王杰明, 石雅麗,2*, 劉安禮, 劉占英,2, 蘭輝, 郝健霞, 姚梽鵬, 張清翠

1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院食品與生物工程系, 呼和浩特 010051;

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心, 呼和浩特 010051

丁酸(butyric acid)作為一種重要的化工原料,已經(jīng)大量的應(yīng)用于民生行業(yè)中。在食品領(lǐng)域，丁酸及其衍生物作為食品添加劑可直接添加到食品中，以增強(qiáng)食品的風(fēng)味，比如，丁酸酯可以產(chǎn)生誘人的香味，在食品中被廣泛用作香料；丁酸鈉是一種新型的飼料添加劑，正在逐步替代傳統(tǒng)的抗生素類添加劑[1]。在醫(yī)藥領(lǐng)域，丁酸作為一種短鏈脂肪酸，它是人類和其他許多哺乳動(dòng)物腸道上皮細(xì)胞的首選能源物質(zhì)，因此它對(duì)維持和促進(jìn)腸道正常功能起著重要作用，所以丁酸對(duì)腸炎有很好的治療作用；同時(shí)，丁酸能阻止組蛋白脫去乙酞基團(tuán)，所以它可以防止癌細(xì)胞的擴(kuò)增，具有抗癌的作用。此外丁酸因微生物對(duì)其不具備抵抗力故有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土壤熏蒸劑[2]。

目前，工業(yè)上生產(chǎn)丁酸主要以石油為原料進(jìn)行化學(xué)合成，但由于當(dāng)今世界原油供應(yīng)存在不穩(wěn)定性和不可持續(xù)性的問題，使得丁酸生物技術(shù)發(fā)酵法引起了人們的密切關(guān)注。與化學(xué)法相比，生物發(fā)酵法的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：所使用的原材料比較廣泛，發(fā)酵過程屬于典型的厭氧過程，低能耗、對(duì)環(huán)境的污染較低，以及可持續(xù)加料生產(chǎn)丁酸等。因此，使用微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁酸日益受到重視[1]。

1 丁酸的性質(zhì)

丁酸，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為CH3CH2CH2COOH，分子量為88.11 g·mol-1，熔點(diǎn)為-7.9 ℃，沸點(diǎn)為163.5 ℃，無色至淺黃色透明油狀液體，有刺激性氣味，屬于典型的低級(jí)揮發(fā)性脂肪酸。因?yàn)槎∷峥扇苡谒筒糠钟袡C(jī)物，可伴隨水蒸氣揮發(fā)，而且能與水形成共沸物，因此可以用液相色譜法對(duì)其進(jìn)行定性及定量檢測。

2 產(chǎn)丁酸菌株的特點(diǎn)

目前，產(chǎn)丁酸菌至少有10個(gè)屬，其中有7個(gè)屬已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，它們都是厭氧微生物。其中，梭菌屬(Clostridium)菌株在工業(yè)上生產(chǎn)丁酸應(yīng)用最廣泛，這其中研究較為深入的產(chǎn)丁酸菌株有：丁酸梭菌(C.butyricum)[3-6]、土丁梭菌(C.tyobutyricum)[7-10]和熱丁烯梭菌(C.thermobutyricum)[11-14]。丁酸梭菌和土丁梭菌生長環(huán)境的溫度一般在25～37 ℃，熱丁烯梭菌的最適生長溫度是55 ℃；培養(yǎng)基的pH范圍是4.0～9.8，培養(yǎng)基pH差異通常會(huì)導(dǎo)致乙酸鹽和丁酸鹽這兩種產(chǎn)物的比例變化。土丁梭菌生長時(shí)可被利用的碳源有葡萄糖、木糖和果糖[15-16]，熱丁烯梭菌生長時(shí)可被利用的碳源有單糖(但不能利用阿拉伯糖、半乳糖)、二聚糖、低聚糖和多聚糖[13]。目前產(chǎn)丁酸的菌株主要是丁酸梭菌，又叫作酪酸梭菌，主要有直立和彎曲兩種形態(tài)，厭氧菌可單個(gè)或成組出現(xiàn)，菌體有鞭毛，能通過鞭毛運(yùn)動(dòng)，孢子繁殖，孢子圓狀，菌體膨大后會(huì)呈現(xiàn)不同形態(tài)，主要為梭形[17]，乳白色菌落，直徑在1～3 mm間，表面有光澤。丁酸梭菌生長環(huán)境需要嚴(yán)格厭氧，溫度在30～37 ℃和pH在5.0～7.5最為適宜[18]。丁酸梭菌在進(jìn)行發(fā)酵時(shí)絕大部分的可溶性碳水化合物和醇都能被利用，但是不能利用衛(wèi)矛醇、山梨醇以及鼠李糖。丁酸梭菌的代謝產(chǎn)物主要是丁酸、乙酸、甲酸和丙酮，有些也產(chǎn)生乳酸、琥珀酸和丁醇[19]。在自然界中可以很容易獲取該菌株，比如動(dòng)物的排泄物。

