己酸的生产应用研究进展

张天爽，赵 华

（天津科技大学生物工程学院，天津 300457）

引言

己酸是6 个碳的中链羧酸，天然存在于杏、干酪、面包中，被广泛用于食品添加剂、医药、香料等工业生产[1]。目前，己酸合成的方法主要有直接提取、化学合成和生物合成，其中，直接提取法获取己酸产量低、成本高，未能被广泛使用；化学合成法则存在高污染、高能耗等问题，制约着经济和环境的可持续发展；生物合成法虽然更为绿色环保，但低产和高成本依旧是限制己酸生产的亟待解决的难题[2]。目前，国内外对己酸的需求量逐渐增大，解决己酸生产中存在的高能耗、高成本问题刻不容缓，开发一种低成本、绿色环保的生产己酸方法逐渐受到人们的关注。本文从己酸的生物、化学合成等途径及己酸的研究应用方面进行综述，旨在为己酸的生产应用提供参考。

1 己酸的生产

1.1 仲辛醇硝酸氧化法

己酸可以从各种油脂、椰子油中的甘油酯中分离出来。但此方法获取得到的己酸浓度低、成本高，未能被广泛使用[3]。在工业生产中可用硝酸氧化仲辛醇[4]的方法来获得。温度控制在50℃～55℃，将仲辛醇滴入工业硝酸中，用水洗涤得到粗己酸，粗己酸常压脱水，再减压蒸馏，在158℃（8.0kPa）收取馏分，即为己酸。发生的主要反应为式（1）。

但采取此种方法在制备己酸的过程中会产生大量的含氮有毒气体，对环境造成污染。后处理问题突出，造成己酸产率不高。

1.2 纯菌发酵

采取生物法制备己酸是几年来国内外公认的绿色环保的方式，通过使短链酸醇碳链增长的方式纯菌发酵己酸。如，利用克氏梭菌（clostridium kluyveris）以乙醇为能源底物合成己酸[5]，利用rhodospirillum rubrum 与clostridium scatologenes 分别以丙酮酸和甲醇作为碳源合成己酸[6-7]。利用megasphaera elsdenii以多种碳水化合物，如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉和乳酸等合成己酸[8-9]的方式也逐渐被人们发现。

1.3 廉价废弃物厌氧发酵制备己酸

使用纯化学品进行发酵获得己酸，存在成本较高的问题[10]，利用廉价废弃物进行厌氧发酵的方法逐渐得到关注。生产己酸的廉价原料主要取自食品废弃物、酿酒副产物等。食品废弃物有量大且能量密度较高的特点，通过水解酸化可以产生大量的高浓度短链酸，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。采用纯乙醇生产己酸的成本较高，因此使用廉价废弃物等原料来生产己酸更加符合经济可持续的发展理念[11]。

1.4 瘤胃菌与乳酸菌共培养利用葡萄糖合成己酸

瘤胃菌可以利用乳酸生产己酸，但其效能较差，发酵成本较高。采用瘤胃菌与植物乳杆菌共培养的发酵方式[12]可以显著提高葡萄糖转化为己酸的效率。单因素实验测定确认葡萄糖、乙酸钠和蛋白胨是对共培养产己酸影响较为显著的3 个因素，最佳合成条件为：葡萄糖52.643 g/L、乙酸钠12.37 g/L、蛋白胨30.269 g/L。采用共培养的发酵方式利用葡萄糖产己酸的量可以达到瘤胃菌单菌种产己酸量的2 倍，生产效率大幅提升。

1.5 两相法厌氧发酵产己酸

在己酸发酵的过程中，未解离己酸的积累可能会对体系内微生物产生毒害作用，抑制己酸的合成[13]。使用两相工艺，将酸化阶段与产己酸阶段分开，实现功能性菌群的空间分离，避免在单相发酵的过程中因添加乙醇和己酸的积累对水解酸化菌产生的毒害作用，可以有效提升生产效率，有利于后续对己酸的分离纯化。Grootscholten 等[14]采用固体废物的两相发酵，在产己酸相中添加乙醇发现，产生短链脂肪酸的效率较单相反应的效率比更高，得出结论两相法发酵产己酸生产强度更高。采用对己酸进行在线分离的方式可以更好地提高己酸的产量[15-16]，如膜渗析、液液萃取等[17]。除未解离的己酸外，合成体系内乙醇和小分子羧酸的浓度过高对于己酸菌也存在毒害作用[18]。

2 己酸的应用

2.1 在食品行业的应用

己酸是我国规定允许使用的食用香料，可用于食品添加剂、水果香精等。由己酸发展而来的各种酯类也常用于食品添加剂中，特别是己酸乙酯，用于食品调香，在化妆品、香料等日用品的香精中也有所应用[19]。由己酸制成的4-己基间苯二酚是一种抗氧化剂，能够作为水产品中的保鲜剂使用，有效防止产品在储存运输过程中褐变腐败[20]。

2.2 己酸在医药方面的应用

己酸在医药工业中常用于制备氨基己酸等，其能阻碍纤维蛋白溶解酶形成的特性，临床常用于预防及治疗纤维蛋白溶解亢进引起的各种出血[21]。醋氨己酸锌是一种有机锌类制剂，可用于治疗消化性溃疡病[22]。随着高分子科学的发展，一些酯类的共聚物也逐渐被应用于医药领域[23]。聚己酸内酯因其可降解性和良好的生物相容性被广泛应用于临床骨科、口腔科等，作为手术缝线、药物载体等使用。聚6-羟基己酸因其良好的生物降解性也被广泛应用于生物医药领域，其最终的降解产物为二氧化碳和水[24]，对人体无毒无害，且作为药物释放材料具有很好的稳定性。

2.3 己酸作为化学原料在化工方面的应用

己酸作为重要的化工原料，可用于制造润滑油的增稠剂、油漆催干剂等[25]，还是合成树脂和橡胶的原材料。其衍生物如2-乙基己酸盐不仅应用在橡胶、涂料军工等领域，还是木材防腐剂和聚合物的催化剂[26]。2-乙基己酸的锆、铁盐可以应用于防水涂料，2-乙基己酸亚锡则是理想的橡胶、涂料和塑料制品催化剂[27]。在能源领域，己酸可作为前体原料用于己醇等生产[28]。

3 总结和展望

目前工业生产己酸主要为仲辛醇硝酸氧化法。己酸菌产己酸是目前微生物发酵相对常用的方法，但在提升效能及大规模生产等方面还需作更多深入研究。基于目前行业资源短缺、污染严重等生产问题，采取廉价废弃物生产己酸成为今后发展的必然趋势。厌氧发酵技术具有广阔的发展前景，但产量较低无法在工业生产中广泛应用，这仍是未来亟需解决的问题。在应用方向，己酸无论在食品、医药还是化工领域都已成为被广泛应用的基础原料，其衍生物及聚合物具备广阔的市场前景。生物己酸将是未来研究的重要方向，开发一种低成本、高产量、低污染和高效益的可行性己酸制备方法已成为必然趋势。