全 文 ：第７卷第４期
２００９年７月
生 物 加 工 过 程
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．７Ｎｏ．４
Ｊｕｌｙ２００９
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１７６２－３６７８．２００９．０４．０１３
收稿日期：２００８－１２－０１
基金项目：陕西省教育厅产业化培育项目（０４ＪＣ０５）
作者简介：陈勇（１９８０—），男，山东枣庄人，硕士，讲师，研究方向：生物化工，Ｅｍａｉｌ：１１１１１１１ｃｈｅｎｙｏｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
酵母不对称催化制备 Ｒ １，２ 丙二醇
陈 勇，李凤梅，韩荣伟，杜德红，于春娣
（青岛农业大学 食品科学与工程学院，青岛 ２６６１０９）
摘 要：研究了采用面包酵母还原丙酮醇制备Ｒ １，２ 丙二醇的工艺。采用摇瓶对转化条件进行单因素实验，确
定最优转化条件：丙酮醇浓度０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，ｐＨ７０，酵母质量浓度１５０ｇ／Ｌ，乙醇浓度为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，转化时间
２５ｈ。在此条件下，采用分批流加策略进行１５Ｌ规模发酵罐转化试验，转化２５ｈ后，发酵液的Ｒ １，２ 丙二醇浓度
为０２７ｍｍｏｌ／ｍＬ。
关键词：１，２丙二醇；不对称；还原；酵母
中图分类号：Ｑ８１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－３６７８（２００９）０４－００６１－０４
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ（Ｒ） １，２ ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌｔｈｒｏｕｇｈａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ
ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｗｉｔｈｂａｋｅｒｓｙｅａｓｔ
ＣＨＥＮＹｏｎｇ，ＬＩＦｅｎｇｍｅｉ，ＨＡＮＲｏｎｇｗｅｉ，ＤＵＤｅｈｏｎｇ，ＹＵＣｈｕｎｄｉ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＦｏｏｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１０９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ（Ｒ）１，２ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌｂｙｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｘｙｌａｃｅｔｏｎｅｗｉｔｈｂａｋ
ｅｒｓｙｅａｓｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｓｈａｋｉｎｇｆｌａｓｋ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｄｉ
ｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅａｓｆｏｌｏｗｓ：ｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｎｅ０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，ｅｔｈａｎｏｌ０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，ｂａｋｅｒｓ
ｙｅａｓｔ１５０ｇ／Ｌ，ｐＨｗａｓ７０，ａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｆｏｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓ２５ｈ．Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎ１５Ｌｆｅｒ
ｍｅｎｔｏｒｗａｓｃａｒｉｅｄｏｕｔｂｙｂａｔｃｈｆｅｅｄｉｎｇｈｙｄｒｏｘｙｌａｃｅｔｏｎｅａｎｄｅｔｈａｎｏｌ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ（Ｒ）１，２
ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌｒｅａｃｈｅｄ０２７ｍｍｏｌ／ｍＬａｆｔｅｒ２５ｈｉｎ１５Ｌｆｅｒｍｅｎｔｏｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１，２ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌ；ａｓｙｍｍｅｔｒｙ；ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｙｅａｓｔ
目前，虽然一半的合成药物具有手性结构，但
以外消旋物出售。人们认识到在外消旋体中，只有
１种对映体有疗效，而另１种对映体却有很大的毒
副作用，所以国际上限制外消旋药物的出售，而鼓
励单一对映体的生产［１］。光学活性１，２ 丙二醇具
有活性基团，可作为手性起始物用于药物、除草剂、
信息素和液晶的合成［２－３］。早期有采用有机合成的
方法合成Ｒ １，２ 丙二醇，但是用化学方法合成手
性丙二醇需昂贵的催化剂，限制了其工业应用，因
此研究者把目光转移到生物催化合成和拆分上。
所以，Ｒ １，２ 丙二醇已成为合成药物 Ｓ ｏｆｌｏｘａｃｉｎ
的重要前体。而 Ｓ １，２ 丙二醇的获得却十分困
难。但用酵母不对称还原生产手性化合物是１种简
洁方便的方法。具体反应为
在酵母不对称还原反应中，催化反应的酶为
ＮＡＤＨ依赖型氧化还原酶，其辅酶的再生系统非常
重要［４－５］。目前，国外已有关于生物催化合成
Ｒ １，２ 丙二醇的报道［６－７］，Ｔａｄａｓｈｉ等［８］采用气升
式发酵罐对酵母还原丙酮醇生成Ｒ １，２ 丙二醇和
酵母氧化拆分外消旋１，２ 丙二醇进行了研究，但仍
未得到工业化应用，而国内少有报道。因此本研究
试图开发一条有效制备 Ｒ １，２ 丙二醇的有效
途径。
１ 材料与方法
１．１ 菌种
面包酵母 湖北安琪酵母股份有限公司。
１．２ 试剂
丙酮醇、１，２ 丙二醇、甘油、柠檬酸三钠、无水
乙醇皆为分析纯。
１．３ 仪器及设备
ＷＺＺ １Ｓ数字式自动旋光仪 上海精密仪器有限
公司；ＴＲＡＣＥ气相色谱仪ＧＣ ９Ａ日本岛津公司。
１．４ 转化方法
在２５０ｍＬ三角瓶中，装液量为５０ｍＬ，在３５℃、
１６０ｒ／ｍｉｎ下转化时间２０ｈ后测定转化液的旋光度。
１．５ 测定方法
旋光度测定：转化液用ＮａＯＨ溶液调至ｐＨ＝１１
后在８０００ｒ／ｍｉｎ，离心２０ｍｉｎ，取上清液测定旋
光度。
乙醇测定：气相色谱法测定。
乙醇浓度＝标准样乙醇浓度标准样乙醇峰面积×待测乙醇峰面积。
丙酮醇、丙二醇浓度的计算方法同上。
色谱参数：载气（Ｎ２）０３ＭＰａ；空气 ０１ＭＰａ；
Ｈ２００５ＭＰａ；输出衰减 ２
３，灵敏度为 １０２，进样量
２μＬ。采 用 程 序 升 温 操 作：一 阶 升 温 速 度
１０℃／ｍｉｎ，一 阶 终 温 １６０℃；二 阶 升 温 速 度
８０℃／ｍｉｎ，二阶终温１９０℃。
２ 结果与分析
２．１ 共底物的选择
分别采用１ｍＬ乙醇、１ｍＬ甘油、１ｇ柠檬酸钠作
为辅酶再生的共底物，加入１ｍＬ丙酮醇，５ｇ面包酵
母，５０ｍＬ蒸馏水。对照实验中不加共底物。在
２８℃、１６０ｒ／ｍｉｎ摇床振荡转化４０ｈ后测定转化液
的旋光度，结果见图１。由图１可知，加入乙醇和甘
油后，转化液的旋光度明显比对照实验大，后面的
实验以乙醇和甘油为共底物进一步比较。
图１ 不同共底物转化结果
Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈ
ｄｉｆｅｒｅｎｔｃｏｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ
２．２ 共底物浓度对转化的影响
分别以乙醇和甘油为共底物，浓度取 ００５、
０１、０３、０５和 ０７ｍｍｏｌ／ｍＬ，丙酮醇为 ０１５
ｍｍｏｌ／ｍＬ、面包酵母质量浓度１００ｇ／Ｌ。按照１．４转
化方法进行转化，结果见图２。
图２ 共底物浓度的影响
Ｆｉｇ．２ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ
由图２可知：乙醇和甘油浓度为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ
时转化液的旋光值达到最高，其体积浓度过低会导
致辅酶的循环不足；体积浓度过高，会对细胞和酶
的活性造成影响。
２．３ 初始ｐＨ对转化的影响
调转化液的初始 ｐＨ，乙醇和甘油浓度为 ０３
ｍｍｏｌ／ｍＬ，丙酮醇浓度为０１５ｍｍｏｌ／ｍＬ、面包酵母质
量浓度为１００ｇ／Ｌ。按照１．４转化方法进行转化，结
果见图３。由图３可知，甘油和乙醇作为共底物，ｐＨ
７时，转化的效果最佳。转化结束时转化液 ｐＨ为
５。这说明在转化过程中有酸生成。乙醇比甘油更
适于做共底物。
２６ 生 物 加 工 过 程 第７卷
图３ 不同ｐＨ对转化的影响
Ｆｉｇ．３ ＥｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｐＨｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２．４ 丙酮醇浓度对转化的影响
分别取不同浓度的丙酮醇，乙醇浓度为 ０３
ｍｍｏｌ／ｍＬ，酵母量质量浓度１００ｇ／Ｌ，ｐＨ调至７０，
按照１４转化方法进行转化，结果见图 ４。由图 ４