3 微生物發(fā)酵產(chǎn)丁酸的細(xì)胞代謝途徑及其調(diào)控

利用分子生物學(xué)手段對(duì)微生物菌株進(jìn)行遺傳改造，目的是提高菌株的生產(chǎn)性狀，這種方法目前已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)微生物中，但關(guān)于丁酸產(chǎn)生菌改造的研究報(bào)道很少。高效的遺傳改造依賴于相關(guān)代謝途徑在分子水平上調(diào)控機(jī)制的闡明，這為選育高生產(chǎn)效率的菌株奠定了基礎(chǔ)。

通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁酸的細(xì)胞代謝過程是：首先，產(chǎn)丁酸菌通過糖酵解途徑將碳水化合物變?yōu)楸?PA)，丙酮酸與輔酶A形成乙酰輔酶A，再通過飽和脂肪酸合成途徑將乙酰輔酶A變?yōu)槎□］o酶A。當(dāng)丁酸激酶存在時(shí)部分丁酰輔酶A會(huì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)槎∷?，還有部分丁酰輔酶A與乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶結(jié)合形成丁酰輔酶A:乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶，這種轉(zhuǎn)移酶在一定的條件下可以產(chǎn)生丁酸，以及乙酰輔酶A。有部分乙酰輔酶A生成乙酸[20]。一般認(rèn)為，丁酸激酶是丁酸菌的丁酸途徑中對(duì)丁酸生成起主要作用的酶，然而近年隨著大量的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)顯示，丁酰輔酶A:乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶很有可能是主要生產(chǎn)丁酸的酶[21-25]。

產(chǎn)丁酸菌株在合成丁酸和乙酸時(shí)生長條件基本相同，而且當(dāng)這類菌株生長緩慢時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生乳酸。同時(shí)，當(dāng)發(fā)酵液pH和未離解酸的量發(fā)生變化，以及菌株生長期改變時(shí)，這類菌還能產(chǎn)生丁醇和丙酮，所以丁酸型發(fā)酵過程中通常不會(huì)僅獲得丁酸一種產(chǎn)物。因此，如何獲得單一的丁酸產(chǎn)物是對(duì)產(chǎn)丁酸菌株進(jìn)行遺傳改造的一個(gè)重要方向。

4 發(fā)酵法生產(chǎn)丁酸的工藝運(yùn)行方式

微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁酸的主要問題是產(chǎn)物抑制，這導(dǎo)致微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁酸收率低且經(jīng)濟(jì)效益差，因此選擇合適的生產(chǎn)工藝對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的生產(chǎn)效率有很大的影響。

4.1 丁酸的發(fā)酵工藝途徑

目前工業(yè)上采用的連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)是一種開放的發(fā)酵培養(yǎng)方式，這種培養(yǎng)方式可以使微生物在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)生長，從而提高生產(chǎn)效率，因此與分批發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵相比，連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)中丁酸產(chǎn)率較高，更適合丁酸發(fā)酵。連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)可以根據(jù)需要進(jìn)行人為控制，使微生物在生長曲線中的某個(gè)階段發(fā)生代謝速率的改變，從而提高丁酸產(chǎn)量[26]。連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)可以延長有機(jī)體指數(shù)相，維持營養(yǎng)和細(xì)胞數(shù)(生物量)波動(dòng)較小的生長環(huán)境[27]。連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)生的丁酸濃度往往要高于分批發(fā)酵培養(yǎng)，所以通過使用連續(xù)發(fā)酵培養(yǎng)可以獲得更高的生產(chǎn)力。但是，當(dāng)出現(xiàn)過量碳源、下游處理比較復(fù)雜以及最終產(chǎn)物抑制等操作問題時(shí)，建議采用在線分離或在線分離與原位產(chǎn)物分離相結(jié)合的補(bǔ)料分批發(fā)酵工藝。

