微生物发酵生产二羟基丙酮的应用研究进展

微生物发酵生产二羟基丙酮的应用研究进展

李

尧

（西南石油大学，成都６１０５００）

摘要：二羟基丙酮及其衍生物作为一种重要的化工、生化原料，在精细化工、制药、食品、化妆品工业和水质净化

等方面潜在广泛的应用前景。本文介绍了近年来发酵法生产二羟基丙酮及其应用研究的进展，并对二羟基丙酮的应用前景进行了展望．

关键词：微生物发酵；二羟基丙酮（ＤＨＡ）中图分类号：ＴＳ２０１．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７１－６８９２（２００７）０５－００２０－０００４

ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＤｉｈｙｄｒｏｘｙＡｃｅｔｏｎｅｔｈｒｏｕｇｈ

ＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

ＬＩＹａｏ

（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅａｎｄｉｔｓｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｏｒｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｐｈａｒｍａｃｙ，ｆｏｏｄ，ｃｏｓｍｅｔｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ．Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅ（ＤＨＡ）

收稿日期：２００７－０８－３１

四川食品与发酵

ＳｉｃｈｕａｎＦｏｏｄａｎｄＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ

二羟基丙酮（ｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅ，ＤＨＡ）是一种水溶性的最简单酮糖，其衍生物是有机化学合成中非常重要的一类中间体。由于二羟基丙酮及其衍生物作为一种重要的化工、生化原料，在精细化工、制药、食品、化妆品工业和水质净化等方面潜在广泛的应用前景，因此受到国内外研究者广泛重视。本文就国内外ＤＨＡ生产应用研究进展作一介绍，为

ＤＨＡ生产和应用研究者提供一定的参考。１

二羟基丙酮生产方法

ＤＨＡ的生产方法主要有化学合成和微生物发

酵两种方法。

１．１化学合成法

最常见的二羟基丙酮化学合成方法主要有一

溴丙酮酯化醇解法和１，２－丙二醇的氧气或Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７／Ｈ２ＳＯ４氧化法两种。前者反应条件温和、

合成用生产设备要求低且简单、产品收率高、产品纯度高，但主原料一溴丙酮的价格导致生产成本过高是该方法的最大缺点；后者与前者刚好相反，反应条件及设备要求高、需要用昂贵的金属催化剂、产品收率不高，但原料成本低并可连续化或半连续化生产。

第４３卷（总第１３９期）李尧微生物发酵生产二羟的丙酮其应用研究进展

１．２微生物发酵法

与化学合成法相比，微生物发酵生产ＤＨＡ具有专一性强、反应条件温和、底物利用率高、生产工艺相对简单、副产物少，同时微生物发酵制备的ＤＨＡ可应用于食品和医药工业领域等优点，成为人们研究的重点。

１．２．１生产二羟基丙酮的微生物

微生物转化甘油生产ＤＨＡ的机理就是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶，使甘油分子结构中２位Ｃ上的羟基进行脱氢反应，生成ＤＨＡ。因此凡是能够利用甘油，并且具有相应的甘油脱氢酶系的微生物，都可以转化甘油生产ＤＨＡ。但是具有生物转化ＤＨＡ工业价值的微生物主要是醋酸杆菌、葡萄糖酸杆菌、酵母和脉孢菌等，其中醋酸杆菌属的氧化葡萄糖酸杆菌（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ）是工业发酵生产ＤＨＡ的重要菌种［１］。

１．２．２氧化葡萄糖酸杆菌及其酶系

氧化葡萄糖酸杆菌是一种专性好氧的Ｇ－菌，属于醋酸杆菌科（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒａｃｅａｅ）。在麦芽汁琼脂和酵母膏葡萄糖琼脂平板上的菌落呈圆形，乳白到微黄色，有时中央变褐或周围带黄色。在酵母膏葡萄糖酸琼脂上生长良好，形成或不形成５－酮基葡萄糖钙结晶。在含酵母膏、乙醇、ＣａＣＯ３琼脂上生长良好，并产生乙酸，溶解ＣａＣＯ３，平板上呈透明圆圈。其生长最适温度２５℃～３０℃，最适ｐＨ５．５～６．０。

