生物法制備有機(jī)酸研究進(jìn)展

劉晶晶，劉延峰，李江華，劉龍，堵國成，陳堅

江南大學(xué)生物工程學(xué)院，無錫 214122

生物法制備有機(jī)酸研究進(jìn)展

劉晶晶，劉延峰，李江華，劉龍，堵國成，陳堅

江南大學(xué)生物工程學(xué)院，無錫 214122

有機(jī)酸是一類重要的平臺化學(xué)品，因其在日常生活中的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多年的發(fā)展，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域日益擴(kuò)展且生產(chǎn)方法日趨成熟。主要總結(jié)了有機(jī)酸相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)的最新進(jìn)展，著重介紹了有機(jī)酸作為生物質(zhì)的高附加值產(chǎn)品，其生物法生產(chǎn)的發(fā)展?fàn)顩r及目前的研究成果。

有機(jī)酸；生物基產(chǎn)品；生物催化；微生物發(fā)酵；代謝工程

石化行業(yè)長久以來深刻影響著人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。自工業(yè)革命開始，主要依賴于化石資源的各種有價值的化學(xué)品的市場需求持續(xù)增長，導(dǎo)致全球石化資源供給日趨緊張[1]。公眾對環(huán)境污染、溫室氣體的排放和原油短缺的擔(dān)憂日益增加的同時，也將注意力轉(zhuǎn)向開發(fā)利用可再生的生物質(zhì)生產(chǎn)化學(xué)品[2]。有機(jī)酸作為生物細(xì)胞的中間代謝物，經(jīng)過多年的研究已成為成熟的生物技術(shù)商品，被廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化妝品、洗滌劑、聚合物和紡織品等行業(yè)[1]。其中，乙酸和檸檬酸的第一次生產(chǎn)過程可分別追溯到1823年和1913年。從那時起，不斷增長的市場需求和新穎應(yīng)用的層出不窮產(chǎn)生了不同類型的生物合成來源的有機(jī)酸的多樣化投資組合[1]。2004年，美國能源部發(fā)布的《可源自生物基質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)的12種高附加值的平臺化合物》的報告中，就包括了四碳二羧酸（琥珀酸、富馬酸和蘋果酸）、2，5-呋喃二甲酸、3-羥基丙酸、葡萄糖二酸、衣康酸和乙酰丙酸等有機(jī)酸[3]。

天然有機(jī)酸廣泛存在于水果中，如葡萄、蘋果、桃等。原始的萃取法提取有機(jī)酸是將未成熟的果汁煮沸，加入石灰水，生成鈣鹽沉淀，再通過酸化處理即可制得有機(jī)酸。目前商業(yè)上有機(jī)酸的生產(chǎn)方法主要有化學(xué)合成法、酶轉(zhuǎn)化法和微生物發(fā)酵法。

1 化學(xué)合成法生產(chǎn)有機(jī)酸

關(guān)于化學(xué)合成各種有機(jī)酸的途徑已經(jīng)有諸多報道，該方法是利用官能團(tuán)之間的相互作用和產(chǎn)物的物化性質(zhì)，通過分液、過濾、萃取等過程制備有機(jī)酸。如乙酸的化學(xué)法生產(chǎn)，是在闊葉木硫酸鹽溶漿的預(yù)水解液中，加入三異辛胺進(jìn)行反應(yīng)，萃取回收乙酸[4]；或在流化床上使用ZnCl2快速熱解玉米穗聯(lián)產(chǎn)糠醛和乙酸[5]；在水-乙醇的混合酸中，采用雙極膜電滲析生產(chǎn)水楊酸[6]；使用Aliquat 336回收丙酸等[7]。

工業(yè)上通過熱處理和萃取分離生產(chǎn)有機(jī)酸的傳統(tǒng)化學(xué)方法簡單易行，然而其制備過程普遍存在高能耗、高投入、生產(chǎn)條件苛刻且安全性低、環(huán)境污染嚴(yán)重不符合可持續(xù)發(fā)展的社會目標(biāo)等缺點，不僅嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，同時產(chǎn)品的安全性也限制了其在食品及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，分子內(nèi)含有一個不對稱碳原子的有機(jī)酸，在自然界存在的均為人體可以直接吸收的L型，而化學(xué)法制備的有機(jī)酸多為DL型，也限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 酶轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)有機(jī)酸

