己酸的生產應用研究進展

張?zhí)焖?，趙 華

（天津科技大學生物工程學院，天津 300457）

引言

己酸是6 個碳的中鏈羧酸，天然存在于杏、干酪、面包中，被廣泛用于食品添加劑、醫(yī)藥、香料等工業(yè)生產[1]。目前，己酸合成的方法主要有直接提取、化學合成和生物合成，其中，直接提取法獲取己酸產量低、成本高，未能被廣泛使用；化學合成法則存在高污染、高能耗等問題，制約著經濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；生物合成法雖然更為綠色環(huán)保，但低產和高成本依舊是限制己酸生產的亟待解決的難題[2]。目前，國內外對己酸的需求量逐漸增大，解決己酸生產中存在的高能耗、高成本問題刻不容緩，開發(fā)一種低成本、綠色環(huán)保的生產己酸方法逐漸受到人們的關注。本文從己酸的生物、化學合成等途徑及己酸的研究應用方面進行綜述，旨在為己酸的生產應用提供參考。

1 己酸的生產

1.1 仲辛醇硝酸氧化法

己酸可以從各種油脂、椰子油中的甘油酯中分離出來。但此方法獲取得到的己酸濃度低、成本高，未能被廣泛使用[3]。在工業(yè)生產中可用硝酸氧化仲辛醇[4]的方法來獲得。溫度控制在50℃～55℃，將仲辛醇滴入工業(yè)硝酸中，用水洗滌得到粗己酸，粗己酸常壓脫水，再減壓蒸餾，在158℃（8.0kPa）收取餾分，即為己酸。發(fā)生的主要反應為式（1）。

但采取此種方法在制備己酸的過程中會產生大量的含氮有毒氣體，對環(huán)境造成污染。后處理問題突出，造成己酸產率不高。

1.2 純菌發(fā)酵

采取生物法制備己酸是幾年來國內外公認的綠色環(huán)保的方式，通過使短鏈酸醇碳鏈增長的方式純菌發(fā)酵己酸。如，利用克氏梭菌（clostridium kluyveris）以乙醇為能源底物合成己酸[5]，利用rhodospirillum rubrum 與clostridium scatologenes 分別以丙酮酸和甲醇作為碳源合成己酸[6-7]。利用megasphaera elsdenii以多種碳水化合物，如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉和乳酸等合成己酸[8-9]的方式也逐漸被人們發(fā)現。

1.3 廉價廢棄物厭氧發(fā)酵制備己酸

使用純化學品進行發(fā)酵獲得己酸，存在成本較高的問題[10]，利用廉價廢棄物進行厭氧發(fā)酵的方法逐漸得到關注。生產己酸的廉價原料主要取自食品廢棄物、釀酒副產物等。食品廢棄物有量大且能量密度較高的特點，通過水解酸化可以產生大量的高濃度短鏈酸，如乙酸、丁酸和乳酸等，己酸菌再利用外源乙醇和酸化液合成己酸。采用純乙醇生產己酸的成本較高，因此使用廉價廢棄物等原料來生產己酸更加符合經濟可持續(xù)的發(fā)展理念[11]。

1.4 瘤胃菌與乳酸菌共培養(yǎng)利用葡萄糖合成己酸

瘤胃菌可以利用乳酸生產己酸，但其效能較差，發(fā)酵成本較高。采用瘤胃菌與植物乳桿菌共培養(yǎng)的發(fā)酵方式[12]可以顯著提高葡萄糖轉化為己酸的效率。單因素實驗測定確認葡萄糖、乙酸鈉和蛋白胨是對共培養(yǎng)產己酸影響較為顯著的3 個因素，最佳合成條件為：葡萄糖52.643 g/L、乙酸鈉12.37 g/L、蛋白胨30.269 g/L。采用共培養(yǎng)的發(fā)酵方式利用葡萄糖產己酸的量可以達到瘤胃菌單菌種產己酸量的2 倍，生產效率大幅提升。