4.2 采用固定化細(xì)胞反應(yīng)器生產(chǎn)丁酸

固定化細(xì)胞是在不溶于水的特殊載體上將細(xì)胞固定，使細(xì)胞在一定的空間下進(jìn)行生命活動(dòng)。固定化細(xì)胞的生物反應(yīng)器有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，在固定化細(xì)胞系統(tǒng)中可以獲得較高的細(xì)胞密度；其次，生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)比較簡單，當(dāng)發(fā)酵完成后，細(xì)胞很容易從中分離，使下游工藝簡單化；再次，成本較低。此外，固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器可以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)效率(提高效率包括改進(jìn)反應(yīng)速率和簡化產(chǎn)品分離)[28-29]。細(xì)胞固定化可以有效地應(yīng)用于厭氧過程，這種方式可使丁酸生產(chǎn)率高于普通連續(xù)過程。在使用固定化細(xì)胞的發(fā)酵過程中，通過脈沖添加不同的維生素，可以實(shí)現(xiàn)丁酸生產(chǎn)速率的提高。

流化床生物反應(yīng)器、填料床生物反應(yīng)器和橫流膜系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器。這類反應(yīng)器有很多優(yōu)勢(shì)：比表面積大、制造成本低、使用強(qiáng)度高和滲透性好等特點(diǎn)[30]。纖維床生物反應(yīng)器就是一種典型的填料床生物反應(yīng)器，固定化細(xì)胞處于纖維基質(zhì)填料上，此反應(yīng)器已成功用于丁酸的生產(chǎn)，與其他生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相比，此反應(yīng)器的生產(chǎn)率、最終產(chǎn)品收率和濃度都顯著提高，可連續(xù)且無重復(fù)地進(jìn)行接種，穩(wěn)定性好，而且下游產(chǎn)品的加工也簡單化[31]。

4.3 單獨(dú)提取及萃取

萃取時(shí)有機(jī)相的選擇很重要，需要選擇一種有效的具有生物相容性的萃取劑。向有機(jī)相中加入反應(yīng)物或載體，也應(yīng)該是生物相容的，從而增大分配系數(shù)。這種有機(jī)相如是Alamine 336(三辛胺)或Hostarex 327(三辛基氧化膦)與油醇的混合物，則采用液體膜的效果比簡單的提取更好，同時(shí)液體膜(有機(jī)相)可以再生，產(chǎn)物可以濃縮。第一階段是發(fā)酵液，第二階段是有機(jī)相，第三階段是水溶液剝離液，這些組合工藝已成功應(yīng)用于丁酸的萃取。

目前有一種特別的分離方法是絡(luò)合萃取，在分離過程中溶液的分離相會(huì)與絡(luò)合劑的萃取溶劑反應(yīng)，所生成的絡(luò)合物隨后再被轉(zhuǎn)移到萃取溶劑相中分離出來；再通過溫度或者pH的變化，反應(yīng)逆向進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。因?yàn)榈偷膒H會(huì)使丁酸分配系數(shù)增大，所以一般發(fā)酵液pH為2～3。稀釋劑也會(huì)影響丁酸的分配系數(shù)，主要用的稀釋劑是正辛醇或油醇，二者相比，用正辛醇可以縮短平衡時(shí)間[32]。

5 發(fā)酵法生產(chǎn)丁酸的影響因素

影響微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁酸的因素主要有pH、碳源、氮源、底物和終產(chǎn)物、預(yù)處理方法以及氧化還原電位。