隨著人們環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，利用生物制造技術(shù)開發(fā)環(huán)境友好型的生物基化學(xué)品已成為實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展的必要戰(zhàn)略需求[1]。近年來生物制造技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)對有機(jī)酸的生物合成進(jìn)行了深入研究，多種類型的酶和微生物被開發(fā)用于有機(jī)酸的生物法生產(chǎn)[8-9]。生物法生產(chǎn)幾種常見有機(jī)酸的研究進(jìn)展如表1所示。

表1 常見有機(jī)酸生物法生產(chǎn)的研究進(jìn)展

酶轉(zhuǎn)化法，包括使用游離或固定化的酶催化和全細(xì)胞轉(zhuǎn)化。其中游離或固定化的酶是利用單一的酶催化底物生成產(chǎn)物，如富馬酸酶可催化富馬酸生成L-蘋果酸[10]。多種酶可用于丙酮酸的合成，如L-氨基酸脫氨酶（AAD）、D-氨基酸氧化酶、丙酮酸合酶、甲醛脫氫酶、酒石酸脫水酶、乙醇酸氧化酶、乳酸脫氫酶（LDH）等[11-12]。在工業(yè)上，以廉價的乳酸作為底物生產(chǎn)丙酮酸具有一定的商業(yè)價值。其中NAD+依賴型的LDH可以有效地將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸，避免形成H2O2[13]。固定化酶技術(shù)可以增加游離酶的穩(wěn)定性，易于分離控制且能反復(fù)多次使用。

與游離或固定化酶相比，全細(xì)胞催化法隨著反應(yīng)時間的延長會更加穩(wěn)定，因為該技術(shù)利用的是微生物細(xì)胞中的一系列的酶，而不僅僅依賴于單一的酶[14]。催化反應(yīng)中利用的L-LDH為誘導(dǎo)型酶，誘導(dǎo)劑的添加也增加了工藝成本。利用進(jìn)化的E.coli來源的L-AAD，可以在不添加誘導(dǎo)劑的條件下，一步催化DL-丙氨酸合成丙酮酸[11]。

雖然固定化酶技術(shù)研究較早，但由于酶的提取過程復(fù)雜、收率較低且半衰期短，在實際生產(chǎn)中為了降低成本多采用固定化細(xì)胞。固定化細(xì)胞需要先將產(chǎn)酶菌株培養(yǎng)成熟、收集菌體、包埋、固定化，經(jīng)過反應(yīng)轉(zhuǎn)化底物，提取制得目標(biāo)有機(jī)酸。然而該方法合成有機(jī)酸很難直接獲得高產(chǎn)，且底物一般同為有機(jī)酸或有機(jī)化合物，生產(chǎn)成本較高。同時，從混合液中將產(chǎn)物與底物徹底分離一般難度較大，產(chǎn)品質(zhì)量很難達(dá)到要求[15]。

3 發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸

發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸具有原料來源豐富、生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)品安全性高等優(yōu)點，是目前研究和應(yīng)用最為廣泛、最有發(fā)展前景的生物制造方法[1]。近年來隨著諸多工程和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)酸的發(fā)酵法生產(chǎn)（以一步發(fā)酵法為主）已經(jīng)成為了相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究的熱門。

