丁酸的生产应用研究进展

刘瑾，张朝正，赵华

(天津科技大学 生物工程学院，天津 300457)

丁酸(butyric acid)又被称作酪酸，为油状无色液体，具有浓烈的腐臭刺激性气味，易溶于水和大部分有机溶剂。天然丁酸主要由丁酸梭菌属()、丁酸弧菌属()、酪酸杆菌属()、八联球菌属()和梭杆菌属()等产生。丁酸的应用具有很强的广泛性：在医学上，丁酸及其盐类物质对肠道具有修护作用，同时具有预防和治疗结肠癌、肠道菌群紊乱、急慢性腹泻、溃疡性结肠炎等功能；在食品上，丁酸作为风味品，加入食物中使食物具有更好的感官体验；在饲料上，丁酸作为饲料添加剂，食用添加丁酸的饲料可以使牲畜获得更高的营养价值并且提高免疫力。目前，丁酸的生产方式有两种：化学合成法和微生物发酵法。在工业上丁酸主要是通过化学合成法来生产，化学合成法对环境污染严重且石油消耗严重，不符合现在绿色环保的理念，微生物发酵法相对于化学合成法对环境污染少更加符合可持续性发展的方向。微生物发酵法产率低、废液难处理，但是丁酸的使用增加，导致丁酸的需求大大提高。因此，微生物发酵法发酵丁酸得到了大家的普遍关注。本文从丁酸的化学、生物合成途径及其生产代谢机制、丁酸的应用进展方面进行了综述，旨在为其生产应用研究提供参考。

1 丁酸的生产

1.1 正丁醛氧化法

正丁醛氧化法生产丁酸，是以正丁醛为原料，以氧气或空气作为氧化剂，催化剂有无均可的一种生产方法。利用工业氧气在无催化剂的条件下用正丁醛生产正丁酸，最佳反应温度为55～60 ℃，反应时间为6～7 h，氧气流量为10.8～11.8 L/h，反应液中正丁酸质量分数为82%～86%时停止反应。

以正丁醛为原料加入反应器中，加热，并通入氧气。正丁醛先与氧气氧化生成氧化正丁酸，生成的氧化正丁酸再与正丁醛反应生成正丁酸，并伴随着副产物酸酐、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

以正丁醇为起始原料，中间产物为正丁醛，终产物为正丁酸。该方法虽然转化率和选择性都比较高，但催化剂回收率低、成本过高。因此，寻找一种简单、绿色、高效、低成本的正丁醇直接氧化制备正丁酸的方法一直是研究的热点。一种新型环保催化材料TS催化剂的成功合成及其在多种催化领域的成功应用引起了广泛关注。

以TS分子筛为催化剂，HO为氧化剂，催化氧化正丁醇制备正丁酸是新开发的合成路线。最佳合成工艺条件:W(TS)/n(正丁醇)为6.1 g/mol，n(正丁醇)与n(HO,30%)的比例为1∶3，最适反应温度90 ℃，最优反应时间12 h；最终正丁醇的转化率可达到100%，选择性则在99.5%以上。将TS分子筛、HO和正丁醇加入氧化反应器中，氧气经气体质量流量计测量后从反应器底部进入，与正丁醛发生氧化反应。最终气体冷凝，达到气液分离的效果后排放尾气。反应结束后将物料冷却，即可取样分析。

虽然正丁醛氧化法制备丁酸的工艺简单，但是正丁醇氧化法制备丁酸具有更高效、清洁、低成本、产率高等优点，且催化剂可回收重复利用，在化学生产上被广泛利用。

1.3 丁酸梭菌发酵生产丁酸

丁酸梭菌又被称作酪酸菌，属于专性厌氧菌革兰氏阳性，对高温、高盐、强酸等恶劣环境的耐受性强，对极少数抗生素敏感。丁酸梭菌是产丁酸的主要菌株，丁酸梭菌培养简单且丁酸产率高，因此丁酸梭菌是产丁酸的最优菌株。研究丁酸梭菌用葡萄糖作为碳源，主要代谢产物为丁酸，副产物乙酸，还伴有少量乳酸和乙醇，代谢途径见图1。

图1 丁酸梭菌发酵产丁酸代谢途径Fig.1 Metabolic pathway of butyric acid production by Clostridium butyricum fermentation

