蔡 帥，郭秋爽，劉 炎，孫 楊，李 華，劉宇鵬,

（1.河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物工程研究所，河南開封 475004；2.河南省應(yīng)用微生物工程研究中心，河南開封 475004）

羥基乙酸別名乙醇酸或甘醇酸，是最簡單的脂肪族羥基酸。是一種無色、無味、半透明的固體。分子量為76.05，熔點為75 ℃，加熱至沸點時分解，溶于水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯等有機溶劑，微溶于乙醚，不溶于烴類。兼有醇與酸的雙重性，羥基乙酸毒性低、腐蝕性小、氣味低、不易燃、可生物降解、有高水溶性[1-4]。羥基乙酸作為醫(yī)藥中間體，它廣泛應(yīng)用于薄荷腦與奎寧（金雞納堿）的酯類制備及其他醫(yī)藥品的合成[5-6]；利用羥基乙酸的低聚物/衍生物加入到食品中，并通過該低聚物/衍生物的自發(fā)水解以控制的方式酸化該食品，保護食品免受有害微生物繁殖[7-8]；羥基乙酸還可作為一種有機化工原料，用于化學(xué)清洗、日用化工、生物降解新材料及殺菌劑等領(lǐng)域[9-10]。

羥基乙酸在自然界中主要存在于甘蔗、甜菜及未成熟的葡萄中，但含量很少。目前羥基乙酸的制備方法主要有化學(xué)合成法以及生物催化法，1848年杜邦公司首次利用甘氨酸氧化法合成羥基乙酸，但此方法中原料甘氨酸價格昂貴，而且得到的產(chǎn)物較為復(fù)雜，較難分離[11]；氯乙酸水解法，氯乙酸在強堿作用下水解生成羥基乙酸，但此法在后續(xù)產(chǎn)物分離部分過程復(fù)雜，而且造成環(huán)境污染嚴重，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)較為困難[12]；草酸電解還原法，草酸電解還原法的原理是首先電解生成乙醛酸，然后再被還原成羥基乙酸，20世紀90年代在部分發(fā)達國家實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但該法耗能高、產(chǎn)物復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高[13]；羥基乙腈酸水解法，用羥基乙腈作原料，在酸性條件下直接水解制得，經(jīng)萃取、脫鹽、反萃取、脫水等過程得到產(chǎn)品[14]；此外還有甲醛法[15]、乙二醛合成法[16]、草酸二甲酯催化加氫法[17-18]、乙二醇選擇性氧化法等化學(xué)合成法[19-20]。生物法因其反應(yīng)條件溫和，選擇特異性高，得到的產(chǎn)品純度較高，環(huán)境友好性較強等優(yōu)點，近年來一直為人們所青睞，日本科研人員首次展開生物法合成羥基乙酸的研究并且取得較好的結(jié)果，專利JP 09028390曾報道利用Rhodococcusrhodochr ousATCC 33025菌株和Gordona terraeMA-1菌株腈水解酶催化羥基乙腈水解合成羥基乙酸；Zhou等[21]以氧化葡萄糖酸桿菌G.oxydansNL71為研究對象，通過分批補料添加底物和細胞回收策略，建立了一種高效的發(fā)酵模型，該模型可以進行連續(xù)的生物反應(yīng)來生產(chǎn)羥基乙酸；Kataoka等[22]用Pichia naganishii對乙二醇進行的氧化催化得到羥基乙酸；Wei等[23]以氧化葡萄糖酸桿菌G.oxydansDSM 2003為研究對象，通過高密度培養(yǎng)得到菌體對乙二醇進行催化氧化生成羥基乙酸。本文采用生物法對乙二醇進行催化生產(chǎn)羥基乙酸。