氧化葡萄糖酸杆菌含有多种酶类，有些酶可以催化氧化一系列底物。Ａｓａｋｕｒａ［２］等研究发现，Ｇ．ｏｘｙｄａｎｓ中的葡萄糖脱氢酶、葡萄糖酮酸脱氢酶和醛糖脱氢酶都能够作用于多种化合物，而且Ｇ．ｏｘｙｄａｎｓ中几乎所有的葡萄糖脱氢酶活性及一半的葡萄糖酮酸脱氢酶活性来源于Ｌ－山梨糖／Ｌ－山梨酮脱氢酶。同时大多数的此类酶位于细胞膜上，只有少数在细胞浆中，在催化底物反应过程中无需底物和产物的透膜运输，大大提高了其应用价值，因此，氧化葡萄糖酸杆菌广泛应用于二羟基丙酮、维生素Ｃ、Ｄ－葡糖酸等工业化生产，具有非常高的工业价值。１．２．３发酵法生产二羟基丙酮的碳源、氮源

Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ转化甘油生成ＤＨＡ分初级、次级两个发酵阶段。初级发酵阶段以培养足量的菌体，用于次级发酵转化甘油生成ＤＨＡ为目的。Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ能利用单糖或者糊精作为碳源，尤其是山梨醇，甘露糖醇，果糖和葡萄糖，其中山梨醇发酵效果最好。在菌体生长阶段的初级发酵阶段，要尽量避免甘油作为一个能量来源和碳源，防止二羟基丙酮的形成。因为二羟基丙酮产物的存在会抑制菌体的生长，影响次级发酵甘油转化生产ＤＨＡ。

初级培养阶段最好氮源是酵母膏，当然其它已知氮源，如氨基酸、玉米浆等也可以作为氮源，用于发酵生产ＤＨＡ。大量实验结果显示酵母膏的最适含量在３ｇ／ｌ～６ｇ／ｌ之间。

１．２．４甘油初始量

在微生物的转化甘油合成ＤＨＡ的整个过程中，发酵液中甘油和ＤＨＡ的含量对发酵产量起着决定性的作用。在生产过程中，如果甘油初始量越高，早期积累的二羟基丙酮越高，则菌体繁殖会受到不可逆转的抑制，经过大约２０ｈ－３０ｈ之后，菌体生长的能力就会减弱，甚至停止生长，菌体转化甘油生成ＤＨＡ能力随之减弱或停止。所以甘油的初始量一般不能过高。发酵液中转化甘油的含量一般为５％～２０％。

１．２．５影响ＤＨＡ发酵的其他因素

Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓ转化甘油生产ＤＨＡ的ｐＨ适宜范围大约在３．８～４．８之间，而最适ｐＨ为４．０～４．５。ｐＨ的调节通常是在发酵培养基中添加钙氧化物来解决，而且低浓度钙离子的存在，促进甘油脱氢酶转化甘油生产ＤＨＡ。钙离子的浓度在１ｇ／ｌ～５ｇ／ｌ之间较好。发酵温度在２８℃～３４℃范围内，最适发酵温度３０℃～３２℃。

近年来，国内研究者对发酵法生产ＤＨＡ的工艺进行了一些有意的探索。冯屏［３］等在间歇培养基础上，利用膜生物反应系统进行连续发酵制取二羟基丙酮。考查了不同甘油浓度、培养基组分和流速对于连续发酵中菌体生长特性和二羟基丙酮产率的影响。结果表明：甘油浓度为６０ｇ／ｌ、玉米浆和蛋白水解液浓度为０．５ｇ／ｌ、稀释率为０．０６７ｈ－１时，菌体积累、甘油转化率和体积产率均较高，最长连续发酵持续时间为４００ｈ。

冯屏［４］等利用在非生长培养基中弱氧化醋酸杆菌（ＡｃｅｂｏｂａｃｔｅｒＳｕｂｏａｘｙｄａｎｓ）静止细胞发酵甘油制备ＤＨＡ。通过改变培养条件，研究了影响静止细胞氧化特性的因素。结果表明，处于非生长期的弱氧化醋酸杆菌表现出稳定的高氧化活性，ＤＨＡ转化周期缩短，获得了较高产率。此外考察了弱氧化醋酸杆菌静止细胞在重复利用多批次发酵中的氧化稳定性，经重复利用９个批次后，菌体细胞仍保持较高的氧化

