[发明专利]利用芭蕉芋发酵生产丁二酸的方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物发酵技术领域，具体涉及一种利用廉价芭蕉芋原料发酵生产丁二酸的方法，同时涉及琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)在以芭蕉芋为原料制备丁二酸的方法中的应用。

背景技术

丁二酸是一种重要的有机化合物，被美国FDA认定为GRAS(一般认为安全)，已广泛应用于医药、农药、染料、香料、油漆、食品、塑料和照相材料工业等。丁二酸目前存在五个主要的市场：第一，作为表面活性剂、清洁剂、防冻剂、添加剂和起泡剂；第二，作为离子螯合剂，用于在电镀行业防止金属的溶蚀和点蚀；第三，在食品行业中作为酸化剂、pH改良剂、风味物质和抗菌剂；第四是和健康有关的产品，包括医药、抗生素、氨基酸和维生素等；第五个市场也是最具发展前景的市场，即用于合成生物聚酯，主要用来生产生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)或替代己二酸生产六碳二羧酸合成多羟基聚酯和聚氨酯橡胶等。这些化工产品目前都是以石油或煤化工产品(如苯、丁烷等)为原料合成的，资源紧缺，不可再生。

目前，国内外石油化工厂一般先采用丁烷生成顺丁烯二酸酐(马来酸酐)，然后再进行电解还原反应，生成丁二酸。以化学方法获得丁二酸，不仅底物马来酸酐和催化剂的价格较高，并且不可避免地要消耗不可再生的石化资源，对环境造成污染。

与其他发酵相比，丁二酸发酵作为一种发酵产品和工艺具有明显的优点。例如，在葡萄糖发酵产乙醇的过程中形成了2mol CO₂废气；丁二酸发酵中则是消耗了CO₂。由于发酵法生产丁二酸是以可再生糖源和CO₂作为主要原料，因此微生物发酵法生产丁二酸，具有成本低和摆脱对石化原料依赖的优点，而且开辟了温室气体二氧化碳利用的新途径，对环境保护具有积极的意义。此外，与普通的好氧发酵相比较，作为微生物法生产丁二酸属于厌氧发酵，其能耗也相对较低。因而，总体来说，低能耗、低排放是丁二酸发酵的主要特点，符合目前低碳经济的标准，对环境友好。

目前文献报道的发酵法生产丁二酸研究用培养基碳源多为粮食原料。比如美国Argonne报道了从玉米(淀粉水解液)生产化学品丁二酸的消息(www.ipd.anl.gov/biotech/index.html，2002)，日本三菱化学和味之素公司也联合开发了采用以玉米淀粉为原料发酵生产丁二酸(http://www.bio168.com，2005)。

由于近几年使用粮食原料的生物工业的蓬勃发展，今年来粮食原料出现短缺，价格上涨明显，粮食安全成为焦点，所以使用价格低廉的非粮原料为发酵主要碳源是降低发酵法生产丁二酸成本的一个关键因素。

已有一些利用不同非粮原料发酵生成丁二酸的报道，如韩国Lee PC等与Kim DY等曾先后报道了Mannheimia succiniciproducens MBEL55E发酵乳清原料和发酵木浆水解液生产丁二酸。2002年日本地球环境产业技术研究机构的Inui等人报道使用转基因微生物从废纸发酵制取丁二酸，但上述研究结果产率很低。江南大学的孙志浩等人从肉牛瘤胃中筛选的琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC1593能发酵的糖质原料包括葡萄糖、果糖、麦芽糖、木糖、蔗糖、乳糖、半乳糖等糖类，也能利用多种农副产品如乳糖、木薯、玉米、甜菜、甘蔗糖蜜、菊芋和甜高粱等，也适于发酵秸秆、木材工业下脚料，制糖造纸业下脚料和城市纤维垃圾等木质纤维物的水解糖浆原料生产丁二酸。

通过研究，我们发现芭蕉芋原料也能够用来发酵生产丁二酸。

芭蕉芋(Cannaedulis Ker)，又称蕉藕、姜芋等名，为蕉科、美人蕉属中的一种单子叶块根植物。芭蕉芋原产于南美洲和东南亚，以后逐渐传入世界各地，上世纪30年代传入中国南方的云南、贵州、四川、广西、海南等一些省区。

芭蕉芋的主要成分为淀粉，其含量高达17％～18％，一亩地可产芭蕉芋2500～5500kg。芭蕉芋干片化学组成为：淀粉66.0％，灰分2.80％，粗纤维2.65％，脂肪0.28％，蛋白质3.63％，单宁0.19％，水分17.10％，并具有成本低、杂质少、淀粉颗粒粗、糊化温度低、应用价值大等特点(刘桂香等，食品与发酵工业，2003(9)：104～106)。由于芭蕉芋适口性较差，传统习惯仅用作饲料，因而在中国南方等省区尚未得到很好的开发利用。

芭蕉芋原料发酵生产丁二酸与用小麦、玉米等粮食原料发酵生产丁二酸相比，能节约大量粮食，有利于国家粮食安全。目前，还没有见到利用芭蕉芋原料发酵生产丁二酸的研究报道。