弗托氏葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter frateurii）是一種專性好氧的的革蘭氏陰性菌，屬于醋酸桿菌科，因其具有多種膜結(jié)合脫氫酶（葡萄糖脫氫酶、乙醇脫氫酶、甘油脫氫酶等），而被應(yīng)用于微生物催化。最早被李華等應(yīng)用于二羥基丙酮的生產(chǎn)[24]，本文首次將Gluconobacter frateurii應(yīng)用于羥基乙酸的生產(chǎn)中，通過弗托氏葡萄酸桿菌的膜結(jié)合乙醇脫氫酶對乙二醇進行不完全氧化生產(chǎn)羥基乙酸，如圖1所示。并對其進行單因素實驗、Plackett-Burman試驗、最陡爬坡試驗以及響應(yīng)面優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基及發(fā)酵條件，提高羥基乙酸產(chǎn)量。

圖 1 乙二醇不完全氧化生成羥基乙酸Fig.1 Incomplete oxidation of ethylene glycol to glycolic acid

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羥基乙酸標(biāo)品（純度99%）、乙二醇標(biāo)品（純度99%） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；其他試劑 均為市售分析純；弗托氏葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter frateurii）HD924 由河南省應(yīng)用微生物工程研究中心保存。

SW-CJ-2FD超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；Scout SE電子天平 奧豪斯儀器（常州）有限公司；PH計FE28 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；UPT-I-20 L超純水系統(tǒng) 成都優(yōu)越科技有限公司；TOMYSX-700立式壓力蒸汽滅菌器 日本TOMY公司；ZQZY-88CV全溫度振蕩培養(yǎng)箱 上海知楚儀器有限公司；高速離心機 艾本德國際貿(mào)易有限公司；Aminex HPX-87H色譜柱（300 mm×7.8 mm，9 μm） Bio-Rad公司；Waters HPLC-1515高效液相色譜儀 沃特世科技（上海）有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌株的活化與培養(yǎng) 一級和二級種子培養(yǎng)基（g/L）：山梨醇10、酵母粉15、碳酸鈣1.5、pH7.0、121 ℃滅菌20 min。

初始發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L）：蛋白胨10、酵母粉5、NaCl 10、乙二醇10、pH7.0、121 ℃滅菌20 min。

一級種子培養(yǎng)：在超凈臺中，將保藏有弗托氏葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter frateurii）HD924的甘油管接種到裝液量為50 mL/250 mL的種子培養(yǎng)基里，然后放入30 ℃、200 r/min恒溫搖床振蕩培養(yǎng)24 h；二級種子培養(yǎng)，按10%（v/v）接種量接入二級種子，和一級種子相同的裝液量，30 ℃、200 r/min恒溫搖床振蕩培養(yǎng)12 h至對數(shù)生長期。

1.2.2 HD924催化氧化乙二醇產(chǎn)羥基乙酸 在超凈臺中，取出培養(yǎng)至對數(shù)生長期的二級種子培養(yǎng)基，按10%（v/v）接種量接入裝液量為50 mL/250 mL的初始發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)，30 ℃、200 r/min恒溫搖床振蕩培養(yǎng)48 h。

1.2.3 羥基乙酸產(chǎn)量的測定 取培養(yǎng)48 h的發(fā)酵液，進行4 ℃，8000 r/min，離心10 min處理，經(jīng)離心除去菌體和沉淀物，然后將上清液稀釋100倍，經(jīng)0.22 μm的微孔濾膜過濾得到濾液加入進樣瓶中備用。

檢測條件[25]：本試驗使用高效液相色譜儀進行羥基乙酸檢測。試驗中建立了一個利用示差折光檢測器和紫外檢測器檢測發(fā)酵液中乙二醇和羥基乙酸等代謝產(chǎn)物的方法。利用磺化的苯乙烯-二乙烯共聚物作為固定相的離子色譜柱為分析柱，對發(fā)酵液中的產(chǎn)物羥基乙酸、底物乙二醇進行了成功的檢測。經(jīng)過色譜條件優(yōu)化后選擇了柱溫30 ℃，流速0.6 mL/min，2 mmol/L H2SO4為流動相，紫外檢測波長210 nm，進樣量20 μL。羥基乙酸含量計算公式如下：