1.5 兩相法厭氧發(fā)酵產己酸

在己酸發(fā)酵的過程中，未解離己酸的積累可能會對體系內微生物產生毒害作用，抑制己酸的合成[13]。使用兩相工藝，將酸化階段與產己酸階段分開，實現功能性菌群的空間分離，避免在單相發(fā)酵的過程中因添加乙醇和己酸的積累對水解酸化菌產生的毒害作用，可以有效提升生產效率，有利于后續(xù)對己酸的分離純化。Grootscholten 等[14]采用固體廢物的兩相發(fā)酵，在產己酸相中添加乙醇發(fā)現，產生短鏈脂肪酸的效率較單相反應的效率比更高，得出結論兩相法發(fā)酵產己酸生產強度更高。采用對己酸進行在線分離的方式可以更好地提高己酸的產量[15-16]，如膜滲析、液液萃取等[17]。除未解離的己酸外，合成體系內乙醇和小分子羧酸的濃度過高對于己酸菌也存在毒害作用[18]。

2 己酸的應用

2.1 在食品行業(yè)的應用

己酸是我國規(guī)定允許使用的食用香料，可用于食品添加劑、水果香精等。由己酸發(fā)展而來的各種酯類也常用于食品添加劑中，特別是己酸乙酯，用于食品調香，在化妝品、香料等日用品的香精中也有所應用[19]。由己酸制成的4-己基間苯二酚是一種抗氧化劑，能夠作為水產品中的保鮮劑使用，有效防止產品在儲存運輸過程中褐變腐敗[20]。

2.2 己酸在醫(yī)藥方面的應用

己酸在醫(yī)藥工業(yè)中常用于制備氨基己酸等，其能阻礙纖維蛋白溶解酶形成的特性，臨床常用于預防及治療纖維蛋白溶解亢進引起的各種出血[21]。醋氨己酸鋅是一種有機鋅類制劑，可用于治療消化性潰瘍病[22]。隨著高分子科學的發(fā)展，一些酯類的共聚物也逐漸被應用于醫(yī)藥領域[23]。聚己酸內酯因其可降解性和良好的生物相容性被廣泛應用于臨床骨科、口腔科等，作為手術縫線、藥物載體等使用。聚6-羥基己酸因其良好的生物降解性也被廣泛應用于生物醫(yī)藥領域，其最終的降解產物為二氧化碳和水[24]，對人體無毒無害，且作為藥物釋放材料具有很好的穩(wěn)定性。

2.3 己酸作為化學原料在化工方面的應用

己酸作為重要的化工原料，可用于制造潤滑油的增稠劑、油漆催干劑等[25]，還是合成樹脂和橡膠的原材料。其衍生物如2-乙基己酸鹽不僅應用在橡膠、涂料軍工等領域，還是木材防腐劑和聚合物的催化劑[26]。2-乙基己酸的鋯、鐵鹽可以應用于防水涂料，2-乙基己酸亞錫則是理想的橡膠、涂料和塑料制品催化劑[27]。在能源領域，己酸可作為前體原料用于己醇等生產[28]。

3 總結和展望

目前工業(yè)生產己酸主要為仲辛醇硝酸氧化法。己酸菌產己酸是目前微生物發(fā)酵相對常用的方法，但在提升效能及大規(guī)模生產等方面還需作更多深入研究?；谀壳靶袠I(yè)資源短缺、污染嚴重等生產問題，采取廉價廢棄物生產己酸成為今后發(fā)展的必然趨勢。厭氧發(fā)酵技術具有廣闊的發(fā)展前景，但產量較低無法在工業(yè)生產中廣泛應用，這仍是未來亟需解決的問題。在應用方向，己酸無論在食品、醫(yī)藥還是化工領域都已成為被廣泛應用的基礎原料，其衍生物及聚合物具備廣闊的市場前景。生物己酸將是未來研究的重要方向，開發(fā)一種低成本、高產量、低污染和高效益的可行性己酸制備方法已成為必然趨勢。