1.丙酸发酵的简介

1.1.概述

丙酸（Propionic Acid ，简称PA),分子式C₃H₆O₂，是一种常见的低级挥发性有机酸，其生产方法有化学合成法和生物发酵法。工业生产丙酸常用化学合成法，但由于其环境污染严重、可再生资源消耗量大、操作条件苛刻等原因，大力发展生物基丙酸势在必行。

丙酸作为一种重要的精细化工产品和基本化工原料，广泛应用于食品、饲料、橡胶、油漆、涂料、香料、医药、农药、印刷等领域^[1-4]，其衍生产品很多，产业链长，在工业生产和日常生活中均有涉及^[5]。

1.2.生物发酵法生产丙酸

微生物发酵法是丙酸菌在常温、常压下利用一般营养源通过自身代谢产生丙酸，这种方法生产的丙酸是天然丙酸，其安全性相当于绿色食品，在饲料和食品及相关行业应用的竞争优势明显。碳源作为丙酸杆菌正常生长的必需能量来源，直接影响丙酸的合成。丙酸杆菌能够利用的碳源谱较广，最早用的生产原料是糖蜜淀粉，果糖、葡萄糖、麦芽糖、半纤维素、糖蜜、蔗糖、乳糖^[6]、木糖、乳酸等均可作为碳源被丙酸菌利用。在以上几种碳源的条件下进行发酵，得到的终产物成分基本相同，主要产物为丙酸，副产物有乙酸、墟拍酸和丙醇等^[7]。在丙酸发酵中甘油作为碳源也被研究，法国的Patrick Boyaval等人发现以甘油为底物发酵只生成丙酸，没有乙酸，节约后期分离纯化的成本，而且丙酸浓度高达40 g/L。Barbirato F等人也认为甘油作为碳源比葡萄糖更有优点^[8]，但也可能导致在新陈代谢中氧化还原反应不平衡从而抑制细胞生长^[9]。

目前，丙酸发酵生产菌株主要是丙酸杆菌，优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键。用于丙酸生产的丙酸杆菌主要包括产酸丙酸杆菌、费氏丙酸杆菌、薛氏丙酸杆菌、谢氏丙酸杆菌等。在众多丙酸生产菌株中，研究者对于产酸丙酸杆菌的研究最为广泛，费氏丙酸杆菌、薛氏丙酸杆菌次之。

自1923年以来，微生物发酵生产丙酸的专利很多，其代谢途径一般认为主要是经EMP途径和Wood- Werkman途径。 以葡萄糖为底物的化学反应式为：

3C₆H₁₂0₆ → 4CH₃CH₂COOH 2CH₃COOH 2CO₂ 2H₂O

2.蛋白质组学技术

2.1.概述

蛋白质组（proteome）一词是由Wilkins等于 1994 年提出的，用来描述一个细胞、组 织或有机体表达的所有蛋白质。蛋白质组学 (proteomics) 则是研究特定时间或特定条 件下这些蛋白质表达情况的科学^[10-11]。 从蛋白质组学研究目标方面可分为表达蛋白质组学和结构蛋白质组学。目前表达蛋白质组学的研究较为广泛，主要研究细胞或组织在不同条件如药物或疾病状态下蛋白质的表达和功能，这将有助于识别疾病特异蛋白、药物作用靶点、药物功效和毒性标记等。

2.2.蛋白质组学研究技术

蛋白质组学是近年快速发展的生物技术手段之一，可用于分析代谢途径变化，指导工业菌株的基因改造^[12]。目前应用最为广泛的研究方法是蛋白质组学二维凝胶电泳技术与质谱鉴定技术结合的方法。前者根据蛋白质的等电点和分子量将蛋白质分离成单个的蛋白质点，得到较高分辨率及重复性的蛋白图谱，而质谱鉴定技术中的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱可用于蛋白质量指纹图谱分析，是依赖已知数据库初步鉴定蛋白质的理想方法^[12]。研究技术的总体系如下图^[13]所示。

2.2.1.双向凝胶电泳技术

双向凝胶电泳技术在 1975 年出现,是一项广泛用于分离细胞、组织、或其他生物样品中蛋白质混合物的技术，应用于微生物的差异蛋白质表达和蛋白质组学的研究中^[14-15]。其原理是根据蛋白质的两个一级属性, 即等电点和相对分子质量的特异性, 将蛋白质混合物在电荷( 采用等电聚焦方式) 和相对分子质量( 采用SDS-PAGE 方式) 两个方向上进行分离^[16]。