式中：A0表示1 g/L羥基乙酸標(biāo)準品峰面積；A1表示發(fā)酵液中羥基乙酸峰面積；n表示樣品稀釋倍數(shù)。

1.2.4 單因素實驗 通過對初始發(fā)酵培養(yǎng)基成分以及培養(yǎng)條件的改變來探究HD924催化乙二醇產(chǎn)羥基乙酸的最適發(fā)酵培養(yǎng)基成分以及最佳發(fā)酵培養(yǎng)條件。

發(fā)酵培養(yǎng)基成分篩選：以發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH為7.0，發(fā)酵溫度28 ℃，搖床轉(zhuǎn)速220 r/min為基本條件，在其他組分（酵母粉、NaCl、乙二醇）保持不變的情況下，分別添加10 g/L甘油、山梨醇、葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉；保持單一變量，其他組分（NaCl、乙二醇）不變，在最適碳源的基礎(chǔ)上通過分別添加10 g/L不同的氮源，蛋白胨、玉米漿、豆粉、酵母粉、（NH4）2SO4；在上述2個因素條件最佳的基礎(chǔ)上，保證單一變量的同時加入1 g/L的無機鹽，F(xiàn)e（NO3）3、CaCO3、KH2PO4、MgSO4、MnSO4。每組試驗三個平行樣，以羥基乙酸產(chǎn)量作為衡量指標(biāo)進行單因素實驗。

發(fā)酵培養(yǎng)條件優(yōu)化：將最適培養(yǎng)基成分中的各個因素按一定的濃度梯度進行優(yōu)化：碳源濃度為10、15、20、25、30、35、40、45、50 g/L；氮源濃度為10、15、20、25、30、35、40、45、50 g/L；無機鹽濃度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 g/L；培養(yǎng)溫度為24、26、28、30、32、34、36 ℃；初始pH為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0；接種量為2%、4%、6%、8%、10%、12%；乙二醇濃度為10、15、20、25、30、35 g/L。每組試驗三個平行樣，以羥基乙酸產(chǎn)量作為衡量指標(biāo)進行單因素實驗。

1.2.5 Plackett-Burman因素篩選試驗 Plackett-Burman（PB）試驗是響應(yīng)面試驗設(shè)計的一種，通過對每個因素取高低兩個水平，來比較各個因素兩水平之間的差異和整體的差異來確定因子的顯著性[26-28]?；趩我蛩貙嶒?，為篩選出影響菌株HD924產(chǎn)羥基乙酸的主要參數(shù)，采用PB試驗篩選出可能對菌株HD924產(chǎn)羥基乙酸能力造成影響的7個獨立變量的高、低水平值進行評估，發(fā)酵48 h后測定羥基乙酸濃度，每組試驗三個平行樣，并將濃度換算為羥基乙酸產(chǎn)量作為響應(yīng)值，選出影響菌株HD924產(chǎn)羥基乙酸的顯著試驗因素。依據(jù)PB試驗得到各因子的顯著性排序和回歸方程設(shè)計最陡爬坡試驗，快速逼近響應(yīng)最佳值區(qū)域[29]。

1.2.6 最陡爬坡試驗設(shè)計 最陡爬坡試驗，是一種多因素試驗的設(shè)計方法，基于PB試驗結(jié)果，將顯著影響因子根據(jù)正負效應(yīng)往最優(yōu)方向進行調(diào)整，可以快速逼近最佳值區(qū)域[30-31]。