3.1 生產(chǎn)菌株

多種類型的微生物可以用于生產(chǎn)有機(jī)酸，如曲霉、酵母和細(xì)菌等。某些菌株對于特定有機(jī)酸的生產(chǎn)具有天然的優(yōu)勢，如Propionibacteria合成丙酸[16]，衣康酸的優(yōu)勢生產(chǎn)菌為Aspergillus terreus[17]，Actinobacillus succinogenes和Anaerobiospirillum succiniciproducens高產(chǎn)琥珀酸[18]，檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)菌是A. niger[19]。酵母是最簡單的單細(xì)胞真核模式生物，能夠耐受高滲透壓和低pH環(huán)境，且遺傳背景清晰、基因操作工具成熟，是理想的有機(jī)酸生產(chǎn)宿主[20]，如多營養(yǎng)缺陷型的Torulopsis glabrata用于生產(chǎn)丙酮酸已有10多年的歷史。盡管酵母菌作為生產(chǎn)宿主具有諸多優(yōu)勢，但也僅適用于部分有機(jī)酸的生產(chǎn)，因其往往產(chǎn)量較低或生產(chǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的需求。絲狀真菌，以食品安全級的A. oryzae、A. niger為主，是理想的生產(chǎn)E. coli等原核細(xì)菌不能表達(dá)的真核生物活性蛋白的理想載體，包括蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、植酸酶等，在食品級產(chǎn)品的生產(chǎn)中有悠久的歷史，同時也是天然的有機(jī)酸高產(chǎn)菌株[4]。但是與單細(xì)胞的細(xì)菌或酵母發(fā)酵相比，絲狀真菌因其獨特的形態(tài)學(xué)特點，在不同的攪拌、通氣條件下具有復(fù)雜的菌絲體形態(tài)，影響溶氧、傳質(zhì)等，進(jìn)而影響產(chǎn)酸[21]。

3.2 合成途徑

微生物可以利用多種碳水化合物為底物合成有機(jī)酸，包括葡萄糖、木糖、蔗糖、甘油等小分子物質(zhì)，以及纖維素、木質(zhì)素、淀粉等大分子原料。葡萄糖是最容易被微生物代謝利用的碳源。微生物通過細(xì)胞膜上的糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)過糖酵解途徑合成二羧酸和三羧酸代謝的中間物——丙酮酸。故從理論上來說，生產(chǎn)二羧酸和三羧酸的菌株均可以通過代謝改造用于生產(chǎn)丙酮酸[22]。丙酮酸通過異型發(fā)酵途徑形成乙酰磷酸，經(jīng)乙酸激酶催化生成乙酸。在輔酶A存在下，乙酰磷酸也可以形成乙醛，在多種脫氫酶作用下，經(jīng)Wood-Ljungdahl途徑再次生成乙酸[23]。另一方面, 丙酮酸也可以在L-LDH和其他修飾酶的作用下，生成L-乳酸（圖1）。

在有氧條件下，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)過TCA循環(huán)的一系列反應(yīng)最終生成草酰乙酸。在此循環(huán)的系列反應(yīng)中，多種有機(jī)酸中間體被合成，包括檸檬酸、異檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、富馬酸和蘋果酸。原核生物的TCA循環(huán)位于胞質(zhì)內(nèi)，真核生物在線粒體內(nèi)進(jìn)行。在多種微生物的胞質(zhì)內(nèi)還存在還原TCA（rTCA）途徑，該途徑中丙酮酸通過固碳作用，經(jīng)草酰乙酸直接轉(zhuǎn)化成蘋果酸、富馬酸和琥珀酸，是合成四碳二羧酸得率最高的途徑[15]。

圖1 大腸桿菌中與有機(jī)酸合成相關(guān)的中心代謝途徑

3.3 代謝途徑優(yōu)化

與傳統(tǒng)的誘變育種相比，代謝工程在菌種的改良中更具有針對性。微生物代謝途徑的優(yōu)化包括提高底物的分解和吸收、增強(qiáng)產(chǎn)物的胞內(nèi)合成和向胞外運(yùn)輸、阻斷副產(chǎn)物的合成、能量和輔因子的水平優(yōu)化等。

