丁酸的生產(chǎn)應(yīng)用研究進(jìn)展

劉瑾，張朝正，趙華

(天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院，天津 300457)

丁酸(butyric acid)又被稱作酪酸，為油狀無色液體，具有濃烈的腐臭刺激性氣味，易溶于水和大部分有機(jī)溶劑。天然丁酸主要由丁酸梭菌屬()、丁酸弧菌屬()、酪酸桿菌屬()、八聯(lián)球菌屬()和梭桿菌屬()等產(chǎn)生。丁酸的應(yīng)用具有很強(qiáng)的廣泛性：在醫(yī)學(xué)上，丁酸及其鹽類物質(zhì)對腸道具有修護(hù)作用，同時具有預(yù)防和治療結(jié)腸癌、腸道菌群紊亂、急慢性腹瀉、潰瘍性結(jié)腸炎等功能；在食品上，丁酸作為風(fēng)味品，加入食物中使食物具有更好的感官體驗；在飼料上，丁酸作為飼料添加劑，食用添加丁酸的飼料可以使牲畜獲得更高的營養(yǎng)價值并且提高免疫力。目前，丁酸的生產(chǎn)方式有兩種：化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法。在工業(yè)上丁酸主要是通過化學(xué)合成法來生產(chǎn)，化學(xué)合成法對環(huán)境污染嚴(yán)重且石油消耗嚴(yán)重，不符合現(xiàn)在綠色環(huán)保的理念，微生物發(fā)酵法相對于化學(xué)合成法對環(huán)境污染少更加符合可持續(xù)性發(fā)展的方向。微生物發(fā)酵法產(chǎn)率低、廢液難處理，但是丁酸的使用增加，導(dǎo)致丁酸的需求大大提高。因此，微生物發(fā)酵法發(fā)酵丁酸得到了大家的普遍關(guān)注。本文從丁酸的化學(xué)、生物合成途徑及其生產(chǎn)代謝機(jī)制、丁酸的應(yīng)用進(jìn)展方面進(jìn)行了綜述，旨在為其生產(chǎn)應(yīng)用研究提供參考。

1 丁酸的生產(chǎn)

1.1 正丁醛氧化法

正丁醛氧化法生產(chǎn)丁酸，是以正丁醛為原料，以氧氣或空氣作為氧化劑，催化劑有無均可的一種生產(chǎn)方法。利用工業(yè)氧氣在無催化劑的條件下用正丁醛生產(chǎn)正丁酸，最佳反應(yīng)溫度為55～60 ℃，反應(yīng)時間為6～7 h，氧氣流量為10.8～11.8 L/h，反應(yīng)液中正丁酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%～86%時停止反應(yīng)。

以正丁醛為原料加入反應(yīng)器中，加熱，并通入氧氣。正丁醛先與氧氣氧化生成氧化正丁酸，生成的氧化正丁酸再與正丁醛反應(yīng)生成正丁酸，并伴隨著副產(chǎn)物酸酐、正丁醛深度氧化物氧化碳以及二氧化碳。

1.2 正丁醇氧化法

以正丁醇為起始原料，中間產(chǎn)物為正丁醛，終產(chǎn)物為正丁酸。該方法雖然轉(zhuǎn)化率和選擇性都比較高，但催化劑回收率低、成本過高。因此，尋找一種簡單、綠色、高效、低成本的正丁醇直接氧化制備正丁酸的方法一直是研究的熱點。一種新型環(huán)保催化材料TS催化劑的成功合成及其在多種催化領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。

以TS分子篩為催化劑，HO為氧化劑，催化氧化正丁醇制備正丁酸是新開發(fā)的合成路線。最佳合成工藝條件:W(TS)/n(正丁醇)為6.1 g/mol，n(正丁醇)與n(HO,30%)的比例為1∶3，最適反應(yīng)溫度90 ℃，最優(yōu)反應(yīng)時間12 h；最終正丁醇的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%，選擇性則在99.5%以上。將TS分子篩、HO和正丁醇加入氧化反應(yīng)器中，氧氣經(jīng)氣體質(zhì)量流量計測量后從反應(yīng)器底部進(jìn)入，與正丁醛發(fā)生氧化反應(yīng)。最終氣體冷凝，達(dá)到氣液分離的效果后排放尾氣。反應(yīng)結(jié)束后將物料冷卻，即可取樣分析。