1.2.7 響應(yīng)面分析 響應(yīng)面分析法是通過對響應(yīng)面等值線的分析尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間函數(shù)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法[32-34]。通過最陡爬坡試驗確定羥基乙酸產(chǎn)量最高區(qū)域后，選用Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計3因素3水平對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本次試驗中每組試驗數(shù)據(jù)均由3次重復(fù)試驗得到，試驗獲得的數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準差（SD）表示。采用Design Expert 10.0.7、Minitab 18、SAS 8.0進行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2019進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

碳源是培養(yǎng)基的主要成分之一，其作為微生物生長所需的營養(yǎng)以及代謝產(chǎn)物的能量基礎(chǔ)。不同的微生物所含酶系不同，所以不同碳源利用情況也有所不同。以山梨醇作為碳源時，羥基乙酸產(chǎn)量達到最高（5.56 g/L），所以選擇山梨醇作為菌株HD924發(fā)酵培養(yǎng)基的碳源（圖2A）；以酵母粉作為氮源時，羥基乙酸產(chǎn)量達到最高（5.67 g/L），故選擇酵母粉作為該菌株發(fā)酵培養(yǎng)基的氮源（圖2B）；適量的無機鹽含有的金屬離子是微生物生長和進行代謝活動所必需的，實驗結(jié)果表明，發(fā)酵培養(yǎng)基中添加不同的無機鹽類，以CaCO3為無機鹽添加劑時羥基乙酸產(chǎn)量達到最高（5.87 g/L），因此選擇CaCO3作為菌株HD924發(fā)酵培養(yǎng)基的無機鹽（圖2C）。

由進一步單因素實驗確定了較優(yōu)發(fā)酵條件：山梨醇作為碳源，其濃度較低時，菌體正常的生長代謝難以維持；其濃度較高時，可能會導(dǎo)致菌體代謝酶系有所變化，致使pH降低，不利于菌體生長。山梨醇濃度為30 g/L時效果最好（圖3A），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.76 g/L，產(chǎn)率為67.6%；酵母粉作為氮源，其濃度較低時，菌體生長受到抑制，難以進行催化反應(yīng)。過高時，由于菌體營養(yǎng)過剩，進而影響底物的利用。酵母粉濃度25 g/L時效果最好（圖3B），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.73 g/L，產(chǎn)率為67.3%；弗托氏葡糖酸桿菌所含的乙醇脫氫酶是Ca2+、Mg2+依賴型酶系，Ca2+含量過高或者過低時，產(chǎn)物的合成往往會受到不同程度的抑制。CaCO3濃度2.5 g/L時效果最好（圖3C），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.30 g/L，產(chǎn)率為63.0%；微生物的生長以及其一系列代謝反應(yīng)均需要合適的溫度，來調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶系的活性，由此來控制酶促反應(yīng)速率、菌體生長以及產(chǎn)物合成速率。溫度30 ℃時效果最好（圖3D），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.56 g/L，產(chǎn)率為65.6%；不同類型的微生物生長都有其最適pH或范圍，由此來調(diào)節(jié)反應(yīng)相關(guān)的酶活性，進而影響微生物一系列代謝活動。pH7時效果最好（圖3E），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.44 g/L，產(chǎn)率為64.4%；接種量是影響微生物在培養(yǎng)基中生長的關(guān)鍵因素，接種量過少，菌體生長較緩。接種量過多，會造成培養(yǎng)基中溶氧的不足。接種量10%時效果最好（圖3F），此時羥基乙酸產(chǎn)量為6.53 g/L，產(chǎn)率為65.3%；乙二醇濃度的多少，決定了酶促反應(yīng)速率以及產(chǎn)物產(chǎn)量的多少。乙二醇濃度過低時將直接決定羥基乙酸產(chǎn)量過低。乙二醇濃度過高時，會造成底物抑制，并且過量的乙二醇對菌體細胞有毒性。乙二醇濃度20 g/L時效果最好（圖3G），此時羥基乙酸產(chǎn)量為12.87 g/L，產(chǎn)率為64.4%。