3.3.1 提高底物的利用能力

天然菌株具有利用多種碳源的能力，某些碳源對于特定產(chǎn)物的合成具有代謝優(yōu)勢，如Propionibacteria在發(fā)酵甘油過程中產(chǎn)生乙酸的量較少，所以甘油通常是丙酸發(fā)酵的良好碳源[24]。過表達(dá)甘油脫氫酶（GDH）不僅能夠加快甘油的吸收速率，還能為發(fā)酵體系提供NADH[25]。多種代謝工程方法用于提高菌體利用廉價底物的效率。在Yarrowia lipolytica中表達(dá)Saccharomyces cerevisiae來源的蔗糖裂解酶基因（suc2），Y. lipolytica可利用蔗糖生產(chǎn)140g/L的檸檬酸[26]。同時，通過表達(dá)Kluyveromyces marxianus的菊粉酶，Y.lipolytica可利用菊粉高產(chǎn)檸檬酸和少量異檸檬酸[27]。

E. coli也可以利用多種廉價碳源合成有機(jī)酸，通過代謝工程手段提高其糖化作用和混合糖發(fā)酵能力是提高有機(jī)酸發(fā)酵性能的重要策略[28]。

3.3.2 強(qiáng)化合成和轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

強(qiáng)化目的產(chǎn)物高效合成途徑的代謝通量和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)速率是代謝改造工程菌的基本策略。強(qiáng)化Wood-Werkman途徑中的關(guān)鍵酶［磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PPC）、丙酮酸羧化酶（PYC）、甲基丙二酰-CoA脫羧酶（MMD）和甲基丙二酰CoA羧基轉(zhuǎn)移酶（MMC）］的表達(dá)，可以有效提高草酰乙酸合成的碳代謝流量，進(jìn)而提高丙酸的生產(chǎn)[29]。在多種微生物胞內(nèi)過表達(dá)A. terreus衣康酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)途徑相關(guān)的酶，包括順烏頭酸脫羧酶（CAD）、轉(zhuǎn)運(yùn)子家族蛋白（MFS）、順烏頭酸酶（ACN）和線粒體三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MTT）等，可以提高或賦予菌株衣康酸的合成能力[30-31]。如A. niger由于缺少CAD蛋白而不能合成衣康酸，通過過表達(dá)CAD、MTT和MFS，可以合成7.1g/L的衣康酸[32]。

胞質(zhì)內(nèi)的rTCA途徑是絕大多數(shù)微生物合成四碳二羧酸最簡便高效的途徑，因此是代謝工程研究的重點。過表達(dá)PPC、PYC、MDH和蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（C4T318、SpMAEI），可顯著提高曲霉、酵母、細(xì)菌等合成L-蘋果酸的能力[33-35]。進(jìn)一步過表達(dá)富馬酸還原酶（FRD）和富馬酸酶（FUM），可提高琥珀酸的生產(chǎn)[36]。

3.3.3 雜酸的消除關(guān)注的焦點。目前，有機(jī)酸的發(fā)酵法生產(chǎn)存在的主要問題有缺少優(yōu)良的工業(yè)生產(chǎn)菌株、副產(chǎn)物濃度較高以及下游分離提取困難等。通過酶工程與代謝工程、傳統(tǒng)誘變與現(xiàn)代生物技術(shù)、生物過程與發(fā)酵調(diào)控、上游發(fā)酵和下游提取等相結(jié)合的配套研究，有助于實現(xiàn)有機(jī)酸相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高效綠色制造。

有機(jī)酸作為細(xì)胞代謝的中間體，在胞內(nèi)酶的催化作用下可以轉(zhuǎn)化成其他的化學(xué)物，導(dǎo)致副產(chǎn)物的生成。副產(chǎn)物的生成量與微生物的種類、發(fā)酵條件和酶的性質(zhì)等有關(guān)。丙酮酸的生產(chǎn)菌中，為了阻斷乙酸、乳酸等雜酸的生成，首先敲除磷酸烯醇式丙酮酸合成酶（PPS）、LDHA、丙酮酸氧化酶（PYO）、丙酮酸甲酸裂解酶（PFL）和丙酮酸脫氫酶（PYD）復(fù)合體等酶的編碼基因[37]。敲除R. oryzae FUM編碼基因（Psfum1和Psfum2），可以阻斷線粒體內(nèi)富馬酸向蘋果酸的轉(zhuǎn)化，提高富馬酸的產(chǎn)量[38]。E. coli中iclR、fumABCD、arcA、ptsG和aspA等基因的敲除，可有效阻斷富馬酸的分支代謝途徑[39]。