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２００７年第５期四川食品与发酵

活性。当甘油浓度为６０ｇ／ｌ时，ＤＨＡ总产量可达４９．１６ｇ，甘油平均转化率为９１％，体积产率为８．９７ｇ／（Ｌ．ｈ），较生长细胞培养提高１０～１５倍。

１．２．６发酵产物ＤＨＡ提取

由于发酵终产物二羟基丙酮与反应物甘油在化学结构及物理性质上的相似性，使得从发酵液中分离纯化ＤＨＡ比较困难，目前国内外报道有关ＤＨＡ发酵产物提取方法有直接浓缩结晶，溶剂萃取和膜分离等方法。

美国专利（专利号５，７７０，４１）采用直接浓缩结晶法，在２ｌ发酵溶液中加入２２ｇ碳酸钡，搅拌１５ｍｉｎ后，添加助滤剂（如活性炭、阳离子树脂等）除去菌体、色素和蛋白质等杂质，最后再通过强阳离子交换树脂收集洗脱液，在真空下直接浓缩结晶后得到１７６ｇＤＨＡ产物。但该方法要反复洗脱，生产周期较长。

美国专利（专利号４，０７６，５８９）介绍了通过溶剂萃取法分离二羟基丙酮，在发酵液中加入阳离子酰胺，考虑到双羟基化合物可与醛类发生可逆缩醛反应而将羟基屏蔽，得到的化合物的亲水性大大降低，可使用普通物理萃取将缩醛反应的产物分离，再通过可逆水解得到富集和纯化后的双羟基化合物，最后通过膜分离反应器１００℃减压分离，蒸干后得到二羟基丙酮结晶。

冯屏［３］等利用膜生物反应器（ＭＢＲ）连续发酵制取二羟基丙酮，通过膜的选择性滤过作用，即时引出产物，使菌体和产物ＤＨＡ随时实现分离，避免了产物ＤＨＡ在菌体细胞周围的高浓度积累，消除了产物对菌体的抑制。可使生物转化的平衡反应向所需方向移动从而获得较高的催化稳定性，得到不含细胞的澄清透过液，使反应和分离同时进行，大大简化了后续分离纯化过程。

２二羟基丙酮应用

二羟基丙酮是一种天然存在的酮糖，具有生物可降解性，可食用且对人体和环境无毒害；其化学性质活泼，是一个重要的化学合成中间体，也是一种具有多种功能的添加剂，广泛用于食品、医药、化妆品和化学合成工业。

２．１用于保湿防晒化妆品

二羟基丙酮最大特点之一就是具有极强的防晒性，利用这一特性，国外已成功开发了各种保护皮肤效果极佳的化妆液。这种新型化妆液除了与许多传统化妆液一样，能在皮肤上形成薄膜防止水分蒸发外，ＤＨＡ进入皮肤深层后，还能起到防紫外线灼伤皮肤的功效。

２．２用于治疗白斑、白癜风

白斑影响美容，研究表明用０．２％～５％二羟基丙酮酒精溶液涂于患部，可使其接近正常皮肤。另外，在白癜风白斑处搽二羟基丙酮复合液（二羟基丙酮２．０ｇ，维生素Ｂ２００ｍｇ，二甲基亚砜１００ｍｌ），照射Ｈｅ－Ｎｅ激光１０ｍｉｎ，治疗处重搽二羟基丙酮复合液，其治疗白癜风总有效率达９２．５％以上。

２．３ＤＨＡ抗病毒作用

二羟基丙酮可直接作为一种抗病毒试剂，如在鸡胚胎培养中，使用ＤＨＡ能大大抑制鸡瘟病毒的感染，杀死５１％～１００％的鸡瘟病毒。以ＤＨＡ为中间体在合成相应的衍生物，可具有抗艾滋病病毒的作用。