以葡萄糖为底物时，葡萄糖经EMP反应途径分解生成丙酮酸、NADPH和ATP。生成的丙酮酸一部分在乳酸脱氢酶的催化下生成乳酸和NADPH，另一部分丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的作用下生成乙酰CoA，然后乙酰CoA又参与乙酸、乙醇、丁酸的反应。在乙酸代谢通路中，乙酰CoA在磷酸转乙酰酶的作用下生成乙酰磷酸，之后催化生成乙酸；在乙醇代谢通路中，乙酰CoA在丙酮酸脱氢酶催化下生成乙醛再生成乙醇。丁酸合成途径主线路乙酰CoA在硫解酶的作用下生成乙酰乙酰CoA，乙酰乙酰CoA经β-羟基丁酰CoA脱氢酶生成β-羟基丁酰CoA，巴豆酸酶将β-羟基丁酰CoA转化为巴豆酰CoA，然后在丁酰CoA脱氢酶的作用下生成关键前体物质丁酰CoA，前体物质丁酰CoA在各种催化下最终形成丁酸。

Ai等研究了一种利用不确定混合培养法从稻草中生产丁酸的最佳pH范围和缓冲剂补料的方法。结果表明，中性pH提高了稻草转化率，从而提高了羧酸产量。在pH值6.0～6.5的范围内实现了最高的丁酸产量。这项研究提出了一种使用不添加纤维素酶的木质纤维素生物质生产丁酸的替代方法。

主要从3个方面改进丁酸梭菌以提高丁酸产量：提高底物利用率，增强菌体耐受性以及促进丁酸代谢流。提高底物利用率可以用蔗糖代谢途径解决；增强菌体耐受性可以利用过表达基因的菌株进行固定化细胞补料分批高产；抑制乙酸支路代谢可以促进丁酸代谢流。

丁酸梭菌作为新的微生物发酵代替产品，如何进一步提高发酵速率，降低发酵成本，扩大应用范围是目前我们急需解决的难题，丁酸梭菌生产丁酸的研究在我国处于初始阶段，其开发研究空间广阔。

1.4 用生物强化反应器发酵生产丁酸

可持续性最强、最环保的丁酸生产方法就是生物发酵法，但是低产量和高基质成本限制了该工艺与化学合成方法的竞争。

邵享文等的研究通过诱导丁酸梭菌和其他生物混合培养提高丁酸的产量，采用厌氧序批式反应器(anaerobic sequencing batch reactor，ASBR，一种生物强化和控制的装置)在35 ℃、pH 10的条件下运行，以乳品工业废水为基质。丁酸梭菌的生物强化使丁酸产量(COD)从(260±36) mg/L增加到(2889±180) mg/L，总挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)产量(COD)从(1434±217) mg/L增加到(4642±1778) mg/L。实验证明混合培养物在丁酸生产方面比纯培养物具有更好的性能，能获得更高的丁酸浓度。以丁酸为碳源进行驯化，并通过调控氢分压构建两类丁酸氧化互营产甲烷菌群，利用qPCR技术对驯化过程中污泥微生物群落结构的变化进行了分析，并比较两类培养物对酸化ASBR恢复的生物强化效果。最终结果表明，比产甲烷活性(specific methanogenic activity，SMA)均大幅度提高。

生物强化反应器可通过多种方式强化丁酸的生产，多菌种联合发酵提高微生物对廉价基质的利用度，降低生产丁酸的成本，取得了令人欣喜的研究成果。

1.5 生物电化学系统(bio-electrochemical system，BES)产丁酸

Logan研究发现，大多数BES研究最初集中于通过生物电化学氧化微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)中的有机底物来产生电能，其中以固体电极作为电子受体。研究表明，通过在电极之间施加电势将有机底物(如短链羧酸盐)转化为化学产品比生产电力具有更大的经济和环境效益。这种方法通过使用恒定电位仪在MFC的电极之间施加电势，克服了阴极反应的热力学限制。使用基于膜的BES从复杂的有机废物中生成有价值的产品，将阴极的产物形成与阳极的底物氧化分离是其独有优势。

Arbter等研究了电发酵(electric fermentation，EF)对环状红孢酵母()脂质生产的影响，阴极电发酵(cathode electric fermentation，CEF)和阳极电发酵(anode electric fermentation，AEF)都对脂质产量和生产能力存在积极影响。使用氧化还原介质——中性红进行额外的CEF培养，饱和脂肪酸的比例大幅增加(从37%增加到50%)，这项工作表明EF存在提高、改善微生物生产发酵产物的极大潜力。

