、酪酸桿菌屬()、八聯(lián)球菌屬()和梭桿菌屬()等產生。丁酸的應用具有很強的廣泛性：在醫(yī)學上，丁酸及其鹽類物質對腸道具有修護作用，同時具有預防和治療結腸癌、腸道菌群紊亂、急慢性腹瀉、潰瘍性結腸炎等功能；在食品上，丁酸作為風味品，加入食物中使食物具有更好的感官體驗；在飼料上，丁酸作為飼料添加劑，食用添加丁酸的飼料可以使牲畜獲得更高的營養(yǎng)價值并且提高免疫力。目前，丁酸的生產方式有兩種：化學合成法和微生物發(fā)酵法。在工業(yè)上丁酸主要是通過化學合成法來生產，化學合成法對環(huán)境污染嚴重且石油消耗嚴重，不符合現(xiàn)在綠色環(huán)保的理念，微生物發(fā)酵法相對于化學合成法對環(huán)境污染少更加符合可持續(xù)性發(fā)展的方向。微生物發(fā)酵法產率低、廢液難處理，但是丁酸的使用增加，導致丁酸的需求大大提高。因此，微生物發(fā)酵法發(fā)酵丁酸得到了大家的普遍關注。本文從丁酸的化學、生物合成途徑及其生產代謝機制、丁酸的應用進展方面進行了綜述，旨在為其生產應用研究提供參考。

1 丁酸的生產

1.1 正丁醛氧化法

正丁醛氧化法生產丁酸，是以正丁醛為原料，以氧氣或空氣作為氧化劑，催化劑有無均可的一種生產方法。利用工業(yè)氧氣在無催化劑的條件下用正丁醛生產正丁酸，最佳反應溫度為55～60 ℃，反應時間為6～7 h，氧氣流量為10.8～11.8 L/h，反應液中正丁酸質量分數(shù)為82%～86%時停止反應。

以正丁醛為原料加入反應器中，加熱，并通入氧氣。正丁醛先與氧氣氧化生成氧化正丁酸，生成的氧化正丁酸再與正丁醛反應生成正丁酸，并伴隨著副產物酸酐、正丁醛深度氧化物氧化碳以及二氧化碳。

1.2 正丁醇氧化法

以正丁醇為起始原料，中間產物為正丁醛，終產物為正丁酸。該方法雖然轉化率和選擇性都比較高，但催化劑回收率低、成本過高。因此，尋找一種簡單、綠色、高效、低成本的正丁醇直接氧化制備正丁酸的方法一直是研究的熱點。一種新型環(huán)保催化材料TS催化劑的成功合成及其在多種催化領域的成功應用引起了廣泛關注。

以TS分子篩為催化劑，HO為氧化劑，催化氧化正丁醇制備正丁酸是新開發(fā)的合成路線。最佳合成工藝條件:W(TS)/n(正丁醇)為6.1 g/mol，n(正丁醇)與n(HO,30%)的比例為1∶3，最適反應溫度90 ℃，最優(yōu)反應時間12 h；最終正丁醇的轉化率可達到100%，選擇性則在99.5%以上。將TS分子篩、HO和正丁醇加入氧化反應器中，氧氣經(jīng)氣體質量流量計測量后從反應器底部進入，與正丁醛發(fā)生氧化反應。最終氣體冷凝，達到氣液分離的效果后排放尾氣。反應結束后將物料冷卻，即可取樣分析。

雖然正丁醛氧化法制備丁酸的工藝簡單，但是正丁醇氧化法制備丁酸具有更高效、清潔、低成本、產率高等優(yōu)點，且催化劑可回收重復利用，在化學生產上被廣泛利用。

1.3 丁酸梭菌發(fā)酵生產丁酸

丁酸梭菌又被稱作酪酸菌，屬于專性厭氧菌革蘭氏陽性，對高溫、高鹽、強酸等惡劣環(huán)境的耐受性強，對極少數(shù)抗生素敏感。丁酸梭菌是產丁酸的主要菌株，丁酸梭菌培養(yǎng)簡單且丁酸產率高，因此丁酸梭菌是產丁酸的最優(yōu)菌株。研究丁酸梭菌用葡萄糖作為碳源，主要代謝產物為丁酸，副產物乙酸，還伴有少量乳酸和乙醇，代謝途徑見圖1。

圖1 丁酸梭菌發(fā)酵產丁酸代謝途徑Fig.1 Metabolic pathway of butyric acid production by Clostridium butyricum fermentation

以葡萄糖為底物時，葡萄糖經(jīng)EMP反應途徑分解生成丙酮酸、NADPH和ATP。生成的丙酮酸一部分在乳酸脫氫酶的催化下生成乳酸和NADPH，另一部分丙酮酸在丙酮酸脫氫酶的作用下生成乙酰CoA，然后乙酰CoA又參與乙酸、乙醇、丁酸的反應。在乙酸代謝通路中，乙酰CoA在磷酸轉乙酰酶的作用下生成乙酰磷酸，之后催化生成乙酸；在乙醇代謝通路中，乙酰CoA在丙酮酸脫氫酶催化下生成乙醛再生成乙醇。丁酸合成途徑主線路乙酰CoA在硫解酶的作用下生成乙酰乙酰CoA，乙酰乙酰CoA經(jīng)β-羥基丁酰CoA脫氫酶生成β-羥基丁酰CoA，巴豆酸酶將β-羥基丁酰CoA轉化為巴豆酰CoA，然后在丁酰CoA脫氫酶的作用下生成關鍵前體物質丁酰CoA，前體物質丁酰CoA在各種催化下最終形成丁酸。

