全 文 ：Aug。2006
·44·
生物加工过程
ChineseJoumalofBiopIDcessEn舀neering
第4卷第3期
2006年8月
葡萄糖和木糖双底物生物转化生产
2，3．丁二醇和氢气的代谢计量分析
马成伟，孙亚琴，修志龙
(大连理工大学 环境与生命学院，大连116024)
摘 要：以忍出如池p珊啪on如le利用葡萄糖和木糖双底物生物转化生产2，3．丁二醇和氢气过程为研究对象，对其进
行代谢计量分析。分析结果显示：2，3．丁二醇和氢气相对于底物葡萄糖和木糖的质量收率依赖于还原能力NADH，
1 1氧化磷酸化的分率(艿)。当艿=鲁时，即在总还原能力N龇中有鲁molN蛳被氧化磷酸化，剩余部分用来产生
， ，
氢气，呼吸商为14时，2，3一丁二醇和氢气的最优质量收率分别为50％和0．8％；而当占=1，即还原能力NAD心全部
被氧化磷酸化、不产生氢气，呼吸商为4时，2，3．丁二醇的质量收率为37．5％；2，3一丁二醇和氢气的质量收率与底物
中葡萄糖和木糖的比值无关。而氢气的摩尔收率与底物中葡萄糖和木糖的比值相关，当底物全部是葡萄糖或木糖
时，其最优摩尔收率分别为7l％和60％。该分析结果为葡萄糖和木糖双底物生物转化生产2，3．丁二醇过程的实验
研究奠定了理论基础。
关键词：2，3．丁二醇；氢；葡萄糖；木糖；代谢计量分析
中图分类号：Q59】 文献标识码：A 文章编号：i672—3678(2006J03— 44—0r7
Stoich虚ometricanaIysis0fcofe翔1e】吣狮伽ofgluc0跎and碍玉D赡t0
2，3一挑I切瑚撒0landhydrog蚰by胁玉砌pnP堋llD咒玩P
MAChen乎wei，SUNYa-qin，XIU孙i-long
(Departmem0fBioscience蚰dBiotechmlogy，Sch00lofEnvimnmentalandBiolo西calScienceaJld7№hnolo科，
DaliaIIU Iive瑁畸of‰}lnology，Dalian116024，C}lina)
Abs嘣：(Hucose肌dxylosewereused嬲substmteseofemlentatedby天z 夙据fkp船咖∞n妇toproduce2，3-
butaIlediolandhydmgen，whichwastoichionletricallanalyzedccomiIlgt0ene嘲r(硝rP)，reducillgquiva：Ient
andHl鹅sbalances．弧emeoreticalanalysiedreVealedtll砒t}leHlass)，ield0f2，3_but肌ed“a11dhyd嘴nto
substratew siIldependentofthem_tio0fducoset0玛怕sein“iallya(Ided，锄dde删edonlyontheInolarfblc—
tionofIeducingequi、mentoXidizedbynlolecularo珂gen(艿)．111e叩tiInaltlleoreticalH assyieldof2，3一bu．
taIlediolaIldIy蛔ntosubstratec nreachto0．50∥g8Ild0．008g／grespectivelyattherespimtor，rquotient
Valueto14，ifallp)，ruvicacidemeredimoacetoinpathwayinsteadoftlleomers，andtheHlolarfbction0fNA一
，’
DH2oxidizedwas寺，meresidualNADH2wasusedtopIDducehydmgen．珊1ent}le吲ucingequivalentwas
c伽1pletely0Xidized谢t}lout讪genproductio ，出eHlassyieldof2，3-but锄ediolwas0．375g／gattherespir-
atoryquotientto4．，nlet}leoreticalanalysiscanhelpusunderstalldheH etabolicprinciplesfm r，desi印aIld