2 丁酸的应用

2.1 丁酸作为饲料添加剂

丁酸可降低环境的pH，改变菌群的生长环境，影响其他菌群的生长繁殖，维持肠道菌群的平衡，改善肠道的消化吸收功能。研究表明，在日粮中添加竹叶黄酮、丁酸钠能够提高仙居鸡的产蛋率和平均蛋重，降低平均日采食量和料蛋比，提高鸡蛋蛋白高度和哈夫单位，降低蛋黄比例，对平均日增重和料重比的影响较小，且能改善仙居鸡的免疫与抗氧化功能，调节机体脂质代谢。丁酸钠作为能量来源，可刺激肉鸡肠道上皮细胞增殖并改善肠道黏膜形态，促进绒毛生长和肠道组织发育。丁酸钠具有肠道保护和抗菌作用，可增强肠道完整性，促进营养物质的消化吸收，提高免疫力和抗病力。在饲料禁抗的背景下，对抗生素替代品丁酸钠的研究和应用就显得非常重要，该研究为丁酸盐在肉鸡饲料中替代抗生素提供了科学依据。

研究丁酸梭菌的生物学功能及其在肉鸡生产中的应用，为丁酸梭菌更好地应用于家禽生产提供了参考。丁酸梭菌作为饲料添加剂，具有促进机体肠道有益菌群增殖，抑制有害菌群生长繁殖的保健功能；同时为肠道上皮组织细胞的再生和修复提供了营养物质；改善了肠道菌群的形态和结构；抑制了机体的炎症反应，增强了动物机体免疫力和抗氧化等生物学功能。

2.2 丁酸作为食物调味品

调味品作为人们日常饮食生活中不可缺少的成分，是多种微生物共同作用的结果。随着现代饮食习惯的改善，人们越来越重视食品的健康效应。因此，开发功能性调味品已成为调味品行业的发展趋势。

丁酸的酯类具有愉快的水果香味，被用作食品添加剂和香精，如丁酸甲酯有苹果香味，丁酸乙酯可用于食用香精配方中，用于调配多种果香型香精和其他香型香精。丁酸异戊酯有雪梨香味，丁酸丁酯有香蕉和菠萝似的香韵，丁酰胺类化合物有辣椒味。日用香精中还有丁酸芳樟酯。丁酸能抑制巴氏杆菌、大肠杆菌等肠道有害菌生长，促进肠道其他益生菌的生长。

2.3 丁酸作为化学原料

丁酸是重要的化工原料之一，丁酸的纤维素酯衍生物用于喷漆和模塑，它们具有优异的耐热性、耐光性和防潮性，丁酸纤维素可溶于多种溶剂，与醋酸纤维素相比，与树脂和塑料混合的能力更强，并且具有高度的防潮性。

丁酸纤维素酯同时还具有优良的成形性能和尺寸稳定性，这类塑料适用于干挤，即使加工较长的物件也能保证形态的完好，常被用于制造牙刷柄、建筑纸板、扶手、彩色闪光灯罩、按钮、仪表外壳、安全帽、眼镜和消防器材等日用品。

2.4 丁酸在医药方面的应用

研究人员检测了酪酸梭菌的主要代谢产物氢气和丁酸对损伤胃黏膜的效应，探究黏膜保护作用的具体机制。胃组织大体观测发现丁酸能够保护胃黏膜，而氢气不具有此作用；苏木精-伊红染色法(hematoxylin-eosin，HE)也表明丁酸能够显著改善乙醇造成的胃黏膜病理损伤。对酪酸梭菌联合复方丁香罗勒混悬剂治疗小儿轮状病毒性肠炎的临床疗效研究表明，小儿轮状病毒性肠炎应用酪酸梭菌联合复方丁香罗勒混悬剂治疗，效果显著，可以在临床上进一步实践和推广应用。

3 展望

现阶段工业生产丁酸的主要方法是以正丁醇为关键原料的催化氧化法。虽然产率高、纯度高，但由于工艺过程相对复杂、能耗高、对环境危害大，该法正面临挑战。丁酸梭菌产丁酸是目前微生物发酵最有效的方法，但该方法还有可以改进的方面，给接下来丁酸梭菌更高效产丁酸提供了思路。丁酸的微生物发酵生产的优化和生物强化反应器的开发为丁酸的发酵生产提供了新途径。鉴于目前我国资源短缺和环境污染的现状，利用可再生能源秸秆，引入电场辅助发酵机制制备丁酸的方法已引起广泛关注。生物发酵方法具有原料可再生、环境污染小的特点，可以减少丁酸生产对石化资源的依赖，为丁酸的绿色生产提供了一种潜在的可行方法，但该方法尚未实现大规模工业化生产，关键在于工艺条件的整体优化以及大规模生产的工程化开发。

在应用方面，丁酸是一种具有重要用途的原料，现已在化工、食品、饲料、医药等领域得到了广泛的应用。丁酸在聚合物材料制备和应用方面已取得很好的进展，其中醋酸丁酸纤维素酯是一种代表性产品。丁酸在医护方面也具有广泛的市场前景，如制备一系列衍生物在肠胃保护等方面具备医疗价值。丁酸的生产应用将具有一定的学术和研究价值。