5.1 pH對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響

由于發(fā)酵法生產(chǎn)丁酸都是利用微生物，而微生物生長有最適pH，同時(shí)發(fā)酵的產(chǎn)物也會(huì)影響發(fā)酵液的pH，因此發(fā)酵時(shí)必須考慮pH的影響。因?yàn)槎∷嵝桶l(fā)酵液的pH會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致發(fā)酵類型發(fā)生轉(zhuǎn)化，所以需要人為補(bǔ)加一些能提高pH的料液[19]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在丁酸型厭氧發(fā)酵過程中，初始pH為4.0時(shí)，隨著pH升高酸產(chǎn)量明顯提高；當(dāng)發(fā)酵初始pH為5.0時(shí)，丁酸產(chǎn)量達(dá)到最高，隨后進(jìn)一步提高pH，丁酸產(chǎn)量反而會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但始終高于初始4.0時(shí)丁酸的產(chǎn)量。pH為初始4.0時(shí)丁酸的產(chǎn)量最低，可能是由于pH為4.0時(shí)酸分子所解離出的氫離子可以自由進(jìn)出細(xì)胞膜，一旦過多的氫離子進(jìn)入細(xì)胞后引起細(xì)胞質(zhì)酸化，就會(huì)使得介導(dǎo)微生物細(xì)胞跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子梯度降低，即通常所說的酸堿度下降，最終使依賴于pH梯度的微生物細(xì)胞放熱反應(yīng)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)解耦，從而抑制甚至毒害微生物的生長[33-34]。因此，pH對(duì)產(chǎn)酸相的最終產(chǎn)物有影響，這是產(chǎn)酸相最終產(chǎn)物的限制性因素之一。

5.2 碳源對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響

在微生物生長過程中碳源一直是重要的影響因素，生物發(fā)酵產(chǎn)丁酸的量和碳源有著密切的關(guān)系，一般葡萄糖的效果最好，其次是蔗糖和果糖[23]，但考慮到成本可以聯(lián)用蔗糖和丁二酸鈉作為復(fù)合碳源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一碳源培養(yǎng)基[35]，這樣既能節(jié)約成本，又大大的提高了產(chǎn)丁酸的量。

5.3 氮源對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響

氮源分為無機(jī)氮源和有機(jī)氮源，二者對(duì)不同的微生物菌種的作用不同。通常無機(jī)氮源常用硫酸銨作為氮源；相比于使用單一氮源，有機(jī)氮源的產(chǎn)丁酸效果比無機(jī)氮源的效果更為顯著，其中以酵母膏的效果最好[36]。

5.4 底物和終產(chǎn)物對(duì)丁酸產(chǎn)量的影響

許多代謝途徑都會(huì)受到它們自身終產(chǎn)物的抑制。在利用梭狀芽孢桿菌發(fā)酵產(chǎn)丁酸的過程中，丁酸、乳酸、乙酸、丁醇、乙醇和丙酮都會(huì)影響丁酸的產(chǎn)量[35-36]。例如丁醇會(huì)改變膜的流動(dòng)性、膜功能和細(xì)胞內(nèi)ATP水平致使丁酸的產(chǎn)量降低，因此丁酸發(fā)酵也受到底物的抑制。未分解的丁酸通過細(xì)菌細(xì)胞膜進(jìn)入胞內(nèi)并最終被分解，它影響跨膜pH梯度并減少了微生物生長所需的能量[36]。在生產(chǎn)過程中為了使丁酸濃度保持在抑制水平以下，曾經(jīng)用高稀釋率來降低丁酸濃度，但是，這不利于下游產(chǎn)物的純化，所以及時(shí)移出產(chǎn)物盡可能的降低丁酸濃度是非常重要的。

5.5 益生素對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響

益生素是一種含有多種對(duì)微生物有益物質(zhì)的復(fù)合型生物制劑，因?yàn)樗粫?huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒殺效應(yīng)，且長期使用不會(huì)引起微生物產(chǎn)生抗性，因此益生素成為一種理想且綠色的可以替代傳統(tǒng)抗生素的添加劑[37]。

5.6 預(yù)處理方法對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響

在微生物發(fā)酵時(shí)，為了提高底物的利用率，常對(duì)底物進(jìn)行預(yù)處理。目前常用的低成本預(yù)處理方法主要有加熱預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理，化學(xué)預(yù)處理又包括酸法預(yù)處理和堿法預(yù)處理。