contId出eexperiment8linvestigationsbetter．
Keyw删s：2，3一butanedi01；hydIDgen；glucose；xylose；stoichioHletricallyanalysis
收稿日期：2006—02．20
作者简介：马成伟(1984．)，男，辽宁凌源人，本科生，研究方向：生物化工。
联系人：修志龙，教授，博士性导师，E．rIlail：zhlxiu@dlut．edu．cn
万方数据
2006年8月马成伟等：葡萄糖和木糖双底物生物转化生产2，3．丁二醇和氢气的代谢计量分析．45．
2，3一丁二醇是一种重要的化工原料，在聚酯、香
料、染料、药物合成、炸药等领域有着广泛的应用前
景⋯，并且2，3．丁二醇是一种极具应用潜力的汽油
添加剂，左旋形式的2，3．丁二醇可用作抗冻剂。另
外2，3，丁二醇还是生产甲乙酮、2一丁烯、l，3．丁二
烯、双乙酰等化工产品的基本原料[2_3j。
随着化石资源(如石油和煤炭)日趋枯竭以及传
统化学工业给环境带来的污染日益严重，将可再生
资源(如淀粉、纤维素等)生物转化为化工原料的研
究与开发越来越受到世界各国的广泛关注，生物转
化法生产1，3．丁二醇就是一个典型的例子。以木质
纤维素的水解液为原料，通过细菌将碳水化合物转
化为2，3．丁二醇有望进一步降低生产成本，常用细
菌为地6s拓玩艘啪n池，因为它可以利用葡萄糖、
木糖、阿拉伯糖等木质纤维素的主要成分，在厌氧或
微氧条件下可以得到较高的转化率h5‘。氢气作为
一种理想的清洁能源，其热值和热转化率很高，有望
在将来作为化石燃料的替代品，以解决日益严重的
能源危机和环境问题。氢气也是一种重要的工业原
料，用于石油加工以及合成氨的众多工业生产过程
中。
本文将以‰加诂姚p船姗on池利用葡萄糖和木
糖共底物生物转化生产2，3一丁二醇过程为研究对
象，对其进行代谢计量分析，试图通过理论推导寻求
该过程的代谢规律，并为该过程的实验研究起到一
定的指导作用。
1代谢计量分析
葡萄糖和木糖在敞舔涮如p船啪Dn泌中的共代
谢途径如图1所示。在以下分析过程中，提出如下
假设：(1)由于在代谢过程中琥珀酸、乳酸、甲酸等的
产量很少，因此在代谢计量分析过程中忽略它们所
在的分支途径；(2)代谢过程中产生的各中间物均无
积累，完全被下一步代谢所利用；(3)代谢过程中所
产生的能量没有损失，全部被菌体利用。
ATPADP ADPATP
葡萄糖盟生物量』辽木糖
瞄
葡萄糖一6一磷酸
l
果糖～6一磷酸一k念
甘油醛一3一磷酸
I
木酮糖
旷ATP
卜ADP
木酮糖一5一磷酸
NADH+H+小ATPc妥ADPATP
2，3一丁二醇 磷酸烯醇式丙酮酸。‘—尹弋—一琥珀酸
NAD+1＼f PADP2NADH+H+’2NAD+
NADH+H+／1c02 I＼ATPNADH+H+一AD+
乙植姻——玉一丙酮酸—————二∑z——一乳酸
乙
2CO，
H。+FADH
图l 葡萄糖和木糖在觑加如沈p胎帅研讧础中的代谢途径
Fig．1P胡1way0fducoseandxylosem 柱州i锄in船曲s谢kp聊￡勰。商∞
万方数据
万方数据
万方数据
·48· 生物加工过程 第4卷第3期
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图2 NADH2氯化磷酸化的分率(8)对生物量、2，3，丁二醇、氯气相对于底物葡萄糖和木糖的质量收率以及呼吸商的影响
F谵．2 E如ctsofthemolarfmctionsofNADH2in蕊d撕vepathwayonn艄)rields0fbiornass，2。3一butanediol，
hydrDgent0sIlbs蹴eof西ucoseandxyloseandrespiratoryqu tient
表1图2中详细的参数值
1铀lel MassyieldsonsubstrateaIld．RQcalculatedbyEqs．(21)一(24)atdi珏蕊m艿value
又可用于生产氢气，还可以用来将甘油转化为1，3．
丙二醇。三者的代谢途径存在差异，产物对底物的
转化率也有所不同。甘油代谢生产1，3．丙二醇的途
径中需要消耗还原能力，这就需要消耗一部分甘油
来提供这些还原能力，因此即使在微氧的条件下，
l，3．丙二醇对甘油的最大摩尔收率只能达到