Ai等研究了一種利用不確定混合培養(yǎng)法從稻草中生產丁酸的最佳pH范圍和緩沖劑補料的方法。結果表明，中性pH提高了稻草轉化率，從而提高了羧酸產量。在pH值6.0～6.5的范圍內實現(xiàn)了最高的丁酸產量。這項研究提出了一種使用不添加纖維素酶的木質纖維素生物質生產丁酸的替代方法。

主要從3個方面改進丁酸梭菌以提高丁酸產量：提高底物利用率，增強菌體耐受性以及促進丁酸代謝流。提高底物利用率可以用蔗糖代謝途徑解決；增強菌體耐受性可以利用過表達基因的菌株進行固定化細胞補料分批高產；抑制乙酸支路代謝可以促進丁酸代謝流。

丁酸梭菌作為新的微生物發(fā)酵代替產品，如何進一步提高發(fā)酵速率，降低發(fā)酵成本，擴大應用范圍是目前我們急需解決的難題，丁酸梭菌生產丁酸的研究在我國處于初始階段，其開發(fā)研究空間廣闊。

1.4 用生物強化反應器發(fā)酵生產丁酸

可持續(xù)性最強、最環(huán)保的丁酸生產方法就是生物發(fā)酵法，但是低產量和高基質成本限制了該工藝與化學合成方法的競爭。

邵享文等的研究通過誘導丁酸梭菌和其他生物混合培養(yǎng)提高丁酸的產量，采用厭氧序批式反應器(anaerobic sequencing batch reactor，ASBR，一種生物強化和控制的裝置)在35 ℃、pH 10的條件下運行，以乳品工業(yè)廢水為基質。丁酸梭菌的生物強化使丁酸產量(COD)從(260±36) mg/L增加到(2889±180) mg/L，總揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)產量(COD)從(1434±217) mg/L增加到(4642±1778) mg/L。實驗證明混合培養(yǎng)物在丁酸生產方面比純培養(yǎng)物具有更好的性能，能獲得更高的丁酸濃度。以丁酸為碳源進行馴化，并通過調控氫分壓構建兩類丁酸氧化互營產甲烷菌群，利用qPCR技術對馴化過程中污泥微生物群落結構的變化進行了分析，并比較兩類培養(yǎng)物對酸化ASBR恢復的生物強化效果。最終結果表明，比產甲烷活性(specific methanogenic activity，SMA)均大幅度提高。

生物強化反應器可通過多種方式強化丁酸的生產，多菌種聯(lián)合發(fā)酵提高微生物對廉價基質的利用度，降低生產丁酸的成本，取得了令人欣喜的研究成果。

1.5 生物電化學系統(tǒng)(bio-electrochemical system，BES)產丁酸

Logan研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)BES研究最初集中于通過生物電化學氧化微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)中的有機底物來產生電能，其中以固體電極作為電子受體。研究表明，通過在電極之間施加電勢將有機底物(如短鏈羧酸鹽)轉化為化學產品比生產電力具有更大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。這種方法通過使用恒定電位儀在MFC的電極之間施加電勢，克服了陰極反應的熱力學限制。使用基于膜的BES從復雜的有機廢物中生成有價值的產品，將陰極的產物形成與陽極的底物氧化分離是其獨有優(yōu)勢。

Arbter等研究了電發(fā)酵(electric fermentation，EF)對環(huán)狀紅孢酵母()脂質生產的影響，陰極電發(fā)酵(cathode electric fermentation，CEF)和陽極電發(fā)酵(anode electric fermentation，AEF)都對脂質產量和生產能力存在積極影響。使用氧化還原介質——中性紅進行額外的CEF培養(yǎng)，飽和脂肪酸的比例大幅增加(從37%增加到50%)，這項工作表明EF存在提高、改善微生物生產發(fā)酵產物的極大潛力。

2 丁酸的應用

2.1 丁酸作為飼料添加劑

丁酸可降低環(huán)境的pH，改變菌群的生長環(huán)境，影響其他菌群的生長繁殖，維持腸道菌群的平衡，改善腸道的消化吸收功能。研究表明，在日糧中添加竹葉黃酮、丁酸鈉能夠提高仙居雞的產蛋率和平均蛋重，降低平均日采食量和料蛋比，提高雞蛋蛋白高度和哈夫單位，降低蛋黃比例，對平均日增重和料重比的影響較小，且能改善仙居雞的免疫與抗氧化功能，調節(jié)機體脂質代謝。丁酸鈉作為能量來源，可刺激肉雞腸道上皮細胞增殖并改善腸道黏膜形態(tài)，促進絨毛生長和腸道組織發(fā)育。丁酸鈉具有腸道保護和抗菌作用，可增強腸道完整性，促進營養(yǎng)物質的消化吸收，提高免疫力和抗病力。在飼料禁抗的背景下，對抗生素替代品丁酸鈉的研究和應用就顯得非常重要，該研究為丁酸鹽在肉雞飼料中替代抗生素提供了科學依據(jù)。