5.6.1加熱預(yù)處理對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響 加熱預(yù)處理是常用于厭氧發(fā)酵的一種物理預(yù)處理手段。生物細(xì)胞一旦被熱處理后，細(xì)胞的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生一定的改變，例如結(jié)合水和蛋白質(zhì)等會(huì)透過膜釋放到胞外并水解。細(xì)胞在受到不同的預(yù)處理溫度加熱后,受損的細(xì)胞位置也不一樣：當(dāng)處理溫度在45～65 ℃時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)遭到破壞，同時(shí)核糖體RNA也會(huì)降解；50～70 ℃時(shí)的熱預(yù)處理將使DNA變性；65～90 ℃時(shí)細(xì)胞壁瓦解導(dǎo)致細(xì)胞死亡；70～95 ℃高溫處理時(shí)蛋白質(zhì)分解成小分子肽段且易溶于水,成為很好的緩沖劑，讓被處理系統(tǒng)有較好的適應(yīng)pH變化的能力[38]。伴隨著不同的熱處理溫度，細(xì)胞在厭氧發(fā)酵中所產(chǎn)丁酸的量也會(huì)明顯不同。進(jìn)一步研究熱處理時(shí)間對(duì)細(xì)胞厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，在80 ℃高溫下分別進(jìn)行了15、30、45、60 min的丁酸厭氧發(fā)酵：當(dāng)放置時(shí)間為15 min時(shí)發(fā)酵產(chǎn)酸量很低,隨著放置時(shí)間的逐漸延長,細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酸量明顯上升，當(dāng)放置時(shí)間進(jìn)一步延長至30或45 min時(shí)發(fā)酵液中丁酸濃度急劇上升，當(dāng)放置時(shí)間上升至45 min后,酸的產(chǎn)量開始呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，當(dāng)放置時(shí)間為15和60 min時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)丁酸的量非常低[33]。熱處理時(shí)間太短會(huì)使得胞內(nèi)有機(jī)物不能被完全破壞溶解且還會(huì)影響細(xì)胞的破壁從而導(dǎo)致破壁緩慢甚至不徹底,預(yù)處理時(shí)間過長則會(huì)使有機(jī)物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變或變質(zhì)，因此實(shí)驗(yàn)過程熱預(yù)處理時(shí)間可選擇30 min。

5.6.2酸法預(yù)處理對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響 酸式預(yù)處理是一種化學(xué)預(yù)處理方法。在厭氧發(fā)酵反應(yīng)前加入強(qiáng)酸浸泡后的培養(yǎng)基底物，使細(xì)胞通透性增加，這樣胞內(nèi)生物大分子降解為小分子物質(zhì)后可釋放到胞外供產(chǎn)丁酸微生物利用。丁酸的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)pH為4和5時(shí),發(fā)酵液的丁酸濃度明顯提高,但pH為2和3時(shí),發(fā)酵液中丁酸的濃度明顯低于pH為4和5時(shí)，原因是細(xì)胞處于強(qiáng)酸性條件時(shí)細(xì)胞中的有機(jī)物被大量破壞[33]。因此用酸對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行預(yù)處理可以使細(xì)胞的厭氧發(fā)酵能力增強(qiáng),而且最優(yōu)條件為pH 4～5。

5.6.3堿法預(yù)處理對(duì)發(fā)酵法產(chǎn)丁酸的影響 堿法預(yù)處理也屬于化學(xué)預(yù)處理方法。用堿性溶液調(diào)節(jié)細(xì)胞到特定的pH,可使細(xì)胞壁上蛋白質(zhì)的電荷性質(zhì)發(fā)生改變，從而改變細(xì)胞壁的通透性，釋放出生物小分子物質(zhì)[39]，提高產(chǎn)丁酸菌利用底物的效率，進(jìn)而促進(jìn)厭氧發(fā)酵。

5.7 氧化還原電位對(duì)產(chǎn)丁酸的影響

自然界中不同種類的微生物使用的氧化還原電位(ORP)也不相同。大部分需氧微生物的ORP在300～400 mV，而ORP在100 mV以上需氧微生物就能生存；既好氧又厭氧的微生物在ORP是100 mV以上時(shí)是需氧的，ORP 在100 mV以下時(shí)是厭氧的；ORP為-250～-200 mV是保證全厭氧微生物生存的最低限度，全厭氧的產(chǎn)甲烷細(xì)菌需要ORP達(dá)到-600～-300 mV。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，丁酸型厭氧發(fā)酵過程需要的ORP值是-420～-350 mV[19]。