85％[12|。而葡萄糖和木糖联合发酵生产2，3．丁二
醇时，伴随着还原能力和生物能册的生成。这些
多余的NADH2要么完全氧化磷酸化，此时呼吸商为
4[13|，要么在固氮酶的作用下形成氢气。NADH2完
全氧化磷酸化时产生棚，细胞需要消耗底物生成
生物量，2，3．丁二醇对底物的最大质量收率只能达
到37．5％，而固氮酶催化NADH2生成氢气需要消耗
ATP，在特定条件下(艿=2／7，Rp=14)，2，3一丁二醇
对底物的质量收率可以达到最大，即50％。此时氢
气对底物的质量收率为ym(}L)／m(Gl。+Xvl)=0．8％。在
底物全部为葡萄糖的情况下，氢气相对于底物的摩
尔收率为7l％。如果只有氢气形成，而不形成2，3．
丁二醇的话，那么氢气相对于底物葡萄糖的最大摩
尔收率为668％。
2．2呼吸商对生物量、2。3．丁二醇和氯气质量收率
的影响
2，3．丁二醇微氧发酵生产过程中，优化氧气供
应，选择呼吸商作为最合理的控制参数。它能够通
过在线监控出口气体而监测出二氧化碳的生成与氧
气的消耗之间关系。曾安平【131推出采用西蹴r06∞￡．秽伽删菌种，微氧发酵生产2，3一丁二醇过程中
的呼吸商与氧气比消耗速率之间的关系。呼吸商作
为控制2，3．丁二醇发酵过程中的重要参数，为了更
好的了解呼吸商对产物收率及生物量收率的影响，
绘制如图3所示。
通过在线监控出口气体中的二氧化碳和氧气浓
度，计算出过程的呼吸商，以此作为控制参数，可以
有效地控制2，3．丁二醇的生成[1引。
图3中的参数值见表】。由图3可以看出，随着
呼吸商的逐渐增大，2，3．丁二醇、氢气相对于底物的
加
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2006年8月马成伟等：葡萄糖和木糖双底物生物转化生产2，3一丁二醇和氢气的代谢计量分析．49．一————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————～～
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图3呼吸商对生物量、2，3．丁二醇和氢气相对于底物质量收率的影响
Fig．3E船ct8ofrespi咖ryqu幽entonmassyieldsofbiarrlassl2，3一buLanediolaIldhydrogen吣sub8姚te
质量收率也在逐渐增加，而生物量的质量收率
在相对降低。当呼吸商达到最大值14时，2，3．丁二
醇和氢气相对于底物的质量收率也随之达到最大
值，分别为50％和0．8％，这也就意味着，在2，3一丁
二醇发酵过程中，我们应尽量将呼吸商控制在14左
右，以期得到最优的2，3．丁二醇和氢气产率。
3结论
根据在假设条件下僦，据玩p删fmpn妇中葡萄
糖和木糖的共底物代谢计量分析，综合考虑质量、能
量和还原能力平衡，可以得出：2，3．丁二醇、氢气相
对于底物葡萄糖和木糖的质量收率依赖于还原能力
NADH2氧化磷酸化的分率(艿)。在保证生物量生成
的情况下，生物量相对于底物的质量收率随着艿的
增大而逐渐增加，而2，3．丁二醇和氢气相对于底物
的质量收率以及呼吸商随着d的增大而逐渐地降
， 1
低。当a=号，即在总还原能力NADH2中，有号NA一
， ，
DH’被氧化磷酸化，剩余部分用来产生氢气时，2，3一
丁二醇和氢气相对于底物的质量收率分别为50％
和0．8％，呼吸商为14。而当8=1，即还原能力NA—
DM全部氧化磷酸化，不产生氢气时，2，3一丁二醇相
对于底物的质量收率为37．5％，呼吸商为4。2，3一丁
二醇、氢气的质量收率不随底物中葡萄糖与木糖的
比值变化而变化。从底物中碳原子的利用角度考
虑，葡萄糖和木糖中的碳原子利用率是一样的。
该代谢计量分析为生物转化生产2，3．丁二醇和
氢气代谢规律的认识以及该过程的实验研究起到了
一定的指导作用。在实际发酵过程当中，由于菌体
会处于不同的生长时期，其代谢特点亦会有所不同。
此外，在菌体的代谢途径中同时存在诸多其它分支
途径。这些都会影响到目标产物2，3．丁二醇和副产
物氢气的收率。
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