圖 2 不同培養(yǎng)基成分對羥基乙酸產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of different media components on the production of glycolic acid

圖 3 不同發(fā)酵條件對羥基乙酸產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of different fermentation conditions on the production of glycolic acid

2.2 Plackett-Burman試驗顯著因素篩選結(jié)果

根據(jù)前期的單因素實驗，本試驗考察7個影響因素，以X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別代表山梨醇濃度（g/L）、酵母粉濃度（g/L）、CaCO3濃度（g/L）、溫度（℃）、pH、接種量（%）、乙二醇濃度（g/L），每個因素取-1和+1兩個水平，如表1。

表1 Plackett-Burman試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Plackett-Burman trial design factors and levels

Plackett-Burman試驗結(jié)果見表2，采用Minitab 18軟件對各試驗因素做主效應(yīng)分析，由方差分析變量的顯著性P值的大小，確定對羥基乙酸產(chǎn)量影響的大小。以羥基乙酸產(chǎn)量為響應(yīng)值進行評估，得到一次擬合方程：產(chǎn)量（g/L）=12.572+0.415X1+0.561X2+0.032X3-0.237X4+0.086X5+0.207X6+1.124X7。由表3可知對羥基乙酸產(chǎn)量影響顯著從大到小的排序分別為X7（乙二醇濃度）、X2（酵母粉濃度）、X1（山梨醇濃度）（PX7=0.001，PX2=0.01，PX1=0.027），其他因素對羥基乙酸產(chǎn)量影響不顯著（P＞0.05），同時決定系數(shù)R2為0.9689，表明該試驗設(shè)計可靠，回歸有效。

表2 Plackett-Burman試驗設(shè)計與響應(yīng)值Table 2 Plackett-Burman experimental design and response value

表3 Plackett-Burman試驗設(shè)計方差分析結(jié)果Table 3 Plackett-Burman test design analysis of variance results

2.3 最陡爬坡試驗結(jié)果

根據(jù)Plackett-Burman試驗結(jié)果中X1（山梨醇濃度）、X2（酵母粉濃度）、X7（乙二醇濃度）這三個因素的T值為正（3.40、4.60、9.21），應(yīng)該將山梨醇濃度、酵母粉濃度、乙二醇濃度增大。如表4所示，在試驗2條件下，羥基乙酸產(chǎn)量最大，這說明最優(yōu)發(fā)酵條件在試驗2條件附近，所以以試驗2的條件作為響應(yīng)面試驗因素的中心點。

表4 最陡爬坡試驗結(jié)果Table 4 Results of the steepest climbing test

2.4 響應(yīng)面分析法優(yōu)化

根據(jù)最陡爬坡試驗得到中心點試驗2：X1山梨醇40 g/L、X2酵母粉35 g/L、X7乙二醇30 g/L，應(yīng)用Design Expert 10.0.7軟件，采用Box-Benhnken方法對弗托氏葡萄糖酸桿菌HD924菌株產(chǎn)羥基乙酸發(fā)酵工藝進行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗，以山梨醇濃度X1、酵母粉濃度X2、乙二醇濃度X7為自變量，試驗設(shè)計與結(jié)果見表5。

對表5采用統(tǒng)計軟件進行響應(yīng)面二次回歸擬合，得到二次多項式回歸方程：產(chǎn)量并對上述回歸模型進行方差分析，結(jié)果見表6。

表5 Box-Benhnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 5 Box-Benhnken test design and results

由表6回歸模型方差分析可知，模型的P值為0.0005，差異極顯著（P＜0.01），失擬值的P值為0.5327，差異不顯著（P＞0.05），表明該方程回歸顯著。該模型的調(diào)整決定系數(shù)和決定系數(shù)分別為和R2=0.9849，說明該方程的擬合性較好，結(jié)果可靠?；貧w方程中對Y值的影響極顯著（P＜0.01），表明了實驗因子對響應(yīng)值不只是簡單的線性關(guān)系，二次項對響應(yīng)值也有很大關(guān)系，交互影響作用較小。