雖然正丁醛氧化法制備丁酸的工藝簡單，但是正丁醇氧化法制備丁酸具有更高效、清潔、低成本、產(chǎn)率高等優(yōu)點，且催化劑可回收重復(fù)利用，在化學(xué)生產(chǎn)上被廣泛利用。

1.3 丁酸梭菌發(fā)酵生產(chǎn)丁酸

丁酸梭菌又被稱作酪酸菌，屬于專性厭氧菌革蘭氏陽性，對高溫、高鹽、強(qiáng)酸等惡劣環(huán)境的耐受性強(qiáng)，對極少數(shù)抗生素敏感。丁酸梭菌是產(chǎn)丁酸的主要菌株，丁酸梭菌培養(yǎng)簡單且丁酸產(chǎn)率高，因此丁酸梭菌是產(chǎn)丁酸的最優(yōu)菌株。研究丁酸梭菌用葡萄糖作為碳源，主要代謝產(chǎn)物為丁酸，副產(chǎn)物乙酸，還伴有少量乳酸和乙醇，代謝途徑見圖1。

圖1 丁酸梭菌發(fā)酵產(chǎn)丁酸代謝途徑Fig.1 Metabolic pathway of butyric acid production by Clostridium butyricum fermentation

以葡萄糖為底物時，葡萄糖經(jīng)EMP反應(yīng)途徑分解生成丙酮酸、NADPH和ATP。生成的丙酮酸一部分在乳酸脫氫酶的催化下生成乳酸和NADPH，另一部分丙酮酸在丙酮酸脫氫酶的作用下生成乙酰CoA，然后乙酰CoA又參與乙酸、乙醇、丁酸的反應(yīng)。在乙酸代謝通路中，乙酰CoA在磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶的作用下生成乙酰磷酸，之后催化生成乙酸；在乙醇代謝通路中，乙酰CoA在丙酮酸脫氫酶催化下生成乙醛再生成乙醇。丁酸合成途徑主線路乙酰CoA在硫解酶的作用下生成乙酰乙酰CoA，乙酰乙酰CoA經(jīng)β-羥基丁酰CoA脫氫酶生成β-羥基丁酰CoA，巴豆酸酶將β-羥基丁酰CoA轉(zhuǎn)化為巴豆酰CoA，然后在丁酰CoA脫氫酶的作用下生成關(guān)鍵前體物質(zhì)丁酰CoA，前體物質(zhì)丁酰CoA在各種催化下最終形成丁酸。

Ai等研究了一種利用不確定混合培養(yǎng)法從稻草中生產(chǎn)丁酸的最佳pH范圍和緩沖劑補(bǔ)料的方法。結(jié)果表明，中性pH提高了稻草轉(zhuǎn)化率，從而提高了羧酸產(chǎn)量。在pH值6.0～6.5的范圍內(nèi)實現(xiàn)了最高的丁酸產(chǎn)量。這項研究提出了一種使用不添加纖維素酶的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)丁酸的替代方法。

主要從3個方面改進(jìn)丁酸梭菌以提高丁酸產(chǎn)量：提高底物利用率，增強(qiáng)菌體耐受性以及促進(jìn)丁酸代謝流。提高底物利用率可以用蔗糖代謝途徑解決；增強(qiáng)菌體耐受性可以利用過表達(dá)基因的菌株進(jìn)行固定化細(xì)胞補(bǔ)料分批高產(chǎn)；抑制乙酸支路代謝可以促進(jìn)丁酸代謝流。

丁酸梭菌作為新的微生物發(fā)酵代替產(chǎn)品，如何進(jìn)一步提高發(fā)酵速率，降低發(fā)酵成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍是目前我們急需解決的難題，丁酸梭菌生產(chǎn)丁酸的研究在我國處于初始階段，其開發(fā)研究空間廣闊。

1.4 用生物強(qiáng)化反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)丁酸

可持續(xù)性最強(qiáng)、最環(huán)保的丁酸生產(chǎn)方法就是生物發(fā)酵法，但是低產(chǎn)量和高基質(zhì)成本限制了該工藝與化學(xué)合成方法的競爭。