可知，丙酮醇浓度为 ０３ｍｍｏｌ／ｍＬ时转化效果最
佳，过高的丙酮醇对细胞有一定的毒害作用。
图４ 丙酮醇浓度对转化的影响
Ｆｉｇ．４ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｘｙ
ｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２．５ 酵母质量浓度对转化的影响
分别取不同质量浓度酵母，乙醇浓度为 ０３
ｍｍｏｌ／ｍＬ，丙酮醇浓度为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，按照１．４转化
方法进行转化，结果见图５。由图５可知，以乙醇为共
底物时，酵母质量浓度为１５０ｇ／Ｌ时转化效果最佳。
图５ 酵母质量浓度对转化结果的影响
Ｆｉｇ．５ Ｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｙｅａｓｔ
ｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２．６ 初步条件下加乙醇与不加乙醇转化结果比较
在２５０ｍＬ三角瓶中，装液量为５０ｍＬ，乙醇浓度
为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ、丙酮醇浓度为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ及酵
母量１５０ｇ／Ｌ均为初步试验的最优值。对照试验不
加乙醇。转化条件为：ｐＨ７０，３５℃，１６０ｒ／ｍｉｎ下转
化２５ｈ，结果见图６。由图６可知，乙醇作为共底物
能非常明显的增加转化效果，转化进行２０ｈ左右，转
化结果基本稳定。
图６ 乙醇为共底物的转化曲线
Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｖｅｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｅｔｈａｎｏｌ
ａｓｃｏｓｕｂｓｔａｎｃｅ
２．７ １５Ｌ发酵罐规模进行转化试验
在１５Ｌ发酵罐中加６００ｍＬ蒸馏水，１２ｍＬ乙醇、
６ｍＬ丙酮醇、３０ｇ面包酵母。考虑到在发酵罐中酵母
量过大，会使氧的供应不足，所以采用质量浓度为
５０ｇ／Ｌ。转化条件：温度为３０℃，ｐＨ自动控制为
６５，通气量为０８Ｌ／ｍｉｎ，搅拌转速为５００ｒ／ｍｉｎ。
转化过程中，每隔３ｈ用移液管取１０ｍＬ转化液，
调ｐＨ１１后８０００ｒ／ｍｉｎ下离心２０ｍｉｎ，取上清液用
气相色谱测定酒精、丙酮醇和丙二醇的浓度。然后
取３ｍＬ上清液，加蒸馏水至１５ｍＬ后测旋光度，实验
结果见图７。由图７可知，转化１０ｈ后，乙醇浓度降
至０１４ｍｍｏｌ／ｍＬ，丙酮醇降至０。此时补加乙醇和
丙酮醇至初始的体积浓度。转化至１９ｈ处，丙酮醇
再次降为０，乙醇体积分数为１％，再次补加乙醇和
丙酮醇至其初始浓度。转化２５ｈ后，测得的转化液
的旋光度值达到５０，Ｒ １，２ 丙二醇的浓度达到
０２７ｍｍｏｌ／ｍＬ。在开始的１０ｈ内，自动补加碱的速
度非常快，表明乙醇转变为乙酸，从而使辅酶ＮＡＤＨ
再生。根据对同一试样进行旋光度和丙二醇的测
定，结果见图８。
由图８可以看出，转化液的旋光度和丙二醇的
浓度之间具有一定的线性相关性，旋光度可用来表
示丙二醇的量，以方便跟踪试验进程。
３６ 第４期 陈 勇等：酵母不对称催化制备Ｒ １，２丙二醇
图７ １５Ｌ发酵罐转化试验结果
Ｆｉｇ．７ Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎ１５Ｌｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
图８ 旋光度和丙二醇浓度相关性曲线
Ｆｉｇ．８ Ｃｕｒｖｅｓｏｆｐｅｒｔｉｎｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄ
ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ１，２ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌ
３ 结 论
１）采用不同物质作为辅酶再生的共底物，其中
乙醇作为共底物效果最佳。
２）通过单因素实验确定初步最优转化条件：丙酮
醇浓度０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，ｐＨ７０，酵母质量浓度１５０ｇ／Ｌ，
乙醇浓度为０３ｍｍｏｌ／ｍＬ，转化时间２５ｈ。实验表明乙
醇和丙酮醇对细胞活性有一定的毒害作用。
３）采用分批流加乙醇和丙酮醇来维持二者在较
低的浓度下，进行了１５Ｌ发酵罐规模的转化试验，转
化２５ｈ，Ｒ １，２丙二醇浓度达到０２７ｍｍｏｌ／ｍＬ。
４）转化过程中有大量的酸生成，推测为乙醇转
化为乙酸使ＮＡＤＨ再生。
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４６ 生 物 加 工 过 程 第７卷