盡管多種生產(chǎn)菌株中雜酸的合成途徑較為明確，但仍有部分雜酸合成的機(jī)制尚不確定，如在A. oryzae胞質(zhì)內(nèi)催化蘋果酸轉(zhuǎn)化成琥珀酸的酶[40]。而且有機(jī)酸合成途徑多為微生物所必需，部分基因的敲除可能會導(dǎo)致菌體死亡、生長緩慢、菌絲形態(tài)改變等副作用，進(jìn)而影響產(chǎn)物合成。

隨著代謝組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)的發(fā)展和協(xié)作應(yīng)用，各種生產(chǎn)菌株中有機(jī)酸合成的基因及其表達(dá)水平、不同代謝途徑的代謝流分配均得到了深入的研究，為生產(chǎn)菌株的代謝改造提供了精準(zhǔn)的靶點，進(jìn)而快速高效地構(gòu)建出更多的可滿足大規(guī)模生產(chǎn)的基因工程菌。

4 結(jié)束語

目前多種有機(jī)酸在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，有機(jī)酸的需求量也逐年遞增，因此利用可再生生物質(zhì)資源實現(xiàn)有機(jī)酸的清潔高效生產(chǎn)成為有機(jī)酸相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)，而高產(chǎn)量、高產(chǎn)率、高生產(chǎn)強(qiáng)度相統(tǒng)一的發(fā)酵過程始終是有機(jī)酸生產(chǎn)技術(shù)

［1］ BECKER J，WITTMANN C. Advanced biotechnology：metabolically engineered cells for the bio-based production of chemicals and fuels，materials，and health-care products[J]. Angewandte Chemie，2015，54（11）：3328-3350.

［2］ ARSLAN D，STEINBUSCH K J J，DIELS L，et al. Effect of hydrogen and carbon dioxide on carboxylic acids patterns in mixed culture fermentation[J]. Bioresour Technol，2012，118：227-234.

［3］ WERPY T，PETERSEN G. Top value added chemicals from biomass:Volume I-Results of screening for potential candidates from sugars and synthesis gas[R]. Boston：U.S. Department of Energy，2004.

［4］ YANG G，JAHAN M S，AHSAN L，et al. Recovery of acetic acid from pre-hydrolysis liquor of hardwood kraft-based dissolving pulp production process by reactive extraction with triisooctylamine[J].Bioresource Technol，2013，138：253-258.

［5］ OH S J，JUNG S H，KIM J S. Co-production of furfural and acetic acid from corncob using ZnCl2through fast pyrolysis in a fl uidized bed reactor[J]. Bioresource Technol，2013，144（6）：172-178.

［6］ LIU X，LI Q，JIANG C，et al. Bipolar membrane el ectrodialysis in aqua-ethanol medium: production of salicylic acid[J]. J Membrane Sci，2015，482：76-82.

［7］ KESHAV A，CHAND S，WASEWAR K L. Recovery of propionic acid from aqueous phase by reactive extraction using quarternary amine（Aliquat 336）in various diluents[J]. Chem Eng J，2009，152（1）：95-102.

［8］ ALONSO S，RENDUELES M，DIAZ M. Microbial production of specialty organic acids from renewable and waste materials[J]. Crit Rev Biotechnol，2015，35（4）：497-513.

［9］ HABE H，SATO S，MORITA T，et al. Bacterial production of shortchain organic acids and trehalose from levulinic acid: a potential cellulose-derived building block as a feedstock for microbial production[J]. Bioresour Technol，2015，177：381-386.

［10］ SU R R，WANG A，HOU S T，et al. Identification of a novel fumarase C from Streptomyces lividans TK54 as a good candidate for L-malate production[J]. Mol Biol Rep，2013，41（1）：497-504.

［11］ HOSSAIN G S，SHIN H D，LI J，et al. Transporter engineering and enzyme evolut ion for pyruvate production from D/L-alanine with a whole-cell biocatalyst expressingl-amino acid deaminase from Proteus mirabilis[J]. RSC Adv，2016，6（86）：82676-82684.