邵享文等的研究通過誘導(dǎo)丁酸梭菌和其他生物混合培養(yǎng)提高丁酸的產(chǎn)量，采用厭氧序批式反應(yīng)器(anaerobic sequencing batch reactor，ASBR，一種生物強(qiáng)化和控制的裝置)在35 ℃、pH 10的條件下運(yùn)行，以乳品工業(yè)廢水為基質(zhì)。丁酸梭菌的生物強(qiáng)化使丁酸產(chǎn)量(COD)從(260±36) mg/L增加到(2889±180) mg/L，總揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)產(chǎn)量(COD)從(1434±217) mg/L增加到(4642±1778) mg/L。實驗證明混合培養(yǎng)物在丁酸生產(chǎn)方面比純培養(yǎng)物具有更好的性能，能獲得更高的丁酸濃度。以丁酸為碳源進(jìn)行馴化，并通過調(diào)控氫分壓構(gòu)建兩類丁酸氧化互營產(chǎn)甲烷菌群，利用qPCR技術(shù)對馴化過程中污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了分析，并比較兩類培養(yǎng)物對酸化ASBR恢復(fù)的生物強(qiáng)化效果。最終結(jié)果表明，比產(chǎn)甲烷活性(specific methanogenic activity，SMA)均大幅度提高。

生物強(qiáng)化反應(yīng)器可通過多種方式強(qiáng)化丁酸的生產(chǎn)，多菌種聯(lián)合發(fā)酵提高微生物對廉價基質(zhì)的利用度，降低生產(chǎn)丁酸的成本，取得了令人欣喜的研究成果。

1.5 生物電化學(xué)系統(tǒng)(bio-electrochemical system，BES)產(chǎn)丁酸

Logan研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)BES研究最初集中于通過生物電化學(xué)氧化微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)中的有機(jī)底物來產(chǎn)生電能，其中以固體電極作為電子受體。研究表明，通過在電極之間施加電勢將有機(jī)底物(如短鏈羧酸鹽)轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)品比生產(chǎn)電力具有更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。這種方法通過使用恒定電位儀在MFC的電極之間施加電勢，克服了陰極反應(yīng)的熱力學(xué)限制。使用基于膜的BES從復(fù)雜的有機(jī)廢物中生成有價值的產(chǎn)品，將陰極的產(chǎn)物形成與陽極的底物氧化分離是其獨有優(yōu)勢。

Arbter等研究了電發(fā)酵(electric fermentation，EF)對環(huán)狀紅孢酵母()脂質(zhì)生產(chǎn)的影響，陰極電發(fā)酵(cathode electric fermentation，CEF)和陽極電發(fā)酵(anode electric fermentation，AEF)都對脂質(zhì)產(chǎn)量和生產(chǎn)能力存在積極影響。使用氧化還原介質(zhì)——中性紅進(jìn)行額外的CEF培養(yǎng)，飽和脂肪酸的比例大幅增加(從37%增加到50%)，這項工作表明EF存在提高、改善微生物生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)物的極大潛力。

2 丁酸的應(yīng)用

2.1 丁酸作為飼料添加劑

丁酸可降低環(huán)境的pH，改變菌群的生長環(huán)境，影響其他菌群的生長繁殖，維持腸道菌群的平衡，改善腸道的消化吸收功能。研究表明，在日糧中添加竹葉黃酮、丁酸鈉能夠提高仙居雞的產(chǎn)蛋率和平均蛋重，降低平均日采食量和料蛋比，提高雞蛋蛋白高度和哈夫單位，降低蛋黃比例，對平均日增重和料重比的影響較小，且能改善仙居雞的免疫與抗氧化功能，調(diào)節(jié)機(jī)體脂質(zhì)代謝。丁酸鈉作為能量來源，可刺激肉雞腸道上皮細(xì)胞增殖并改善腸道黏膜形態(tài)，促進(jìn)絨毛生長和腸道組織發(fā)育。丁酸鈉具有腸道保護(hù)和抗菌作用，可增強(qiáng)腸道完整性，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，提高免疫力和抗病力。在飼料禁抗的背景下，對抗生素替代品丁酸鈉的研究和應(yīng)用就顯得非常重要，該研究為丁酸鹽在肉雞飼料中替代抗生素提供了科學(xué)依據(jù)。

研究丁酸梭菌的生物學(xué)功能及其在肉雞生產(chǎn)中的應(yīng)用，為丁酸梭菌更好地應(yīng)用于家禽生產(chǎn)提供了參考。丁酸梭菌作為飼料添加劑，具有促進(jìn)機(jī)體腸道有益菌群增殖，抑制有害菌群生長繁殖的保健功能；同時為腸道上皮組織細(xì)胞的再生和修復(fù)提供了營養(yǎng)物質(zhì)；改善了腸道菌群的形態(tài)和結(jié)構(gòu)；抑制了機(jī)體的炎癥反應(yīng)，增強(qiáng)了動物機(jī)體免疫力和抗氧化等生物學(xué)功能。

