[發明專利]一種通過微生物催化乳酸合成己酸的方法

在審

• 申請號: 201410593446.X
• 申請日: 2014-10-29
• 公開（公告）號: CN104357496A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 陶勇;朱曉宇;何曉紅;李大平
• 申請（專利權）人: 中國科學院成都生物研究所
• 主分類號: C12P7/40
• 分類號: C12P7/40;C12R1/145
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及環境生物工程與發酵技術領域，具體涉及一種生產己酸的方法，特別是通過微生物催化乳酸合成己酸的方法。

技術背景

己酸(n-caproate)為含有六個碳原子的中鏈脂肪酸(C₅H₁₁COOH)，疏水性強，能量密度高，是一種重要的化工原料，可直接用于動物飼料、綠色抗菌劑和緩蝕劑生產。其酯類產品廣泛應用于食品香料、樹脂、橡膠、制藥等工業。此外，己酸是生物燃料的合成前體，可以通過有機化學的方法間接轉化為生物柴油或噴氣燃料。

已酸的生產方法可分為化學合成、天然產物(如椰子油等)提取和微生物催化三種。己酸的商業化生產主要是基于石油為原料的化學合成。受石油資源日益短缺和環保要求不斷提高的影響，這一方法將遇到挑戰；此外，隨著己酸及其衍生物應用領域的擴大，石油來源的己酸產品的應用受到了越來越多的限制，特別是在食品和醫藥等健康領域。天然產物提取的己酸更加健康和安全，但是卻受到原料、地域等諸多因素的限制，因而難以推廣。相比于前兩種方法，微生物催化合成己酸，采用的是安全的可再生資源作為原料，其產品也不存在應用領域的限制，生產過程也不受原料來源等地域限制，因而具有更好的價值和可持續發展的工業化潛力。

微生物催化產己酸是一個碳鏈延長過程，即微生物通過β氧化的逆反應途徑對短鏈脂肪酸C₂-C₄，進行碳鏈延長，合成中鏈脂肪酸(C₆—C₈)。自然界中只有極少數微生物具有碳鏈延長功能，主要為梭菌屬(Clostridumsp.)和真桿菌屬(Eubacteriumsp.)的一些種。研究最多和最為深入的是克氏梭菌(Clostridium?klyuveri)，該菌通過乙醇氧化和逆β氧化途徑的結合，以乙醇為電子供體，乙酸為電子受體合成己酸(The?Synthesis?of?Butyric?and?Caproic?Acids?from?Ethanol?and?Acetic?Acid?by?Clostridium?Kluyveri.Proc?Natl?Acad?Sci?U?S?A.1945Dec；31(12):373–381.)。其代謝過程可概括為三個偶聯反應，乙醇氧化為乙酸，乙酸與乙醇結合形成丁酸，最后丁酸與乙醇結合形成己酸。雖然微生物催化生產己酸是一種清潔能源技術，但是卻存在兩個重要的限制因素：

1、底物單一化，選擇性差。現在已報道的最為合適的底物(電子供體)是乙醇，在合成過程中需要外加乙醇，因而適用范圍有限，并且增加了合成成本。氫氣理論上也可以作為電子供體，但是由于氫氣的安全性以及低溶解度不利于己酸合成，并且氫氣本身價格較高，所以此類研究甚少；雖然也有少數的細菌，如Megasphaera?elsdenii?T81和Clostridium?sp.BS-1，可以通過葡萄糖或者半乳糖醇的發酵合成己酸，但是由于細菌發酵產物復雜以及代謝途徑未知而不具備工業化應用的前景(Weimer?P.J.&Moen?G.N.Quantitative?analysis?of?growth?and?volatile?fatty?acid?production?by?the?anaerobic?ruminal?bacterium?Megasphaera?elsdenii?T81.Appl?Microbiol?Biotechnol.2013,97:4075–4081；Byoung?Seung?Jeon&Byung-Chun?Kim&Youngsoon?Um&Byoung-In?Sang?Production?of?hexanoic?acid?from?D-galactitol?by?a?newly?isolated?Clostridium?sp.BS-1Appl?Microbiol?Biotechnol.2010,88:1161–1167)。

2、終產物的抑制效應使己酸濃度的提高存在困難。由于己酸對微生物具有較大的毒性，濃度較高時會抑制微生物的生長和活性。尤其是當環境pH接近或者低于己酸的解離常數(pKa＝4.8)時，溶液中未解離己酸及其生物毒性會大幅提高。由于己酸的抑制作用，在合成過程中己酸濃度達到一定水平(已報道的最高濃度為12.6g/L)就難以繼續提高。這就增加了后期的提取成本，不利于微生物催化合成己酸技術的工業化應用。

3、厭氧產甲烷會造成底物分流和降低氫分壓，使產己酸效率下降。加入抑制劑可抑制甲烷產生，但價格昂貴，不適于工業化應用。