２．４ＤＨＡ抗肥胖作用

Ｓｔａｎｋｏ［５］等就正常膳食中长期添加ＤＨＡ和丙酮酸对小鼠机体组成成分影响研究结果表明，实验组鼠体重增加明显减少。尸检发现实验组鼠体脂含量比对照组低３２％，而两组鼠的蛋白质和水含量没有显著差异，实验鼠粪便热量损失没有增加，机体代谢率和血甲状腺素水平上升，而脂肪合成速率和血浆胰岛素浓度下降。因此，实验组鼠体重的减少可能是由于储存脂类消耗增加，并以热能形式散失所致。以猪为实验对象，也获得了同样的结果。

Ｓｔａｎｋｏ等［６］研究在饮食中补充ＤＨＡ对食用低热量膳食的肥胖女性的影响，结果发现：对照组受试者体重和体脂分别平均下降５．６ｋｇ和３．５ｋｇ，而ＤＨＡ补充组受试者体重和体脂分别下降６．５ｋｇ和４．３ｋｇ；两者的体重和体脂下降都具有统计学上的差异。２．５促进猪瘦肉的增长

日本科技人员经过试验证明，猪饲料中加入４％的二羟基丙酮和丙酮酸盐（钙盐）的混合物（按３：ｌ的重量比配合），能减少猪肉的脂肪含量，增加瘦肉率。２．６用于二羟基丙酮衍生物的合成［７］

二羟基丙酮分子中含有三种官能团（两个羟基、一个羰基），化学性质活泼，广泛参与诸如聚合、缩合等各种化学反应，是一个重要的化学合成中间体。二羟基丙酮作为中间体用于有机化学合成衍生物时，可用于羟醛缩合反应制取各种手性化合物；经生物或化学法还原可得到具有光学活性的仲醇；直接用于光化学反应中的Ｄｉｅｌｓ－Ａｌｄｅｒ加成反应制备糖类化合物或经进一步反应用于该类加成反应；与卡宾发生插入反应；与２，２－二烷氧基环丙烷衍生

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第４３卷（总第１３９期）李尧微生物发酵生产二羟的丙酮其应用研究进展

物作用制备内酯；用于制备一些桥环化合物进而开环得到众多有用的环状化合物。

３二羟基丙酮商品规格

ＤＨＡ外观为白色粉末；具有特殊的臭味；熔点为７５℃～８０℃（单体和二聚物的混合物），虽然一般状态下是以二聚体（１，４－Ｄｉｏｘａｎｅ）形式存在的结晶，但是，经溶解或加热后则变为单体；可溶于水、乙醇、乙醚和丙酮中。大白鼠急性毒性：ＬＤ５０＞１６０００ｍｇ／ｋｇ。在市售的商品中，有医用级和化妆品级，商品规格表１所示［８］

由于二羟基丙酮及其衍生物在化工、制药、化妆品和食品工业上具有广泛用途，市场前景广阔。国外２０世纪６０～７０年代开始用生物转化法工业化生产ＤＨＡ，如日本的タイセル化学工业”公司，独自开发的用甘油发酵制备ＤＨＡ技术，早在２００１年日本国内产量就达到了大约为１．０×１０５ｋｇ／ｔ，其中５０％用做医药化工合成中间体，日本国内用做化妆品ＤＨＡ大约为１．０×１０４ｋｇ／ｔ。２００３年，日本ＤＨＡ医药级价格为４０００～５０００日元／ｋｇ，化妆品级价格为７０００～８０００日元／ｋｇ。タイセル公司在海外（德国）的主要厂商，年生产ＤＨＡ能力大约为１．０×１０６ｋｇ。

与目前国外已实现大规模工业化发酵生产ＤＨＡ相比较，从国内有关微生物发酵法生产ＤＨＡ报道来看［３、４、９］，发酵生产菌种的产率都不是很高，用于工业化生产相对来说成本一定会比较高，因此目前迫切需要选育ＤＨＡ高产菌种，提高甘油转化成ＤＨＡ效率，降低生产成本，早日实现国内工业化发酵生产ＤＨＡ，以满点国内外市场对ＤＨＡ的需求。

参考文献：

［１］ＢｏｒｉｅｓＡ，ＣｌａｒｅｔＣ，ＳｏｕｃａｉｌｌｅＰ．ＫｉｎｅｔｉｃｓｔｕｄｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅｆｒｏｍｇｌｙｃｅｒｏｌｕｓｉｎｇＧｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒｏｘｙｄａｎｓＰｒｏｃｅｓｓＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９１，２６：２４３－２４８．