2.2 丁酸作為食物調(diào)味品

調(diào)味品作為人們?nèi)粘ｏ嬍成钪胁豢扇鄙俚某煞郑嵌喾N微生物共同作用的結(jié)果。隨著現(xiàn)代飲食習(xí)慣的改善，人們越來越重視食品的健康效應(yīng)。因此，開發(fā)功能性調(diào)味品已成為調(diào)味品行業(yè)的發(fā)展趨勢。

丁酸的酯類具有愉快的水果香味，被用作食品添加劑和香精，如丁酸甲酯有蘋果香味，丁酸乙酯可用于食用香精配方中，用于調(diào)配多種果香型香精和其他香型香精。丁酸異戊酯有雪梨香味，丁酸丁酯有香蕉和菠蘿似的香韻，丁酰胺類化合物有辣椒味。日用香精中還有丁酸芳樟酯。丁酸能抑制巴氏桿菌、大腸桿菌等腸道有害菌生長，促進(jìn)腸道其他益生菌的生長。

2.3 丁酸作為化學(xué)原料

丁酸是重要的化工原料之一，丁酸的纖維素酯衍生物用于噴漆和模塑，它們具有優(yōu)異的耐熱性、耐光性和防潮性，丁酸纖維素可溶于多種溶劑，與醋酸纖維素相比，與樹脂和塑料混合的能力更強(qiáng)，并且具有高度的防潮性。

丁酸纖維素酯同時還具有優(yōu)良的成形性能和尺寸穩(wěn)定性，這類塑料適用于干擠，即使加工較長的物件也能保證形態(tài)的完好，常被用于制造牙刷柄、建筑紙板、扶手、彩色閃光燈罩、按鈕、儀表外殼、安全帽、眼鏡和消防器材等日用品。

2.4 丁酸在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

研究人員檢測了酪酸梭菌的主要代謝產(chǎn)物氫氣和丁酸對損傷胃黏膜的效應(yīng)，探究黏膜保護(hù)作用的具體機(jī)制。胃組織大體觀測發(fā)現(xiàn)丁酸能夠保護(hù)胃黏膜，而氫氣不具有此作用；蘇木精-伊紅染色法(hematoxylin-eosin，HE)也表明丁酸能夠顯著改善乙醇造成的胃黏膜病理損傷。對酪酸梭菌聯(lián)合復(fù)方丁香羅勒混懸劑治療小兒輪狀病毒性腸炎的臨床療效研究表明，小兒輪狀病毒性腸炎應(yīng)用酪酸梭菌聯(lián)合復(fù)方丁香羅勒混懸劑治療，效果顯著，可以在臨床上進(jìn)一步實踐和推廣應(yīng)用。

3 展望

現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)丁酸的主要方法是以正丁醇為關(guān)鍵原料的催化氧化法。雖然產(chǎn)率高、純度高，但由于工藝過程相對復(fù)雜、能耗高、對環(huán)境危害大，該法正面臨挑戰(zhàn)。丁酸梭菌產(chǎn)丁酸是目前微生物發(fā)酵最有效的方法，但該方法還有可以改進(jìn)的方面，給接下來丁酸梭菌更高效產(chǎn)丁酸提供了思路。丁酸的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的優(yōu)化和生物強(qiáng)化反應(yīng)器的開發(fā)為丁酸的發(fā)酵生產(chǎn)提供了新途徑。鑒于目前我國資源短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀，利用可再生能源秸稈，引入電場輔助發(fā)酵機(jī)制制備丁酸的方法已引起廣泛關(guān)注。生物發(fā)酵方法具有原料可再生、環(huán)境污染小的特點，可以減少丁酸生產(chǎn)對石化資源的依賴，為丁酸的綠色生產(chǎn)提供了一種潛在的可行方法，但該方法尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，關(guān)鍵在于工藝條件的整體優(yōu)化以及大規(guī)模生產(chǎn)的工程化開發(fā)。

在應(yīng)用方面，丁酸是一種具有重要用途的原料，現(xiàn)已在化工、食品、飼料、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。丁酸在聚合物材料制備和應(yīng)用方面已取得很好的進(jìn)展，其中醋酸丁酸纖維素酯是一種代表性產(chǎn)品。丁酸在醫(yī)護(hù)方面也具有廣泛的市場前景，如制備一系列衍生物在腸胃保護(hù)等方面具備醫(yī)療價值。丁酸的生產(chǎn)應(yīng)用將具有一定的學(xué)術(shù)和研究價值。