表6 回歸模型方差分析Table 6 Analysis of variance of regression model

圖4為該模型的響應(yīng)面圖以及等高線圖。可以看出，隨著山梨醇濃度、酵母粉濃度、乙二醇濃度的增加，羥基乙酸產(chǎn)量也逐漸增多，但不是持續(xù)增加，當(dāng)這三個因子的濃度到達一定值時，羥基乙酸產(chǎn)量開始下降。可利用SAS 8.0軟件進行分析，求出這三個因子的最佳值，來得到最大的產(chǎn)量。由SAS 8.0軟件求出，當(dāng)山梨醇濃度40.30 g/L，酵母粉濃度36.89 g/L，乙二醇濃度28.14 g/L，理論預(yù)測的羥基乙酸產(chǎn)量最大值為21.16 g/L。

圖 4 培養(yǎng)基成分對羥基乙酸產(chǎn)量的交互影響Fig.4 Interactive influence of medium composition on the production of glycolic acid

2.5 模型驗證

通過對模型預(yù)測值進一步驗證，確定了優(yōu)化后的培養(yǎng)基成分為：山梨醇濃度40.30 g/L、酵母粉濃度36.90 g/L、CaCO3濃度2.50 g/L、乙二醇濃度28.14 g/L，發(fā)酵條件為：發(fā)酵溫度30 ℃、pH7、接種量10%（v/v）、轉(zhuǎn)速200 r/min、發(fā)酵時間48 h的條件下重復(fù)三次搖瓶實驗，在此優(yōu)化條件下，Gluconobacter frateuriiHD924羥基乙酸產(chǎn)量分別為20.97、21.10、21.05 g/L，平均值為21.04 g/L，與預(yù)測值（21.16 g/L）接近，誤差P=0.03387（P＜0.05），證明了該模型的有效性。

3 結(jié)論

本文首次將菌株Gluconobacter frateurii應(yīng)用于轉(zhuǎn)化乙二醇生產(chǎn)羥基乙酸，首先通過單因素實驗對發(fā)酵條件進行探究，選擇合適的碳源、氮源、無機鹽以及發(fā)酵條件。其次通過Plackett-Burman試驗設(shè)計快速有效地從7個影響羥基乙酸產(chǎn)量的因素中篩選出3個顯著性影響因素：山梨醇濃度、酵母粉濃度以及乙二醇濃度；然后利用最陡爬坡試驗逼近最大響應(yīng)值區(qū)域并利用Box-Benhnken試驗設(shè)計對轉(zhuǎn)化體系進行了優(yōu)化，確定了酵母粉濃度和乙二醇濃度對羥基乙酸產(chǎn)量的顯著性，并建立了各因素與羥基乙酸產(chǎn)量之間的數(shù)學(xué)模型，取得了良好的試驗結(jié)果。結(jié)果表明：當(dāng)山梨醇濃度40.30 g/L、酵母粉濃度36.90 g/L、乙二醇濃度28.14 g/L時，羥基乙酸產(chǎn)量達到了21.04 g/L，與優(yōu)化前（5.83 g/L）相比，羥基乙酸轉(zhuǎn)化率提高了28.25%，轉(zhuǎn)化率達到了74.77%，生產(chǎn)強度為10.52 g/（L·d）。

羥基乙酸作為一種重要的醫(yī)藥中間體和有機化工原料，具有較高的應(yīng)用價值，但其在自然界中含量較低。本文采用一種對環(huán)境友好，降低化學(xué)污染的生產(chǎn)方法生產(chǎn)羥基乙酸，相比前人所報道的生產(chǎn)方法具有較大優(yōu)勢。今后將進一步進行放大實驗，同時優(yōu)化產(chǎn)品的提取純化工藝，提高羥基乙酸的收率，為工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。