通过二维凝胶电泳技术可以将微生物的大部分蛋白质进行分离，找出二维电泳图谱中的差异，通过比较图谱中的差异蛋白质，就能对这些差异蛋白质进行鉴定，最终可以确定与微生物生命活动相关的蛋白质和基因^[17]，从而阐述微生物的功能蛋白组和功能基因组。

2.2.2.质谱技术

用质谱法分析蛋白质的原理如下，通过电离源将蛋白质分子转化为离子，然后利用质谱分析仪的电场、磁场将具有特定质量与电荷比值(M/Z)的蛋白质离子分离开来，经过离子检测器收集分离的离子，确定离子的M/Z值，分析鉴定未知蛋白质^[13]。

质谱能清楚地鉴定蛋白质并准确测量肤和蛋白质的相对分子质量、氨基酸序列及翻译后的修饰，且灵敏度高、速度快、易自动化等，目前己成为蛋白质组研究中主要的蛋白质鉴定技术^[14]，也是蛋白质组研究中成熟的技术^[15，17]。

参考文献

[1]徐虹，欧阳平凯，王莎莎.发酵法生产丙酸[J].食品与发酵工业，1997,23:62-65.

[2]赵紫华，仪宏，朱文众等.丙酸发酵的研究进展[J].中国食品添加剂,2004,6:14-18.

[3]Woskow S A，Glatz B A.Propionic acid production by a propionic acid-tolerant strain of Propionibacterium acidipropionici in batch and semicontinuous fermentation[J].Appl.Environ.Microbiol.，1991,57（10）：2821-2828.

[4]Kerjean J R，Condon S，Lodi R，et al. Improving the quality of European hard-cheeses by controlling of in teractions between lactic acid bacteria and propionibacteria[J].J.Food Res.Int.，2003,33：281-287.

[5]Long Liu, Yunfeng Zhu, Jianghua Li等.Microbial production of propionic acid from propionibacteria:Current state, challenges and perspectives[J].Critical Reviews in Biotechnology, 2012; 1#8211;8.

[6]Emde R，Sehink B.Oxidation of glyeerol，laetate，and propionate by Propionibacterium freudenreichii in a Poised一Potential amPerometric culture system[J].Aichives of Microbiology 1990，153(5):506一512.

[7]朱云峰，产酸丙酸杆菌发酵生产丙酸过程优化与控制研究，江南大学硕士学位论文：1-7.

[8] McCoy M. Glycerin Surplus Plants Are Closing, and New Uses forthe Chemical Are Being Found [J]. Chem. Eng. News, 2006, 84(6): 7.

[9] An Zhang, Yang ST. Propionic acid production from glycerol by metabolically engineered Propionibacterium acidipropionici [J]. Precess Biochemistry, 2009, 44: 1346-1351.

[0]Walter P., Blackstock , Weir MP. Proteomics: quantitative and physical mapping of cellular proteins. Tibtech, March , 1999 , 17:121-127.

[11] Klaas J. van Wijk. Challenges and prospects of plant proteomics. Plant Physiology, June, 2001,. 126: 501-508.

[12]陶帅，窦文芳，张晓梅等.高产精氨酸的钝齿棒杆菌在高低供氧条件下的差异蛋白质组学初步研究[J].化工学报，2011,6（62）:1649-1654.

[13]黄桂东，Laetobacillus brevis NCL912的耐酸特性及其酸胁迫下差异表达蛋白的研究，南昌大学博士学位论文：20-24.

[14] 黄桂东，钟先锋，李超波等.酸胁迫下短乳杆菌NCL912 蛋白质的差异表达及其作用[J].微生物学报,2011,51(2) :241-248.

[15] Ying Zhang， Jian-Zhong Liu，Jun-Sheng Huang等.Genome shuffling of

Propionibacterium shermanii for improving vitamin B12 production and comparative proteome analysis[J]. Journal of Biotechnology,2010,148:139-143.

[16]李蕾,应万涛,杨何义等.蛋白质组研究中的二维电泳分离技术[J].色谱，2003,1（23）：27-31.

[17]洪美，胡纯铿，秦晴.微生物蛋白质组学研究中的二维凝胶电泳技术[J].江西科学，2009,2（27）：320-324.