［12］ KAWAI S，OHASHI K，YOSHIDA S，et al. Bacterial pyruvate production from alginate，a promising carbon source from marine brown macroalgae[J]. J Biosci Bioeng，2014，117（3）：269-274.

［13］ GAO C，XU X，HU C，et al. Pyruvate producing biocatalyst with constitutive NAD-independent lactate dehydrogenases[J]. Process Biochem，2010，45（12）：1912-1915.

［14］ XU P，QIU J，GAO C，et al. Biotechnological routes to pyruvate production[J]. J Biosci Bioeng，2008，105（3）：169-175.

［15］ LIU J，LI J，SHIN H D，et al. Protein and metabolic engineering for the production of organic acids[J]. Bioresource Technol，2017，239：412-421.

［16］ GUAN N，ZHUGE X，LI J，et al. Engineering propionibacteria as versatile cell factories for the production of industrially important chemicals: advances，challenges，and prospects[J]. Appl Microbiol Biotechnol，2015，99（2）：585-600.

［17］ SAHA B C. Emerging biotechnologies for production of itaconic acid and its applications as a platform chemical[J]. J Ind Microbiol Biot，2017，44（2）：303-315.

［18］ CARVALHO M，ROCA C，REIS M A M. Improving succinic acid production by Actinobacillus succinogenes from raw industrial carob pods[J]. Bioresource Technol，2016，218：491-497.

［19］ XU J，SU X F，BAO J W，et al. A novel cleaner production process of citric acid by recycling its treated wastewater[J]. Bioresource Technol，2016，211：645-653.

［20］ SITEPU I R，GARAY L A，SESTRIC R，et al. Oleaginous yeasts for biodiesel: current and future trends in biology and production[J].Biotechnol Adv，2014，32（7）：1336-1360.

［21］ KRULL R，WUCHERPFENNIG T，ESFANDABADI M E，et al.Characterization and control of fungal morphology for improved production performance in biotechnology[J]. J Biotechnol，2013，163（2）：112-123.

［22］ SONG Y，LI J，SHIN H D，et al. Biotechnological production of alpha-keto acids: current status and perspectives[J]. Bioresour Technol，2016，219：716-724.

［23］ PAL P，NAYAK J. Acetic acid production and puri fi cation: critical review towards process intensification[J]. Sep Purif Rev，2016，46（1）：44-61.

［24］ ZHU Y，LI J，TAN M，et al. Optimization and scale-up of propionic acid production by propionic acid-tolerant Propionibacteriu m acidipropionici with glycerol as the carbon source[J]. Bioresour Technol，2010，101（22）：8902-8906.

［25］ XIN Z，LONG L，HYUN-DONG S，et al. Development of a Propionibacterium-Escherichia coli shuttle vector for metabolic engineering of Propion ibacterium jensenii，an ef fi cient producer of propionic acid[J]. Appl Environ Microbiol，2013，79（15）：4595-4602.

［26］ FORSTER A，AURICH A，MAUERSBERGER S，et al. Citric acid production from sucrose using a recombinant strain of the yeast Yarrowia lipolytica[J]. Appl Microbiol Biotechnol，2007，75（6）：1409-1417.

［27］ LIU X Y，CHI Z，LIU G L，et al. Both decrease in ACL1 gene expression and increase in ICL1 gene expression in marine-derived yeast Yarrowia lipol ytica expressing INU1 gene enhance citric acid production from inulin[J]. Marine Biotech，2013，15（1）：26-36.

［28］ LIU R，LIANG L，LI F，et al. Ef fi cient succinic acid production from lignocellulosic biomass by simultaneous utilization of glucose and xylose in engineered Escherichia coli[J]. Bioresour Technol，2013，14：84-91.

［29］ AMMAR E M，JIN Y，WANG Z，et al. Metabolic engineering of Propionibacterium freudenreichii: effect of expressing phosphoenolpyruvate carboxylase on propionic acid production[J].Appl Microbiol Biotechnol，2014，98（18）：7761-7772.

