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1、微生物生产有机酸的市场研发,jjcui,Trends in Biotechnology Vol.26 No.2,简介,通过微生物发酵来获得有机酸是一种有效地从可再生碳源中获得基本化合物的方法，尽管对一些重要的有机化合物的生物合成路径尚不清楚，但是这并不会影响在大尺度上对微生物发酵生产有机酸的可能性。本文总结了近年来以柠檬酸（已成功市场化）、乳酸（市场逐渐成熟）和琥珀酸（潜力巨大，但尚未形成市场）为代表的有机酸的发展历程，以及其不同的发展阶段。,关键词,Bio-refinery（生物炼制）主要是利用农业废弃物、植物淀粉和木质纤维素为原料，生产各种化学品，染料和生物基材料Bio-diesel（生物
2、柴油）以油料作物、野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾为原料油通过酯交换工艺制成的可替代化石柴油的可再生性染料。化学法、生物酶法、工程微藻法,柠檬酸 从意大利柠檬到丝状真菌,丝状真菌黑曲霉菌是最早的高通量、低消耗地生产柠檬酸的微生物，近年来的年产量接近160万吨。不同于现在的筛选具有特性的微生物来生产目的产物，最初的生产方法却是榨取意大利柠檬的柠檬汁来用作原料生产柠檬酸。而这一方法一直沿用到发现黑曲霉菌为止。,一些至关重要的以经验为主的参数导致了用黑曲霉菌有效生产柠檬酸，这些经验包括了高底物浓度、低浓度的含氮量、高度的溶氧量和低的pH值。尽管这些参数的生理生化效用到现在都
3、属未知，但在当时的确十分有效的发展了柠檬酸产业。除了已经发展十分成熟的黑曲霉菌，另外还有用基因变异的酵母Yarrowia Lipolytica制造柠檬酸。Yarrowia Lipolytica 是将一个对异柠檬酸裂解酶活性编码的基因序列稳定地多重整合在酵母基因组中，其优点在于使不希望生成的副产物异柠檬酸明显减少。,乳酸,尽管人们对乳酸的使用可以追溯到上上个世纪，但是大规模、商业化的用微生物发酵生产乳酸的历史却并不很久。由于生产可降解的塑料，导致了对纯的乳酸生产的兴趣。2002年所生产的15万吨乳酸中的90%，都是由微生物发酵生产的来的。发酵用的乳酸菌具有复杂的营养需求和不同的糖发酵路径。不仅是
4、乳酸菌，还有丝状真菌米根霉也具有发酵积累乳酸的能力，能利用淀粉和木糖发酵产乳酸。,琥珀酸,目前来说，琥珀酸所占的市场份额比较小，仅有1.6万吨的年产。如果琥珀酸的价格能够更有竞争力，则能够替代石油衍生物马来酸酐，就能够拿到21.3万吨/年的市场份额。由于琥珀酸是许多化合物的前体物，市场份额可能达到远远超过21.3万吨的占有量。如果琥珀酸成为石油化学的替代品，将会有更广泛的用途。另外，值得注意的是，在琥珀酸的生成过程中能消耗CO2。,微生物发酵生产琥珀酸,方案一：通过大肠杆菌进行混合酸的发酵。方案二：从反刍动物的瘤胃中分离有产琥珀酸能力的厌氧微生物。但这种方法比较昂贵，营养条件比较复杂。方案三：
5、将从反刍动物瘤胃中分离出的Mannheimia succiniciproducens的产琥珀酸的相关基因引入到大肠杆菌中，将厌氧转为好氧，以发酵生产琥珀酸，但是这种方法生产的琥珀酸产量却比较低。方案四：丝状真菌，如简青霉（Penicillium simplicissimum）具有积累琥珀酸的能力。尽管简青霉的产量较细菌宿主要少，但真菌的培养要更为简单可行。,琥珀酸作为各种化学物的前体,1,4-二氨基丁烷二盐酸盐,四氢呋喃,2-吡咯烷酮,r-丁内酯,N-甲基吡咯烷酮,二甲基琥珀酰,琥珀腈,1.4-丁二醇,有机酸市场的开发到成熟,柠檬酸和乳酸的生产主要取决于天然微生物发酵。因此，选择合适的菌株和优
6、化反应条件是发展这一市场的最佳途径。琥珀酸的市场尚未发展成熟，最有可能的突破是在运用生理生化方法改良催化酶系统方面。现阶段，研究主要聚焦于代谢工程的改良方面，因为在其他如生物加工和菌株改良方面都鲜有突破。在下一阶段，研究的主要方向在于运用细胞生理代谢操作通过如优化底物继而纯化产物方面。最终的目的都是要通过代谢工程的手段得到更多的有机酸。,高浓度的柠檬酸有强烈抑制糖酵解的作用，但是在培养基中加入一定比例的铵能缓解这种抑制作用。通过转录后修饰，将pfk修饰成对高浓度柠檬酸不敏感且具有高催化效率的酶，以达到积累柠檬酸的作用。,以柠檬酸为例,在乳酸菌发酵生产乳酸的产业中，有三个问题增加了纯化过程中的费用。pH值：在整个发酵过程中，要求培养基始终处于pH5-7的范围内。这是由菌的生长特性能够所决定的。培养基的配方中如酵母提取物，导致培养液中的成分复杂，不利于提纯。其他附产物如琥珀酸也伴随产生，既消耗了培养基的营养有增加了提纯的难度。,总结,代谢工程能帮助解决在发酵生产有机酸中的一些实际问题，如限制副产物、拓宽碳源的利用范围。在未来的研究中，主要精力放在产物对复杂细胞过程的影响和细胞之间相互关系的应用上。另外，细胞合成网络的研究也是必不可少的一项重要计划。,Thanks!,