6 產(chǎn)丁酸菌株及其代謝產(chǎn)物的生理功能

丁酸梭菌常被用作醫(yī)藥、食品添加劑以及飼料添加劑等，丁酸梭菌代謝產(chǎn)物對(duì)人體有很多有益的作用。

6.1 維持腸道微生態(tài)平衡

腸道系統(tǒng)在長期進(jìn)化中已形成一種獨(dú)特的微生物平衡，而在一定程度上機(jī)體的健康程度與腸道菌群的平衡息息相關(guān)，因此維持或調(diào)節(jié)腸道菌群平衡具有重要意義。作為腸道微生物的丁酸梭菌，就為腸道微生態(tài)平衡做出很多貢獻(xiàn)，它在腸道中可以通過產(chǎn)生超氧化物歧化酶和NADH/NADPH氧化酶抑制無益菌的生長[40]，保障或修復(fù)有益菌群適宜生長的環(huán)境，從而達(dá)到促進(jìn)腸道中微生物種類和數(shù)量的快速平衡。丁酸梭菌代謝的產(chǎn)物如短鏈脂肪酸、抗菌物質(zhì)、各種酶、維生素和氣體都發(fā)揮著它們特有的功效來保護(hù)著腸道。例如，由丁酸梭菌產(chǎn)生的纖維素酶等酶類可以降解纖維素等難以利用的有機(jī)物，繼而產(chǎn)生有益細(xì)菌可利用的低聚糖，使得有益菌在腸道中更好的生長。對(duì)于腸上皮細(xì)胞來說丁酸還是一種重要的能源物質(zhì)，能促進(jìn)腸道系統(tǒng)中結(jié)腸段細(xì)胞的再生和修復(fù)，對(duì)于改變腸道黏膜結(jié)構(gòu)和提高腸道抗氧化能力的作用也十分顯著。因此，由于丁酸梭菌在調(diào)節(jié)腸道健康方面有著非常顯著的效果使得其產(chǎn)生的各種短鏈脂肪酸的研究也成為熱點(diǎn)。

6.2 增強(qiáng)機(jī)體免疫功能

研究發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌可使機(jī)體小腸粘膜IgA的量明顯升高，抑制微生物的附著[41-43]。因此，丁酸梭菌可增強(qiáng)機(jī)體的體液免疫能力。

6.3 抗癌方面

目前，防治腫瘤是醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，在這種趨勢(shì)下出現(xiàn)了一種新型的治療方法，即利用對(duì)機(jī)體有益的微生物群落聯(lián)用防治腫瘤，而丁酸梭菌防癌的原理就是基于此。丁酸梭菌能產(chǎn)生一種特殊酶類，這種酶可分解為激肽，激肽分解后癌組織中大多數(shù)毛細(xì)血管的通透性和循環(huán)能力減弱，癌細(xì)胞就會(huì)由于缺乏營養(yǎng)補(bǔ)給而死亡，也就是丁酸梭菌可以和癌細(xì)胞產(chǎn)生拮抗效應(yīng)達(dá)到抑癌作用[44-47]；而且丁酸梭菌的分泌物具有一定的抗癌作用，可以消除某些致癌物，如丁酸可以消除亞硝銨的致癌活性而達(dá)到抗癌效果。同時(shí)，由于丁酸梭菌在腫瘤組織中具有一定的定植性和選擇性[48]，所以可以通過遺傳工程的改造使其分泌治療性蛋白質(zhì)，如腫瘤壞死因子等。

7 展望

由于石油能源日趨緊張和農(nóng)業(yè)廢棄物造成的環(huán)境污染等問題日益突出，農(nóng)業(yè)種植廢棄物是生產(chǎn)液體燃料的理想原料，可生產(chǎn)各種有機(jī)化學(xué)品，包括乙醇、乳酸、丁醇和丁酸等，有機(jī)化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)可以改善許多與石油消費(fèi)相關(guān)的問題。由于丁酸能夠廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和食品等行業(yè)，因此，利用生物技術(shù)方法生產(chǎn)丁酸具有很大的市場潛力。

利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)有機(jī)化學(xué)品的主要障礙是成本問題，其中將纖維素水解成單糖和二聚糖的費(fèi)用較高，因此，對(duì)丁酸產(chǎn)生菌酶學(xué)和生理學(xué)的研究是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)，通過誘變和基因重組技術(shù)提高丁酸產(chǎn)生菌的酶活力和丁酸產(chǎn)量是研究者們的努力方向。同時(shí)，由于發(fā)酵培養(yǎng)基的成本對(duì)發(fā)酵產(chǎn)丁酸的成本影響很大，這還涉及到再生能源如農(nóng)業(yè)廢棄物作為發(fā)酵底物是否可以有效利用以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化等問題。因此，微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁酸還有很長的路要走。