研究丁酸梭菌的生物學功能及其在肉雞生產中的應用，為丁酸梭菌更好地應用于家禽生產提供了參考。丁酸梭菌作為飼料添加劑，具有促進機體腸道有益菌群增殖，抑制有害菌群生長繁殖的保健功能；同時為腸道上皮組織細胞的再生和修復提供了營養(yǎng)物質；改善了腸道菌群的形態(tài)和結構；抑制了機體的炎癥反應，增強了動物機體免疫力和抗氧化等生物學功能。

2.2 丁酸作為食物調味品

調味品作為人們日常飲食生活中不可缺少的成分，是多種微生物共同作用的結果。隨著現(xiàn)代飲食習慣的改善，人們越來越重視食品的健康效應。因此，開發(fā)功能性調味品已成為調味品行業(yè)的發(fā)展趨勢。

丁酸的酯類具有愉快的水果香味，被用作食品添加劑和香精，如丁酸甲酯有蘋果香味，丁酸乙酯可用于食用香精配方中，用于調配多種果香型香精和其他香型香精。丁酸異戊酯有雪梨香味，丁酸丁酯有香蕉和菠蘿似的香韻，丁酰胺類化合物有辣椒味。日用香精中還有丁酸芳樟酯。丁酸能抑制巴氏桿菌、大腸桿菌等腸道有害菌生長，促進腸道其他益生菌的生長。

2.3 丁酸作為化學原料

丁酸是重要的化工原料之一，丁酸的纖維素酯衍生物用于噴漆和模塑，它們具有優(yōu)異的耐熱性、耐光性和防潮性，丁酸纖維素可溶于多種溶劑，與醋酸纖維素相比，與樹脂和塑料混合的能力更強，并且具有高度的防潮性。

丁酸纖維素酯同時還具有優(yōu)良的成形性能和尺寸穩(wěn)定性，這類塑料適用于干擠，即使加工較長的物件也能保證形態(tài)的完好，常被用于制造牙刷柄、建筑紙板、扶手、彩色閃光燈罩、按鈕、儀表外殼、安全帽、眼鏡和消防器材等日用品。

2.4 丁酸在醫(yī)藥方面的應用

研究人員檢測了酪酸梭菌的主要代謝產物氫氣和丁酸對損傷胃黏膜的效應，探究黏膜保護作用的具體機制。胃組織大體觀測發(fā)現(xiàn)丁酸能夠保護胃黏膜，而氫氣不具有此作用；蘇木精-伊紅染色法(hematoxylin-eosin，HE)也表明丁酸能夠顯著改善乙醇造成的胃黏膜病理損傷。對酪酸梭菌聯(lián)合復方丁香羅勒混懸劑治療小兒輪狀病毒性腸炎的臨床療效研究表明，小兒輪狀病毒性腸炎應用酪酸梭菌聯(lián)合復方丁香羅勒混懸劑治療，效果顯著，可以在臨床上進一步實踐和推廣應用。

3 展望

現(xiàn)階段工業(yè)生產丁酸的主要方法是以正丁醇為關鍵原料的催化氧化法。雖然產率高、純度高，但由于工藝過程相對復雜、能耗高、對環(huán)境危害大，該法正面臨挑戰(zhàn)。丁酸梭菌產丁酸是目前微生物發(fā)酵最有效的方法，但該方法還有可以改進的方面，給接下來丁酸梭菌更高效產丁酸提供了思路。丁酸的微生物發(fā)酵生產的優(yōu)化和生物強化反應器的開發(fā)為丁酸的發(fā)酵生產提供了新途徑。鑒于目前我國資源短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀，利用可再生能源秸稈，引入電場輔助發(fā)酵機制制備丁酸的方法已引起廣泛關注。生物發(fā)酵方法具有原料可再生、環(huán)境污染小的特點，可以減少丁酸生產對石化資源的依賴，為丁酸的綠色生產提供了一種潛在的可行方法，但該方法尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產，關鍵在于工藝條件的整體優(yōu)化以及大規(guī)模生產的工程化開發(fā)。

在應用方面，丁酸是一種具有重要用途的原料，現(xiàn)已在化工、食品、飼料、醫(yī)藥等領域得到了廣泛的應用。丁酸在聚合物材料制備和應用方面已取得很好的進展，其中醋酸丁酸纖維素酯是一種代表性產品。丁酸在醫(yī)護方面也具有廣泛的市場前景，如制備一系列衍生物在腸胃保護等方面具備醫(yī)療價值。丁酸的生產應用將具有一定的學術和研究價值。