［30］ HUANG X，LU X，LI Y，et al. Improving itaconic acid production through genetic engineering of an industrial Aspergillus terreus strain[J]. Microb Cell Fac t，2014，13（1）：119.

［31］ THAKKER C，MARTINEZ I，LI W，et al. Metabolic engineering of carbon and redox fl ow in the production of small organic acids[J]. J Ind Microbiol Biot，2015，42（3）：403-422.

［32］ VAN DER STRAAT L，VERNOOIJ M，LAMMERS M，et al.Expression of the Aspergillus terreus itaconic acid biosynthesis cluster in Aspergillus niger[J]. Microb Cell Fact，2014，13（1）：1-21.

［33］ LIU J，XIE Z，SHIN H D，et al. Rewiring the reductive tricarboxylic acid pathway and L-malate transport pathway of Aspergillus oryzae for overproduction of L-malate[J]. J Biotechnol，2017，253：1-9.

［34］ ZELLE R M，DE HULSTER E，VAN WINDEN W A，et al.Malic acid production by Saccharomyces cerevisiae: engineering of pyruvate carboxylation，oxaloacetate reduction，and malate export[J]. Appl Environ Microbiol，2008，74（9）：2766-2777.

［35］ CHI Z，WANG Z P，WANG G Y，et al. Microbial biosynthesis and secretion of L-malic acid and its applications[J]. Crit Rev Biotechnol，2016，36（1）：99-107.

［36］ YAN D，WANG C，ZHOU J，et al. Construction of reductive pathway in Saccharomyces cerevisiae for effective succinic acid fermentation at low pH value[J]. Bioresour Technol，2014，156：232-239.`

［37］ ZHU Y，EITERMAN M A，ALTMAN R，et al. High glycolytic flux improves pyruvate production by a metabolically engineered Escherichia coli strain[J]. Appl Environ Microbiol，2008，74（21）：6649-6655.

［38］ WEI L，LIU J，QI H，et al. Engineering Scheffersomyces stipitis for fumaric acid production from xylose[J]. Bioresource Technol，2015，187：246-254.

［39］ SONG C W，KIM D I，CHOI S，et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of fumaric acid[J]. Biotechnol Bioeng，2013，110（7）：2025-2034.

［40］ KNUF C，NOOKAEW I，REMMERS I，et al. Physiological characterization of the high malic acid-producing Aspergillus oryzae strain 2103a-68[J]. Appl Microbiol Biotechnol，2 014，98（8）：3517-3527.

Development status and achievements of organic acid related industries by biological method

LIU Jingjing，LIU Yanfeng，LI Jianghua，LIU Long，DU Guocheng，CHEN Jian
School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

Organic acids are important platform chemicals. Because of their extensive application in daily life, after years of development, their related industries have been expanding and production methods are advancing toward maturity.This paper mainly summarizes the application of organic acid related products and the latest development of industrial production, and reviews the development status and current research results in the process of biological methods and productivities with focus on organic acids as high value-added biomass products from biomass.

organic acids; biobased products; biocatalysis; microbial fermentation; metabolic engineering

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.06.004

陳堅，教授，博士生導(dǎo)師。長期從事發(fā)酵工程、食品生物技術(shù)領(lǐng)域的研究和教學(xué)工作。以第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎2項、國家科技進(jìn)步二等獎1項，部省級科技成果一等獎6項，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎，中國專利獎金獎；國家“973”項目首席科學(xué)家、國家杰出青年基金獲得者、全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師。兼任中國食品科技學(xué)會副理事長、中國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)協(xié)會副理事長、國際食品科學(xué)院（IAFoST）Fellow、國際工業(yè)生物過程協(xié)會（IFIBiop）Fellow。E-mail：jchen@jiangnan.edu.cn

劉晶晶，博士研究生。主要從事代謝途徑的理性設(shè)計與調(diào)控高效合成有機(jī)酸的研究。E-mail：7150201003@vip.jiangnan.edu.cn

“973”課題（2013CB733602）、國家自然優(yōu)秀青年基金項目（31622001）