［２］ＡｓａｋｕｒａＡ，ＨｏｓｈｉｎｏＴ．Ｉｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎｅｗｑｕｉｎｏｐｒｔｅｉｎｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，Ｌ－ｓｏｒｂｏｓｅ／Ｌ－ｓｏｒｂｏｓｏｎｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅＢｉｏｓｃｉ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｃｈｍ，１９９９，６３（１）：４６－５３

［３］冯屏，周家春，徐玉佩．膜生物反应器连续发酵法制取二羟基丙酮的研究．食品与发酵工业［Ｊ］．２００３，１２（２９）：４０－４３

［４］冯屏，周家春，严希康，徐玉佩，弱氧化醋酸杆菌静止细胞氧化活性的研究及１，３．二羟基丙酮的制备．食品与发酵工业［Ｊ］．２００５，６（３１）：２２－２６［５］Ｓｔａｎｋｏ，Ｒ．Ｔ．，Ｓ．Ａ．Ａｄｉｂｉ．Ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｏｆｌｉｐｉｄａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｅｎｅｒｇｙｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅｂｙｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｐｙｒｕｖａｔｅｅａｎｄｄｉｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅｔｏａｒａｔｄｉｅｔ．Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ［Ｊ］．１９８６，３５：１８２－１８６

［６］Ｓｔａｎｋｏ，Ｒ．Ｔ．ａｎｄＪ．Ｅ．Ａｒｃｈ．Ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｏｆｒｅｇａｉｎｉｎｂｏｄｙｗｅｉｇｈｔａｎｄｆａｔｗｉｔｈａｄｄｉｔｉｏｎｏｆ３ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｕｎｄｓｔｏｔｈｅｄｉｅｔｗｉｔｈｈｙｐｅｒｅｎｅｒｇｅｔｉｃｒｅｆｅｅｄｉｎｇａｆｔｅｒｗｅｉｇｈｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ＩｎｔＪｏｂｅｓ．Ｒｅｌａｔ．Ｍｅｔａｂ．Ｄｉｓｏｒｄｅｒｓ．１９９６，２０：９２５－９３０

［７］左华，赵宝祥，谭伟，等．１，３－二羟基丙酮衍生物的合成．有机化学［Ｊ］．２００４，３（２４）：３３１－３３３

［８］张育川．二羟基丙酮（ＤＨＡ）．精细与专用化学品［Ｊ］．２００３，２２：２１［９］郑裕国，张霞，沈寅初．微生物转化甘油生产１，３－二羟基丙酮的菌株筛选［Ｊ］．浙江工业大学学报，２００１，９（２）：１２４－１２７

医药级化妆品级性状白色粉末白色粉末

含量／％＞９４．０９８．０－１０２．０水溶液颜色／２５％＜５０Ｈａｓｅｎ＜５０ＨａｓｅｎｐＨ／５％水溶液３．０－６．０４．０－６．０重金属含量／％＜０．００１＜０．００１甘油，ＴＬＣ／％＜０．５＜０．５

烧灼余渣／％＜０．２＜０．２

水分／％＜０．５＜０．２

细菌总数，ＦＵ／ｇ－－－＜１００

表１二羟基丙酮质量规格

△对用高汤烹制的菜肴，不必使用味精。因为高汤本身已具有鲜、香、清的特点，使用味精，会将本味掩盖，菜肴口味不伦不类。

△对酸性强的菜肴，如糖醋菜，不宜使用味精。因为味精在酸性环境中不易溶解，酸性越大溶解度越低，鲜味的效果越差。

△在含碱性原料的菜肴中不宜使用味精，因为味精遇碱会化合成谷氨酸二钠，产生氨水臭味。

△味精使用时应掌握好用量，如投放量过多，会使菜产生苦涩的怪味，造成相反的效果，每道菜味精不应超过０．５ｍｇ。

△做菜使用味精，应在起锅时加入。因为在高温下，味精会分解为焦谷氨酸钠，即脱水谷氨酸钠，不但没有鲜味，而且还会产生毒素，

危害人体。